Содержание к диссертации
Введение 5
ГЛАВА 1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПРОБЛЕМЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ТОННКОСТЕННЫХ ЦИЛИНДРОВ В УСЛОВИЯХ ТЕПЛОВОГО И СИЛОВОГО
НАГРУЖЕНИЯ И МЕТОДОВ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ 12
1.1. Анализ результатов теоретических и экспериментальных
исследований теплового и напряженно-деформированного состояния
тонкостенных цилиндров при термомеханическом нагружении 12
1.1.1. Термопластический анализ напряжённо-деформированного
состояния тонкостенного цилиндра 12
Прочность цилиндра при функционировании 17
Расчёт усилия извлечения цилиндра 20
1.2. Обзор методов формирования требуемых механических свойств
стенки и качества ее поверхности в технологиях изготовления
стальных тонкостенных цилиндрических изделий 22
1.2.1. Последовательная многопереходная вытяжка с утонением из
предварительно отожжённого (или закаленного) зафосфатиро-
ванного полуфабриката 23
1.2.2. Последовательная комплексная обработка прутковой
заготовки полугорячим выдавливанием, фосфатированием и
многопереходной вытяжкой с утонением 31
1.2.3. Технологические способы удаления (залечивания)
поверхностных дефектов заготовок 36
ГЛАВА 2. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПОЛОГО МНОГОСЛОЙНОГО ЦИЛИНДРА ПРИ
ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ 40
2.1.Основные физические аспекты функционирования тонкостенных
цилиндров в условиях интенсивных тепловых и силовых нагрузок 40
2.2. Математическая модель связанной задачи термопластичности
для двухслойного цилиндра при термомеханическом нагружении 48
Тепловая задача 49
Задача напряженно-деформированного состояния 52
2.3. Результаты численных экспериментов по исследованию
факторов, влияющих на функционирование тонкостенного
цилиндра 57
2.3.1 Расчётная схема и исходные данные 57
2.3.2. Анализ температурных полей цилиндра при нагружении 59
2.3.3. Анализ термопластического деформирования
тонкостенного цилиндра при функционировании 61
2.3.4. Анализ влияния механических свойств материалов цилиндра
на усилие извлечения цилиндра после функцион ирования 67
2.4. Выводы 73
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ФОРМИРОВАНИЯ
МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ЗАЛЕЧИВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ
ДЕФЕКТОВ В СТЕНКЕ ПОЛУФАБРИКАТА ПРИ ПОЛУГОРЯЧЕЙ
ШТАМПОВКЕ 75
3.1. Постановка задачи осесимметричного обратного полугорячего
выдавливания 75
3.2. Определение полной мощности процесса полугорячей
деформации 80
3.2.1. Базовый функционал пластической деформации
вязкопластической среды 80
Выбор метода и решение задачи определения полной мощности 82
Определение начального кинематически возможного поля скоростей 88
3.3. Расчет температурного поля стенки полуфабриката 92
3.4. Расчёт напряжённого состояния стенки полуфабриката после
охлаждения 96
3.4.1. Расчёт напряжённо- деформационного состояния заготовки
в процессе полугорячего выдавливания 96
3.4.2. Расчёт напряжённого состояния стенки полуфабриката
после охлаждения 99
3.5. Определение удельной работы активации залечивания
поверхностных дефектов 104
3.6. Эффект залечивания поверхностных дефектов в зависимости от
степени деформации при полугорячем выдавливании 113
3.7. Выводы 118
ГЛАВА 4. ФОРМИРОВАНИЕ ТРЕБУЕМЫХ ОКОНЧАТЕЛЬНЫХ
МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТЕНКИ ПРИ ИНТЕНСИВНОЙ ВЫТЯЖКЕ
ПОЛУФАБРИКАТА ПОЛУГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКИ 120
4.1. Пластическое формоизменение при каскадной вытяжке через
несколько матриц 120
4.2. Методика проектирования технологии изготовления
тонкостенного цилиндрического изделия с требуемым распределением механических свойств из прутковой горячекатаной
заготовки 126
4.3 Пример расчёта технологии изготовления проектируемого
изделия по чертежу 129
Исходные данные 129
Расчёт полуфабриката последней (п) и предпоследней (п-1) вытяжки 130
Проектирование технологии изготовления цилиндрической тонкостенной детали на базе операций полугорячего обратного
выдавливания 134
4.3.4 Технология изготовления корпусной детали на базе
полугорячего выдавливания. Оборудование и инструмент 139
4.4. Выводы 143
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 144
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 146
Введение к работе
В настоящее время Социалистическая Республика Вьетнам (СРВ) уверенно идёт по пути развития и индустриализации своей экономики, одной из важнейших отраслей которой является машиностроение. Среди большого многообразия продукции машиностроения СРВ широкое распространение получают тонкостенные осесимметричные корпусные элементы, испытывающие интенсивные силовые и тепловые нагрузки, высокие скорости деформации.
Среди комплекса требований, предъявляемых к корпусным элементам, рассматриваются в первую очередь, обеспечение их прочности при нагружении и извлечении после снятия нагрузки. Указанные требования обеспечиваются соответствующими материалами и конструкцией изделия, рациональным построением технологического процесса его производства, Поэтому расчеты напряжений и деформаций в цилиндрах при функционировании являются необходимым этапом их проектирования, а обеспечение требуемого распределения механических свойств по длине цилиндров является основной задачей при разработке технологического процесса их изготовления. В настоящее время наиболее полно и всесторонне вопросы теории функционирования и расчета корпусов изложены в работах Г.А.Данилина, М.И. Свердлова, В.М. Кириллова, В.М. Сабельникова и многих других, в которых обобщен многолетний опыт теоретических и экспериментальных работ в этой области. В связи с повышением эксплуатационных характеристик существующая расчетная методика проектирования подобных корпусных элементов требует усовершенствования, встает научная задача проведения более точного анализа процесса функционирования тонкостенных корпусных элементов и расчета соответствующих критериальных параметров.
Создание надёжных методов расчёта и проектирования технологии указанных изделий изготовления является актуальной научно-технической задачей. Важную роль в составе многих сложных технологий
машиностроения занимают операции обработки металлов давлением (ОМД), которые в значительной степени определяют технологию и эксплуатационные характеристики готовых изделий. Эффективным методом обработки сталей и сплавов является объёмная полугорячая штамповка, внедрение которой способствует существенному улучшению структуры, свойства и эксплуатационных характеристик изделий. Изготовление полугорячей штамповкой высококачественных и точных поковок из легированных сталей и сплавов осложняется тем, что эти материалы труднее поддаются пластической деформации, что связано с их низкой технологической пластичностью, низкой теплопроводностью и узким температурным интервалам штамповки.
Успех процесса полугорячей штамповки сталей зависит от правильного выбора и соблюдения термомеханического режима формоизменения, т.е. определенного сочетания температуры, скорости и деформации, а также благодаря разработке принципиально новых технологий, штамповой оснастки и специализированного оборудования.
Использование в производстве изделий ответственного назначения сортового проката сопровождается опасностью получения окончательного брака из-за наличия в структуре скрытых дефектов. Такие дефекты возникают вследствие использования исходного материала (прутка) относительно низкого качества и являются едва ли не основным ограничением при разработке высокоэффективных безотходных технологий ОМД на базе «холодных» операций.
Одновременно с процессом возникновения и развития микродефектов в пластическом материале может происходить процесс «залечивания» микродефектов и торможения их развития. Соприкосновение поверхностей трещины в условиях гидростатического сжатия и их относительного перемещения, повышение температуры и знакопеременный характер развития деформации может вызывать их «залечивание» (сварку).
Применение операций полугорячей обработки с благоприятной для «залечивания» дефектов схемой деформации позволит, в отличие от «холодной» обработки, использовать сортовой прокат не самого высокого качества. Важно уже на этапе проектирования полугорячей операции иметь сведения, позволяющие определить качество используемого проката, и, соответственно, оценить экономическую эффективность техпроцесса, или, при известном основном материале правильно назначить режимы деформирования и не допустить остаточных дефектов в поковке.
Значительный вклад в развитие теории пластичности, методов анализа процессов обработки давлением внесли Ю.А. Алюшин, А.А. Богатов, Р.А. Васин, СИ. Губкин, Г.А. Гунн, Г.Д. Дель, A.M. Димитриев, А.А. Ильюшин, Е.И. Исаченко, Ю.Г. Калпин, Л.М. Качанов, В.Л. Колмогоров, В.Д. Кухарь, Н.Н. Малинин, А.Д. Матвеев, А.Г. Овчинников, В.А. Огородников, Е.А. Попов, И.П. Рене, Е.И. Семенов, Г.А. Смирнов-Аляев, Л.Г. Степанский, А.Д. Томленов, Е.П. Унсков, СП. Яковлев и другие.
Указанные вопросы анализа термомеханического состояния, проектирования тонкостенных цилиндрических корпусов, работающих при интенсивной тепловой и силовой нагрузке и разработки технологических процессов их изготовления на базе обработки металлов давлением с заданными характеристиками, остаются мало изученными. Поэтому исследования по теме диссертации: «Технологическое обеспечение заданных механических характеристик тонкостенного цилиндрического корпуса» являются актуальными.
Цель работы. Повышение эффективности проектирования технологии изготовления высокоточных тонкостенных цилиндрических деталей с заданными эксплуатационными свойствами.
Основные задачи. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие научные задачи:
1. Численное моделирование термопластического деформирования полого многослойного цилиндра при термомеханическом нагружении с
целью анализа влияния механических характеристик материала тонкостенного цилиндра на условия его извлечения после снятия нагрузки.
Исследование механизма формирования механических свойств тонкостенных цилиндрических деталей из малоуглеродистых сталей на базе процесса полугорячей штамповки и последующей вытяжкой с утонением.
Разработка методик расчёта и обоснования технологических параметров, сопровождающих эффект «залечивания» дефектов.
4. Теоретически-экспериментальное исследование эффекта
«залечивания» поверхностных дефектов путём моделирования процесса
полугорячей штамповки.
5. Разработка высокоэффективного техпроцесса изготовления
цилиндрической тонкостенной детали из малоуглеродистой стали с
заданными механическими свойствами.
Методы исследования. Теоретические исследования кинематических, деформационных и силовых характеристик процессов пластического деформирования базируются на использовании законов осесимметричного течения жестко-вязкопластической и жестко-пластической сред механики деформируемого твёрдого тела и элементов теории теплопроводности. Полученные решения реализованы с помощью численных методов математики и расчётных программ на ЭВМ.
Экспериментальные исследования проводятся с использованием методов математической статистики и теории планирования многофакторного эксперимента.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Математическая модель связной задачи термопластичности для
полого многослойного цилиндра при термомеханическом нагружении.
2. Результаты численных экспериментов по анализу влияния
механических характеристик материала тонкостенного цилиндра на условия
его извлечения из толстостенной трубы после снятия нагрузки.
3. Методика определения технологических параметров процесса
осесимметричного обратного выдавливания, основанная на анализе течения
жестко-вякопластической среды и применении вариационного метода для
решения данной задачи.
Методика теоретически-экспериментального исследования эффекта залечивания поверхностных дефектов путём моделирования процесса полугорячей штамповки.
Математическая модель для расчёта температурного поля сплошного и полого цилиндра, учитывающая исходное температурное поле заготовки, время её транспортирования и тепловыделения в процессе деформации.
6. Методика и результаты проектирования высокоэффективной технологии изготовления корпусной детали на базе операций обратного полугорячего выдавливания и последующей вытяжки с утонением.
Научная новизна.
- Предложен вариант решения комплексной задачи, связующей расчетно-проектную часть и технологию изготовления деталей с высокими механическими свойствами.
- Проведена экспериментальная отработка начального кинематически-
возможного поля скоростей перемещения при выдавливании с высокой
степеней деформации.
- Разработана математическая модель эффекта залечивания при
полугорячем выдавливании, который подтвержден экспериментально.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
- Разработана высокоэффективная технология изготовления корпусной
тонкостенной детали из стали 18ЮА с заданными механическими
свойствами.
- Предложены рекомендации по обеспечению эффекта «залечивания» поверхностных дефектов при полугорячей штамповке.
Результаты исследований могут быть использованы в производстве при разработке новых (на базе полугорячей штамповки) и повышении эффективности имеющихся технологий.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы проектирования и производства систем и комплексов» (Тула, 2004-2005 гг.), научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (Тула, 2004-2006 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных статей, общим объемом 2 печатных листа.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка используемых источников из 65 наименований, и содержит 134 страницу машинописного основного текста, 44 рисунка, 6 таблиц. Общий объём работы 152 страниц.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, к.т.н., доценту Ю.В. Полтавцу, д.т.н., профессору В.М. Лялину и к.т.н., доценту А.В.Пещерову за оказанные консультации при выполнении работы, практическую помощь в проведении теоретически-экспериментальных исследований.
Краткое содержание работы.
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 первой главе проведен обзор результатов теоретических и экспериментальных исследований теплового и НДС тонкостенного цилиндра при термомеханическом нагружении, методов формирования механических
характеристик стенки в технологии изготовления стальных тонкостенных цилиндрических изделий.
Во второй главе проведено численное моделирование термопластического деформирования полого многослойного цилиндра при термомеханическом нагружении. На основе расчётной схемы модели термопластического течения, создается математическая модель, и на примере конкретной конструкции цилиндров и условий нагружения решается задача расчета параметров и анализа термомеханического состояния данного многослойного цилиндра при нагрузке и разгрузке.
В третьей главе проведены исследования процесса термопластического формоизменения заготовки при получении детали типа «стакан» методом обратного полугорячего выдавливания с целью выявления механизма формирования механических свойств и «залечивания» поверхностных дефектов в стенке полуфабриката при полугорячей штамповке. Поставленная задача сводится к решению двух задач: анализа процесса пластического формоизменения и расчёта температурного поля деформируемого тела при обработке и в ходе охлаждения после обработки. В результате чего определяются силовые и технологические параметры операции, а так же изменение температурного поля, напряженно-деформированного состояния и степень «залечивания» каждого расчётного элемента при полугорячем обратном выдавливании.
В четвертой главе на основе рассчитанных во второй главе распределения механических характеристик и на примере конкретной конструкции тонкостенного цилиндра из малоуглеродистой стали 18 ЮА разработан высокоэффективный техпроцесс его изготовления с заданными механическими свойствами, основанный на базе полугорячего обратного выдавливания, многопереходной вытяжки с утонением и неполного местного термического отжига верхней части заготовки для получения требуемого распределения механических свойств по длине готового изделия.
