Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка способов, технологии и оборудования для формообразования тонкостенных прецизионных труб из титановых сплавов и коррозионно-стойких сталей и подготовки их к сборке в трассу трубопроводов авиационного транспорта.

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
тонкостенный трубопровод, ротационная раскатка, калибровка, титановые сплавы, коррозионно-стойкая сталь, устойчивость пластического формоизменения.

Цель проекта:
Быстрые темпы развития конструкции летательных аппаратов, увеличение габаритных размеров и мощностей, усложнение функциональных задач и режимов эксплуатации обусловливают возрастающую роль трубопроводов в конструкции современных изделий. Отчетливо проявляются тенденции увеличения протяженности трубопроводных систем (до 10 – 12 км на ряде изделий), повышения рабочих давлений в системах (до 25 – 30 МПа), увеличения диаметров (до 150 – 200 мм). Большая протяженность и сложная форма сварных тонкостенных трубопроводов выдвигают высокие требования к качеству, надежности и ресурсу. Сочетание большого диаметра магистралей с малой массой и минимально необходимой из условия прочности толщиной стенки трубы значительно усложняет проблему их формообразования методами обработки металлов давлением. При этом ресурс трубопроводов должен равняться ресурсу планера летательного аппарата в 50000 летных часов. В настоящее время установлено, что высокоресурсный, максимально облегченный трубопровод воздушных систем может быть создан только на основе унифицированных элементов, полученных из трубных заготовок. Однако тонкостенные трубы, поставляемые отечественными металлургическими предприятиями для нужд аэрокосмической промышленности имеют большую разнотолщинность, некруглость, саблевидность. Указанные дефекты затрудняют изготовление качественных трубчатых деталей из титановых сплавов и коррозионно-стойких сталей. В результате возникает необходимость в ручной подгонке и сварке при монтаже трубчатых элементов в трассу, что значительно снижает ресурс трубопровода в целом. Таким образом, актуальным является разработка способов, технологии и оборудования для формообразования тонкостенных прецизионных труб из титановых сплавов и коррозионно-стойких сталей и подготовки их к сборке в трассу трубопроводов авиационного транспорта. Целями реализуемого проекта являются: - повышение энергосиловых характеристик и экономических показателей ракетной и транспортной техники за счет увеличения ресурса и снижения материалоемкости трубопроводных коммуникаций летательных аппаратов; - замещение импорта как самих тонкостенных прецизионных труб из титановых сплавов и коррозионно-стойких сталей, так и оборудования для их производства.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Краткое описание основных результатов.
В ходе выполнения проекта должны быть получены следующие результаты:
1. Математическая модель процесса ротационной раскатки тонкостенных прецизионных труб.
2. Математическая модель процесса поперечного обжима тонкостенной прецизионной трубы.
3. Экспериментальный образец оснастки для ротационной раскатки тонкостенных прецизионных труб и результаты ее испытаний.
4. Экспериментальный образец установки для поперечного обжима тонкостенной прецизионной трубы и результаты ее испытаний.
5. Результаты экспериментальных исследований экспериментальных образцов тонкостенных прецизионных труб по оценке:
- влияния геометрических параметров раскатываемых труб, механических характеристик используемых сплавов, энергосиловых параметров процесса раскатки на попе-речную устойчивость раскатываемой тонкостенной прецизионной трубы.
- влияния геометрических параметров тонкостенной трубы и штампового инструмента, механических характеристик используемых сплавов, энергосиловых параметров процесса обжима на потерю устойчивости тонкостенной прецизионной трубы в продольном направлении.
- влияния степени деформации по толщине стенки оболочки при ротационной рас-катке на циклическую долговечность труб.
- металлографии сварных соединений после ротационной раскатки.
- предела прочности сварных соединений после ротационной раскатки.
- малоцикловой усталости сварных соединений после ротационной раскатки.
- ресурса тонкостенных прецизионных труб после ротационной раскатки при пульсирующем внутреннем давлении.
6. Результаты испытаний экспериментальных образцов прямолинейных участков тонкостенного прецизионного трубопровода из титановых сплавов ВТ1-0, ПТ-7М, ОТ4-0 и коррозионно-стойких сталей AISI 304 и AISI 321.
7. Технологическая инструкция процесса ротационной раскатки тонкостенных прецизионных труб на экспериментальной установке.
8. Технологическая инструкция процесса поперечного обжима тонкостенных прецизионных труб на экспериментальной установке.
9. Проект технического задания на выполнение ОКР по разработке опытного образца оборудования для формообразования тонкостенных прецизионных труб.

2. Основные характеристики планируемых результатов.
- Математическая модель ротационной раскатки тонкостенных прецизионных труб должна представлять собой описание взаимодействия тонкостенной цилиндрической оболочки, жесткой цилиндрической оправкой и давильных элементов. При построении модели принимаются допущения об изотропности жестко-пластичного тела и учитываются условия несжимаемости материала. Моделирование должно выполняться на основе уравнений теории пластического течения с учетом принимаемых ограничений, соответствующих краевым условиям поставленной задачи.
- Математическая модель поперечного обжима тонкостенных прецизионных труб должна представлять собой описание взаимодействия тонкостенной цилиндрической оболочки и многосекторного разжимного инструмента. При построении модели принимаются допущения об изотропности жестко-пластичного тела и учитываются условия несжимаемости материала. Моделирование должно выполняться на основе уравнений теории пластического течения с учетом принимаемых ограничений, соответствующих краевым условиям поставленной задачи.
- Разрабатываемые математические модели ротационной раскатки и поперечного обжима тонкостенных прецизионных труб должны быть функциональными и связывать между собой геометрические параметры оболочки и готового изделия, механические характеристики используемых сплавов с параметрами процессов, обеспечивающими устойчивость пластического формоизменения.
- Экспериментальный образец оснастки для ротационной раскатки тонкостенных прецизионных труб предназначен для экспериментальных исследований влияния геометрических параметров раскатываемых труб, механических характеристик используемых сплавов, энергосиловых параметров процесса раскатки на поперечную устойчивость раскатываемой тонкостенной прецизионной трубы и должен состоять из раскатной головки, сепаратора с давильными элементами, оправки и натяжителя. Экспериментальный образец оснастки для ротационной раскатки должен обеспечить получение тонкостенных прецизионных труб со следующими характеристиками:
- наружный диаметр, мм от 63 до 160;
- толщина стенки, мм от 0,5 до 1,2;
- длина трубы, мм не более 1200;
Материал труб:
- титановые сплавы ВТ1-0, ПТ-7М, ОТ4-0 (ГОСТ 19807-91);
- высоколегированные коррозионно-стойкие стали AISI 304 и AISI 321 (ГОСТ 5632-72).
- Экспериментальный образец установки для поперечного обжима тонкостенной прецизионной трубы предназначен для экспериментальных исследований влияния геометрических параметров тонкостенной трубы и штампового инструмента, механических характеристик используемых сплавов, энергосиловых параметров процесса обжима на потерю устойчивости в продольном направлении и должен состоять из многосектор-ного разжимного инструмента, механизма для раздачиобжатия, гидростанции и пульта управления. Экспериментальный образец установки для поперечного обжима должен обеспечить калибровку концов тонкостенных труб диаметром от 63 до 160 мм с толщиной стенки от 0,5 до 1,5 мм под автоматическую сварку кольцевых стыков.
- Предел прочности сварного шва тонкостенных труб после ротационной рас-катки должен составлять не менее 90% от предела прочности основного металла.
- Циклическая долговечность тонкостенных труб и трубопровода должна быть эквивалентна не менее 50000 летных часов ресурса планера.
- Экспериментальные образцы прямолинейных участков тонкостенного прецизионного трубопровода из титановых сплавов ВТ1-0, ПТ-7М, ОТ4-0 и коррозионно-стойких сталей AISI 304 и AISI 321 должны выдерживать статическое внутреннее давление эквивалентное не менее 50% от предела текучести основного материала трубопровода.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
По результатам проведенных исследований разработаны:
- технологическая инструкция процесса ротационной раскатки с использованием экспериментального образца оснастки для ротационной раскатки.
- технологическая инструкция процесса поперечного обжима тонкостенных прецизионных труб на экспериментальной установке поперечного обжима;
- технологическая инструкция подготовки тонкостенных прецизионных труб для сборки в трассу трубопроводов авиационного транспорта;
- проект технического задания на выполнение ОКР по разработке опытного образца оборудования для формообразования тонкостенных прецизионных труб.
В ходе выполнения проекта были впервые получены следующие результаты:
- разработан и апробирован экспериментальный образец оснастки для ротационной раскатки тонкостенных прецизионных труб;
- разработан и апробирован экспериментальный образец установки для поперечного обжима тонкостенной прецизионной трубы;
- определены механические характеристики материалов экспериментальных образцов тонкостенных труб при статическом и повторно-переменном нагружении, в зависимости от степени деформации стенки при ротационной раскатки трубы.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. К возможным потребителям научного результата ПНИ относятся: предприятия авиационной и ракетно-космической промышленности; предприятия химического и нефтяного машиностроения; предприятия судостроительной промышленности.
2. Разработанные на основе результатов ПНИ технологии и оборудование могут быть внедрены в производство при изготовлении изделий современной авиационной техники (самолеты АН-148, ИЛ-476, МС-21, ИЛ-112, ИЛ-114 и др.). Позволят создать оборудование и разработать технологию для подготовки тонкостенных прецизионных труб для сборки в трассу трубопроводов авиационного транспорта.
3. Увеличение ресурса трубопроводных коммуникаций летательных аппаратов в 2 – 3 раза при одновременном снижении материалоемкости трубопровода на 30 – 40 %.
4. Результаты исследований могут лечь в основу разработки новых энергоэффективных технологий и оборудования для изготовления технических систем для транспортировки жидких и газообразных сред.

Текущие результаты проекта:
В ходе проведенных исследований получены следующие результаты:
- установлено, что обеспечить высокие требования по точности геометрических размеров цилиндрических оболочек и устранить негативное влияние продольных сварных швов можно при помощи ротационной раскатки, применяемой в качестве одного из технологических процессов при формообразовании тонкостенных прецизионных труб из титановых сплавов и коррозионно-стойких сталей;
- установлено, что высокие требования по точности наружного диаметра концов прецизионных труб на этапе их подготовки под автоматическую сварку кольцевых стыков при сборке в трассу можно обеспечить за счет калибровки труб;
- разработаны математические модели ротационной раскатки и поперечного обжима тонкостенных прецизионных труб. Математические модели связывают между собой геометрические параметры оболочки и готового изделия, механические характеристики используемых сплавов с параметрами процессов, обеспечивающими устойчивость пластического формоизменения;
- разработан и изготовлен экспериментальный образец оснастки для ротационной раскатки тонкостенных прецизионных труб, предназначенный для экспериментальных исследований влияния геометрических параметров раскатываемых труб, механических характеристик используемых сплавов, энергосиловых параметров процесса раскатки на поперечную устойчивость раскатываемой тонкостенной прецизионной трубы. Экспериментальный образец оснастки для ротационной раскатки тонкостенных прецизионных труб состоит из раскатной головки, сепаратора с давильными элементами, оправки и натяжителя;
- разработан и изготовлен экспериментальный образец установки для поперечного обжима тонкостенной прецизионной трубы, предназначенный для экспериментальных исследований влияния геометрических параметров тонкостенной трубы и штампового инструмента, механических характеристик используемых сплавов, энергосиловых параметров процесса обжима на потерю устойчивости в продольном направлении. Экспериментальный образец установки для поперечного обжима тонкостенной прецизионной трубы состоит из многосекторного разжимного инструмента, механизма для раздачи-обжатия, гидростанции и пульта управления;
- при проведении экспериментальных исследований экспериментальных образцов тонкостенных прецизионных труб по оценке влияния геометрических параметров раскатываемой тонкостенной прецизионной трубы, механических характеристик используемых сплавов и энергосиловых параметров процесса раскатки на поперечную устойчивость выявлена тенденция изменения критической длины в зависимости от марки материала, диаметра трубной заготовки и степени деформации;
- при проведении экспериментальных исследований экспериментальных образцов тонкостенных прецизионных труб по оценке влияния геометрических параметров тонкостенной прецизионной трубы и штампового инструмента, механических характеристик используемых сплавов, энергосиловых параметров процесса обжима на потерю устойчивости этой трубы в продольном направлении выявлена тенденция изменения усилия на штоке гидроцилиндра, при котором происходит потеря устойчивости экспериментального образца в продольном направлении в зависимости от марки материала, шага подачи трубной заготовки при обжиме, диаметра трубной заготовки и степени деформации стенки трубы при раскатке;
- при проведении экспериментальных исследований экспериментальных образцов тонкостенных прецизионных труб по оценке влияния степени деформации по толщине стенки оболочки при ротационной раскатке на циклическую долговечность труб определено максимальное количество циклов нагружения при отнулевом цикле в зависимости от степени деформации стенки и вида материала трубы;
- при проведении экспериментальных исследований экспериментальных образцов тонкостенных прецизионных труб по оценке металлографической структуры сварных соединений после ротационной раскатки получены фотографии микроструктуры шлифов сварного соединения в зависимости от марки материала и степени деформации по толщине стенки тонкостенной прецизионной трубы при ротационной раскатке;
- при проведении экспериментальных исследований экспериментальных образцов тонкостенных прецизионных труб, определен предел прочности материала сварного соединения в зависимости от марки материала и степени деформации стенки трубы при ротационной раскатке;
- при проведении экспериментальных исследований по оценке малоцикловой усталости сварных соединений после ротационной раскатки определено количество циклов нагружения, при которых происходило разрушение экспериментального образца, в зависимости от марки материала и степени деформации стенки трубы при ротационной раскатке;
- при проведении экспериментальных исследований по оценке ресурса тонкостенных прецизионных труб после ротационной раскатки при пульсирующем внутреннем давлении установлено, что ресурс прямошовных сваренных автоматической аргонодуговой сваркой трубных заготовок из листа толщиной 0,8 мм без дополнительной обработки сварного шва меньше базы испытаний в 170000 циклов нагружения, а ресурс трубных заготовок, у которых продольный шов был подвергнут ротационной раскатке с толщины 1,0 мм до толщины 0,8 мм больше базы испытаний в 170000 циклов нагружения.