CC BY
3
УДК 621.774.8
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-32-35
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ СИЛЬФОНА С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭФФЕКТА СТЕСНЕННОГО ИЗГИБА
А.С. Масленникова, А.А. Шаров
Предложено теоретическое исследование возможности реализации технологии формирования поперечных гофр на трубных изделиях, например, сильфонах, упругим инструментом с использованием принципа обратного растяжения совместно с эффектом стесненного изгиба. Проведен краткий анализ методов изготовления сильфонов. Предложена геометрия матрицы для формообразования сильфона. Выбраны параметры варьирования геометрических параметров профиля матрицы на первом этапе формообразования, произведен сравнительный расчет технологий изготовления сильфонов. Дана оценка полученных результатов.
Ключевые слова: сильфон, технология, формообразование, стесненный изгиб.
На качество авиационной техники чаще всего влияет надежность всех ее систем, механизмов, агрегатов, узлов и деталей. Гидрогазовые и, в частности, трубопроводные системы авиационной техники в большей степени влияют на надежность изделий. Для осевой компенсации тепловых расширений, рабочих и монтажных смещений в узлах передачи газа и жидкости под давлением применяют сильфоны. Сильфоны применяют, например, в гибких гофрированных герметичных системах летательных аппаратов.
Металлические сильфоны нашли широкое применение в различных областях промышленности при решении большой номенклатуры технических задач. Сильфоны используются в приборах различного назначения в качестве упругих чувствительных элементов, выполняют функции компенсаторов тепловых расширений трубопроводов, разделителей сред, герметичных уплотнителей и др. Сильфоны являются весьма ответственными элементами приборов; срок службы и надежность которых, как правило, определяют срок службы и надежность работы приборов и изделий в целом [1, 2].
Наиболее распространены цилиндрические однослойные бесшовные сильфоны, несмотря на многообразие конструктивных исполнений.
Одним из основных требований, предъявляемых к сильфонам, является сохранение стабильности пропорциональной зависимости упругой деформации сильфона от прилагаемых нагрузок, давления, температуры, усилия при длительном статическом или динамическом нагружении в условиях воздействия различных климатических факторов, вибраций, ускорений и т.д.
Во время работы техники сильфон должен сохранять эксплуатационные характеристики, в том числе прочность и герметичность, при циклическом воздействии внешних или внутренних нагрузок, температуры.
Основной причиной разрушения сильфонов является износ материала в области вершины внешнего диаметра, в виду утонения материала в этой области на этапе изготовления изделия [2]. Поэтому возникает проблема создания надежных изделий типа сильфон.
Для повышения качества изготовления сильфонов, была предложена технология формовки сильфонов эластомером, позволяющая обеспечить высокую равномерность толщины стенки готового изделия. Технология позволит получить равномерное распределение толщины за счет формообразования рифта в разъемной секционной матрице за два этапа. На первом этапе выполняется набор длины образующей, на втором этапе выполняется посадкой набранного (на предыдущем этапе) материала.
Многообразие методов производства сильфонов можно разделить на четыре вида: механические, гидравлические, эластомерные, штамповка взрывом.
Механические методы являются универсальными, однако существенным недостатком является неравномерность жесткости сильфона и, как следствие, невысокая работоспособность и долговечность изделий.
Большое влияние на процесс штамповки взрывом оказывает влияние дистанция взрыва, форма и масса заряда и, несмотря на возможность штамповки деталей любых размеров и толщин, необходимо большое количество вспомогательных работ.
При изготовлении сильфона методом гидравлического формования стенки изделия получаются более равномерными по всей рабочей поверхности сильфона. Основным недостатком этого метода является сложность его реализации в виду дополнительной герметизации системы заготовка-инструмент и как следствие увеличение давлений на изготовление изделия.
Метод формовки эластомерами [3, 4] имеет ряд достоинств по сравнению с другими методами формовки изделий с поперечными рифтами: отсутствует значительное утонение материала трубы в области вершины внешнего диаметра; упрощенная конструкция и сниженная металлоемкость оснастки и, соответственно, ее стоимость; детали, изготовленные данным методом, имеют высокое качество, поскольку на поверхности деталей отсутствуют заусенцы, царапины и задиры [2].
Технология машиностроения
Возможность формования изделия в два этапа обеспечивается за счет разъемной секционной матрицы. Разработанная технология позволит снизить утонение в области вершины внешнего диаметра сильфона.
Чтобы осуществить теоретический расчет за основу была принята уже известная методика расчета Исаченкова [5], теоретические основы которой были преобразованы исходя из нового профиля инструмента. Формообразование деталей с применением эффекта стесненного изгиба позволяет повысить качество изготавливаемых деталей. В то же время технологическая оснастка усложняется незначительно. Технологии с эффектом стесненного изгиба были неоднократно апробированы при изготовлении листовых деталей [2, 6, 7, 8, 9, 10, 11].
Для оценки характера изменения толщины материала в области вершины внешнего диаметра был произведен расчет параметров процесса формообразования сильфона для варьируемых геометрических параметров матрицы первого перехода. Профиль матрицы для первого перехода формообразования гофры сильфона представлен на рисунке.
Го Э; |
1.
Г \ ' , \ 1
У
Профиль матрицы для первого перехода формообразования гофры сильфона: Ь - ширина волны; а0 - угол волны на начальном этапе посаживания; г - радиус волны на начальном этапе посаживания; г0 - радиус профиля матрицы; Н - высота волны; а - длина прямолинейной части
рифта
Параметры варьирования геометрических параметров профиля матрицы представлены в таблице.
По результатам расчета был получен ряд графических зависимостей, которые позволили избежать временные затраты на уточняющий расчет каждого вида изделия одного семейства размеров.
Параметры варьирования геометрических параметров профиля матрицы
Высота волны Н, мм Толщина заготовки х0, мм Радиус волны на начальном этапе г, мм Угол волны на начальном этапе посаживания «п, рад Ширина волны Ь, мм Длина прямолинейной части рифта а, мм
0,235 0,168 0,331 0,490 1,968 1,358 1,085 0,867 1,104 1,349 0 2 4 6 8 10 12
0,335 0,04 0,17 0,30 0,099 0,200 0,361 2,355 1,980 1,570 0,867 1,054 1,295 0 2 4 6 8 10 12
0,435 0,193 0,266 0,459 2,355 2,093 1,570 1,140 1,298 1,709 0 2 4 6 8 10 12
Для сравнения традиционной и разработанной технологий был произведен расчет для заготовки из стали Х18Н9Т. Конструктивные параметры рифта: толщина стенки - 0,3 мм, высота волны - 0,335 мм, радиус - 0,361 мм, угол - 1,570 рад, ширина волны 1,295 мм, длина прямолинейной части рифта 0
мм.
По результатам сравнительного расчета толщина в области вершины внешнего диаметра силь-фона составила 0,266 мм при формообразовании изделия по традиционной технологии и 0,312 мм при формообразовании изделия по разработанной технологии.
Таким образом, установлено, что толщина материала в области вершины внешнего диаметра сильфона после окончательного его формования зависит от формируемого избытка материала на первом этапе, которое, в свою очередь, зависит от радиусов профиля матрицы.
Выяснено, что разработанная технология действительно позволяет улучшить качество изделия за счет получения более равномерной стенки изделия на вершине внешнего диаметра.
Список литературы
1. Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. М.: МАШГИЗ, 1962. 456 с.
2. Масленникова А.С., Моисеев В.К., Шаров А.А. Формообразование поперечных рифтов на трубах с минимизацией утонения на вершине рифта // XLV Академические чтения по космонавтике по-свящённые памяти ак. С.П. Королёва и других выдающихся отечественных учёных - пионеров освоения космического пространства. 2021. Т. 4. С. 19-21.
3. Belhassen L., Koubaa S., Wali M, Dammak F. Numerical prediction of springback and ductile damage in rubber-pad forming process of aluminum sheet metal // International Journal of Mechanical Sciences. 2016. V. 117. P. 218 - 226.
4. Ramezani M., Ripin Z. M., Ahmad R. Computer aided modelling of friction in rubber-pad forming process // Journal of Materials Processing Technology. 2009. V. 209. P. 4925-4934.
5. Исаченков Е.И. Штамповка резиной и жидкостью. М.: Машиностроение, 1967. 367 с.
6. Moiseyev V.K., Sharov A.A., Gromova E.G., etc. Results of the sheet parts curved edges constrained bending with elastomer // Key Engineering Materials. 2017. V. 746. P. 285-289.
7. Gromova E.G., Eskina E.V. Research of the parts pressing process using the elastic media pressure // Key Engineering Materials. 2016. V. 684. P. 273-277.
8. Gromova Ye.G., Bakanova A.G. Research into contact interaction of an elastic tool during rotational pattern cutting of sheet parts // Key Engineering Materials. 2016. V. 685. P. 408-412.
9. Yeskina Ye.V., Gromova Ye.G. Mathematical simulation of cramped bending of sheet parts using finite element analysis // Key Engineering Materials. 2016. V. 685. P. 186-190.
10. Lomovskoi O.V., Moiseev V.K., Plotnikov A.N., etc. Material stress strain behaviour and elastomer pressure under constrained bending of sheet edges // Russian Aeronautics. 2015. V. 58 (1). P. 81-87.
11. Масленникова А.С., Моисеев В.К., Шаров А.А. Формовка эластомером сильфонов трубопроводных систем ЛА с применением технологии стеснённого изгиба // XLII Академические чтения по космонавтике. 2018. С. 366.
Масленникова Анна Сергеевна, аспирант, maslennikova.ssau@mail.ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева,
Шаров Андрей Алексеевич, канд. техн. наук, доцент, aa. scharov@yandex.ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
THEORETICAL STUDY OF BELLOWS MOLDING PROCESS USING THE EFFECT OF CONSTRAINED
BENDING
A.S. Maslennikova, A.A. Sharov
A theoretical study of the possibility of implementing the technology of forming transverse corrugations on tubular products, for example, bellows, with an elastic tool using the principle of reverse stretching together with the effect of constrained bending is proposed. A brief analysis of the methods of manufacturing bellows is carried out. The geometry of the matrix for shaping the bellows is proposed. The parameters for varying the geometrical parameters of the matrix profile at the first stage of shaping are selected, a comparative calculation of bellows manufacturing technologies is made. An assessment of the results obtained is given.
Key words: bellows, technology, shaping, constrained bending.
Maslennikova Anna Sergeevna, postgraduate, maslennikova.ssau@mail.ru, Russia, Samara, Samara National Research University,
Sharov Andrey Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, aa.scharov@yandex.ru, Russia, Samara, Samara National Research University
