Создание методов проектирования процессов формообразования конструкций машиностроения при вязкопластичной деформации гомогенных, евтектически упрочняемых и порошковых материалов

В работе с использованием единого теоретического подхода выполнен анализ процессов вязкопластического формообразования типовых конструкций машиностроения из гомогенных и структурно-неоднородных материалов. В основу теоретического подхода положена замкнутая система уравнений теории пластического течения механики сплошной среды с учетом вязкопластичных свойств. Этот подход позволил обеспечить системное проектирование процессов формообразования конструкций. Для его реализации разработан метод определения модели вязкопластичного деформирования материалов при испытаниях на изгиб.
На основе экспериментальных данных доказана эффективность деформирования мелкозернистых металлов. Основной научной идеей при реализации теоретического подхода является приведение структурно-неоднородных (евтектическиупрочненных и порошковых) материалов к виду квазигомогенных распределенных мелкозернистых структур технологическими методами. Управление структурой реализовано методом винтового уширяющего прессования за счет больших деформаций сдвига в объеме заготовки материала. Заключительное формообразование конструкций машиностроения выполняется с использованием условий вязкопластичного деформирования.
Определены закономерности формообразования тонкостенных элементов постоянной толщины и клиновидной формы при вязкопластичной деформации алюминиевых сплавов АМг5, Д16, В93. Установлено, что при постоянной температуре изотермического прессования и постоянной величине нагрузки, высота тонкостенного элемента увеличивается пропорционально времени выдержки. Существенным является уменьшение усилия при уменьшении скорости деформирования. Экспериментально показано, что формообразование тонкостенных элементов в твердожидком состоянии уменьшает энергосиловые параметры процесса формообразования. В работе предложены режимы обработки для деформируемых алюминиевых сплавов Д16 и В95 с предварительно подготовленной глобулярной структурой. Для типичных представителей моноколёс с радиальным и соосным расположением лопаток определенные энергосиловые параметры процесса и напряженно деформированное состояние в очаге деформации, что позволило оптимизировать условия формообразования. При исследовании использован комплексный подход сопоставления аналитических и численных расчетов, а также экспериментальных данных. Показано, что при проектировании процессов необходимо учитывать использование ресурса пластичности в опасных зонах очага деформации. При этом уменьшение коэффициента использования ресурса пластичности целесообразно достигать управлением скорости деформаций и формой исходной заготовки.
Установлено, что с уменьшением скорости деформирования можно значительно снизить технологическое усилия процесса, а заполнение тонкостенных элементов происходит более устойчиво. Для реализации процессов изготовления деталей ГТД совместно с АО «Мотор Сич» спроектирована и изготовлена установка для изотермической штамповки и штамповой оснастки.
Выполнены исследования комплексного двухстадийного технологического процесса прессования заготовок лопаток компрессора ГТД. Использование на предыдущих операциях винтового уширяющего прессования обеспечило мелкодисперсную структуру евтектическиупрочненного титанового сплава Тi-ТiВ 2 с равномерно распределенной фазой эвтектики. Формообразование заготовки лопатки, которое выполнено на второй стадии, обеспечило повышение механических свойств на 16 ... 20%.
Разработан структурный технологический процесс изготовления фрагмента полой
лопатки из листовых титановых сплавов ВТ6 и ОТ4-1. Отработаны основные операции
процесса - диффузная сварка заготовки под давлением, а также формообразование фрагмента лопатки в условиях сверхпластичности. Определены режимы обработки и разработаны технические рекомендации по реализации процесса. Разработана конструкторская документация и изготовлен совместно с ГП ЗМКБ «Прогресс» им. О.Г. Ивченко оснастка для реализации процесса.
С применением теоретического подхода предложена и экспериментально обоснована физико-механическая модель взаимодействия поверхностей детали и инструмента с промежуточным слоем металлической компоненты смазки. Возникновение крупных деформаций сдвига в промежуточном слое металлического компонента обеспечивает уменьшение коэффициента трения и защиту от адгезионного взаимодействия поверхностей инструмента и детали. Учет вязкопластичной модели деформирования металлического компонента позволило определить при выглаживании коэффициент трения, а также предельную величину коэффициента трения, что обеспечивает устойчивость инструмента при обработке титановых сплавов.
Результаты работы прошли апробацию на предприятиях АО «Мотор Сич» и ГП ЗМКБ «Прогресс» им. О.Г. Ивченко.