Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние теории и технологии изготовления цилиндрических деталей ротационной вытяжкой 13
1.1. Методы теоретического анализа процесса ротационной вытяжки цилиндрических деталей из труб 13
1.2. Анализ технологических процессов ротационной вытяжки цилиндрических деталей ответственного назначения из трубных заготовок с высокими эксплуатационными характеристиками ... 23
1.3. Основные выводы и постановка задач исследований 29
2. Теоретические и экспериментальные исследования процесса ротационной вытяжки цилиндрических деталей из трубных заготовок 32
2.1. Основные уравнения и соотношения для анализа процесса ротационной вытяжки с утонением стенки коническими роликами цилиндрических деталей 32
2.2. Учет упрочнения 49
2.3. Повреждаемость материала 50
2.4. Исследование влияния технологических параметров, геометрии ролика на силовые режимы, предельные возможности формоизменения и формирование показателей качества механических свойств материала детали 51
2.4.1. Силовые режимы процесса ротационной вытяжки. 51
2.4.2. Деформация и повреждаемость 54
2.4.3. Предельные возможности деформирования 62
2.5. Экспериментальные исследования силовых параметров ротационной вытяжки 65
2.6. Основные результаты и выводы 73
3. Математические модели формирования геометрических показателей качества ци линдрических деталей из стали 74
3.1. Основные положения теории планирования эксперимента 74
3.2. Геометрические показатели качества цилиндрических деталей и технологические параметры ротационной вытяжки 77
3.3. Методика экспериментальных исследований 80
3.4. Результаты экспериментальных исследований 83
3.5. Основные результаты и выводы 89
4. Математические модели изменения механических свойств стали при ротационной вытяжке на специализированном оборудовании 91
4.1. Методика экспериментальных исследований 92
4.2. Результаты экспериментальных исследований 96
4.3. Основные результаты и выводы 101
5. Использование результатов исследований 102
5.1. Рекомендации по проектированию технологических процессов ротационной вытяжки осесимметричных деталей 102
5.2. Технологический процесс ротационной вытяжки тонкостенных цилиндрических деталей с наружными и внутренними утолщениями из многокомпонентной стали 120
5.3. Использование результатов исследований в учебном процессе 125
5.4. Основные результаты и выводы 125
Заключение 126
Список используемых источников 129
- Анализ технологических процессов ротационной вытяжки цилиндрических деталей ответственного назначения из трубных заготовок с высокими эксплуатационными характеристиками
- Экспериментальные исследования силовых параметров ротационной вытяжки
- Геометрические показатели качества цилиндрических деталей и технологические параметры ротационной вытяжки
- Технологический процесс ротационной вытяжки тонкостенных цилиндрических деталей с наружными и внутренними утолщениями из многокомпонентной стали
Введение к работе
В настоящее время перед машиностроением стоит необходимость повышения эффективности производства и качества получаемых изделий. В различных отраслях машиностроения нашли широкое применение осесим--метричные изделия, к которым предъявляются высокие требования по качеству изготовления и эксплуатационным свойствам при снижении себестоимости их производства.
Значительная роль в решении этих задач отводится методам обработки металлов давлением. Однако обеспечение размерной точности, качества наружной и внутренней поверхности при изготовлении полых тонкостенных деталей, широко используемых в конструкциях машин и механизмов, встречает определённые трудности. Особенно остро стоит вопрос в изготовлении цилиндрических тонкостенных оболочек длиной более 1 м.
В последние годы появилась потребность в изготовлении тонкостенных крупногабаритных осесимметричных деталей 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 (РВ) 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 используют эмпирические зависимости из различных справочных материалов, а также результаты теоретических исследований, в кото
рых не в полной мере учитываются локальный характер формоизменения и механические свойства материала заготовки. Мало 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 задача повышения эффективности производства изготовления осесимметричных тонкостенных деталей и повышение их эксплуатационных характеристик ротационной вытяжкой путем 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 Российской Федерации, грантом Президента РФ на поддержку ведущих научных школ на выполнение научных исследований (грант № НШ-1456.2003.8) и грантом РФФИ «Исследование закономерностей пластического деформирования изотропных и анизотропных упрочняющихся материалов при обработке давлением» (№ 05-01-96705).
Цель работы. Интенсификация изготовления полых осесимметричных деталей и повышение их эксплуатационных характеристик ротационной вытяжкой путем назначения научно обоснованных технологических режимов деформирования.
Методы исследования. Теоретические исследования процесса ротационной вытяжки цилиндрических деталей 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 равнове
сия, уравнения состояния и основных определяющих соотношений при заданных начальных и граничных условиях. Предельные возможности формоизменения исследуемого процесса деформирования оценивались по степени использования ресурса пластичности.
Экспериментальные исследования выполнены с использованием современных испытательных машин (универсальная испытательная машина «МИРИ-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.
Автор защищает результаты теоретических и экспериментальных исследований изменения механических свойств и степени использования ресурса пластичности 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; математические модели формирования геометрических показателей качества деталей (относительных величин наплыва, разностен-ности и отклонения внутреннего диаметра детали от номинального значения) из многокомпонентной легированной стали 12ХЗГНМФБА; математические модели изменения механических свойств в зависимости от вида термической обработки и степени деформации горячекатаных труб из стали 12ХЗГНМФБА; алгоритмы и пакеты прикладных программ для ЭВМ по расчету технологических параметров ротационной вытяжки цилиндрических деталей, а также технологический процесс ротационной вытяжки тонкостенных цилиндрических деталей с наружными и внутренними утолщениями из мно
гокомпонентной стали 12ХЗГНМФБА, обеспечивающий эксплуатационные требования и снижение трудоемкости их изготовления. Научная новизна:
выявлены закономерности изменения степени использования ресурса пластичности, неоднородности интенсивности деформации и механических свойств материала цилиндрических деталей по толщине стенки, предельных возможностей формоизменения в зависимости от технологических параметров и геометрии рабочего инструмента ротационной вытяжки;
установлены рациональные режимы формоизменения, обеспечивающие требуемые геометрические показатели качества изготавливаемых деталей и их механических характеристик из многокомпонентной стали 12ХЗГНМФБА ротационной вытяжкой на специализированном оборудовании с разделением деформации.
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, а также практическим использованием результатов работы в промышленности.
Практическая значимость. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и создано программное обеспечение для ЭВМ по расчету технологических параметров процесса ротационной вытяжки цилиндрических деталей на специализированном оборудовании.
Реализация работы. Разработан технологический процесс ротационной вытяжки тонкостенных цилиндрических деталей с наружными и внутренними утолщениями из многокомпонентной стали 12ХЗГНМФБА, который внедрен в производство на ФГУП «ГНПП «Сплав» со значительным экономическим эффектом,
полученным за счет снижения трудоемкости изготовления и обеспечения качества.
Результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров направления 150400 «Технологические машины и оборудование» и студентов, обучающихся по направлению 150200 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением», и включены в разделы лекционных курсов «Новые техпроцессы и оборудование» и «Технология листовой штамповки».
Апробация работы. Результаты исследований доложены на Всероссийской научно-технической конференции «Теория и практика производства листового проката» (г. Липецк, 2003 г.): Первой Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Идеи молодых - Новой России» (г. Тула: ТулГУ, 2004 г.); на международной научно-технической конференции «Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование обработки материалов давлением» (г. Тула: ТулГУ, 2004 г.); на XXIX - XXXI международных молодежных научных конференциях «Гага-ринские чтения» (г. Москва, 2003-2005 г.г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2001 - 2005 г.г.).
Публикации. Основные научные материалы проведенных исследований отражены в 10 статьях, опубликованных в центральной печати и межвузовских сборниках научных трудов, и в 5 тезисах докладов Всероссийских и международных научно-технических конференций. Общий объем — 3,9 печ. л., авторский вклад- 1,9 печ. л.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., проф. СП. Яковлеву, д.т.н., доц. А.Е. Феофановой и к.т.н., доц. В.И. Трегубову за оказанные консультации при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения и пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 144 наименований, 3 приложений и включает 116 страниц основного машинописного текста, содержит 65 рисунков и 8 таблиц. Общий объем - 172 страниц.
Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе научно-технической задачи, сформулированы цель работы, положения, выносимые на защиту, научная новизна, методы исследования, практическая ценность и реализация работы, приводятся данные об апробации работы, публикациях, структуре и объеме диссертационной работы и краткое содержание разделов диссертации.
В первом разделе работы изложено современное состояние теории и технологии изготовления цилиндрических деталей методами ротационной вытяжки тонкостенных цилиндрических деталей, сформулированы требования к их показателям качества, связанные с последующей обработкой давлением и эксплуатацией. Рассмотрено практическое использование ротационной вытяжки для производства тонкостенных цилиндрических деталей. Намечены перспективные направления интенсификации процессов ротационной вытяжки и повышения качества изготавливаемых цилиндрических деталей. Обоснована постановка задач исследований.
Во втором разделе приводятся основные уравнения и соотношения для анализа кинематики течения, напряженного и деформированного состояния, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения ротационной вытяжки с утонением стенки цилиндрических деталей на специализированном оборудовании коническими роликами. В отличие от известных решений при анализе кинематики течения материала в очаге пластической деформации принято, что процесс реализуется в условиях квазиплоской деформации, т.е. рассматривается течение материала в плоскости, перпендикулярной оси 2, и учитываются соответствующие величины касательных на
пряжений. Предложен подход к оценке величины повреждаемости материала при ротационной вытяжке с утонением стенки цилиндрических деталей по деформационной модели разрушения В.Л. Колмогорова и А.А. Богатова.
В работе приведены выражения для расчета силовых режимов ротационной вытяжки при однороликовой и 3-х роликовой схемам деформирования, а также распределения суммарной степени деформации между тремя роликами, установленными в одной плоскости, имеющими различные углы рабочего конуса.
Изложены результаты теоретических исследований по установлению влияния степени деформации є, угла конусности ролика а „, рабочей подачи
S, геометрических размеров исходной трубной заготовки и ролика на силовые режимы, формирование механических свойств, степени использования ресурса пластичности материла деталей и предельные возможности формоизменения при ротационной вытяжке с утонением стенки.
Оценены повреждаемость, неоднородности деформации и механических свойств в стенке изделия. Установлено, что с увеличением степени деформации и уменьшением рабочей подачи величина накопленных микроповреждений ае возрастает. Показано, с увеличением рабочей подачи S, степени деформации є и уменьшением угла конусности ролика ар величина
неоднородности интенсивности деформации 8Є и напряжений Ъа в стенке
детали уменьшается.
Определены предельные возможности формоизменения ротационной вытяжки коническими роликами цилиндрических деталей от геометрических параметров ролика и технологических режимов обработки. Предельные возможности формоизменения исследуемого процесса ротационной вытяжки оценивались по степени использования ресурса пластичности цилиндрической заготовки. Установлено, что с увеличением угла конусности ролика ар
и рабочей подачи S предельная степень деформации гпр увеличивается, т.е.
улучшаются условия деформирования по степени использования ресурса пластичности.
Выполнены экспериментальные исследования силовых режимов процесса ротационной вытяжки по схеме с разделением очага пластической деформации трубных заготовок из стали 12ХЗГНМФБА. Сравнение результатов теоретических расчетов и экспериментальных данных по силовым режимам ротационной вытяжки указывает на их удовлетворительное согласование (до 10...15%).
Третий раздел диссертационной работы посвящен экспериментальным исследованиям геометрических показателей качества цилиндрических деталей и изменению механических свойств горячекатаных труб из стали 12ХЗГНМФБА при ротационной вытяжке на специализированном оборудовании. Изложена методика экспериментальных исследований влияния режимов обработки и геометрических параметров инструмента на характер образования наплыва, точность диаметральных размеров и разностенность цилиндрических деталей при ротационной вытяжке с утонением стенки по схеме с разделением деформации.
Методами математической статистики и теории планирования эксперимента построены математические модели изменения геометрических показателей качества цилиндрических деталей (относительных величин наплыва, разностенности и отклонения внутреннего диаметра детали от номинального значения) из высоколегированной стали І2ХЗГНМФБА, получаемых ротационной вытяжкой с разделением очага пластической деформации на специализированном оборудовании, от степени деформации є, величины рабочей подачи S, частоты вращения заготовки п и относительного радиуса закругления ролика г. Выявлено, что геометрические образы поверхностей указанных выше показателей качества в трехмерном пространстве исследованных факторов носят сложный характер. Оптимизация полученных регрессионных зависимостей позволила выявить значения факторов в натуральном масшта
бе, при которых исследуемые геометрические показатели качества изготавливаемых деталей будут наилучшими.
В четвертом разделе диссертационной работы приведены разработанные математические модели изменения механических свойств труб из стали 12ХЗГНМФБА при ротационной вытяжке в зависимости от степени деформации и температуры отпуска после закалки заготовки. Получены регрессионные зависимости для условного предела текучести сго2 временного сопротивления сгв и относительного максимального удлинения 65 образца в
направлении образующей трубных деталей. Установлено, что после отпуска материала при температуре Г = 550 °С и ниже (при исходной величине временного сопротивления более 1000 МПа) прирост временного сопротивления сгв в зависимости от степени деформации є становится в пределах 4,5...7,5
МПа на каждый процент деформации.
В пятом разделе изложены научно обоснованные рекомендации по расчету и проектированию технологических процессов изготовления цилиндрических деталей ротационной вытяжкой на специализированном оборудовании. Разработан технологический процесс ротационной вытяжки тонкостенных цилиндрических деталей с наружными и внутренними утолщениями требуемого качества из многокомпонентной стали 12ХЗГНМФБА. Технологический процесс, а также применение высокопрочного материала позволили уменьшить трудоемкость изготовления осесимметричных сложнопрофиль-ных деталей из стали 12ХЗГНМФБА на 45 %; снизить металлоемкость производства до 37 %; повысить качество и надежность изготавливаемых деталей за счет исключения сварных швов, точности геометрической формы и взаимного расположения поверхностей.
В приложениях содержатся тексты программ для ЭВМ, акты внедрения полученных результатов диссертационной работы в промышленность и учебный процесс.
Анализ технологических процессов ротационной вытяжки цилиндрических деталей ответственного назначения из трубных заготовок с высокими эксплуатационными характеристиками
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 [23, 68, 106].
Выбор схемы ротационной вытяжки определяется конструктивными особенностями изготавливаемых деталей, технологическими возможностями используемого оборудования и свойствами обрабатываемого материала [23, 68, 103, 106]. 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 растя жению, 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 более низкими 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. - прямой способ; б - обратный способ: 1 - ролик; 2 - деталь; 3 - оправка
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. Для деталей с постоянной толщиной стенки (рис. 1.1) целесообразно использовать схему с закрытой калибровкой, обеспечивающую высокую производительность и качественные характеристики изготавливаемых деталей. При изготовлении деталей с концевыми наружными утолщениями равной толщины, качественные показатели и высокая производительность обеспечивается при использовании схем с двухрядным расположением деформирующих роликов.
Изготовление деталей с переменной толщиной стенки из материалов, менее склонных к образованию наплыва (материалов с высокими прочностными характеристиками) и с невысокими требованиями по точностным параметрам и качеству поверхности, может производиться роликами с открытой калибровкой. Для обработки высокопластичных материалов, склонных к образованию наплыва, может быть успешно использована схема ротационной вытяжки с поддерживающими роликами. Наиболее эффективно её применение при изготовлении деталей с переменной толщиной стенки.
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 [106].
Наряду с вышеприведенными схемами, зарубежными фирмами, а также отечественными предприятиями разработаны и находят успешное применение схемы ротационной вытяжки с разделением очага деформации [103, 106]. 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
Экспериментальные исследования силовых параметров ротационной вытяжки
Для замера радиальной силы PR полые гидроподушки были установлены на конце штока 3 гидроцилиндра радиального перемещения роликов между неподвижным (корпус гидроцилиндра радиальной подачи 2) и подвижным (гайка регулировочная 4) упором, регулирующем величину радиального перемещения ролика (рис. 2.43, г).
При сведении роликов шток 3 гидроцилиндра радиальной подачи, перемещаясь, воздействует на поршень 5 гидроподушки, создавая при отсутствии радиальной нагрузки на ролики в полости гидроподушки номинальное давление, соответствующее номинальной радиальной силе станка (200 кН).
Под нагрузкой на ролики со стороны детали воздействует радиальная составляющая силы Рц ротационной вытяжки, под воздействием которой величина давления в гидроподушке снижается пропорционально величине создаваемой нагрузки. Разница показаний оттарированой шкалы манометра 7 при холостом сведении и при работе под нагрузкой является фактической величиной радиальной силы Рд при ротационной вытяжке.
Величина тангенциальной силы Рх определялась косвенным путем по замерам разности мощности, потребляемой электроприводом при обработке деталей и при холостом вращении оправки с деталью. Здесь введены следующие обозначения: 1 - ваттметр однофазный тип Д5004; 2 - ампервольтметр Ц4311; 3 - ампервольтметр Ц4311; 4 - двигатель.
Предел измерения мощности до 3000 Вт. Класс точности - 0,5. Токовая цепь ваттметра подключалась к вторичной обмотке лабораторного трансформатора тока УТТ-5М к клемме 5 А. Первичная обмотка (клемма 50 А) подключалась к одной из фаз электродвигателя. Коэффициент трансформации при таком включении составлял: #7=50/5 = 10. Кроме того, измерение мощности (для сравнения показаний) производилось с помощью двух многопредельных ампервольтметров типа Ц4311, измеряющих силу тока и напряжение. Пределы измерения: по силе тока На рис. 2.45 и 2.46 представлены графические зависимости изменения относительных величин радиальной PR, тангенциальной Рт и осевой Pz составляющих сил от степени деформации є при ротационной вытяжке по 3-роликовой схеме ротационной вытяжки с разделением деформации цилиндрических деталей из многокомпонентной легированной стали 12ХЗГНМФБА при фиксированных значениях рабочей подачи S и углов конусности роликов (ар\, QLpI и оірз)- Для каждой группы фиксированных параметров проводилось по шесть опытов. За основу брались среднеарифметические данные составляющих сил. Анализ результатов расчетов и графических зависимостей показывает, что при обработке деталей по схеме с разделением деформации радиальная PR и осевая Р2 силы имеют меньшие значения по сравнению с обработкой указанных деталей по однороликовой схеме обработки. Значения тангенциальной силы Рх не имеют больших расхождений при используемых схемах деформирования. Установлено, что ротационная вытяжка с использованием трёхроликовых схем с разделением деформации позволяет снизить величины радиальных PR сил деформирования на 25...30 % по сравнению с аналогичной схемой обработки без разделения деформации. Величина тангенциальной Рт составляющей силы ротационной вытяжки практически не зависит от используемой схемы обработки. Сравнение результатов теоретических расчетов и экспериментальных данных по силовым режимам ротационной вытяжки (см. рис. 2.45 и 2.46) указывает на их удовлетворительное согласование (до 10... 15 %). 1. Приведена математическая модель формоизменения заготовки при ротационной вытяжке цилиндрических деталей с утонением стенки коническими роликами с учетом локального очага деформации, фактической подачи металла в очаг пластической деформации и упрочнения материала. В отличие от известных решений при анализе кинематики течения материала в очаге пластической деформации принято, что процесс реализуется в условиях квазиплоской деформации, т.е. рассматривается течение материала в плоскости, перпендикулярной оси z, и учитываются соответствующие величины касательных напряжений. 2. Получены основные уравнения и соотношения для анализа напряженного и деформированного состояния, силовых режимов, предельных возможностей формоизменения и формирования показателей качества механических свойств материала цилиндрических деталей (степени использования ресурса пластичности и однородности механических свойств) при ротационной вытяжке с утонением стенки коническими роликами. 3. Разработан алгоритм расчета процесса ротационной вытяжки и программное обеспечение для ЭВМ. 4. Предложен подход к оценке величины повреждаемости материала при ротационной вытяжке с утонением стенки цилиндрических деталей по деформационной модели разрушения В.Л. Колмогорова и А.А. Богатова. 5. Выполнены теоретические исследования ротационной вытяжки цилиндрических деталей с утонением стенки коническими роликами. Установлено влияние степени деформации є, угла конусности ролика ар, рабочей подачи S, на напряженное и деформированное состояния, силовые режимы и предельные возможности формоизменения ротационной вытяжки цилиндрических деталей. 6. Показано, что с увеличением степени деформации є, рабочей подачи S и уменьшением угла конусности ролика ар величины радиальных Р%, осевых Pz и тангенциальных Рт составляющих сил растут. Интенсивность возрастания исследуемых составляющих сил существенно зависят от угла конусности ролика а р. При обработке деталей по схеме с разделением деформации радиальная PR и осевая Р2 составляющие силы имеют меньшие значения по сравнению с обработкой указанных деталей по однороликовой схеме обработки. Ротационная вытяжка с использованием 3-роликовых схем с разделением деформации позволяет снизить величины радиальных PR составляющих сил деформирования на 25...30 % по сравнению с аналогичной схемой обработки без разделения деформации.
Геометрические показатели качества цилиндрических деталей и технологические параметры ротационной вытяжки
Теоретические исследования процессов ротационной вытяжки не позволяют установить основные закономерности формирования механических свойств получаемых деталей от технологических параметров рассматриваемого процесса. В связи с этим большое значение приобретают эксперимен-тальные исследования процессов формирования механических свойств изготавливаемой детали, которые позволяют получать надежную информацию по этому вопросу применительно к конкретной группе деталей из обрабатываемых материалов. различных отраслях промышленности широкое распространение нашли осесимметричные изделия, изготавливаемые ротационной вытяжкой из трубных заготовок из сталей 10, І2ГНДЮ и др. Однако перечисленные выше марки сталей не обеспечивают возможность изготовления изделий с временным сопротивлением ав свыше 1200 МПа.
В настоящее время для получения изделий с пределом прочности свыше 1200 МПа нашла применение многокомпонентная легированная сталь 12ХЗГНМФБА.
Ниже приведены результаты экспериментальных исследований по влиянию предварительных режимов термообработки и степени деформации при ротационной вытяжке осесимметричных полуфабрикатов на изменение условного предела текучести сто2 временного сопротивления ав и относительного максимального удлинения 5 многокомпонентной легированной стали 12ХЗГНМФБА [54]. Анализ результатов предварительно проведенных опытов показал, что влияние выбранных входных факторов на формирование механических свойств цилиндрических деталей носит нелинейный характер, поэтому для достаточно адекватного описания этого процесса, выходные параметры которых являются сложными функциями большого числа факторов, в качестве приближенной математической модели необходимо воспользоваться полиномами высших степеней. Для построения математических моделей, описывающих изменения характеристик механических свойств материала детали от режимов предварительной термической обработке заготовки и технологических параметров ротационной вытяжки, нами были отобраны следующие 2 фактора: температура отпуска трубных заготовок Тотп после закали и степень деформации є = (l/tQ)lOO %. Здесь tQ и / - толщины стенки исходной заготовки и детали соответственно. В качестве выходных факторов (функций отклика) выбраны следующие: условный предел текучести GQ 2 временное сопротивление св и отно ф. сительное максимальное удлинение 65 образца в направлении образующей трубных деталей. Так как предварительные эксперименты и их анализ показали значительную нелинейность в характере зависимости выходных параметров процесса ротационной вытяжки от рассматриваемых входных факторов, был выбран композиционный план с варьированием исследуемых факторов: Х\ - на 6 уровнях; Х2 - на 4 уровнях, содержащий 24 опыта в матрице планирования факторного эксперимента (табл. 4.1). В соответствии с композиционным планом (табл. 4.1) в табл. 4.2 приведены уровни и интервалы варьирования температуры отпуска трубных заготовок Тотп после закали и степени деформации є, влияющие на исследуемые механические свойства стали 12ХЗГНМФБА, в натуральных значениях. Для каждой строки матрицы планирования проводилось по шесть опытов для определения дисперсии воспроизводимости и оценки однородности опытов. При определении границ области эксперимента использованы значения факторов, установленные в предварительно проведённых экспериментальных исследованиях. Связь натуральных и кодированных значений факторов осуществляется по формулам (3.8). Согласно данному плану эксперимента была проведена серия опытов, и после проверки значимости коэффициентов уравнений регрессии по t -критерию Стьюдента из этих зависимостей были исключены незначимые коэффициенты и произведен перерасчет моделей с последующей проверкой их адекватности по F - критерию Фишера, при уровне значимости равном 0,05. Исследовались образцы от заготовок, полученных холодной пластической деформацией (ротационной вытяжкой) горячекатаных труб из стали марки 12ХЗГНМФБА. Заготовки, вырезанные из горячекатаных труб, с геометрическими размерами 0 130x0 116x450 мм после закалки при температуре Г=910С (выдержка 1 час), для получения различной исходной прочности материала подвергались отпуску при различных температурах: 450, 500, 550, 600, 650, 700С (выдержка 180 мин).
Технологический процесс ротационной вытяжки тонкостенных цилиндрических деталей с наружными и внутренними утолщениями из многокомпонентной стали
Надежность и эффективность технологических процессов ротационной вытяжки гладких и сложнопрофильных осесимметричных деталей обеспечиваются правильным выбором параметров технологии и геометрии рабочего инструмента. Рекомендации по выбору технологических параметров процесса ротационной вытяжки получены на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований с учетом технических требований и механических свойств материала детали [2, 13, 14, 54-56, 63, 64, 106, 109, ПО, 113,114].
1. Выбор и расчёт заготовок. Существенное влияние на точность, трудоёмкость и экономическую эффективность изготовления тонкостенных цилиндрических деталей методом ротационной вытяжки оказывает выбор исходной заготовки. Критериями правильного выбора заготовок служат: их стоимость; трудоёмкость подготовительных операций под ротационную вытяжку; трудоёмкость последующей обработки, включая ротационную вытяжку.
В качестве исходных заготовок для ротационной вытяжки могут быть использованы листовой прокат или горячекатаные и холоднокатаные трубы. В зависимости от предъявляемых требований к готовой детали и её конструктивных особенностей, заготовки могут быть использованы непосредственно после раскроя в виде мерных заготовок без подготовительной обработки или с циклом подготовительных операций (термических, химических, прессовых, механических и др.).
Для ротационной вытяжки цилиндрических деталей без дна используются преимущественно трубные заготовки с толщиной стенки, превышающей толщину стенки готовой детали. При выборе труб целесообразно применять заготовки с большей толщиной стенки таким образом, чтобы длина заготовок была минимальной. Это в дальнейшем требует меньшие затраты на проведение подготовительных операций под ротационную вытяжку.
В зависимости от пластических свойств материала, толщину исходной заготовки fy целесообразно принимать в 2...4 раза больше толщины стенки готовой детали t, чтобы иметь возможность деформирования её без промежуточных термических операций. Не следует выбирать толщину исходной заготовки tQ 1,31, так как при последующей её ротационной вытяжке не обеспечивается однородность структуры по толщине детали. При изготовлении цилиндрических деталей с дном используется преимущественно листовой материал в виде кружков, из которых путём проведения ряда подготовительных прессовых операций получают цилиндрическую заготовку с дном. Для изготовления коротких деталей в качестве исходной заготовки под ротационную вытяжку может быть использован кружок без промежуточных прессовых операций. Крупногабаритные детали с дном большой длины целесообразнее изготавливать из сварных оболочек, при этом к сваренной из листа обечайке либо до, либо после её ротационной вытяжки приваривают донную часть. Для цилиндрических деталей с открытыми торцами используются преимущественно горячекатаные или холоднокатаные трубы. При изготовлении деталей с высокими точностными характеристиками заготовки подвергают механической обработке по наружной и внутренней поверхностям с целью обеспечения необходимой точности диаметральных размеров, толщины стенки, а также качества поверхности заготовок. Шероховатость заготовок после механической обработки должна быть обеспечена в пределах 6 по наружной и внутренней поверхностям. Расчёт размеров заготовок для ротационной вытяжки производится из условия равенства объёмов исходной заготовки и детали после ротационной вытяжки [23,42, 68,90, 106]. Внутренний диаметр заготовки необходимо принимать с учётом свободной её установки на оправку с минимальным гарантированным зазором z. Величину гарантированного зазора принимают с учётом возможных погрешностей заготовки: её некруглости, кривизны образующей и т.д. Отсутствие зазора между оправкой затрудняет её установку на оправку, а также, при определённых условиях, может вызвать обратное течение металла (при ротационной вытяжке по прямому способу). Обычно на практике величину зазора принимают z = (0,1...0,4) мм для заготовок, полученных механической обработкой мм; z = (0,3...0,6) мм - для заготовок, используемых без механической обработки. Чрезмерное увеличение зазора приводит к снижению точности диаметральных размеров изготавливаемых деталей. Разностенность исходной заготовки bt задаётся, исходя из требований, предъявляемых к готовой детали. При однопроходном процессе ротационной вытяжки величина разностенности исходной заготовки не должна превышать разностенность готовой детали более чем в 1,5 раза. При высоких требованиях по кривизне образующей следует стремиться к уменьшению разностенности исходной заготовки. Окончательный выбор типа и размеров исходной заготовки производится по результатам сравнительного анализа вариантов изготовления заготовок под ротационную вытяжку. По условиям эксплуатации деталей исходные заготовки не должны иметь дефектов поверхности: забоин, расслоений, закатов и т.п. Наиболее полно этим условиям могут отвечать заготовки, полученные механической обработкой из горячекатаных и холоднокатаных труб. Учитывая стоимость горячекатаных и холоднокатаных труб, а также возможности трубопрокатного производства, более целесообразно использовать горячекатаные трубные заготовки, имеющие стоимость примерно в 2 раза ниже. 2. Выбор инструмента для ротационной вытяжки на специальном оборудовании. В качестве рабочего инструмента, обеспечивающего получение заданных размеров детали при ротационной вытяжке, используются деформирующие ролики и оправки [23,42, 68, 106]. Материалом для изготовления инструмента служат углеродистые и легированные инструментальные стали, обеспечивающие после закалки с отпуском твёрдость HRC 56...62 (стали У10А, ХВГ, 9Х, 9ХС и др.). В отдельных случаях при изготовлении деталей из легкодеформируемых материалов могут применяться стали 45, 40Х, У7, У8, 5ХНВ, чугун СЧ20, СЧ25 и др.
