Введение к работе
Актуальность темы. Важнейшими задачами, стоящими на сегодняшний день перед промышленностью, являются повышение качества выпускаемой продукции, экономия материала (сырья) и повышение производительности, механизация и автоматизация производства.
В современных условиях рыночных отношений и конкурентной борьбы, от решения этих задач зависит экономическая эффективность – решающий фактор в промышленном производстве любого изделия.
Производство деталей машин с высоким качеством поверхности, точными размерами и заданными механическими характеристиками с помощью механической обработки характеризуется высокой трудоемкостью и низким коэффициентом использования металла.
Значительная роль в решении указанных выше задач отводится методам обработки металлов давлением, позволяющим обеспечивать малоотходное или безотходное использование металла, формоизменение вместо механической обработки резанием.
Широкое распространение при производстве изделий различных отраслей промышленности нашли детали конической конфигурации – горловины и днища баллонов и других ёмкостей, обтекатели и сопла летательных аппаратов, корпусы центрифуг и сепараторов, воронки для работы с сыпучими материалами и жидкостями, переходные конусы для соединения трубопроводов и др.
Изготовление деталей такого типа с помощью традиционных методов обработки металлов давлением, например методом вытяжки, требует большого количества прессовых, механических и термических операций, дорогостоящего оборудования и оснастки.
При изготовлении конических деталей широкое применение находят методы обработки давлением с созданием локального очага деформации. Одним из таких методов является ротационная вытяжка (РВ), представляющая собой процесс пластического формоизменения заготовки на вращающейся оправке с помощью деформирующих элементов (роликов, шариков).
Ротационная вытяжка осуществляется с утонением стенки и делится на ротационную проекционную вытяжку (РВ по закону синусов), ротационную вытяжку с переутонением и ротационную вытяжку с недоутонением. В данной работе рассматривается случай ротационной проекционной вытяжки.
Прокат, применяемый в качестве заготовки при ротационной вытяжке конических деталей, обладает анизотропией механических свойств, которая оказывает существенное влияние на силовые, деформационные параметры процессов пластического деформирования и качество получаемых изделий. Это обстоятельство требует особого внимания при проектировании технологических процессов получения изделий с повышенными эксплуатационными характеристиками, и должно быть учтено при проведении расчетов параметров процесса.
При разработке технологических процессов ротационной вытяжки (РВ) в настоящее время используют эмпирические зависимости из различных справочных материалов, а также результаты теоретических исследований, в которых не в полной мере учитываются локальный характер формоизменения и анизотропия механических свойств материала заготовки. Таким образом, развитие теории и технологии проекционной ротационной вытяжки с утонением стенки конических деталей из анизотропных заготовок является актуальной задачей.
Работа выполнена в соответствии с грантом Президента РФ на поддержку ведущих научных школ при выполнении научных исследований (грант № НШ-4190.2006.8), грантами РФФИ № 07-01-00041 (2007-2009 гг.) и № 10-08-97526 (2010 г.), научно-технической программой Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.)» и государственным контрактом Министерства образования и науки Российской Федерации № 14.740.11.0038, а также рядом хоздоговорных работ с машиностроительными предприятиями Российской Федерации.
Цель работы. Повышение эффективности процессов ротационной вытяжки с утонением стенки конических деталей из анизотропных заготовок и повышение качества конических деталей ответственного назначения путем теоретического и экспериментального обоснования технологических режимов деформирования.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
1) разработать математическую модель проекционной ротационной вытяжки конических деталей из трансверсально-изотропного упрочняющегося материала с учетом локального очага пластической деформации; получить основные уравнения и необходимые соотношения для анализа напряженного и деформированного состояний заготовки, силовых режимов проекционной ротационной вытяжки конических деталей из анизотропного материала;
2) выполнить теоретические и экспериментальные исследования проекционной ротационной вытяжки радиальными роликами с утонением стенки конических деталей из анизотропных листовых заготовок;
3) создать пакеты прикладных программ для ЭВМ по расчету напряженного и деформированного состояний заготовки, силовых режимов проекционной ротационной вытяжки конических деталей из анизотропного материала;
4) установить влияние технологических параметров и анизотропии механических свойств листовой заготовки на напряженное и деформированное состояния, силовые режимы проекционной ротационной вытяжки конических деталей;
5) разработать рекомендации по расчёту и проектированию технологических процессов проекционной ротационной вытяжки с утонением стенки конических деталей из анизотропных листовых заготовок;
6) использовать результаты исследований в промышленности и учебном процессе.
Методы исследования. Теоретические исследования процесса ротационной вытяжки конических деталей выполнены с применением основных положений механики деформируемого твердого тела и теории пластичности жесткопластического анизотропного тела. Анализ напряженного и деформированного состояний заготовки, силовых режимов операции ротационной вытяжки конических деталей осуществлен численно методом конечно-разностных соотношений с использованием ЭВМ путем совместного решения дифференциальных уравнений равновесия, условий пластичности и основных определяющих соотношений при заданных начальных и граничных условиях. Экспериментальные исследования выполнены с использованием современных испытательных машин и регистрирующей аппаратуры. Обработка опытных данных осуществлялась с применением методов математической статистики.
Автор защищает
- приближенные условия пластичности для трансверсально-изотропного тела в линейной форме для плоского напряженного, плоского деформированного и объемного напряженного и деформированного состояний заготовки с коэффициентами пропорциональности, которые существенно зависят от характеристик анизотропии;
- математическую модель проекционной ротационной вытяжки конических деталей из трансверсально-изотропного упрочняющегося материала с учетом локального очага пластической деформации; основные уравнения и соотношения, необходимые для теоретического анализа напряженного и деформированного состояний заготовки, силовых режимов ротационной вытяжки конических деталей из анизотропного материала, на основе которых разработан алгоритм расчета и программное обеспечение для ЭВМ;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований напряженного и деформированного состояний и силовых режимов операции ротационной вытяжки с утонением стенки конических деталей из анизотропных заготовок;
- количественные закономерности влияния геометрических размеров заготовки и детали, технологических режимов обработки и анизотропии механических свойств исходной заготовки на напряженное и деформированное состояния заготовки на участке изгиба и в зоне утонения заготовки, силовые режимы проекционной ротационной вытяжки конических деталей из анизотропного материала;
- результаты экспериментальных исследований анизотропии механических свойств заготовок и изготавливаемой детали, результаты металлографических исследований детали;
- рекомендации, алгоритмы и пакеты прикладных программ для ЭВМ по расчету технологических параметров ротационной вытяжки с утонением стенки конических деталей из анизотропных заготовок;
- технологический процесс изготовления пустотелых конических деталей типа «Конус» методом ротационной вытяжки из анизотропных заготовок, обеспечивающий эксплуатационные требования и снижение трудоемкости их изготовления.
Научная новизна: выявлены закономерности изменения напряженного и деформированного состояний, силовых режимов и формирования показателей качества деталей от технологических параметров, геометрии рабочего инструмента, размеров заготовки и детали, анизотропии механических свойств материала заготовки на основе разработанной математической модели проекционной ротационной вытяжки с утонением стенки конических деталей из трансверсально-изотропного материала с учетом локального очага деформации и упрочнения материала.
Практическая значимость. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и создано программное обеспечение для ЭВМ по расчету технологических параметров процесса проекционной ротационной вытяжки с утонением стенки конических деталей из анизотропных листовых заготовок.
Реализация работы. Результаты исследований использованы при совершенствовании существующего технологического процесса, инструмента и оснастки для изготовления пустотелых конических деталей типа «Конус» различных типоразмеров методом ротационной вытяжки из анизотропных заготовок. Усовершенствованный технологический процесс ротационной вытяжки плоской заготовки принят к внедрению в опытном производстве на ОАО «ТНИТИ» и обеспечивает увеличение коэффициента использования металла с 0,69 до 0,87; сокращение сроков подготовки производства новых изделий в 2 раза и изготовление деталей с заданными эксплуатационными характеристиками.
Результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров направления 150400 «Технологические машины и оборудование» и студентов, обучающихся по направлению 150200 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением», и включены в разделы лекционных курсов «Новые технологические процессы и оборудование», «Штамповка анизотропных материалов» и «Механика процессов пластического формоизменения», а также использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на Международных молодежных научных конференциях «XXXIV - XXXV Гагаринские чтения», Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (М.: МАТИ, 2008 г.), Международном научном симпозиуме «Автостроение 2009» (М.: МГТУ «МАМИ». 2009 г.), Международной научно-технической конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения (АПИР-14) (Тула: ТулГУ, 2009 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (2005-2010 гг.).
Публикации. Основные научные материалы проведенных исследований отражены в 6 статьях в центральной печати и межвузовских сборниках научных трудов, входящих в «Перечень периодических научных и научно-технических изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук», в 3 тезисах докладов Всероссийских и международных научно-технических конференций. Общее количество публикаций – 15. Общий объем – 4,9 печ. л., авторский вклад – 3,1 печ. л.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору С.С. Яковлеву и д.т.н., профессору С.П. Яковлеву за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 146 наименований, 3 приложений и включает 96 страниц машинописного текста, 102 рисунка, 6 таблиц. Общий объем – 208 страниц.
