Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние теории и технологии изготовления цилиндрических деталей методами обработки металлов давлением 24
1.1. Анализ существующих технологических процессов изготовления корпусов баллонов высокого давления и предъявляемые к ним требования 24
1.2. Анализ технологических процессов изготовления тонкостенных цилиндрических деталей ответственного назначения из трубных заготовок с высокими эксплуатационными характеристиками ротационной вытяжкой 29
1.3. Методы теоретического анализа процессов глубокой вытяжки цилиндрических деталей из листовых заготовок и ротационной вытяжки из трубных заготовок 34
1.4. Основные выводы и постановка задач исследований 49
2. Теоретические и экспериментальные ис следования процесса вытяжки с утонением стенки цилиндрических деталей из двух слойных материалов 55
2.1. Математическая модель пластического деформирования двух слойных материалов 55
2.1.1. Кинематика течения материала. Напряженное состояние заготовки 58
2.1.2. Силовые режимы 65
2.1.3. Деформированное состояние заготовки 69
2.1.4. Учет упрочнения. 71
2.1.5. Повреждаемость материала при пластическом формоизменении... 72
2.2. Влияние технологических параметров, механических свойств двухслойной заготовки на напряженно-деформированное состояние, силовые режимы и предельные возможности формо изменения 74
2.2.1. Характер течения материала в очаге деформации 75
2.2.2. Напряженное и деформированное состояния заготовки в очаге деформации. 76
2.2.3. Сила процесса 80
2.2.4. Повреждаемость материала 83
2.2.5. Предельные возможности формоизменения 86
2.3. Экспериментальные исследования 91
2.3.1. Экспериментальное определение характеристик механических свойств листовой двухслойной горячекатаной стали 12ХЗГНМФБА+08Х13 91
2.3.2. Экспериментальные исследования силовых режимов процесса вытяжки с утонением стенки 96
2,4. Основные результаты и выводы 99
3. Теоретические и экспериментальные исследования процесса ротационной вытяжки осесимметричных деталей из трубных заготовок 103
3.1. Схема очага деформации 103
3.2. Распределение скоростей течения в очаге деформации 108
3.3. Скорость истечения 111
3.4. Силовые режимы 115
3.5. Учет упрочнения 121
3.6. Повреждаемость материала при пластическом формоизменении 122
3.7. Ротационная вытяжка цилиндрических деталей с разделением очага пластической деформации 123
3.8. Приближенная методика определения силовых режимов ротационной вытяжки 126
3.9. Исследование влияния технологических параметров, геометрии ролика на напряженное и деформированное состояние заготовки, силовые режимы и предельные возможности формоизменения... 132
3.9.1. Геометрические размеры очага пластической деформации 132
3.9.2. Кинематика течения материала в очаге пластической деформации. 135
3.9.3. Напряженное состояние заготовки 139
3.9.4. Силовые режимы процесса ротационной вытяжки 142
3.9.5. Деформация и повреждаемость... 150
3.9.6. Предельные возможности деформирования 152
3.10. Экспериментальные исследования силовых параметров ротационной вытяжки 154
3.11. Основные результаты ивыводы 160
4. Математические модели формирования геометрических показателей качества цилиндрических деталей 163
4.1. Геометрических показателей качества цилиндрических деталей и технологические параметры ротационной вытяжки 163
4.2. Основные положения теории планирования эксперимента 166
4.3. Математические модели формирования геометрических показателей качества цилиндрических деталей из стали 10ГН и алюминиевого сплава АМгб 170
4.3.1. Методика экспериментальных исследований 170
4.3.2. Результаты экспериментальных исследований 174
4.4. Математические модели формирования геометрических пока зателей качества цилиндрических деталей из сталей 10 и 12ХЗГНМФБА 184
4.4.1. Экспериментальные исследования 184
4.4.2. Результаты экспериментальных исследований 186
4.3. Основные результаты и выводы 191
5. Формирование механических свойств материала деталей при ротационной вытяжке 194
5.1. Изменение механических свойств деталей при ротационной вытяжке 194
5.2. Математические модели изменения механических свойств горячекатаных труб из стали 12ХЗГНМФБА при ротационной вытяжке на специализированном оборудовании 200
5.3. Формирование механических свойств литой заготовки из стали 10 207
5.4. Исследование упрочнения стали 10 в зависимости от степени деформации при ротационной вытяжке и вида термической обработки исходных заготовок 212
5.5. Основные результаты и выводы.. 217
6. Использование результатов исследований 219
6.1. Технологический процесс изготовления баллонов высокого давления методами глубокой вытяжки из двухслойногоматериала 219
6.1.1. Методика проектирования технологических процессов глубокой вытяжки цилиндрических деталей из двухслойных материалов 219
6.1.2. Опыт разработки и внедрения технологического процесса изготовления баллонов высокого давления 222
6.1.3. Закатка горловины баллона 228
6.1.4. Гидро испытания до разрушения баллонов БГ-7,3-30.001 из двухслойной стали 231
6.2. Технологические процессы ротационной вытяжки осесимметричных деталей из трубных заготовок 232
6.2.1. Методика проектирования технологических процессов ротационной вытяжки цилиндрических деталей 232
6.2.2. Опыт разработки и внедрения технологических процессов ротационной вытяжки осесимметричных деталей 254
6.2.2.1. Технологический процесс ротационной вытяжки тонкостенных цилиндрических деталей с наружными и внутренними утолще ниями из многокомпонентной стали 12ХЗГНМФБА 254
6.2.2.2. Технологический процесс ротационной вытяжки гладких цилиндрических деталей из нержавеющей стали 09Х18Н1 ОТ 258
6.2.2.3. Технологический процесс ротационной вытяжки цилиндрических деталей с двумя концевыми наружными утолщениями из алюминиевого сплава АМгб 261
6.2.2.4. Технологический процесс ротационной вытяжки цилиндрических деталей с внутренним винтовым профилем из алюминиевого сплава Д1 264
6.2.2.5. Технологический процесс ротационной вытяжки сложнопро-фильных оболочек с переменной толщиной стенки и наличием кольцевых центрирующих утолщений из стали 10 267
6.2.2.6. Технология ротационной вытяжки осесимметричньгх сложно-профильных деталей на станках с ЧПУ из стали 10 273
6.2.2.7. Особенности обеспечения линейных размеров при ротационной вытяжке деталей с кольцевыми утолщениями 276
6.3. Использование методик проектирования технологических процессов изготовления цилиндрических и осесимметричных деталей 279
6.4. Использование результатов исследований в учебном процессе 280
6.5. Основные результаты и выводы 282
Заключение 285
Список используемых источников 292
Приложение 1
- Анализ технологических процессов изготовления тонкостенных цилиндрических деталей ответственного назначения из трубных заготовок с высокими эксплуатационными характеристиками ротационной вытяжкой
- Влияние технологических параметров, механических свойств двухслойной заготовки на напряженно-деформированное состояние, силовые режимы и предельные возможности формо изменения
- Скорость истечения
- Основные положения теории планирования эксперимента
Введение к работе
Актуальность темы. В различных отраслях машиностроения нашли широкое применение осесимметричные изделия, к которым предъявляются высокие требования по качеству изготовления и эксплуатационным свойствам при снижении себестоимости их производства.
Корпусные цилиндрические детали, например, баллоны высокого давления, широко используются в технике. К таким изделиям предъявляются повышенные требования по надежности эксплуатации, так как они испытывают внутреннее давление до 30 МПа. С другой стороны, они должны иметь небольшую массу и быть удобными при работе в экстремальных условиях. Поэтому для их производства используются высококачественные стали, такие как 18ЮА, ЗОХМА, 20ХН4ВА, 12ХЗГНМФБА, ВП-30, и другие, обладающие высокими механическими характеристиками и способностью к формоизменению, однако низкую коррозионную стойкость.
В машиностроении на современном этапе находят широкое применение двухслойные материалы, т.е. материалы, в которых основной материал подвергается плакированию. Плакирующий слой, как правило, выполняет основную функцию - предохраняет изделие от коррозии. Процессы пластического формоизменения двухслойных материалов в настоящее время мало изучены.
В последние годы появилась потребность в изготовлении тонкостенных крупногабаритных цилиндрических деталей (длинной свыше 1 м) сложной формы специальной техники, к которым предъявляются высокие требования по геометрическим характеристикам и механическим свойствам. Изготовление таких деталей традиционными методами (глубокой вытяжкой и механической обработкой) отличается высокой трудоемкостью и связано с использованием большого количества крупногабаритного дорогостоящего прессового, химического и термического оборудования. В то время как ротационная вытяжка позволяет изготавливать такие детали на высокопроизводительных специализированных станках, имеющих сравнительно малые габариты, массу и мощность: величина силы при ротационной вытяжке значительно ниже, чем при глубокой вытяжке, что связано с созданием локального очага деформации.
При разработке технологических процессов ротационной вытяжки в настоящее время используются эмпирические зависимости из различных справочных материалов, а также результаты теоретических исследований, в которых не в полной мере учитываются локальный характер формоизменения и механические свойства материала заготовки. Совершенно не изучен процесс ротационной вытяжки с разделением деформации, который обещает перспективы в отношении использования внутренних резервов деформирования, уменьшения силовых режимов и повышения качества изготавливаемых деталей.
В связи с этим возникла актуальная проблема повышения эффективности производства изготовления осесимметричных изделий на базе разработки технологических основ деформирования двухслойных материалов вытяжкой с утонением стенки на прессовом оборудовании и точных крупногабаритных тонкостенных деталей специальной техники ротационной вытяжкой на, специализированных высокопроизводительных станках путем развития теории
пластического формоизменения, соверішгнсгвиваїїил возможностей этих про-
* v рос. национальная
БИБЛИОТЕКА .СЛекрСург
200^РК
цессов, повышения их экономической эффективности, эксплуатационных характеристик, установления взаимосвязи условий деформирования с обеспечением геометрической точности и формирования механических свойств материала изготавливаемой детали.
Работа выполнена в соответствии с научно-технической программой «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» Минобразования и науки Российской Федерации и грантом Президента РФ на поддержку ведущих научных школ на выполнение научных исследований «Механика формоизменения ортотропных и изотропных упрочняющихся материалов при различных температурах и скоростях деформации» (фант № НШ-1456.2003.8), с тематическим планом научно-исследовательской работы ФГУП «ГНПП «Сплав», а также с рядом хоздоговорных работ с машиностроительными предприятиями Российской Федерации.
Цель работы: разработка научно обоснованных технологических решений изготовления осесимметричных изделий вытяжкой с утонением двухслойных материалов и ротационной вытяжкой с утонением стенки и разделением деформации изделий ответственного назначения (баллонов высокого давления и тонкостенных крупногабаритных оболочек специальной техники) путем развития теории пластического формоизменения этих процессов, обеспечивающих заданное качество и надежность их эксплуатации (повышение коррозионной стойкости, геометрических характеристик, прочности), уменьшение трудоемкости и металлоемкости изделий, сокращение сроков подготовки производства новых изделий и методик их проектирования.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи исследований:
-
Разработать технологические основы изготовления осесимметричных изделий вытяжкой с утонением стенки двухслойных материалов с учетом механических характеристик основного и плакирующего слоев и ротационной вытяжкой с утонением стенки тонкостенных крупногабаритных оболочек коническими роликами с учетом локального очага деформации, величины фактической подачи ролика и разделения деформации. На основе математических моделей деформирования двухслойного материала при вытяжке с утонением стенки и ротационной вытяжки тонкостенных оболочек определить кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния, силовые режимы, формирование характеристик механических свойств детали в процессах пластического формоизменения, а также рассчитать предельные степени деформации в зависимости от условий эксплуатации изготавливаемого изделия.
-
Осуществить теоретические и экспериментальные исследования этих операций, в результате которых выявить влияние технологических параметров, геометрических размеров заготовки и инструмента, степени деформации, толщины основного и плакирующего слоев, условий трения контактных поверхностей инструмента и заготовки на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния заготовки, силовые режимы и предельные возможности формоизменения.
Установить особенности расчета силовых режимов для 3-роликовой схемы ротационной вытяжки с разделением деформации. В отличие от известных решений оценить предельные возможности формоизменения исследуемых процессов деформирования по степени использования ресурса пластичности.
-
Создать методики экспериментальных исследований и провести испытания механических характеристик ряда двухслойных материалов и трубных заготовок. Изучить изменение механических свойств малоуглеродистой стали 10 и многокомпонентной легированной стали 12ХЗГНМФБА в зависимости от вида термической обработки и степени деформации при последующей ротационной вытяжке заготовки
-
Установить рациональные режимы формоизменения, обеспечивающие требуемые геометрические показатели качества изготавливаемых деталей (относительных величин наплыва, разностенности и отклонения внутреннего диаметра детали от номинального значения) из малоуглеродистой стали 10, низколегированной стали 10ГН, многокомпонентной легированной стали 12ХЗГНМФБА и алюминиевого сплава АМгб ротационной вытяжкой на специализированном оборудовании.
-
Использовать результаты исследований в промышленности, для чего разработать методики по расчету и проектированию технологических процессов изготовления корпусов баллонов высокого давления из двухслойных материалов и ротационной вытяжки тонкостенных цилиндрических и осесиммет-ричных деталей на специализированном оборудовании, путем совершенствования существующих и создания новых технологических процессов, а также в учебном процессе при подготовке новых курсов, при выполнении исследовательских курсовых и дипломных проектов студентами, магистерских и кандидатских диссертационных работ.
Методы исследования. Теоретические исследования процессов вытяжки с утонением стенки двухслойных материалов, ротационной вытяжки выполнены с использованием основных положений механики деформируемого твердого тела и теории пластичности жесткопластического тела; анализ напряженного и деформированного состояний заготовки в исследуемых процессах формоизменения осуществлен численно методом конечно-разностных соотношений с использованием ЭВМ путем совместного решения дифференциальных уравнений равновесия, уравнения состояния и основных определяющих соотношений при заданных начальных и граничных условиях. Предельные возможности формоизменения исследуемых процессов деформирования оценивались по величине максимального растягивающего напряжения на выходе из очага пластической деформации и степени использования ресурса пластичности.
Экспериментальные исследования выполнены с использованием современных испытательных машин (универсальная испытательная машина «МИ-РИ-200К», испытательные машины Р-5 и ГМС-50) и регистрирующей аппаратуры; обработка опытных данных осуществлялась с применением методов математической статистики и теории планирования эксперимента; рациональные интервалы изменения технологических параметров, обеспечивающие необходимые геометрические показатели качества цилиндрических деталей при ротационной вытяжке с утонением стенки, определялись итеративными методами
поиска оптимума.
Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задач, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями, а также широким практическим использованием результатов работы в промышленности.
Автор защищает математическую модель формоизменения двухслойных материалов при вытяжке с утонением стенки осесимметричных деталей с учетом механических характеристик основного и плакирующего слоев; математическую модель формоизменения заготовки при ротационной вытяжке цилиндрических деталей с утонением стенки коническими роликами с учетом локального очага деформации и объемного характера напряженного и деформированного состояний в очаге деформации; методики и результаты экспериментальных исследований механических характеристик ряда двухслойных материалов и трубных заготовок (характеристики кривых упрочнения и разрушения); результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов вытяжки с утонением стенки цилиндрических изделий ответственного назначения (баллонов высокого давления) из двухслойных материалов и ротационной вытяжки коническими роликами тонкостенных цилиндрических деталей специальной техники; особенности расчета силовых режимов для 3-роликовой схемы ротационной вытяжки с разделением деформации; математические модели формирования геометрических показателей качества деталей (относительных величин наплыва, разностенности и отклонения внутреннего диаметра детали от номинального значения) из малоуглеродистой стали 10, низколегированной стали 10ГН, многокомпонентной легированной стали 12ХЗГНМФБА и алюминиевого сплава АМгб, изготовленных ротационной вытяжкой на специализированном оборудовании; результаты экспериментальных исследований по влиянию вида термической обработки и степени деформации при ротационной вытяжке и вытяжке с утонением стенки на механические свойства изготавливаемых цилиндрических деталей из сталей 10, 10ГН, СП28, 30ХМА, 12ХЗГНМФБА, алюминиевого сплава АМгб. стали 10, полученной методом электрошлакового литья; алгоритмы и пакеты прикладных программ для ЭВМ по расчету и проектированию технологических процессов изготовления деталей ответственного назначения из двухслойных материалов и ротационной вытяжки тонкостенных цилиндрических и осесимметричных деталей на специализированном оборудовании; новый технологический процесс получения заготовок под закатку горловины баллонов БГ-7,3-30-30.001 из стали 12ХЗГНМФБА+08Х13 вытяжкой, а также новые технологические процессы ротационной вытяжки тонкостенных осесимметричных деталей различного назначения и профиля из многокомпонентной стали 12ХЗГНМФБА, нержавеющей стали 09Х18Н10Т, алюминиевых сплавов АМгб, Д1 и стали 10, обеспечивающие эксплуатационные требования и снижение трудоемкости их изготовления.
*
Научная новизна:
разработаны технологические основы новых процессов изготовления осесимметричных изделий вытяжкой с утонением стенки двухслойных материалов и ротационной вытяжкой с утонением стенки тонкостенных оболочек коническими роликами на базе развития теории пластического формоизменения двухслойных материалов в коническом канале и течения материала в локальном очаге деформации при ротационной вытяжке тонкостенных оболочек коническими роликами в предположении квазиплоской деформации и фактической подачи ролика;
выявлены закономерности изменения кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояний, силовых режимов и предельные возможности формоизменения в зависимости от технологических параметров, условий трения контактных поверхностей инструмента и заготовки, геометрических параметров заготовки и инструмента, толщины основного и плакирующего слоев, механических характеристик основного и плакирующего материалов при вытяжке с утонением стенки цилиндрических деталей из двухслойных материалов и ротационной вытяжки цилиндрических деталей на специализированном оборудовании коническими роликами;
установлены зависимости изменения геометрических показателей качества изготавливаемых деталей (относительных величин наплыва, разностен-ности и отклонения внутреннего диаметра детали от номинального значения) и их механических характеристик от технологических режимов ротационной вытяжки с утонением.
Практическая значимость.
На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны методики и создано программное обеспечение для ЭВМ по расчету технологических параметров вытяжки с утонением цилиндрических деталей ответственного назначения из двухслойных материалов и ротационной вытяжки тонкостенных цилиндрических и осесимметричных деталей специальной техники на специализированном оборудовании коническими роликами.
Экспериментально определены механические характеристики двухслойного материала 12ХЗГНМФБА+08Х13, позволяющие более точно определить силовые режимы, ожидаемые механические свойства изготавливаемой детали и предельные возможности формоизменения вытяжки с утонением этого двухслойного материала.
Экспериментально изучено влияние вида предварительной термической обработки и последующей ротационной вытяжки с различными степенями деформации на механические свойства получаемых цилиндрических деталей из стали 10.
Экспериментально показано, что литые заготовки, полученные методом электрошлакового литья, могут быть использованы в качестве исходных заготовок для ротационной вытяжки корпусных осесимметричных деталей, изготавливаемых небольшими партиями.
Реализация работы.
Разработан новый технологический процесс изготовления заготовок
под закатку горловины баллонов БГ-7,3-30-30.001 из стали
12ХЗГНМФБА+08Х13 с высокими эксплуатационными характеристиками и повышенной коррозионной стойкостью. Новые технологические процессы внедрены в производство на ФГУП «ГНПП Сплав» с экономическим эффектом, полученным в результате повышения их качества и сокращения сроков подготовки производства.
Разработаны новые технологические процессы ротационной вытяжки тонкостенных цилиндрических деталей с наружными и внутренними утолщениями из многокомпонентной стали 12ХЗГНМФБА; гладких цилиндрических деталей из нержавеющей стали 09Х18Н10Т; цилиндрических деталей с двумя концевыми наружными утолщениями из алюминиевого сплава АМгб; цилиндрических деталей с внутренним винтовым профилем из алюминиевого сплава Д1; сложнопрофильных оболочек с переменной толщиной стенки и наличием кольцевых центрирующих утолщений из стали 10; новые технологии ротационной вытяжки осесимметричных сложнопрофильных деталей на станках с ЧПУ из стали 10 при обеспечении эксплуатационных требований и снижении трудоемкости их изготовления, которые внедрены в производство на ФГУП «ГНПП Сплав» со значительным экономическим эффектом.
Результаты работы внедрены в учебный процесс и используются:
при чтении лекций, проведении лабораторных и практических занятий по дисциплинам «Теория обработки металлов давлением», «Новые техпроцессы и оборудование» и «Технология листовой штамповки», при подготовке бакалавров направления 551800 «Технологические машины и оборудование» и студентов, обучающихся по направлению 651400 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 120400 «Машины и технология обработки металлов давлением», а также в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов;
при подготовке кандидатских и магистерских диссертаций, исследовательских курсовых и дипломных проектов, выпускных квалификационных работ бакалавров;
по материалу диссертационной работы опубликованы 6 учебных пособий, из них 5 с грифом «Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов по университетскому и политехническому образованию в качестве учебного пособия для бакалавров техники и технологии направления 551800 «Технологические машины и оборудование» и студентов, обучающихся по направлению 651400 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 120400 «Машины и технология обработки металлов давлением».
Апробация работы. Результаты исследований доложены на XXVII Всероссийской научно-технической конференции «Проектирование систем» (г. Москва: МГТУ им. Н.Э. Баумана. РАРАН, 2000 г.); на Международной научно-технической конференции «Проблемы проектирования и производства систем и комплексов» (г. Тула: ТулГУ, 2001 г.); на IV Международной научно-технической конференции «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов» (г. Ульяновск: УГУ и РФФИ, 2001 г.); на Международной научно-технической конференции «Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении» (г. Воронеж: ВГТУ, 2001 г.); на Международной научно-технической конференции
«Технологические системы в машиностроении» (г. Тула: ТулГУ, 2002 г.); на Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков» (г. Рыбинск: РГАТА, 2002 г.); на Международной научно-технической конференции «Совершенствование процессов и оборудования обработки металлов давлением в металлургии и машиностроении» (Украина, г. Краматорск: ДЦМА. 2002 и 2003 гг.); на отчетной конференции - выставки подпрограммы 205 «Транспорт» научно-технической программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (г. Москва: МАМИ, 2002 г.); на Всероссийской научно-технической конференции «Теория и практика производства листового проката» (г. Липецк: ЛГТУ, 2003 г.); на XXXIII Уральском семинаре «Механика и процессы управления» (г. Екатеринбург: Уральское отделение РАН, 2003 г.); на Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование кузнечно-штамповочного производства» (г. Москва: МГТУ «МАМИ», 2003 г); на Международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики», посвященной 80-летию со дня рождения профессора Л.А. Толоконникова (г. Тула: ТулГУ, 2003 г.); на Третьей межвузовской научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы металлургии» (г. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2003 г.); на II Международной научно-технической конференции «Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование обработки материалов давлением» (г. Тула: ТулГУ, 2004 г.); на семинарах РАРАН (г. Москва, 2003 и 2004 гг.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г Тула, 1998 - 2004 гг.)
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано: монографий - 4 (2 монографии без соавторства); статей в центральной печати и зарубежных рецензируемых изданиях и сборниках, 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» - 30; статей в различных межвузовских сборниках научно-технических трудов - 21; учебных пособий с грифом УМО вузов по университетскому и политехническому образованию Минобразования и науки Российской Федерации - 5; авторских свидетельств и патентов - 5; из них статей без соавторства - 24. Общий объем - 99,7 печ. л., авторский вклад - 38,2 печ. л.
Автор выражает глубокую благодарность д-ру техн. наук, проф. С.С. Яковлеву за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения и шести разделов, заключения, списка использованных источников из 269 наименований, 4 приложений и включает 255 страниц основного машинописного текста, содержит 175 рисунков и 47 таблиц. Общий объем - 371 страница.
Анализ технологических процессов изготовления тонкостенных цилиндрических деталей ответственного назначения из трубных заготовок с высокими эксплуатационными характеристиками ротационной вытяжкой
Растущая потребность в производстве тонкостенных цилиндрических деталей, наряду с предъявляемыми к ним высокими требованиями по точности геометрической формы, диаметральным размерам, толщине стенки, качеству поверхности и механическим свойствам, связанными с обеспечением надёжности эксплуатации деталей в условиях агрессивной среды, высоких температур и давлений, определяет необходимость совершенствования методов их изготовления.
Вместе с традиционными методами изготовления тонкостенных цилиндрических деталей механической обработкой и многооперационной вытяжкой за последние годы широкое применение находит ротационная вытяжка на специализированном оборудовании с использованием в качестве деформирующих элементов роликов [32-34, 49, 76, 118-121, 134, 136, 199, 235-239].
Выбор схемы ротационной вытяжки определяется конструктивными особенностями изготавливаемых деталей, технологическими возможностями используемого оборудования и свойствами обрабатываемого материала [49, 76, 81, 188, 199]. Использование той или иной схемы преследует цель - создать наиболее благоприятные условия деформирования, обеспечивающие получение заданных качественных характеристик и профиля изготавливаемых деталей (рис. 1.1) при высокой производительности процесса.
Существуют два способа ротационной вытяжки: прямой и обратный (рис. 1.2). При прямом способе (рис. 1.2, а) заготовка фиксируется на оправке со стороны переднего торца (в начале обработки). В процессе ротационной вытяжки по такому способу обработанная часть детали подвергается растяжению, а недеформированная часть заготовки свободна от напряжений и при утонении стенки перемещается вдоль оправки.
При обратном способе (рис. 1.2, б) заготовка устанавливается на оправку до упора задним торцем в буртик оправки. В процессе обработки недеформированная часть заготовки воспринимает осевую силу деформирования, а обработанная часть детали свободно перемещается по оправке, испытывая лишь остаточные напряжения, что способствует искажению ее геометрической формы. В связи с этим обратный способ характеризуется болеенизкими возможностями обеспечения точностных характеристик и применяется лишь для деталей с невысокими требованиями по качеству изготавливаемой детали. Изготовление деталей с повышенными требованиями производят преимущественно по прямому способу.
В зависимости от количества деформирующих роликов схемы ротационной вытяжки разделяются на однороликовые и многороликовые.Однороликовые и двухроликовые схемы (рис. 1.2) используются преимущественно при изготовлении коротких деталей, поскольку указанные схемы не исключают смещения оси оправки относительно оси детали в процессе обработки, что приводит к снижению точностных характеристик изготавливаемых деталей.
В связи с этим для изготовления деталей большой длины с отношением L/D 5 наиболее широкое применение находят схемы ротационной вытяжки тремя роликами, равномерно (через 120) расположенными по периметру окружности. Использование трехроликовых схем создает условия для уравновешивания сил деформирования, что позволяет разгрузить шпиндель станка от воздействия радиальные нагрузок и исключает прогиб оправки с деталью в процессе обработки.
Наряду с трехроликовыми схемами в производстве успешно применяются схемы ротационной вытяжки с использованием четырех роликов. При использовании многороликовых схем, в целях создания наиболее благоприятных условий деформирования, взаимное расположение роликов, а также их расположение относительно оправки, может быть различно. В связи с этим указанные схемы разделяются на ряд разновидностей.
Наряду с вышеприведенными схемами, зарубежными фирмами, а также отечественными предприятиями, в том числе предприятием ФГУП «ГНТШ Сплав», разработаны и находят успешное применение схемы ротационной вытяжки с разделением очага деформации [21, 22, 81, 188, 197, 199, 249]. Такие схемы имеют ряд важных преимуществ, состоящих в снижении потребных деформирующих сил ротационной вытяжки (при прочих равных условиях), достижении более высоких степеней деформации за один проход, что позволяет интенсифицировать процесс ротационной вытяжки. Сущность указанных схем состоит в том, что суммарная деформация разделяется между роликами или группой роликов по определенной зависимости (рис. 1.3). Разделение деформации осуществляется взаимным смещением роликов либо в осевом и радиальном направлении, либо смещением только в радиальном направлении, при этом используются ролики с различным профилем [81, 199].
Анализ схем ротационной вытяжки, используемых в промышленности, позволяет сделать следующие выводы.Схемы ротационной вытяжки с использованием одного или двух деформирующих роликов целесообразно использовать при изготовлении коротких деталей с отношением L/D 2..3. При больших отношениях LID предпочтительно использовать схемы с тремя или четырьмя роликами, по
Влияние технологических параметров, механических свойств двухслойной заготовки на напряженно-деформированное состояние, силовые режимы и предельные возможности формо изменения
Кинематика течения материала, напряженного и деформированного состояний заготовки, силовые режимы и предельные возможности вытяжки с утонением стенки двухслойных материалов исследовались численно на ЭВМ в зависимости от коэффициента утонения ms=si /SQ, угла конусности матрицы a = 6...30 и условий трения на инструменте ц„. = (і...4)ц,. при \ім = 0,05 . Расчеты выполнены для двухслойных материалов, механические свойства которых приведены в табл. 2.2 [25, 85-88, 186, 192, 218].
На рис. 2.4 и 2.5 приведены графические зависимости изменения относительной величины радиальной скорости Vp = Vp !VQ ОТ угла G в различных трех радиальных сечениях (VQ - скорость перемещения пуансона). Здесь введены следующие обозначения: кривая 1 - p = pi + 0,25(р2 -pi); кривая 2 -P = Pl + 0,5(р2 - Pi); кривая 3 - р = р! +0,75(р2 - pi).
Расчеты выполнены при разных значениях 80і/50; SQ =4 мм; SQ и 501- начальная толщина двухслойного материала и начальная толщина первого слоя соответственно.Анализ графических зависимостей показывает, что с увеличением величины р и уменьшением угла 0 относительная радиальная скорость Vвозрастает, приближаясь к величине относительной скорости перемещения пуансона VQ,
Установлено, что различие между относительными величинами радиальной скорости Vp, вычисленными без учета и с учетом упрочнения материала при пластическом деформировании, не превышает 5 Графические зависимости изменения относительных величин радиального Стр =стр/(а0;і2)2 тангенциального eg = ад/(СУ0,2)2 и касательного тре =xpe/[(a0)2)/V3] напряжений ((00,2)2 - условный предел текучести основного материала) в трех радиальных сечениях очага пластической деформации от угла 0 показаны на рис. 2.6 - 2.8,
На рис. 2.6 - 2.8 введены обозначения: кривая 1 - относительная величина радиального напряжения ар; кривая 2 - относительная величина касательного напряжения Тро; кривая 3 - относительная величина тангенциаль ного напряжения OQ . Расчеты выполнены для ряда двухслойных материалов, механические свойства которых приведены в табл. 2.2, при коэффициенте трения на матрице \ьм = 0,05 (\іпі\ -М = 2 s0 = 4 мм) имеет разрыв при 0 = UQ , что объясняется разными механическими свойствами материала первого и второго слоев, а величины тангенциальных GQ И касательных напряжений трд непрерывны. С уменьшением радиуса р отно сительная величина радиального напряжения ар увеличивается, OQ уменьшается по абсолютной величине (8 = const).
Увеличение угла конусности матрицы а и уменьшение коэффициента утонения ms сопровождается ростом относительного радиального стр иуменьшением тангенциального GQ напряжений (по абсолютной величине). Различие между относительными величинами радиальных ар и тангенциальных с% напряжений, вычисленных по первому и второму приближению решения задачи, не превышает 5 % [142, 241].
Показано, что учет упрочнения существенно уточняет относительные величины радиального стр, тангенциального JQ И касательного xpQ напряжений, однако не изменяет характер их распределения от угла 6 в радиальных сечениях очага пластической деформации (рис. 2.6 и 2.7).
На рис. 2.9 и 2.10 приведены зависимости изменения относительнойвеличины силы Р-Pf[Tt(d\+S{)SI(GQ 2)2] от Угла конусности матрицы апри фиксированных величинах коэффициента утонения ms и коэффициентетрения на пуансоне \іц (ц w = 0,05). Анализ графиков и результатов расчетапоказывает, что с уменьшением коэффициента утонения ms относительнаявеличина силы Р возрастают. Интенсивность роста тем выше, чем меньше коэффициент утонения ms.
Учет упрочнения существенно уточняет относительную величину силы Р „ однако не изменяет характер влияния угла конусности матрицы а, коэффициента утонения т$ и условий трения на контактных поверхностях рабочего инструмента и заготовки {\XJJ /цд/).Выявлены оптимальные углы конусности матрицы в пределах 10... 20, соответствующие наименьшей величине силы, при коэффициентах утонения ms 0,75. Если величины коэффициентов утонения ms 0,75, то увеличение угла конусности матрицы а приводит к возрастанию относительной удельной силы Р . Величина оптимальных углов конусности матрицы а с увеличением коэффициента утонения ms смещается в сторону меньших углов.
Анализ результатов расчетов и графических зависимостей показал, что изменение условий трения на контактной поверхности пуансона существенно влияет на относительную величину силы Р . С ростом коэффициента трения на пуансоне цп (при Цд, -0,05) величина относительной силы Р возрастает. Этот эффект проявляется существеннее на малых углах конусности матрицы а и величинах коэффициента утонения ms; при углах конусности матрицы а = 30 увеличение коэффициента трения на пуансоне в четыре раза по сравнению с коэффициентом трения на матрице приводит к незначительному (около 5 %) изменению относительной величины силы Р .Приведенные выше соотношения и результаты расчетов могут быть использованы при анализе процесса вытяжки с утонением стенки двухслойного материала.
Скорость истечения
На рис. 3.5 показано идеализированные сечения заготовки и ролика с образующим углом ар и нулевым радиусом закругления. Примем, что истечение начинается в тот момент, когда расстояние между поверхностью ролика и детали
Рисунок 3.5. Идеализированное сечениезаготовки и ролика при определениискорости теченияа когда ролик вдавливается в заготовку на величину 8 и толщина стенки станет равной і, площади заштрихованных областей равны между собой (плоская деформация), и в результате имеем(3.31)
Принимая скорости потоков областей равными, получимгде VR и Vz - соответственно скорость вдавливания и скорость осевого течения.Из соотношения (3.32) следует, что Установим связь между осевой Vz и радиальной VR скоростями и согласно Скорость вдавливания ролика в заготовку в сечении заготовки, проведенном под углом 9 к линии центров,
В дальнейшем можно принять в порядке упрощения, что местная толщина стенки t заготовки изменяется по дуге контакта по формуле
Используя условие несжимаемостии учитывая, что получим выражение для определения осевой составляющей скоростиФункцию F2(r,Q) найдем из условия, что начало истечения материала происходит при расстоянии между поверхностью ролика и заготовки, равном
Приведенные выше соотношения позволяют аналитически (приближенно) оценить величины компонент скоростей деформации в локальном очаге деформации при ротационной вытяжке цилиндрических деталей коническим роликом.
Запишем выражения для определения интенсивности напряжений и интенсивности скоростей деформаций:Приведем уравнения связи между напряжениями и скоростями деформацийи уравнения равновесия в цилиндрической системе координатгде о - среднее напряжение; aicp - средняя величина интенсивности напряжения в очаге пластической деформации. Введя обозначениясоотношения (3.45) запишутся в следующем виде:Компоненты напряжений могут быть определены из соотношений (3.47) так;
Подставив выражения (3.48) в уравнения равновесия (3.46), имеемЛокальный очаг пластической деформации в сечении z const разобьем 0 и г- линиями (рис. 3.6):г = const 0 - линия; 6 = const г-линия. Заметим, что точки вдоль G- линии имеют индексацию (0,0), (1,0), (2,0), (3,0),...(ія ,0); точки вдоль г- линии - (0,1), (0,2), (0,3), (0,4),...(0, п). Разрешив каждое из уравнений системы (3.50) относительно среднего напряжения, получим выражения для определения величины Gmn: по г - линии (0 = const)
Известно, что на границе входа материала в очаг пластической деформации величина осевого напряжения равна нулю, т.е.Это условие позволяет определить распределение величин среднего напряжения с(т,п) на входе материала в очаг пластической деформации и напряжений сгг, erg, az и тг0, 1QZ, TfQ по выражениям (3.48). Далее по выраже 119 ниям (3.51), (3.52) и (3.53) вычисляются величины среднего напряжения а(т,п) в точках очага пластической деформации.
Определим радиальное сг# и тангенциальное ат напряжения на контактной границе /. (ис 3.7) и осевое напряжение а2 . Подставляявыражения для определения напряжений Gr, CTQ И Тг0 В формулыпреобразования компонент напряжений при повороте осей координат (табл. 3.1), получим выражения для вычисления радиального с#, тангенциального ах напряжений наГ контактной границе г/с и осевогонапряжения a z соответственно: Рисунок 3.7. К определению радиальнойи тангенциальной силыЗная величины радиального стд и тангенциального стт напряжений на контактной границе /%, можно найти радиальную и тангенциальную составляющие силы так:С учетом составляющей трения осевая сила Pz определяется следующим образом:Pz=Pi+\i0PRt (3.58 )где ц0- коэффициент трения между поверхностями заготовки и оправки.Проекция контакта поверхности заготовки и ролика на площадь с нормалью z вычисляется по формулеМомент силы, приложенный к оправке для осуществления пластической деформации в очаге деформации, приближенно может быть найден по формулеРабота деформации, совершаемая моментом MQ на угле 9e, может быть
Основные положения теории планирования эксперимента
Применение теории планирования эксперимента позволяет минимизировать общее число опытов при одновременном варьировании всеми переменными с оптимальным использованием факторного пространства и получать математические модели, имеющие лучшие свойства по сравнению с моделями, полученными на основе пассивного эксперимента [3,123, 124, 128].
Полученная ММ позволит для выбранных диапазонов изменения факторов проводить технологические расчеты, результаты которых с достаточной степенью точности будут соответствовать действительности. Ценность этой модели заключается в том, что она может быть использована также и для оптимизации исследуемых параметров, т.е. выбора наиболее рациональных значений технологических факторов.
Исследование механизма любого явления на базе классического эксперимента при большом количестве варьируемых факторов требует неоправданно больших затрат как материальных ресурсов, так и времени.Планирование многофакторного эксперимента позволяет перейти от частных эмпирических зависимостей к общим, дающим математическое описание картины процесса во всей сложности и взаимообусловленности.
Проведение эксперимента по выяснению «механизма явления» содержит следующие основные этапы: выбор выходных переменных (откликов); уточнение области изменения входных факторов и их интервалов варьирования; выбор вида ММ, т.е. вида аппроксимирующих зависимостей для всех поверхностей отклика; выбор плана машинного эксперимента (матрицы пла нирования) в соответствии с выбранной моделью; реализация эксперимента, обработка экспериментальных данных, определение значимости коэффициентов уравнения регрессии и проверка адекватности ММ.
Установлено, что влияние выбранных входных факторов на формирование показателей качества цилиндрических деталей носит нелинейный характер, поэтому для достаточно адекватного описания этого процесса, выходные параметры которьгх являются сложными функциями большого числа факторов, в качестве приближенной математической модели можно воспользоваться полиномами высших степеней. Однако с увеличением показателя степени полинома увеличивается и количество уровней варьирования входных факторов, т.к. число уровней варьирования на единицу больше показателя высшей степени полинома. Поэтому предлагается аппроксимировать эти зависимости полиномами второго порядка.
ММ второго порядка представляет собой условное математическое ожиданиегде PQ, (3/, ру , PZj- - теоретические коэффициенты регрессии; А,--элементыматрицы значений независимых переменных (входных факторов) в натуральном масштабе, к- число факторов, у = {у,-}- вектор наблюдений (от Т клик), при этом матрица произведения Z = X X О.
Используя результаты экспериментов, можно оценить только выборочные коэффициенты регрессии - bQ bitbjj bji, которые являются лишь статистическими оценками теоретических коэффициентов регрессии PQ, Р;, Ру, pjj. Тогда уравнение регрессии, полученное на основании эксперимента, будет иметь видПервое слагаемое уравнения (4.4,а) характеризует нулевой член модели, второе - линейные члены, третье - эффекты взаимодействия второго порядка, четвертое слагаемое - квадратичные члены.
Несмещенной оценкой вектора коэффициентов регрессии по методу наименьших квадратов является величинат где Y = {уі) - вектор-столбец значений функции отклика.Значимость коэффициентов регрессии (параметров модели) проверяли по t - критерию Стьюдентагде Sy- среднеквадратичное отклонение параметра; d - диагональный эле мент дисперсионной матрицы Z {Х -X) .
В случае если tf t , то і-й коэффициент уравнения (4.4, а) признается незначимым. Значения tf1 при заданном числе степени свободы и уровня значимости определялся из таблиц [3, 123, 124, 128].Проверка значимости коэффициентов позволяет выяснить ранг факторов по их влиянию на параметр и, в частности, установить, влияние каких факторов можно считать практически несущественным.
Коэффициенты могут быть статистически незначимы, если:- основной уровень фактора близок к точке экстремума;- интервал варьирования фактора выбран слишком узким;- данный фактор (или их произведение) не имеет функциональной связи с выходным параметром;- велика ошибка эксперимента из-за наличия неуправляемых или неконтролируемых факторов.В последнем случае желательно применять робастньте планы.
