Введение к работе
Актуальность темы. Современные тенденции развития различных отраслей промышленности стимулирует разработку высокоэффективных технологий, обеспечивающих повышение требований к качеству и эксплуатационным свойствам изделий при снижении себестоимости их производства, экономии материальных и энергетических ресурсов, трудовых затрат. Процессы обработки металлов давлением относятся к высокоэффективным, экономичным способам изготовления металлических изделий.
В различных механизмах и машинах, особенно в пневмо- и гидроаппаратуре, широко применяются детали типа полых цилиндров, имеющих внутренние полости. Детали такого типа могут быть получены обратным выдавливанием трубной заготовки.
Заготовки, как правило, обладают анизотропией механических свойств, которая зависит от режимов их изготовления. Эти свойства оказывают влияние на технологические параметры процессов обработки металлов давлением.
В настоящее время в технической литературе недостаточно уделено внимание вопросам, связанных с реальными условиями протекания процесса формообразования, влиянием анизотропии механических свойств на технологические параметры, предельные степени деформации и ожидаемые механические свойства изделия. Процессы пластического деформирования тонкостенных и толстостенных трубных анизотропных заготовок коническим пуансоном мало изучены. Таким образом, исследование операции обратного выдавливания тонкостенных и толстостенных трубных деталей из материалов, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, приобретает особую актуальность.
Работа выполнена в соответствии с грантами Президента РФ на поддержку ведущих научных школ по выполнению научных исследований (гранты № НШ-1456.2003.8 и № НШ-4190.2006.8), государственным контрактом Федерального агентства по науке и инновациям № 02.513.11.3299 (2007 г.), грантами РФФИ № 05-01-96705 (2005-2006 гг.) и № 07-01-00041 (2007-2008 гг.) и научно-технической программой Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 гг.)» (проект № РНП 2.1.2.8355).
Цель работы. Повышение эффективности изготовления тонкостенных и толстостенных трубных деталей обратным выдавливанием на базе установления научно-обоснованных параметров технологических процессов пластического деформирования трубных заготовок, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработать математические модели операции обратного выдавливания тонкостенных и толстостенных трубных заготовок, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств. Получить основные уравнения и соотношения для анализа процессов пластического деформирования анизотропных трубных заготовок коническим пуансоном, протекающих в условиях плоского деформированного состояния и осесимметричного нерадиального течения материала.
2. Выполнить теоретические и экспериментальные исследования операций обратного выдавливания тонкостенных и толстостенных трубных заготовок из анизотропных материалов коническим пуансоном.
3. Установить влияние технологических параметров, геометрии рабочего инструмента, анизотропии механических свойств, геометрических размеров заготовки и детали на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния, величину накопленных микроповреждений, неоднородность интенсивности деформации и сопротивления материала пластическому деформированию в стенке осесимметричной детали, силовые режимы и предельные возможности операции обратного выдавливания трубных заготовок.
4. Разработать рекомендации и создать пакеты прикладных программ для ЭВМ по расчету технологических параметров операции обратного выдавливания тонкостенных и толстостенных трубных заготовок из анизотропных материалов.
5. Использовать результаты исследований в промышленности и в учебном процессе.
Методы исследования. Теоретические исследования операций обратного выдавливания тонкостенных и толстостенных осесимметричных деталей выполнены с использованием основных положений механики деформируемого твердого тела и теории пластичности жесткопластического анизотропного тела; анализ напряженного и деформированного состояний заготовки 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 сжимающего напряжения на входе в очаг пластической деформации, по степени использования ресурса пластичности анизотропной цилиндрической заготовки и условию потери устойчивости трубной заготовки в пластической области в виде образования симметричных складок при осадке свободно опертой заготовки. Экспериментальные исследования выполнены с использованием современных испытательных машин и регистрирующей аппаратуры. Обработка опытных данных осуществлялась с применением методов математической статистики.
Автор защищает:
- математические модели обратного выдавливания тонкостенных и толстостенных трубных заготовок, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, коническим пуансоном;
- основные уравнения и соотношения для анализа процессов пластического деформирования анизотропных трубных заготовок коническим пуансоном, протекающих в условиях плоского деформированного и осесимметричного (нерадиальных течений) состояния;
- результаты теоретических исследований процесса обратного выдавливания трубных заготовок коническим пуансоном;
- закономерности влияния технологических параметров, условий трения на контактных поверхностях рабочего инструмента и заготовки, анизотропии механических свойств материала заготовки, геометрических размеров заготовки и детали на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния заготовки, величину накопленных микроповреждений, неоднородность интенсивности деформации и сопротивления материала пластическому деформированию в стенке осесимметричной детали, силовые режимы и предельные возможности деформирования, связанные с величиной сжимающего напряжения на входе в очаг пластической деформации, степенью использования ресурса пластичности анизотропной цилиндрической заготовки и условием потери устойчивости трубной заготовки в пластической области в виде образования симметричных складок при осадке свободно опертой заготовки;
- результаты экспериментальных исследований силовых режимов процесса обратного выдавливания толстостенных трубных заготовок из малоуглеродистых сталей;
- разработанные рекомендации по проектированию технологических процессов осесимметричных деталей, обеспечивающих заданное качество их изготовления, уменьшение трудоемкости и металлоемкости, сокращение сроков подготовки производства новых изделий, которые использованы при изготовлении осесимметричных полых цилиндров, имеющих наружные и внутренние полости, из стали 10.
Научная новизна: установлены закономерности изменения кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояний заготовки, величины накопленных микроповреждений, неоднородности интенсивности деформации и сопротивления материала пластическому деформированию в стенке осесимметричной детали, силовых режимов и предельных возможностей формообразования в зависимости от технологических параметров, геометрических размеров заготовки и детали и анизотропии механических свойств материала заготовки на основе разработанных основных уравнений и соотношений для анализа процессов пластического деформирования трубных заготовок, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, коническим пуансоном, протекающих в условиях плоского деформированного состояния и осесимметричного нерадиального течения материала.
Практическая значимость. Разработаны рекомендации и созданы пакеты прикладных программ для ЭВМ по расчету технологических параметров операции обратного выдавливания тонкостенных и тонкостенных трубных заготовок из анизотропных материалов, обеспечивающих интенсификацию технологических процессов, уменьшение трудоемкости и металлоемкости деталей, заданное качество их изготовления, сокращение сроков подготовки производства новых изделий.
Реализация работы. Разработанные рекомендации использованы при проектировании технологического процесса изготовления осесимметричных полых цилиндров, имеющих наружные и внутренние полости, из малоуглеродистой стали методом обратного выдавливания. Применение операции обратного выдавливания обеспечивает экономию металла около 15%, уменьшение трудоемкости изготовления деталей на 30% по сравнению с механической обработкой, при этом достигаются необходимые требования к изделию по геометрическим и механическим характеристикам. Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» и инженеров, обучающихся по направлению 150200 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением» и включены в разделы лекционных курсов «Штамповка анизотропных материалов» и «Механика процессов пластического формоизменения», а также использованы при выполнении курсовых и дипломных проектов.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на международных молодежных научных конференциях XXXI – ХХХIV «Гагаринские чтения» (г. Москва: МГТУ «МАТИ», 2006-2008 гг.), на Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» НМТ-6 (М.: МАТИ, 2006), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (2006-2008 гг.).
Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 9 статьях в рецензируемых изданиях, внесенных в список ВАК, одной статье в межвузовском сборнике научных трудов, 5 тезисах Всероссийских и международных научно-технических конференций общим объемом 4,72 печ. л.; из них авторских – 2,5 печ. л.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору С.С. Яковлеву за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения и пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 135 наименований, 3 приложений и включает 98 страниц машинописного текста, содержит 34 рисунка и 1 таблица. Общий объем - 158 страниц.
