Введение к работе
Актуальность работы. При изготовлении спецдеталей и полуфабрикатов под ротационную вытяжку из высоколегированных сталей типа ЗОХГСА, ВП28, ВПЗО, СП28Ш, алюминиевых сплавов типа А95, АМгбБМ, АМг5М и жаропрочных сталей 09Х16Н4Б, 12Х18Н10Т, мартенситностарею-щих сталей ЧС4-ИД и др. предъявляются высокие технические требования по точности, равнопрочности, структуре материала и качеству поверхности.
Для данных металлов при вытяжке в жестких штампах характерно явление схватывания. Схватывание металлов приводит к образованию задиров на поверхностях заготовки, а в ряде случаев - и к их разрушению.
Одним из путей интенсификации технологии, повышения качества и снижения брака деталей из листовых заготовок является использование процесса гидроэластичной вытяжки.
Гидроэластичная вытяжка обеспечивает возможность получения деталей из высокопрочных металлов и сплавов, обладающих высокими механическими характеристиками, за одну операцию вытяжки из листовых заготовок диаметром до 1000 мм. Процесс вытяжки гидроэластичной матрицей значительно отличается от традиционных технологических процессов глубокой вытяжки тем, что в качестве деформирующего инструмента используется эластичная мембрана, разделяющая заготовку и жидкость высокого давления, давление которой регулируется по ходу процесса.
Специальная диафрагма, не только деформирует заготовку под действием гидростатического давления жидкости по жесткой части штампа, но одновременно служит и прижимом листовой заготовки.
Данный процесс («Флюид-форм») был разработан фирмой SAAB-SCANIA АВ (Швеция) в начале 1950-х годов. Этот процесс был задуман как способ изготовления деталей самолетов и реактивных двигателей. В нашей стране исследованием данного процесса занимался Н. М. Бирюков, который на основе ряда допущений аналитически получил обобщенную зависимость величины давления эластичной матрицы q по ходу процесса вытяжки.
В трудах отечественных ученых С. И. Губкина, Е. И. Исаченкова, В. Л. Колмогорова, С. Я. Вейлера, В. И. Казаченка и др., а также зарубежных -Ф. П. Боудена, Д. Тейбора - доказано, что существенного изменения вида напряженного состояния, а заодно и распределения деформаций в объеме заготовки можно достичь, регулируя контактное трение.
Силы внешнего трения вызывают значительную неоднородность деформированного состояния, что приводит к возникновению остаточных напряжений. Роль внешнего напряжения особенно велика при листовой штамповке, поскольку для данного процесса характерно большое отношение площади поверхности контакта заготовки с рабочим инструментом к общей площади, деформируемой заготовки.
Роль трения на одних участках контакта может быть положительной, на других - отрицательной. Вытяжка жестким пуансоном по эластичной матрице обладает рядом преимуществ по сравнению с обычной вытяжкой в жестких штампах, так как при вытяжке гидроэластичной матрицей по жесткому пуансону силы трения, действующие по поверхности контакта мембраны и заготовки, оказывают положительное влияние, а силы трения, действующие по поверхности контакта заготовки и прижима, - отрицательное.
При этом достигается высокая точность штампуемых деталей, повышается качество их поверхности. При оптимальном законе изменения давления эластичной диафрагмы по ходу процесса максимальное утонение находится в пределах 15 % от исходной толщины заготовки.
В настоящее время в научно-технической литературе нет систематизированных и достаточно обоснованных сведении о напряженно-деформированном состоянии при гидроэластичной вытяжке указанного класса деталей, обоснований предельных коэффициентов вытяжки деталей и полуфабрикатов, о величине оптимальных давлений прижима и характере его изменения по ходу процесса, а также о величине утонения в опасном сечении.
Утонение заготовки в опасном сечении не только ограничивает предельное формоизменение, но и в связи со специфичностью изготовляемых в отрасли деталей, приводит к росту брака. Поэтому представляет большой интерес задача по определению максимального утонения полуфабриката на первом переходе гидроэластичной вытяжки цилиндрических деталей.
В задачу исследования входит также сопоставление модели изучаемого процесса, полученной на базе анализа его физической сущности, с результатами факторного эксперимента. Их сходимость и степень приближения являются критериями правильности выбранных допущений и верности представления о механике изучаемого процесса.
Имея аналитические выражения для определения технологических параметров процесса, можно приступить к научно обоснованной разработке технологического процесса гидроэластичной вытяжки.
Настоящая работа посвящена решению этих вопросов.
Целью работы является повышение эффективности технологического процесса гидроэластичной вытяжки и качества получаемых деталей цилиндрической формы.
Задачи исследования:
1. Разработать математическую модель процесса гидроэластичной вытяжки деталей цилиндрической формы, включающую аналитические зависимости для определения:
- закономерности изменения давления в рабочей полости матрицы по ходу процесса вытяжки при заданной минимальной степени утонения заготовки в опасном сечении;
утонения в опасном сечении заготовки от основных технологических параметров;
напряженного состояния заготовки на первом переходе вытяжки деталей цилиндрической формы с учетом основных технологических параметров;
предельной степени формоизменения на первом переходе в зависимости от основных факторов, определяющих процесс гидроэластичной вытяжки;
усилие вытяжки деталей цилиндрической формы на первом переходе формоизменения;
Провести экспериментальное исследование процесса гидроэластичной вытяжки.
Определить коэффициент трения днищевой накладки эластичной мембраны;
Разработать программный продукт, реализующий полученные аналитические зависимости, для определения характера изменения давления в полости матрицы при гидроэластичной вытяжке деталей цилиндрической формы с заданной степенью утонения.
Решение поставленных задач позволит шире использовать процесс вытяжки гидроэластичной матрицей в технологии изготовления цилиндрических полуфабрикатов и деталей специзделий.
Методы исследования. Теоретические исследования процесса вытяжки гидроэластичной матрицей выполнены на базе совместного решения уравнений равновесия и условия пластичности по безмоментной теории для плосконапряженного изотропно-упрочняющего материала заготовки. Для исследования устойчивости участка заготовки за пределом упругости использовался метод Тимошенко-Ритца. При проведении экспериментальных исследований использована теория планирования многофакторного эксперимента и математической статистики.
Научная новизна состоит в разработке математической модели процесса гидроэластичной вытяжки деталей цилиндрической формы, включающей аналитические зависимости для определения закономерности изменения давления в полости матрицы при заданной минимально возможной степени утонения заготовки в опасном сечении.
На защиту выносится. Результаты теоретического исследования по определению плоского осесимметричного напряженно-деформированного состояния изотропно-упрочняющегося материала при вытяжке гидроэластичной матрицей на первом переходе деталей цилиндрической формы. Зависимости коэффициентов формоизменения от основных технологических параметров, полученные в результате аналитического исследования процесса. Методика определения давления в полости матрицы по ходу процесса вытяжки из условия наименьшего утонения заготовки в опасном сечении. Результаты экспериментальных исследований в виде уравнений регрессии
для определения утонения в опасном сечении заготовки и давления в полости матрицы по ходу процесса. Программный продукт, реализующий полученные аналитические зависимости, для определения характера изменения давления в полости матрицы при гидроэластичной вытяжке деталей цилиндрической формы с заданной степенью утонения.
Практическая ценность. В результате теоретических и экспериментальных исследований предложены методики расчета технологического процесса гидроэластичной вытяжки деталей цилиндрической формы. Разработан программный продукт для проектирования технологии процесса гидроэластичной вытяжки деталей цилиндрической формы. Внедрение данной системы на ФГУП «Боткинский завод» позволило отказаться от длительного подбора закона изменения давления в рабочей камере с вытяжкой 4-5 пробных деталей.
Научные результаты внедрены на ФГУП «Боткинский завод». Разработан стандарт предприятия СТП АВД 284-2005 «Гидроэластичная штамповка. Метод пуансона».
Материалы исследования используются в учебном процессе на кафедре МиТОМД ИжГТУ в курсе «Прогрессивные технологические процессы ОМД».
Достоверность положений и выводов диссертации обоснована хорошей сходимостью теоретических исследований с экспериментальными результатами.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждались на следующих технических конференциях и форумах:
научно-техническая конференция с международным участием «Информационные технологии в инновационных проектах» (20 апреля 2000 г., г. Ижевск);
электронная заочная конференция с международным участием «Молодежь студенчество и наука XXI века» (сентябрь 2000 г., г. Ижевск);
научно-техническая конференция с международным участием «Информационные технологии в инновационных проектах» (23-24 мая 2001 г., г. Ижевск);
электронная заочная конференция с международным участием «Молодежь студенчество и наука XXI века» (ноябрь 2001 г., г. Ижевск);
научно-техническая конференция с международным участием, посвященная 50-летию ИжГТУ (19-22 февраля 2002 г., г. Ижевск);
научно-практическая конференция «Высокие технологии» (15-16 июля 2002 г., г. Ижевск);
научно-техническая конференция «Проблемы энерго- и ресурсосбережения» (26-27 июня 2002 г., г. Ижевск);
научно-техническая конференция с международным участием «Информационные технологии в инновационных проектах» (29-30 мая 2003 г., г. Ижевск);
- научно-технический форум с международным участием «Высокие технологии - 2004» (23-26 ноября 2004 г., г. Ижевск).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов, списка литературы. Она содержит 176 страниц машинописного текста, 83 рисунка, 16 таблиц, список литературы из 159 источников.
