Введение к работе
Актуальность работы. При производстве оболочковых изделий широко используются процессы пластического формоизменения с локальным приложением нагрузки, такие как: прокатка, волочение, прессование, свободная ковка, штамповка. Разновидностью одного из таких процессов локального деформирования металла является ротационная вытяжка (РВ). Такой процесс представляет собой пластическое формоизменение материала заготовки, закрепленной на вращающейся оправке, давильными элементами (ДЭ), движущимися вдоль оправки с заданным зазором.
Основные достоинства РВ перед другими процессами обработки давлением – это гибкость технологии; высокая точность и чистота поверхности деталей; достижение больших степеней деформаций, чем при штамповке; получение деталей из труднодеформируемых сплавов; совмещение нескольких деформирующих операций (вытяжка, формовка, обжим, раздача); сравнительно несложная оснастка; высокий коэффициент использования металла; малая энергоемкость процесса. Указанные преимущества определяют область эффективного использования процесса РВ при получении осесимметричных полых цилиндрических оболочек с различной толщиной стенки, к которым предъявляются высокие требования по точности геометрических характеристик и механическим свойствам.
Однако, широкое использование РВ сдерживается сложностью отладки процесса из-за большого числа технологических факторов, влияющих на качество получаемых деталей. В связи с этим проведение теоретических и экспериментальных исследований с целью научного обоснования технологических параметров процесса РВ является актуальной, важной научно-технической задачей, решение которой вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса. Решить эту задачу можно на основе математических моделей процесса деформирования заготовки, которые позволят оценить ее напряженно-деформированное состояние (НДС), а также рассчитать рациональные режимы обработки и ожидаемые характеристики качества детали, обеспечивающие требования чертежа и снижение себестоимости изготовления.
Работа выполнена в соответствии с грантами: Губернатора Тульской области в сфере науки и техники № 65-к-1/1416 (2009 г.), государственным контрактом Министерства образования и науки Российской Федерации № П1026 (2010-2011 гг.), и грантом РФФИ № 10-08-97510 (2010 г.).
Цель работы.
Повышение эффективности технологического процесса ротационной вытяжки с утонением стенки шариковым раскатным инструментом на основе обоснованного расчета рациональных технологических параметров.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи исследований:
1. Выполнено теоретическое исследование упругопластического деформирования в процессе РВ методом конечных элементов (МКЭ) для разработки математической модели.
2. Проведено экспериментальное исследование РВ шариковыми раскатными устройствами (ШРУ) цилиндрических деталей из сплава АМг6 с целью проверки адекватности разработанной математической модели.
3. Исследовано влияние технологических факторов на силовые режимы процесса РВ и показатели качества детали.
4. Определены рациональные режимы формоизменения, обеспечивающие требуемое качество деталей (разностенность, овальность, шероховатость поверхности), изготавливаемых из сплава АМг6.
5. Разработано методическое и программное обеспечение для расчета параметров деформирования цилиндрической заготовки.
Объект исследования. Ротационная вытяжка цилиндрических деталей раскатными устройствами.
Предмет исследования. Процесс формообразования цилиндрической заготовки ротационной вытяжкой с утонением стенки шариковым раскатным инструментом.
Методы исследований. Аналитическое исследование выполнено на базе основных теоретических положений механики деформируемого твердого тела и теории пластичности с использованием эффективных и апробированных численных методов решения задач механики сплошных сред. Экспериментальные исследования проводились с использованием теории планирования эксперимента и статистических методов обработки данных.
Автор защищает:
1) математическую модель процесса РВ и результаты теоретического исследования влияния технологических факторов на упругодеформированное состояние материала;
2) результаты экспериментальных исследований по определению интенсивности деформаций, силовых режимов и характеристик качества при РВ детали из алюминиевого сплава АМг6;
3) алгоритмы, методическое и программное обеспечение для расчета технологических параметров процесса РВ ШРУ;
4) практические рекомендации по выбору режимов обработки и технологической оснастки, обеспечивающие повышение качества деталей, снижение трудоемкости и сокращение времени на подготовку производства;
5) рациональные технологические параметры процесса РВ ШРУ детали «Корпус осушителя», обеспечивающие получение изделия с требуемыми эксплуатационными характеристиками.
Научную новизну составляют: установленные закономерности изменения силовых параметров процесса ротационной вытяжки в зависимости от степени деформации, размера давильного элемента, механических свойств материала заготовки на основе математической модели упругопластического деформирования с упрочнением, и регрессионные уравнения для оценки силовых параметров процесса и характеристик качества получаемых деталей.
Практическая ценность работы.
Сформулированы практические рекомендации по выбору режимов обработки и технологической оснастки, обеспечивающие повышение качественных эксплуатационных показателей деталей.
На основе регрессионных моделей разработана автоматизированная методика расчета технологических параметров процесса РВ. Практическая ценность подтверждена опытной эксплуатацией на производстве, в ходе которой установлено снижение трудоемкости проектирования техпроцесса и оснастки при изготовлении детали «Корпус осушителя» в 2,5 раза, и сокращением сроков технологической подготовки производства в 4,5 раза с реальным экономическим эффектом.
Реализация работы. Получены опытные образцы детали «Корпус осушителя» с требуемыми размерными и качественными характеристиками, которые используются в производстве ОАО «Газстройдеталь» (г. Тула). Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по дисциплинам: «Основы метода конечных элементов», «Технология конструкционных материалов» и «Научно-исследовательская практика».
Апробация работы. Результаты исследований доложены на IV-й международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (г. Тула 2011 г.) (г. Москва 2011 г.); на VI-й молодежной НТК ТулГУ «Молодежные инновации. Технические науки» (г. Тула 2010 г.); на международных НТК «Автоматизация: проблемы, идеи, решения», ТулГУ, (г. Тула 2008, 2009, 2010 гг.); на Всероссийской НТК студентов и аспирантов «Современные технологии обработки металлов и средства их автоматизации», (г. Тула, 2008 г.).
Публикации. Материалы проведенных исследований отражены: в 3 статьях изданий, рекомендованные ВАК для публикации на соискание ученой степени кандидата технических наук, в 2 статьях межвузовских сборников, в 5 докладах научно-технических конференций. Общий объем – 4,2 печ. л., авторский вклад – 3,2 печ. л.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 134 наименований, приложений и включает 135 страниц машинописного текста, содержит 55 рисунков и 4 таблицы. Общий объем – 160 страниц.
