Введение к работе
Актуальность темы. Важнейшими задачами, стоящими перед промышленностью, являются повышение качества выпускаемой продукции, экономия материала и повышение производительности труда 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 Специфика применения газовых баллонов высокого давления (дыхательные аппараты для аквалангистов, индивидуальных средств защиты при пожаротушении и т п) обусловила высокие требования, предъявляемые к указанным баллонам не только в части обеспечения их высокой эксплуатационной надежности, но и в части обеспечения их оптимальных массовых характеристик В этой связи, наряду с действующим производством цельнометаллических баллонов методами глубокой вытяжки, ведутся работы по созданию прогрессивных вариантов технологий изготовления баллонов, позволяющие обеспечить резкое снижение их массовых характеристик Одним из таких направлений является создание конструкций и технологии производства металлокомпозитных баллонов, обладающих высокой конструктивной прочностью при малых массовых характеристиках
Важными составляющими технологического цикла изготовления баллонов этой конструкции является изготовление металлической оболочки (лейне-ра) и последующая его упрочняющая обмотка стеклопластиком или углепластиком, что в совокупности обеспечивает прочностные свойства баллонов, его массовых характеристики и эксплуатационную надежность 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
Трубные заготовки, используемые для процессов обработки металлов давлением, обладает анизотропией механических свойств, которая оказывает существенное влияние на силовые деформационные параметры процессов пластического деформирования и качество получаемых изделий
При разработке технологических процессов ротационной вытяжки в настоящее время используют эмпирические зависимости из различных справоч-
^материалов, а также результаты теоретических исследований, в которых не /полной мере учитываются локальный характер формоизменения и анизотропию механических свойств 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 Таким образом, развитие теории ротационной вытяжки с утонением трубных заготовок из анизотропных материалов 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 г) 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 процессов ротационной вытяжки с утонением стенки трубных анизотропных заготовок и повышение качества осесимметричных изделий ответственного назначения (баллонов высокого давления) путем теоретического и экспериментального обоснования технологических режимов деформирования
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи
разработать математические модели процесса ротационной вытяжки с утонением стенки трубных заготовок, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, получить основные уравнения и соотношения для анализа операций ротационной выгяжки с утонением стенки анизотропных трубных заготовок,
выполнить теоретические и экспериментальные исследования ротационной вытяжки с утонением стенки коническими роликами с анизотропных трубных заготовок,
установить влияние технологических параметров, геометрии рабочего инструмента ротационной вытяжки, анизотропии механических свойств трубной заготовки на напряженное и деформированное состояния, силовые режимы, предельные возможности пластического формоизменения и формирование показателей качества механических свойств материала цилиндрических деталей,
построить математические модели формирования геометрических показателей качества изготавливаемых цилиндрических деталей из стали 12ХЗГНМФБА ротационной вытяжкой с утонением стенки на специализированном оборудовании, установить рациональные режимы формоизменения,
5 разработать рекомендации и пакет прикладных программ по расчету и
проектированию технологических Нроцессов ротационной вытяжки с утонени
ем стенки тонкостенных осесимметричных деталей из анизотропных трубных
заготовок на специализированном оборудовании,
6 использовать результаты исследований в промышленности и учебном процессе
Методы исследования, Теоретические исследования процесса ротационной вытяжки осесимметричных деталей выполнены с использованием основных положений механики деформируемого твердого тела и теории пластичности жесткопластического анизотропного 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, степени использования ресурса пластичности и критерия локальной потери устойчивости анизотропной трубной заготовки Экспериментальные исследования выполнены с использованием современных испытательных машин 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:
математическую модель формоизменения заготовки при ротационной вытяжке с утонением стенки осесимметричных деталей, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, коническими роликами с учетом локального очага деформации, величины фактической подачи ролика, объемного характера напряженного и деформированного состояний в очаге деформации,
результаты теоретических и экспериментальных исследований напряженного и деформированного состояний, силовых режимов, предельных возможностей формоизменения процесса ротационной вытяжки с утонением анизотропных трубных заготовок,
установленные закономерности влияния технологических параметров, геометрии рабочего инструмента ротационной вытяжки, анизотропии механических свойств трубной заготовки на напряженное и деформированное состояния, силовые режимы, предельные возможности пластического формоизменения и формирование показателей качества механических свойств материала цилиндрических деталей (степени использования ресурса пластичности и однородности механических свойств),
математические модели формирования геометрических показателей качества изготавливаемых цилиндрических деталей (относительных величин наплыва, разностенности и отклонения внутреннего диаметра детали от номи-
нального значения) из многокомпонентной легированной стали 12ХЗГНМФБА ротационной вытяжкой с утонением стенки на специализированном оборудовании, рациональные режимы формоизменения,
рекомендации, алгоритмы и пакеты прикладных программ для ЭВМ по расчету технологических параметров ротационной вытяжки с утонением стенки осесимметричных деталей,
технологические процессы изготовления бесшовных лейнеров из листовых и трубных заготовок (многокомпонентная сталь 12ХЗГНМФБА), обеспечивающие эксплуатационные требования и снижение трудоемкости их изготовления
Научная новизна:
выявлены закономерности изменения напряженного и деформированного состояний, силовых режимов, предельных возможностей пластического формоизменения и формирования показателей качества механических свойств материала осесимметричных деталей от технологических параметров (степени деформации, фактической подачи), геометрии рабочего инструмента, анизотропии механических свойств материала трубной заготовки на основе разработанных матемагических моделей процесса ротационной вытяжки с утонением стенки с учетом локального очага деформации, объемного характера напряженного и деформированного состояний в очаге деформации, упрочнения материала,
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
Практическая значимость На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и создано программное обеспечение для ЭВМ по расчету технологических параметров процесса ротационной вытяжки осесимметричных деталей на специализированном оборудовании из анизотропных трубных заготовок
Реализация работы.
Разработаны два варианта технологического процесса изготовления бесшовных лейнеров из листовых и трубных заготовок с использованием процесса ротационной вытяжки с утонением стенки, которые приняты к внедрению в опытное производство на ФГУП «ГНПП «Сплав» с ожидаемым экономическим эффектом за счет снижения трудоемкости изготовления и обеспечения качества изделия
Результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров направления і 50400 «Технологические машины и оборудование» и студентов, обучающихся по направлению 150200 (Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 15020! «Машины и технология обработки металлов давлением» и включены в разделы лекционных курсов
«Новые технологические процессы и оборудование» и «Технология листовой штамповки»
Апробация работы. Результаты исследований доложены на Международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики», посвященной 80-летию со дня рождения профессора Л А Толо-конникова (г Тула, 2003 г), на первой Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Идеи молодых - Новой России» (г Тула,
г), на международной научно-технической конференции «Механика пластического формоизменения Технологии и оборудование обработки материалов давлением» (г Тула, 2004 г), на международной научно-технической конференции «Автоматизация, проблемы, идеи, решения» (г Тула, 2006 г), на международной научно-технической конференции «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов» (г Санкт-Петербург,
г), на XXVIII - ХХХШ международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (г Москва, 2002-2007 г г), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г Тула, 2001 - 2007 г г )
Публикации. Основные научные материалы проведенных исследований отражены в 8 статьях в центральной печати и межвузовских сборниках научных трудов, 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», и в 3 докладах и 8 тезисах докладов Всероссийских и международных научно-технических конференций Общий обьем - 3,9 печ л, авторский вклад-2,1 печ л
Автор выражает глубокую благодарность д т н , профессору С С Яковлеву и д т н , профессору С П 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 166 наименований, 3 приложений и включает 120 страниц основного машинописного текста, содержит 117 рисунков и 8 таблиц Общий объем - 206 страниц
