Введение к работе
Актуальность темы диссертации определяется тем, что в настоящее время одним из направлений, позволяющим расширить границы применения холодной объемной штамповки (ХОШ), является разработка конструкции и технологического процесса изготовления сборочной единицы (составной матрицы) и применение полученных результатов при проектировании ресурсосберегающих технологий изготовления изделий. С этой целью необходимо выполнить теоретические и экспериментальные исследования, рассматривая постановку задачи в общем виде, сделав допущение о том, что при проектировании и изготовлении объекта ему обеспечен некоторый начальный уровень работоспособности. Изучая процесс потери прочности, при циклическом нагружении, необходимо выявить факторы, обуславливающие снижение первоначальных прочностных свойств.
В связи с этим:
предлагается конструкция профильного соединения, у которого сопрягаемые поверхности имеют волнистый и трапецеидальный профили с различными геометрическими параметрами в пределах микрорельефа, предусмотренного ГОСТом 25142-82;
решаются задачи определения величины натяга в сопряжении поверхностей охватываемого и охватывающего элементов профильного неподвижного соединения (ПНС) при тепловой сборке;
создаются математические модели потери работоспособности с учетом влияния свойств материала, конструктивного решения и технологий изготовления; математические модели процесса контактного взаимодействия профильного охватываемого элемента с цилиндрической обоймой методом конечных элементов в среде COSMOSWORKS;
совершенствуется метод повышения износостойкости рабочей поверхности вставки, основанный на известных технологиях ионно-плазменной обработки;
экспериментально исследуется изменение характеристик надежности ПНС;
разрабатываются рекомендации по технологии изготовления ПНС, инструментальной оснастки и инструмента для формообразования профиля.
Теоретические исследования проведены с использованием научных основ технологии машиностроения, общей теории работоспособности, технологии сборки, теорий упругости и пластичности, численных методов решения задач. Моделирование и обработка данных на ЭВМ производилась в программе SolidWorks/COSMOSWorks, позволяющей определить характеристики процесса взаимодействия простым вводом геометрических параметров, физико-механических свойств материалов и усилия вдавливания инструмента в приповерхностный слой охватывающей детали.
Определение влияния топографии исходной поверхности на несущую способность приповерхностного слоя при определенном соотношении высоты и шага микровыступов.
Цель диссертационной работы заключается в разработке конструкции и технологии изготовления высоконагруженного профильного неподвижного соединения, применяемого при холодной высадке и исследовании влияния формы элементов ПНС на его долговечность.
Выполненный анализ позволил сформулировать следующие задачи, направленные на совершенствование эффективных методов повышения прочности и долговечности соединений, снижения трудоемкости их изготовления:
-
составление математической модели процесса формообразования профиля сопрягаемой поверхности охватывающего элемента ПНС;
-
разработка математической модели определения величины упругопластической деформации, обеспечивающей геометрические параметры по глубине впадин с различными значениями заполнения профиля охватывающего элемента при тепловой сборке;
-
разработка методики расчета величины натяга между охватывающим и охватываемым элементами сборной матрицы;
-
разработка рекомендаций по повышению статической и циклической прочности и неподвижности ПНС;
-
разработка методики проведения эксперимента и сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований;
-
проектирование и изготовление физических моделей профильных соединений, идентичных холодновысадочной штамповой оснастке.
Объектом исследований являются технологические процессы, обеспечивающие прочность и долговечность профильных соединений, выполняющих функции технологической оснастки при холодной высадке, а также конструкции профильного неподвижного соединения, которые обладали бы достаточно высокой технологичностью и производительностью процесса изготовления деталей и сборки профильного соединения. В качестве таких соединений рассматривается составная матрица, у охватывающей детали которой на поверхности сопряжения имеется макрорельеф в виде выступов и впадин, образующих «замковое» соединение в результате тепловой сборки.
Методы исследования. Теоретические исследования проведены с использованием научных основ технологии машиностроения, теории обработки металлов давлением, технологии сборки, теорий упругости и пластичности, численных методов решения задач. Моделирование формообразования (накатывание роликом) профиля и обработка данных на ЭВМ производились в программе SolidWorks/COSMOSWorks, позволяющей определить характеристики процесса взаимодействия вводом геометрических параметров, физико-механических свойств материалов и усилия вдавливания инструмента в приповерхностный слой охватывающей детали.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
исходя из функционального назначения штамповой оснастки и ее эксплуатационных свойств, предложено изменение формы сопрягаемых поверхностей и теоретическое обоснование целесообразности ее применения;
-
разработана математическая модель определения величины упругопластической деформации, обеспечивающей геометрические параметры по глубине впадин с различными значениями заполнения профиля охватывающего элемента при тепловой сборке;
-
разработана методика и определены количественные характеристики значений минимального зазора между охватывающим и охватываемым элементами сборной матрицы, позволяющего ввести охватываемую деталь в отверстие;
-
разработаны рекомендации по повышению статической и циклической прочности и неподвижности ПНС;
-
разработана методология проектирования и совершенствования технологии изготовления профильных соединений, идентичных холодновысадочной штамповой оснастке;
-
составлена математическая модель процесса формообразования профиля сопрягаемой поверхности охватывающего элемента ПНС;
-
предложена математическая модель влияния площади опорной поверхности на триботехнические характеристики профильного неподвижного соединения.
Использование результатов данной работы на производстве, в научных исследованиях и в учебном процессе позволит повысить качество исследуемых объектов, разрабатываемых технологических процессов и уровень подготовки специалистов.
На защиту выносятся следующие положения:
-
научно обоснованные конструкторские и технологические решения, обеспечивающие повышение эффективности штамповой оснастки за счет увеличения площади опорной поверхности;
-
физическая картина и математическая модель контактного взаимодействия профильных сопрягаемых поверхностей соединения охватываемой и охватывающей деталей холодновысадочной оснастки;
-
теоретическое обоснование целесообразности применения конструкционно-технологического обеспечения циклической прочности ПНС;
-
технологический процесс формообразования профиля сопрягаемых поверхностей охватываемого и охватывающего элементов неподвижного соединения;
-
математическая модель процесса контактного взаимодействия профильного охватываемого элемента с аналогичной цилиндрической обоймой, адаптированная к реальной конструкции составной матрицы холодновысадочной оснастки (ХВО);
-
обоснование применения метода ионной имплантации для повышения износостойкости рабочей поверхности вставки составной матрицы ХВО;
-
методика определения работоспособности профильных неподвижных соединений вставка–корпус, а также результаты поисковых исследований, выявляющих причины старения ХВО.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы основана на использовании положений теории упругости, механики контактного взаимодействия и технологии машиностроения.
Достоверность результатов обусловлена подтверждением предлагаемых в работе теоретических зависимостей результатами экспериментальных исследований, выполненных автором и другими исследователями. Эксперимент был проведен на универсальной испытательной машине на 50 т.с. с пульсатором 25 т.с. типа ГРМ-1.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
– разработан метод создания профильного соединения, выполняющего функции штамповой оснастки при холодной высадке, способного выдерживать значительные (около 50 000 циклов) нагрузки при выполнении штамповочных операций;
– разработаны рекомендации по конструкторско-технологическому обеспечению циклической прочности охватываемого и охватывающего элементов составной матрицы. Результаты исследований внедрены на филиале «Омское моторостроительное объединение им. П. И. Баранова» ФГУП «НПЦ газотурбостроения "Салют”».
Реализация результатов работы заключается в следующем. Разработанная конструкция профильного соединения, технология его изготовления и сборки внедрены при изготовлении и ремонте авиационных агрегатов. Результаты исследования внедрены в учебном процессе при изучении курсов «Технология машиностроения» и «Математическое моделирование технологических процессов» на кафедре «Технология машиностроения» Омского государственного технического университета при подготовке инженеров по специальности 151001 «Технология машиностроения» и 151002 «Металлорежущие станки и комплексы».
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на III Международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и технология двойного применения» (г. Омск, 7–10 июня 2005); на II Всерос. молодеж. науч.-техн. конф., г. Омск, 21–22 апр. 2009 г. ; на 69-й Междунар. науч.-техн. конф. Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ), Омск, 2010; на VI Всерос. науч.-техн. конф, посвященной памяти главного конструктора ПО «Полет» А. С. Клинышкова 5–6 июля 2011 г.; на Междунар. выставке высокотехнологичной техники и вооружения, Омский регион, г. Омск, 2011; на III Междунар. науч.-техн. конф., г. Тольятти, 12–14 октября 2011 г.; на расширенном заседании кафедры «Технология машиностроения» ФГБУ ВПО «Омский государственный технический университет»; на семинаре кафедр ОмГТУ «Металлорежущие станки и инструменты» и «Технология машиностроения».
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, из них четыре статьи в изданиях перечня, определенного ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемых источников из 131-го наименования. Общий объем диссертации составляет 153 с., объем основного текста 138 с. Работа содержит 72 рисунка, 7 таблиц.
