Совершенствование теории и технологии процессов глубокой вытяжки на основе многопереходной схемы деформирования и повышение эффективности производства изделий типа оболочек Каржавин, Владимир Васильевич

Введение к работе

Актуальность забота.. Главным условием ускорения научно-тех-їичєского прогресса является переход к технике последних поколения, с принципиально новым, наукоемким технологиям, обеспечиваощим наи-гысшуэ эффективность и выход продукции на мировой уровень.

Получаемые глубокой еытяжкой полые оболочкоше изделия оироко іспользуптся в различных отраслях народного хозяйства: авиационной, имической промышленности, производстве товаров народного потреблена и др. К ним относятся колбы, корпуса, стаканы, баки и многие ругие. Больпая часть оболочковых изделий изготавливается из нерзса-еющих сталей, сплавов титана, никеля, конструкционных сплавов алю-иния - из материалов, называемых э практике штамповки трудноде^ор-ируемыми за их поЕцяеннуп склонность к налипания на инструмент и прочнения, высокое сопротивление деформирования, низкуа способ- . зсть адсорбировать смазочные материалы. Это ведет к тому, что ряд їдєлия не соответствует требованиям качества, а производственные гхнологии отличаются низкой производительность*), поскольку преду-латриваят промежуточные отяиги полуфабрикатов, которые, во-перЕых, іекут за собой целый ряд подготовительных операций: обезжиривания, іавления, отмывки, нанесения и удаления смазки, а во-вторых, не ізволя-от использовать современное высокопроизводительное оборудо-іние, такое как шогопозиционные прессы-автоматы, машины роторного па, импульсные маиины и др. Среди прочих недостатков технологий вдует отметить высокие ресурсозатраты, использование экологически едных смазок и составов для их удаления. Отмеченные недостатки ха-ктерны для листоштамповочного производства не только в напей стрэ-, но и за рубежом.

Важнейшим направлением повышения аЗДектишости производства из-лий является многопереходная глубокая вытяжка (МПГВ) - процесс по-

4 следовательного деформирования листового металла без промежуточного восстановления его пластических свойств отжигом. Деі*юрмироЕание по схеме ШГВ позволит:

резко сократить цикл производства готового изделия, исгк -> зовать высокопроизводительное прессовое оборудование;

повысить сушарное формоизменение металла за счет реализации принципа дробности деформации;

создать ресурсосберегающие технологические процессы за счі -г сокращения расхода энергии и вспомогательных материалов, уменьшения обслуживающего персонала.

До недавнего времени ШГВ была известна лишь для малоуглеродистой стали, высокопластичных сплавов алюминия и латуни. Научнее обоснование таким процессам дал И.А.Норишн, работы которого относятся к началу - середине 50-х годов. С этого периода и до настоящего времени теория и практика ШГВ изменились мало.

Таким образом, совершенствование теории и технологии процессов глубокой вытяжки на основе многопереходной схемы де*ормирования является актуальной научной проблемой, решение которое будет способствовать повышенно siWeKTHEHOcTH производства.

Цель работы - теоретическое обоснование и практическое использование многопереходноЯ глубокой вытяжки для создания высокоэффективных технологий оболочковых изделий, преимущественно из трудноде- Нормируемых материалов: нержавеющих сталей, сплавов титана, никеля, конструкционных сплавов аломиния.

Основные задачи исследования, йзализациэ процессов ШГВ ограничивает качество получаемых изделий. Поскольку под качеством следует понимать в первуо очередь качество поверхности, отсутствие раз рушения и качество (*ориы (вопрос точности для изделия, получаемых глубокой вытяжкой, не стоит так остро), то это определяет постановку и решение следующих основных задач: трибо^огических, т.е. загач,

связанных с трением, износом и смазкой, задач исследования разрушения изделий и задач анализа устойчивости 'ормы заготовки при вытяжке. Данные задачи объединены в отдельный раздел II.

Для создания и промышленного внедрения процессов МПЪ необходимо решить задачи научно-производственного характера. Среди них следует выделить задачи совершенствования штампового инструмента и методики его расчета и задачи, непосредственно связанные с разработкой технологии конкретных изделий. Все они представлены в разделе Ш.

Чтобы успешно решить задачи качества и научно-производственные задачи, необходимо предварительно выполнить общий анализ процессов глубокой штяжки и машин для их реализации, а такие определить энергосиловые параметры. Эти задачи сведены в самостоятельный раздел I, предшествуоший двум предыдущим.

Общая структура задач диссертационного исследования представлена на рис. I.

При выполнении настоящей работы автор использовал труды отечественных ученых в области листовой штамповки: Е.А.Попова, И.А.Норииы-на, В.П.ІЬмановского, Л.Д.Шофмана, Е.И.Ис,аченкова, М.Е.Эубцова, А.Д. Матвеева, С.А.Взлиева, О.В.Попова, Е.Н.Мошнина, В.Д.Головлева, В.И. Казачонка, С.П.Яковлева, Э.Д.Мельникова, АД).Аверкиева, Г.М.Арышен-ского, П.Г.Орлова и др., а также их зарубежных коллег: Ф-Дйзенколь-ба, Г.Элера, В.Кайзера, Д.%нь, С.Кобаявш» М.Поупа, Д.Вкрри, Е.Одела, Д.Клаузена, Д.Ву и др. *

' Диссертация представляет собой обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований, полученных автором при выполнении научно-исследовательских работ на ка&едре "Детали машин" Уральского государственного технического университета - УПИ в соответст-. вии с координационными планами научно-исследовательских работ АН СССР и РАН по проблемам: "Мзханика твердых деформируемых тел" на 19*76-80 гг. ; "Высокотемпературная электрохимия расплавленных и

Оснобные, зодачи исследобания пиогопереходной глубокой бытяжии

Р.1 Ший онолиз процессов Ш5

РЛ Анализ jfffvec/uSa изделий, получаемых МЛГЗ

рМНоучно-произШ-cmSeHtwt задаии

_I

ф Литер am.

обзор процессов

для поляче ни я оіолошіш изделий

ІНЄЦОСУЯО Sue lOpOMemfti

-напряжен-no-дефрн. состояние;

-усилие и poSomo;

-канпокт-ние dot-л erfujr;

-ОСтОтоЧ-Hi/Є НО' пряжения

d>r/ffto-

Фактор

-jajopo-стойкость;

^-totptrmuo 3oeomoSru;

-во eрыт ил инструмента;

- СП й З Єй;

'И о9Sop лары тре нил

фРазршмл

Шссиач/ю-ция $t?M; 'Ci*pti6 (опасное cevewt) -(яз roe; -xpyntroe (іосроцігін-WeJ;

-яруоеое (межопера-циокное)

-оиенго поЛрежден-нос/пи

фНеаойчоіхт

-ТоТьйТа}

(ftppooSpo-

зобонис);

-оссіая-

SunnvuSo-

ниє (одно -

мерная

задам);

-ос el ал-

смлтие

(дбупер-

ная задача)

if псарь'нет

-шаомпи длл ШЬ;

-tip по an синие 0І0Х0Ч-еи Spouie-it ил;

-штампа

дял_t чисто lot, fopyfr

-заготобхо под ПОП;

6ы$ср ре-химоо а

оіорудеіочиг

-технологические ли w

-Шдрение

і- —г^1, 1

і перелег-1

l muSnuc uc~ |

Рис. I. Структура задач диссертационного исследования

.7-.

твердых электролитов" на 1981-85 и I986-S0 гг. ; "Теория машин и систем машин" и др.

Научная новизна тгабога. Впервые поставлена и комплексно решена задача по исследования влияния на процесс глубокой вытяжки и качество изделий таких факторов, как задиростоПкость пары трения "за-. готовка - инструмент" (трибо-фактор), разрушение металла, усто^чи- -вость Формы заготовки-оболочки, что позволило теоретически обосновать и разработать методику расчета процессов глубокой вытяжки по схеме многопереходного (циклического),деформирования без промежуточг ного восстановления пластических свойств металла.

При этом получены следующие существенно новые научные положения и результаты.

1. Сформированы и представлены в виде классификационной схемы критерии качества оболочковых изделий, получаемых глубокой вытяжкой.

2. Выполнен анализ напряженно-деФормированного состояния и энергосиловых параметре:- МПГВ с учетом всех основных Факторов процесса.

' 3. Исследованы закономерности адгезионного взаимодействия мате-, риала заготовки с инструментом. Определены Физико-механические и энергетические условия налипания, обоснованы критерии задиростоЯкос-ти.

4. Определена степень влияния контактного трения на упрочнение металла изделий. Установлены резервы интенсификации процессов глубокой вытяжки, в частности возможность осуществления их без промежуточных отжигов.

5. Отмечено 5 основных видов разрушения. По каждому из них обоснованы критерии расчета. Среди решенных задач:

определение запаса прочности в опасном сечении заготовки с учетом всех основных Факторов процесса МПГВ;

разработка методики расчета поврежденности металла в условиях вязкого циклического разрушения с учетом начальное поврежденности

в ...

исходное заготовки; определение предельных возможностей ШПЗ;

- оценка хрупкого разрушения краевой части заготовки, находя
щейся одновременно под действием концентраторов напряжений, изги
бающего момента и остаточных растягивающих напряжений.

6. Нгшена задача упруголластической потери устойчивости ци-,
линдрической заготовки при 1ШГВ с проталкиванием. Результатами ее
являются:

разработка математической модели осевой потери устойчивости посредством выпучивания и смятия;

определение осевых критических напряжений проталкивания и их параметрический анализ;

- установление взаимосвязи между двумя видами потери устойчи
вости.

7. Разработана универсальная методика расчета элементов штам
пов, представляощих собой упругие тонкостенные оболочки вращения с
кольцевыми гофрами.

Практическая ценность

1. Разработаны инженерные методики определения усилий и работы ЫГГВ, усилий и момента начала проталкивания, выбора коэффициентов вытяжки и основных геометрических параметров инструмента по операциям. В основе методик - аналитические зависимости, удобные для расчета на ЭВМ, а также графики и опытные таблицы.

2. Разработан комплекс мер, значительно повышающих зядиростой-кость и соответственно качество поверхности изделий. В числе таких мер - использование специальных покрытий, наносимых в расплавленных солях. Представлены результаты исследования свойств таких покрытий из меди, цинка, олова.

3. Дэказана возможность использования для процессов Ulli'd экологически чистых смазок серий "ИХ УНЦ" и "Экол". Определены свойства смазок.

'. ^э

4. Получены формоизменения листового металла и число вытяжек без промежуточных отжигов, значительно превосходящие общепринятые. Для аустенитной стали І2ХІШІ0Т осуществлено до 10, для мартенсит-ной 09ХІ6Н4Б, титановых сплавов ВП-0, 0T4-I и ВТ20 и никелевых сплавов 8ШХС, 7ШМ - до 3 таких Еытяжек.

5. Разработаны новые конструкции буферных устройств с упругими элементами, -представляющими собой гофрированные тонкостенные оболочки вращения, йс использование позволило получить нелинейные характеристики сжатия.

6. Разработан способ изготовления глубоких полых изделий, основанный на многопереходной (до б операций) глубокой вытяжке с последующей раскаткой и обрезкой Фланца. ''..'

7. Разработан способ и штамп'для вырубки листовых заготовок под 1ШГВ с поЕкпенным качеством реза.

8. Определены требования к листовой заготовке под ШГЗ, включая структуру металла, его механические характеристики и подготовку поверхности. Разработана схема и основные конструктивные элементы технологической линии для нанесения покрытий из солевого расплава.

Положения, вцзоды и результаты, представляющие научную новизну и практическую ценность, вынесены автором на защиту» Реализация.результатов работы

На Пермском агрегатном ПС им. М.И.Ка линина* внедрена технология Щи деталей термоса с экономическим Э¹*^,*ектом 123 тыс.рубле!» в год. Технология предусматривает использование медного покрытия из солевого расплава на заготовки из стали І2ХІ8НІ0Т. Внедрение аналогичной технологии на Алма-Атинском заводе "ГЪдромаш" дало экономический эффект в размере '117 тыс. рублей в год.

Опираясь на собственные разработки, автором выполнен расчет основных технологических параметров и отамловой оснастки процесса

*Наэвания предприятий указаны на момент подписания актов внедрений.

10 МПГВ деталей термоса для одного кз предприятий г.Североуральска.

Разработана технология корпусов химических элементов тока из стали I2XI8HI0T, основу которой составили 6 операций МПГВ. Для реализации данной технологии йсатеринбургским КБ автоматических линий спроектированы и изготовлены два варианта роторных линий,способных давать до 50 млн. изделий в год.

Для одного из предприятий г.Харькова разработана технология высокоскоростной МПГВ титановых сплавов ВТІ-0,. 0T4-I и ВТ20 с предварительно нанесенным цинковый покрытием. Новая технология реализована на гкдроударных машинах.

На Высокогорском механическом заводе (г.Н-Тагил) внедрена с экономическим ефектом 364 тыс. рублей в год технология многопереходной штамповки полых корпусных деталей из стали 20 и алюминиевых сплавов Діб и АМгб. На том же заводе проши успешные испытания: спо соб высокоскоростного отжига в расплавленных солях, способ чистовой вырубки листовой заготовки и экологически чистый смазочный состав для вытяжки деталей стиральной машины."

Суммарный годовой экономический эффект от внедрения новых процессов и оборудования составил 604 тыс. рублей (в пенах, до 1990 г.)

Апробация работы. - Материалы диссертации доложены и обсуждены не 3 Мзждународных конференциях: "Трибо-85" (Ташкент, 1985 г^; "Материалы для конструкций XXI века" (Днепропетровск, 1992 rj; "Материалы для строительства" (Днепропетровск,!993 г.); а также на 27 В союзных конференциях, симпозиумах, семинарах, съездах; среди них: "Пути совершенствования технологии холодной штамповки и высадки" (Омск, Г978 г.); "Повышение качества и надежности продукции, выпуска^ емой предприятиями Минхиммаша" (Пермь, I960 г.); "Трение и износ в машинах" (Челябинск, 1979 г.); "Новые материалы и методы обработки" (Киев, 1981 г}; "Механизация и автоматизация процессов пластическое Формообразования" (Казань, 1964 г); "Автоматизация процессов ОВД

II і

(Пенза, 1986 г.); "Пластичность и деформируемость при ОВД" (дважды): (toiacc, 1986 г. и 1989 г.); "Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур" (трквды):(Москва, 1966 г., Каунас, J989 г., . Воронеж, 1992 г.); "Современные проблемы технологии машиностроения" (Москва, 1986 г}; "Экономичность технологических процессов и оборудования в КШП" (Пенза, 1987 г}; "Физическая химия ионных расплавов" (Свердловск, 1987 г.); "Ресурсосберегающие процессы обработки титановых сплавов" (Днепропетровск, 1987 г^; "Металл и технический прогресс" (ЬЬсква, 1987 г.); "Современные проблемы триботехноло-гии" (Николаев, 1988 г.); "Сбработка-88" (Москва, 1988 г^; "Механика и технология машиностроения" (Свердловск, 1990 г.); "Научные основы создания энергосбёрегаощей техники и технологии" (Мэсква,1990 г.)-

"Износостойкость машин" (Брянск, 1991 г^; Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике (Москва, 1991 г); "Рееурсосбеде-жение-92" ( Мзснва, 1992 г.) и др.

Публикация.- По теме диссертации подготовлена и сдана в печать научная монография "йюгопереходная глубокая вытяжка коррозионно-стойких сталей" объемом 18 п.л., опубликовано 76 научных работ, из них I брошора, 27 статей, 15- изобретений, из которых 2 продано на 'лицензионной основе за рубеж.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, 7 глав, объединенных в три раздела, и заключения, изложенных на 490 страницах машинописного текста, а также 13 приложений; включает 140 рисунков, 23 таблицы и библиографический список из 320 наименований.