Создание комбинированной технологии правки-упрочнения деталей типа подкрепленных ободов и стенок

Машиностроение и машиноведение

проблемы и перспективы // Вестник ИрГТУ. 2011. № 8. С. 148-154.

27. Ржечицкий Э.П., Кондратьев В.В., Тенигин А.Ю. Технологические решения по охране окружающей среды при производстве алюминия. Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2013. 159 с.

28.Извлечение наночастиц углерода из фторированного глинозема при производстве алюминия / В.В. Кондратьев и др. // Металлург. 2012. № 12. С. 74-78.

29.Шахрай С.Г., Коростовенко В.В., Ребрик И.И. Совершенствование систем колокольного газоотсоса на мощных электролизерах Содерберга. Красноярск : ИПК СФУ, 2010. 146 с.

30. Технико-экологические и правовые аспекты производства алюминия / В.В. Кондратьев и др. СПб. : Изд-во МАНЭБ, 2011. 224 с.

31. Влияние коэффициентов фильтрации на достоверность прогноза изменения напряжения алюминиевого электролизера / В.А. Ершов и др. // Вестник ИрГТУ. 2010. № 5 (45). С. 184-187.

32. Ершов В.А., Сысоев И.А. Способ определения концентрации глинозема в криолит-глиноземном расплаве // патент на изобретение RUS 2467095 10.05.2011.

33. Исследование и разработка технологии получения алюминия с применением глинозема из боксита Средне-Тиманского месторождения : дис. ... канд. техн. наук / В.А. Ершов. Иркутск, 2008.

34. Определение эффективности работы алюминиевых электролизеров при использовании укрупненного глинозема марки Г-00К / Н.В. Евсеев и др. // Цветные металлы. 2006. № 12. С.51-54.

35. Производство алюминия и сплавов на его основе: справочник металлурга / Б.И. Зельберг и др. Иркутск : Издательство ИрГТУ. 2015. 764 с.

36. Наноструктуры и алюминиевая промышленность / В.В. Кондратьев и др. // Вестник ИрГТУ. 2015. № 8. С. 77-85.

37.Радионов Е.Ю., Ершов В.А. Особенности магнитной гидродинамики электролизёров ОА-300 5-ой серии иркутского алюминиевого завода // Вестник ИрГТУ. 2009. № 4 (40). С. 210-213.

38.Ершов В.А. Автоматическая подача глинозема на электролизерах с боковым токопроводом // Системы. Методы. Технологии. 2014. № 4 (24). С.99-102.

УДК 621.982.5 Макарук Александр Александрович,

к. т. н., доцент кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств, Иркутский национальный исследовательский технический университет, тел. 8-952-610-64-95, e-mail: makaruk_aa@mail.ru Гридасова Елена Владимировна, инженер кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств, Иркутский национальный исследовательский технический университет, тел. 8-904-146-00-13, e-mail: rapid-steel@mail.ru

СОЗДАНИЕ КОМБИНИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРАВКИ-УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ

ТИПА ПОДКРЕПЛЕННЫХ ОБОДОВ И СТЕНОК

A. A. Makaruk, E. V. Gridasova

DEVELOPMENT OF COMBINED SHAPING-HARDENING TECHNOLOGY

FOR RIBBED RIMS AND WEBS

Аннотация. Для правки и упрочнения маложестких подкрепленных деталей представлена комбинированная технология, включающая в себя превентивное деформирование раскаткой и дробеметное упрочнение. Рассмотрены этапы разработки технологии и применяемые методы исследования. Для разработки методики расчета параметров комбинированного процесса правки-упрочнения необходимо выполнение следующих этапов: разработка программы-методики исследования; разработка методики расчета технологических параметров процесса с применением САЕ-систем; проведение экспериментальных исследований согласно программы-методики; отработка технологии на конструктивно-подобных образцах, разработка и согласование технологической инструкции; внедрение в производство.

Показано, что в результате экспериментально-теоретических исследований возможна разработка методика расчета технологических параметров процесса правки-упрочнения. Отмечено, что дополнительные сложности при моделировании данного процесса вносит оребренная конструкция деталей, так как напряжения на ребрах и полотне могут получаться различными. Оценка точности разработанной методики будет сделана на основе сравнения расчетных данных с результатами эксперимента на КПО. Как итог разработок является возможность создания соответствующей нормативной документации для внедрения процесса на производство.

Ключевые слова: раскатка, дробеметная обработка, коробление, поверхностное упрочнение.

Abstract. For straightening and hardening Malaiesti supported by details presented combined technology, which includes preventive deformation by rolling and shot-blasting hardening. The stages of technology development and applied research methods. To develop methods of calculation ofparameters of the combined process of editing-hardening has the following stages: application development-methods of investigation; development of methods of calculation of technological process parameters with the use of CAE systems; pilot studies according to the program-methodology; development of a technology for structurally-similar patterns, development

and coordination of operational procedures; implementation into production. It is shown that as a result of theoretical and experimental studies it is possible to develop the method of calculation of technological parameters of the process changes-hardening. It is noted that additional challenges in the simulation of this process is making a finned design details, as the voltage on the ribs and the canvas can be different. To evaluate the accuracy of the developed methods will be made on the basis of comparison of the calculated data with the experimental results for KPO. As a result of these developments is the ability to create relevant normative documents for the implementation of the process ofproduction.

Keywords: rolling, shotpeening, buckling, case-hardening.

Введение

Подкрепленные ободы и стенки входят в конструкцию силового каркаса летательного аппарата, предназначенного для восприятия нагрузок и сохранения его пространственной формы, и представляют собой протяженные в одной или двух плоскостях детали с подкреплениями в виде ребер. Типовая деталь - стенка нервюры показана на рис. 1. Она является элементом поперечного силового каркаса самолета, который связывает воедино продольные элементы и обшивку и обеспечивает сохранение формы аэродинамического профиля. Нервюры в процессе эксплуатации испытывают воздушную нагрузку от обшивки и стрингеров и нагрузку от сил, возникающих вследствие деформации конструкции. От воздушной нагрузки нервюры работают на изгиб и сдвиг, опираясь на лонжероны и обшивку. От сил, возникающих при деформации изгиба крыла, они работают на сжатие.

Рис. 1. Стенка нервюры

Конструкция детали представляет собой полотно с оребрением с одной стороны в двух плоскостях. Такая конструкция обеспечивает необходимые жесткость и прочность при минимальной массе детали. Вырезы в нервюре нужны для прохода стрингеров. Отверстие в нервюре делается для выгодного распределения материала по стенке, которое позволяет получить выигрыш в весе нервюры. Стенки нервюр изготавливаются фрезерованием термообработанных плит из сплава 1163 системы А1 - Си - Mg, что способствует возникновению под действием остаточных напряжений коробления на деталях. Эффективным методом правки после механообработки является раскатка роликами ребер детали с получением требуемой

формы (допустимых отклонений от плоскостности) перед упрочнением [1].

Упрочнение деталей

Дробеметное упрочнение повышает сопротивляемость материала к образованию усталостных трещин и, как следствие, ресурс изделия [29]. Однако возникающие в ходе механообработки и поверхностного упрочнения остаточные напряжения (ОН) приводят к искажению пространственной формы детали (короблению).

Дефекты формы деталей делятся на три группы: искажения поперечного сечения, искажения по длине и закручивание (искажения углов в продольном направлении). К искажениям поперечного сечения относятся искривления полок и ребер, непараллельность ребер, искажения поперечной кривизны. Искажениями по длине являются волнистость, саблевидность, неплоскостность.

Жесткие требования по точности изготовления детали обусловили необходимость ввода в технологический процесс операций правки не только после механообработки, но и после упрочнения. Для правки упрочненных деталей обычно применяют ручные дробеметы, однако такой метод правки обладает ограниченной эфффективно-стью. Упругопластическая правка, например, при помощи прессов, после дробеметного упрочнения не допускается из-за возможности нежелательного перераспределения остаточных напряжений и возникновения трещин.

Для задач, связанных с формообразованием, правкой и упрочнением деталей крыла самолета, на Иркутском авиационном заводе внедрен технологический комплекс оборудования [10]. Для правки деталей после механообработки раскаткой роликами используются специально разработанные ручные раскатники, готовится к внедрению механизированная раскатная установка УФП-1. Для поверхностного упрочнения применяется дробеметная установка УДП-2-2,5 с системой ЧПУ. На основе имеющегося оборудования может быть разработана и внедрена комплексная технология превентивного деформирования-упрочнения, которая позволит минимизировать искажения формы после дробеметного упрочнения и тем самым избежать завершающей операции правки.

Машиностроение и машиноведение

Данная технология предполагает внесение в деталь предыскажений формы, компенсирующих образующиеся при последующем дробеметном упрочнении пластические деформации. Режимы упрочняющей обработки дробью для внешней и внутренней сторон детали подбираются таким образом, чтобы изгибные моменты, образующие поперечную кривизну, компенсировали друг друга [11].

М'" = М

ОЫ' X '

где Мг", М°"' - компоненты изгибающего момента, действующего с внутренней и внешней сторон.

Продольная кривизна детали, получаемая после упрочнения, вычисляется следующим способом:

М'" - Мои' к. =- у у

Е1

где М'П,МО' - компоненты изгибающего момента, действующего с внутренней и внешней сторон, E - модуль Юнга, I - момент инерции сечения расчетного участка детали.

Продольная кривизна ку компенсируется внесением кривизны противоположного знака раскаткой, проводимой перед упрочнением. Это может быть сделано на стадии правки детали раскаткой после механообработки.

Методика расчета параметров

упрочнения деталей

Для разработки методики расчета параметров комбинированного процесса правки-упрочнения планируется выполнение следующих этапов:

1. Разработка программы-методики (ПМ) исследования.

2. Разработка методики расчета технологических параметров процесса с применением САЕ-систем.

3. Проведение экспериментальных исследований согласно ПМ.

4. Отработка технологии на конструктивно -подобных образцах (КПО), разработка и согласование технологической инструкции.

5. Внедрение в производство.

На втором этапе будет осуществлено компьютерное моделирование процесса. В работах, посвященных моделированию обработки дробью, чаще всего применяются модели в конечных элементах, созданные в таких программных средах, как Ь8-БУ]ЧЛ, ЛВЛдШ, Л№У8. Моделирование

дробеударной обработки методом конечных элементов включает в себя статический и динамический анализ [12]. Тип анализа выбирается в зависимости от требований к его реализации и результатам.

Для определения деформаций модели, образованных действием ОН, используется статический анализ. Он реализуется в три этапа: определение эпюры ОН, приложение нагрузки к конеч-ноэлементной модели детали; расчет деформаций. Основными параметрами при создании конечно-элементной модели являются глубина залегания ОН и распределение ОН по толщине поверхностного слоя, для чего определяется эпюра ОН. В ко-нечноэлементной модели детали выделяется два объема: поверхностный слой в виде оболочки заданной толщины и остальная часть детали. В случае действия различных напряжений в определенных областях детали эти области разбиваются на отдельные объемы. Предлагаются различные методы задания нагрузки [13]: задание эпюры эквивалентных начальных напряжений; задание распределения температур или коэффициентов теплового расширения, разность которых вызывает деформации; разделение приповерхностной области детали на ряд слоев и приложение к ним давления.

Динамический анализ позволяет исследовать процесс упрочнения с учетом динамических процессов и определить влияние параметров обработки на распределение ОН, состояние поверхности и другие характеристики материала детали. В этом случае модель создается как сплошной объем без выделения приповерхностного слоя и моделируется каждый отдельный удар дробинки о поверхность (рис. 2).

Динамический анализ дробеметной обработки сопряжен с рядом трудностей, связанных с рассмотрением процесса во времени, в частности, с возникновением колебаний в системе. Поэтому

а)

ЬЦ;*:;:

Л :

Мб

Ш»

б)

Рис. 2. Моделирование дробеметной обработки методом конечных элементов: а) распределение остаточных напряжений после единичного удара [14];

б) моделирование множественных ударов [15]

исследование процесса перераспределения остаточных напряжений и образование остаточных деформаций в зависимости от времени является актуальной задачей, и динамическому моделированию дробеударной обработки посвящено значительное число работ последних лет, в основном зарубежных.

Заключение

Экспериментальные исследования позволят получить эпюры ОН и проверить адекватность созданной математической модели. Основными методами определения ОН являются механический, рентгеновский, магнитошумовой (только для ферромагнитных материалов), метод АФЧХ [16]. Наибольшую точность обеспечивает механический метод, что особенно важно при оценке напряженного состояния маложеских деталей. Этот метод основан на последовательном удалении поверхностных слоев измеряемого образца электрохимическим травлением или иным способом, не вносящим в поверхностный слой образца напряжений, и измерении величины происходящей при этом деформации, вызванной разгрузкой образца от напряжений, содержавшихся в удаленном слое. По величине деформации рассчитывают величину ОН. Рентгеновский метод позволяет определить ОН, образованные только упругой деформацией, тогда как механический метод даёт возможность рассчитать ОН как от упругой, так и от пластической составляющей деформации.

Результатом экспериментально-теоретического исследования станет методика расчета технологических параметров процесса правки-упрочнения. Дополнительные сложности при мо-

делировании данного процесса вносит оребренная конструкция деталей, так как напряжения на ребрах и полотне могут получаться различными. Оценка точности разработанной методики будет сделана на основе сравнения расчетных данных с результатами эксперимента на КПО. В итоге будет разработана соответствующая нормативная документация для внедрения процесса на производство.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Пашков А.Е., Викулова С.В., Макарук А.А. Формообразование и правка маложестких деталей при помощи переносного инструмента // Высокие технологии в машиностроении : материалы Всерос. науч.-техн. конф. с международ. участием. Самара, 2009. С. 156-159.

2. Использование компьютерных технологий при дробеударном формообразовании панелей / Пашков А.Е. и др. // Вестник ИрГТУ. 2001. №11. С. 6-11.

3. Пашков А.Е., Дияк А.Ю., Чапышев А.П. Моделирование процесса дробеударного формообразования // Высокие технологии в машиностроении : сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. / Самарск. гос. техн. ун-т. Самара, 2004. С.23-25.

4. Пашков А.Е., Дияк А.Ю. Определение параметров дробеударного формообразования-упрочнения при помощи CAD/CAM/CAE систем. Иркутск, 1998. С. 59-62.

5. Пашков А.Е., Дияк А.Ю. О создании системы автоматического расчета параметров дробе-ударного формообразования // Современные технологии в машиностроении : сб. докл. Все-росс. науч.-практ. конф. Пенза, 2001. Ч. 1. С.107-110.

6. Пашков А.Е., Дияк А.Ю. О моделировании процесса дробеударного формообразования длинномерных панелей // Инструмент и технологии XXI века : сб. докл. Междунар. семинара. Иркутск, 2003.С. 111-117.

7. Дияк А.Ю. Граничные условия при моделировании формообразования длинномерных листовых деталей в САЕ системах // Перспективные технологии получения и обработки материалов : материалы регион. науч.-техн. конф. / под ред. С.А. Зайдеса. Иркутск : изд-во ИрГТУ, 2004.

8. Пашков А.Е., Дияк А.Ю. Внутренние силовые факторы процесса дробеметной обработки листовых деталей // сб. материалов Междунар. научн.-практ. конф. Иркутск, 2005. - С. 171177.

Машиностроение и машиноведение

9. Дияк А.Ю. Перспективные методы определения степени покрытия при обработке дробью // Вестник ИрГТУ. 2014. №7 (90). С. 12-17.

10.Пашков А.Е. Технологический комплекс для формообразования длинномерных панелей и обшивок на базе отечественного оборудования // Известия Самар. науч. центра Рос. акад. наук. 2014. Т. 16. № 1-5. С. 1528-1535.

11.Пашков А.Е. Об особенностях применения отечественной и зарубежной технологии формообразования обшивок и панелей самолетов // Вестник ИрГТУ. 2015. № 5 (100). С. 17-22.

12. Букатый А.С. Повышение точности изготовления ответственных деталей двигателей средствами статического и динамического моделирования // Известия Самар. науч. центра Рос. акад. наук. 2014. Т. 16, № 6(2). С. 374-377.

13.Gariepy A., Larose S., Perron C., Levesque M. Shot Peening and Peen Forming Finite Element Modelling // Towards a quantitative method/ International Journal of Solids and Structures. 2011. Vol. 48, Issue 20. PP. 2859-2877.

14.Penuelas I., Rodriguez C., Garcia T.E., Belzunce F.J. Numerical Simulation of Shot Peening Process: Influence of the Constitutive Model of the Target Material // WSEAS transactions on applied and theoretical mechanics. 2015. Vol. 10. PP.194-203.

15.G.I. Mylonas, G. Labeas, Surf. Coat. Technol. (2011), doi:10.1016/j.surfcoat.2011.03.080

16.Овсеенко Е.С., Овсеенко А.Н., Ягуткин Е.Г. Методы определения технологических остаточных напряжений в деталях малой жесткости // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2011. № S4-6. С. 29-32.

УДК 621. 793.7.001.5 Черняк Саул Самуилович,

д. т. н., профессор кафедры «Автоматизация производственных процессов», Иркутский государственный университет путей сообщения,

тел. 89041252820 Бройдо Владимир Львович,

к. т. н., главный сварщик, ОАО ПО «Иркутский завод тяжелого машиностроения»,

тел. 8-914-878-50-21, e-mail: vbroido@iztm.ru Агрызков Леонид Емельянович, к. т. н., главный металлург, ОАО ПО «Иркутский завод тяжелого машиностроения»,

тел. 8(3952)28-81-21, e-mail: aleonid@iztm.ru

ВЛИЯНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ И УПРОЧНЯЮЩИХ ОБРАБОТОК (ВТМО, НТМО, ТЦО, ИМО) НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ВЫСОКОМАРГАНЦЕВЫХ СТАЛЕЙ

S. S. Chernjak, V. L. Broido, L. E. Agriezkov

ADDITIONAL DOPING AND STRENGTHENING TREATMENTS EFFECT ON THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF THE MANGANESE STEELS

Аннотация. В работе представлен методологический базис разработки технологий получения высокомарганцевых легированных сталей, обладающих повышенными прочностными свойствами. Показано, что структура материалов и их свойства определяются и варьируются в широких пределах введением легирующих добавок, в том числе ванадия и молибдена. Разработан комплексный подход к формированию широкого спектра свойств сталей, отличающихся высокой прочностью, ударной вязкостью, хладостойкостью и устойчивостью к усталостному разрушению. Особенностью предлагаемых методов упрочнения материалов является применение специальных термических, механотермических, циклических и ударных термомеханических обработок материала. В работе проводится сравнительный обзор свойств сталей с возможными условиям их нагруженных состояний. Излагаются результаты экспериментальных исследований в увязке с информацией о химическом составе сталей и условиях их дополнительной обработки.

Представленные материалы содержат результаты оригинальных разработок, апробированных в условиях эксплуатации изделий из высокомарганцевых легированных сталей в горной промышленности Сибири и в системах железнодорожного транспорта.

Ключевые слова: высокомарганцевая сталь, химический состав, механические свойства, термическая обработка, термоциклическая обработка, термомеханическая обработка, черпаки, барабаны, световая, количественная, электронная микроскопия, легирование, рентгеноструктурный анализ.

Abstract. The methodological basis of development of technologies of receiving manganese alloy steels with raised strenght properties is presented in the article. It is shown that structure of materials and their properties are identified and vary in largely limits of introduction of alloying additives, including vanadium and molybdenum. The complex approach to formation of a wide spectrum of properties of steels with high durability, impact strength, cold resistance and stability to fatigue failure is developed. Application of special thermal, mechanic-thermal, cyclic and shock thermomechanical processings of a material is a feature of offered methods of hardening of materials. The comparative review ofproperties of steels with possible conditions of their loaded provisions is made in the article. The results of experimental researches in coordination with the information on a chemical compound of steels and conditions of their additional processing are given.