Введение к работе
Актуальность работы.
Современное производство постоянно ставит перед наукой новые задачи. Появление новых материалов требует разработки новых способов для их обработки, постоянно растут требования к качеству и механическим свойствам готовых изделий. Кроме того, необходимо экономно расходовать ресурсы и отдавать предпочтение малоотходным технологиям. В связи с этими требованиями все чаще находят применение методы интенсивной пластической деформации (ИПД).
Среди существующих методов ИПД наиболее применимое для процессов штамповки является комбинированное нагружение по схеме сжатие с одновременным кручением или тангенциальным сдвигом.
Процесс осадки наряду с другими процессами, присущими обработке металлов давлением (ОМД) без снятия стружки, имеет следующие достоинства: легкость ее выполнения, относительная простота деформирующего инструмента, сравнительно малые величины удельных сил по сравнению с объемной штамповкой, как следствие более высокая стойкость деформирующего инструмента.
Основным недостатком процесса осадки в условиях однокомпонентного нагружения является неравномерность распределения деформации по объему осаженной заготовки, обусловленная условиями трения на контактных поверхностях, которая приводит к искажению формы осаженной заготовки (бочкообразность), к неравномерному распределению механических свойств по объему заготовки, к появлению остаточных напряжений, а следовательно к повышению сопротивления деформации и росту силы деформирования.
Существо процесса осадки с кручением заключается в том, что осадка производится между вращающимися друг относительно друга бойками. Ось вращения бойков совпадает с осью осаживаемой заготовки. За счет сил трения на контактной поверхности крутящий момент передается деформируемой заготовке и производит ее скручивание. В зависимости от шероховатости поверхностей заготовки и инструмента скручивание чередуется с проскальзыванием. В результате приложения к заготовке наряду с осевой силой крутящего момента возникает сложная схема напряженно-деформированного состояния.
В отечественных литературных источниках рассмотрены вопросы, касающиеся определения силовых и кинематических параметров осадки с кручением, исследования теплообмена при осадке с кручением, исследования процесса осадки с кручением тонкого слоя и др.
Большой вклад в науку о комбинированном нагружении в технологических процессах ОМД внесли ученые Уральского политехнического института: О. А. Ганаго, В. Н. Субич, Б. А. Степанов, А. В. Сафронов, В. А. Колмогоров, А. Н. Леванов, А. Т. Арчаков, С. П. Буркин, А. Р. Некрасов и др.
По результатам выполненных работ был сформулирован основополагающий вывод: комбинированное нагружение позволяет переводить процессы деформирования в класс процессов, управляемых по силовому режиму, напряжениям, деформациям и тепловому режиму.
В целом следует признать, что системных теоретических исследований, посвященных изучению закономерностей комбинированного нагружения в технологических процессах ОМД, проведено недостаточно.
Существенным недостатком экспериментальных работ, посвященных исследованию различных аспектов процесса осадки с кручением является то, что они выполнялись на модернизированном прессовом оборудовании (из-за отсутствия специализированного оборудования) при постоянном значении кинематического параметра, определяемого соотношением между линейной и угловой скоростями.
Таким образом, теоретические и практические аспекты процесса осадки в условиях комбинированного нагружения исследованы недостаточно.
Следовательно комплексное исследование процесса осадки в условиях комбинированного нагружения является актуальным.
Работа выполнена в рамках аналитической целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы «Рособразования» по ЕЗН № 607.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является совершенствование технологии осадки осесимметричных заготовок посредством комбинированного нагружения на установке с независимым приводом.
Для достижения поставленной цели ставятся следующие основные задачи:
1. Разработать алгоритм исследования напряженно-деформированного состояния, силовых параметров и распределения удельных нагрузок при осадке в условиях однокомпонентного и комбинированного нагружения посредством компьютерного моделирования;
2. Исследовать энергетические затраты при осадке заготовок без кручения и с кручением;
3. Разработать методику для определения температурного поля в зоне контактного трения образца и инструмента при осадке с кручением с помощью гидравлического моделирования;
4. Исследовать температурное поле при осадке с кручением с помощью гидравлического моделирования, компьютерного моделирования и путем прямого замера температуры с использованием термопары;
5. Определить предельную пластичность различных металлов при осадке образцов с кручением и без кручения;
6. Разработать инновационный ресурсосберегающий технологический процесс открытой прошивки цилиндрических заготовок с использованием комбинированного нагружения.
Методы исследований.
В работе использован комплексный метод исследований, включающий проведение предварительных экспериментов и на их основе теоретического анализа с экспериментальной проверкой предложенных технических решений в лабораторных условиях.
Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния, силового режима и удельных нагрузок при осадке образцов при однокомпонентном и комбинированном нагружении выполнены посредством компьютерного моделирования с использованием программного комплекса Deform 3D.
Экспериментальные исследования проводились на специально сконструированной установке с независимым приводом для комбинированного нагружения при ОМД (пат. на полезную модель 38304 РФ, МПК В21, J13/02) в лаборатории кафедры «МТК. ОД и СП» с применением общепринятых методов планирования эксперимента и статистической обработки результатов.
Научную новизну имеют следующие результаты:
– посредством компьютерного моделирования процесса осадки цилиндрических заготовок установлено, что наложение кручения на процесс осадки сопровождается следующими положительными эффектами:
радикально повышается равномерность деформации по объему осаженных заготовок за счет снижения контактных сил трения и интенсификации сдвиговых деформаций, что позволяет получать заготовки и изделия с равномерным распределением механических свойств по объему;
существенно (в 2…3 раза) уменьшается сила деформирования вследствие того, что коренным образом изменяется характер взаимодействия на поверхности контакта «заготовка – инструмент»;
происходит «сглаживание» эпюры нормальных напряжений, а следовательно, уменьшается удельная нагрузка на рабочие части штампа, причем тем больше, чем больше скорость вращения инструмента;
– установлено, что осадка с кручением, характеризуемая совместным действием осевой и сдвиговой деформацией, является более энергонасыщенной и требует больших энергетических затрат по сравнению с обычной осадкой;
– расчетным путем показано, что основная работа деформации при комбинированном нагружении, переходящая в теплоту – это работа крутящего момента или работа сил касательного трения;
– опытным путем с использованием термопары для условий стесненной деформации (сдвиг) получены зависимости температуры от времени при разных осевых нагрузках в точках вблизи плоскости трения «инструмент – образец». Полученные зависимости коррелируют с работой трения, определяемой расчетными формулами;
– на основе гидравлической модели выполнен анализ теплового потока, близкого к одномерному. Предложена методика оценки средней температуры испытываемого образца при комбинированном нагружении. Показана возможность использования гидравлической модели для оценки температуры в рабочей зоне «инструмент – образец» с учетом масштабного коэффициента;
– предложена методика определения накопленной деформации при осадке с кручением на основе известных аналитических зависимостей. Показано, что «наложение» кручения на процесс деформации при осадке увеличивает величину как предельной пластичности, так и величину формоизменяющей деформации;
– экспериментально установлены этапы (стадии) процесса открытой прошивки, на которых при наложении кручения на процесс деформирования обеспечивается уменьшение перемычки в несколько раз (по сравнению с традиционной прошивкой) при минимальном искажении формы прошиваемой заготовки.
Практическую значимость имеют следующие результаты:
– спроектирована и изготовлена штамповая и инструментальная оснастка для проведения экспериментальных исследований по осадке заготовок в условиях комбинированного нагружения;
– разработана научно обоснованная усовершенствованная технология процесса осадки осесимметричных заготовок на основе положительных эффектов, свойственных комбинированному нагружению;
– разработана методика для определения температурного поля в зоне контактного трения образца и инструмента при осадке с кручением;
– разработана установка для получения кольцевых заготовок (защищена патентом на полезную модель);
– разработан способ изготовления деталей типа втулки (защищен патентом на изобретение);
– результаты выполненной научно-исследовательской работы используются в формах:
при чтении лекций по курсу «Физико-математические основы формоизменяющих процессов»;
при выполнении лабораторных работ по указанному курсу;
при выполнении курсовых работ по указанному курсу;
при выполнении курсовых проектов по курсу «Холодная объемная штамповка»;
при чтении курса «Инновации в технологических процессах» на факультете «Экономика, менеджмент и инновации» (ФЭМИ);
при проведении практических занятий по курсу «Технологические процессы в машиностроении» на факультете ФЭМИ.
Апробация работы.
Основные положения работы доложены и обсуждены на следующих семинарах:
– 15-ой Нижегородской сессии молодых ученых (технические науки). Нижегородская область, «Красный плес», 2010 г;
– на научных семинарах кафедры «Машиностроительные технологические комплексы. Обработка давлением и сварочное производство» с участием членов диссертационного совета по защитам докторских диссертаций, 2010 и 2011 г.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в шести статьях в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК (Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением), а также в патенте на полезную модель и в патенте на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы. Текст диссертации содержит 160 машинописных страниц, включая 18 таблиц и 38 рисунков. Список литературы содержит 86 источников.
