Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время перед машиностроительным производством стоит необходимость широкого внедрения принципиальна новых технологий, позволяющих повысить производительность труда, снизить энергоматериалоемкость производства, обеспечить высокое качество получаемых изделий.
Создание новой техники, отдельные узлы которой работают в условиях агрессивных сред, высоких давлений и температур, связано с использованием труднодеформируемых. малопластичных материалов. Значительное количество деталей машиностроения изготавливается из листовых материалов, которые обрабатываются в режимах холодной и горячей штамповки.
В последнее время при изготовлении деталей азрокосмической техники из листовых малопластичных, труднодеформируемых сплавов нашло применение медленное горячее деформирование,при котором проявляется не только пластичность, но и ползучесть материала, достигаются большие степени деформации.
Листовой материал,- подвергаемый штамповке, как правило, обладает анизотропией механических свойств, обусловленной маркой материала и технологическими режимами его получения.
Анизотропия механических свойств материала заготовки может ока-вывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов обработки металлов давлением.
Кроме того, при изготовлении ряда изделий требуется сформировать . такую заданную структуру анизотропии механических свойств материала изделий, которая благоприятно влияла бы на условия эксплуатации.
Создание новых и совершенствование известных технологических процессов обработки давлением листовых заготовок должно основываться на глубоких теоретических и экспериментальных исследованиях механических свойств анизотропных листоеых заготовок (упругости, пластичности, вязкости, ползучести) и процессов их обработки.
'Новое решение этой научно-технической проблемы составляет предмет настоящей диссертации.
Это позволило создать научно-обоснованные методики расчета технологических параметрові повышающих эффективность производства, что составляет практическую значимость рекомендаций и выводов диссертации.
Работа выполнена в соответствии с Российской научно-технической программой "Ресурсосберегающие технологии машиностроения" (Приказ Госкомитета- РСЇСР по делам науки и высшей шкоды N224 от 19.03.91), заказ-нарядом ГК ВО РФ "Повышение эффективности изготовления товаров народного потребления", грантом "Теория пластического формоизменении ортотропных тел и формирования анизотропии механических свойств заготовки в процессах обработки металлов давлением", в соответствии с постановлением ГКНТ СССР N312 от 20.03.91 по разделу "Технологии, машины и производство будущего" проект 0.06.02.0405, грантами "Теория пластического формоизменения при повышенных температурах современных инструкционных материалов для получения многослойных листовых конструкций ЛА" (1993, 1994гг.), а также хозяйственными договорами с рядом предприятий России.
Дель работы. Решение актуальной научно-технической проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение и состоящей в построении теорий формоизменения к деформируемости начально-ортотр'. иных заготовок с учетом деформационного упрочнения, вязких свойств материала и на их основе назначение научно - обоснованных термомеханических режимов штамповки, обеспечивающих повышение эффективности производства и формирование заданных механических свойств материаяа изделия.
Автор защипает математические модели поведения ортотропного материала при холодной пластической деформации с анизотропным упрочнением; феноменологические (энергетическая и деформационная) модели разрушения ортотропного материала с анизотропным упрочнением, связанные с накоплением повреждаемости материала заготовки в результате пластической деформации; результаты экспериментальных исследований по определению параметров анизотропии механических свойств и деформационного упрочнения, констант функциональных зависимостей критериев разрушения алюминиевого сплава АМг2М, латуни Л68, сталей 08КП и Ст.ЗСП; результаты теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния заготовки, , силовых режимов, предельных степеней формоизменения и формирования анизотропии механических свойств получаемого изделия при вытяжке с утонением стенки, при обратном выдавливании -трубной заготовки и осадке с кручением круглой листовой заготовки из ортотропного анизотропно-упрочняющегося материала; подход к анализу процессов пдастичес-
кого деформирования ортотропного, анизотропно-упрочняющегося тела с
учетом поворота, главных осей анизотропии; математическую модель
медленного деформирования анизотропного материала при повышенной
температуре обработки; феноменологический критерий разрушения ани
зотропного материала при кратковременной ползучести пр накоплению
микроповреждений; критерий локальной потери устойчивости (иейкооб-
разования) при обработке ортотропного материала в режиме кратковре
менной ползучести; результаты экспериментальных исследований харак
теристик анизотропии механических свойств, параметров уравнений
состояний и констант функциональных зависимостей критериев разруше-
ния в областях пластической деформаций и деформации ползучести спе
циальных сплавов типа АМгб и ВІВС, применяемых ' в азрокосмической
технике, при различных температурах испытаний; установленные зави
симости влияния анизотропии механических свойств исходного материа
ла, закона иагружелия, геометрических размеров заготовки и инстру
мента на напряженно-деформированное состояние заготовки и предель
ные степени деформации, связанные с локализацией деформации и на
коплением микроповреждений, при свободном и несвобоян-ч деформиро
вании в клиновидную, матрицу узкой прямоугольной меыбрй';н, а такке
ври штамповке трапециевидного элемента трехслойной листовой конс
трукции в условиях кратковременной ползучести; раэрг'отанкые техно
логические процессы на'основе выполненных теоретических и- экспери
ментальных исследований. ' »
Научная новизна состоит в обобщении теорий формоизменения «'деформируемости ортотропного материала на случай его анизотропного упрочнения при холодной штамповке, а при медленном горячем деформировании, на случай ползуче-пластического течения анизотропного материала и включает в себя решение следующих вопросов:.
. 1. Сформулированы законы анизотропного упрочнения ортотропного материала при холодной пластической деформации.
2. Предложены новые критерии деформируемости (знергетнчесіші и деформационный) ортотропного анизотропно-упрочняющегося материала, учитывающие влияние относительной величины гидростатического напряжения, показателя вида напряженного состояния Лоде-Надаи и ориентацию направления первого главного напряжения относительно главных осей аннзотрс.ии.
-.6 -
-
В результате теоретических исследований установлены закономерности изменения силовых и деформационных параметров, предельных возможностей формоизменения и ожидаемых механических свойств получаемого изделия при вытяжке с утонением стенки и обратном выдавлит вании трубной заготовки от анизотропии механических свойств, характеристик упрочнения, геометрических параметров инструмента, условий трения на контактных поверхностях.
-
Получены основные соотношения и выполнен анализ напряженно-деформированного состояния, силовых режимов и прогнозируемых механических свойств заготовки при осадке с кручением ортотропного анизотропно-упрочняющегося материала с учетом, поворота главных осей анизотропии.
-
На базе математической статистики и теории планирования факторного' эксперимента, созданы математические модели изменения анизотропии механических свойств латуни Л68 в процессе вытяжки с утонением стенки от степени деформации и геометрии матрицы.
6- Предложено анализ процессов медленного горячего деформирования ортотропного листового материала осуществлять на базе основных соотношений ползуче-пластического течения (теории кратковременной ползучести).
-
Разработан критерий локальной потери устойчивости, позволяю-ций предсказать шейкообразование.в листовой ортотропной заготовке при кратковременной ползучести.
-
Предложен критерий.деформируемости (энергетический и деформационный) анизотропного листового материала при ползуче-пластическом течении; связанный с накоплением микроповреждений в области пластической деформации и деформации ползучести.
-
Установлены закономерности изменения силовых и деформационных параметров.и предельных возможностей формоизменения в- процессах двухосного растяжения листовой заготовки, свободного 'выпучивания прямоугольной мембраны, формовки последней б клиновидную матрицу, а таете при штамповке и калибровке.трапециевидного элемента трехслойной листовой конструкции в зависимости от.геометрических размеров заготовок и инструмента, анизотропии механических свойств материала и изменения закона нагружения во времени при медленном горячем формоизменении.
Методы исследования. Теоретические исследования процессов холодной штамповки листовых материалов выполнены на базе теории пластичности ортотропных сред с анизотропным упрочнением. Предель-цуе возможности формоизменения оценивались согласно феноменологическим критериям разрушения анизотропного тела. Вопросы вокальной
_ 7 -потери устойчивости при медленном горячем деформировании анизотропных листовых заготовок рассмотрены на основе постулата устойчивости Друкера для реономных-сред. Анализ процессов реализован числекно методом конечных разностей с использованием персональных ЭВМ: При проведении экспериментальных исследований испольвованы современные испытательные машины, регистрирующая аппаратура, а экспериментальные зависимости получены с использованием теории планирования многофакторного эксперимента и математической статистики.
Практическая ценность и реализация работы. Обосновано проектирование и реализация технологических процессов изготовления точных заготовок типа полых цилиндров имеющих внутренниечполости, цилиндрических изделий с толстым дном и тонкой стенкой, корпусов аэрозольных баллонов двух типоразмеров, двухслойных и трехслойных листовых конструкций. Достигнуто значительное снижение металлоемкости, трудоемкости и повышения качества изделий.
Некоторые вопросы научных исследований включены в отдельные
разделы лекционных курсов "Теория обработки металлов давлением",
"Технология холодной штамповки", "Новые методы обработки металлов
давлением", а также использованы при выполнении курсовых и диплом
ных проектов. '
Апробация работы. Ревультаты исследований доложены на Всесота- . ной научно-технической конференции "Конструктивно-технологические методы повышения надежности и их стандартизации"- (г.Тула,. 1988г.), на Республиканской научно-технической конференции "Вопросы развития технологии, оборудования и автоматизации кузнечно-штамповочного производства" (г.Тула, 1989г.), на научно-технической конференции "Прогрессивные технологические процессы изготовления деталей типа труб с применением методов обработки металлов давлением" (г.Ижевск, 1989г.), на Всероссийской научно-технической конференции "Математическое моделирование технологических процессов СЩ" (г.Пермь, 1990г.), на научно-техническом семинаре "Прецизионные технологические процессы объемной штамповки" (г.Ижевск, 1990г.), на научно-технической Конференции "Новое в кузнечно-штамповочном производстве" (г.Челябинск, 1992г.), на научном'симпозиуме "Устойчивость и пластичность в механике деформированного твердого тела" (г.Тверь, 1992г.), на Международном коллоквиуме "Макро- и микромеханические аспекты разрушения" (г.Санкт-Петербург, 1992г.), иа Международном .конгрессе "Конверсия, наука и образование"-(г.Тула, 1993г.), на научно-технической конференции "Прогрессивные технологии и оборудование для обработки металлов давлением" (г.Киев,. 1993г.), на Респуб-
- 8 -ликамокой научно-технической конференции "Ресурсосберегающие техно-логик машиностроения" (г.Москва, 1903г.), на Российской научно-технической конференции. "Новые материали и технологии машиностроения" (г.Москва,1Є93^94гг.), на научно-технической конференции "Эффективные технологии к техническое перевооружение линейного и кузкеч-ко-штамповочного производства с учетом конверсии и в условиях перехода на рыночные отношения" (г.Суздаль, 1993г.), на Меадународной научно-технической конференции "Ресурсосберегающая технология машиностроения" (г.Москва, 1993-94гг.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного технического университета (1982 -19Э4гг.).
Публикации. Материалы проведенных исследований отражены б .44 лечатаых работах, в учебном пособии и в описаниях к 4 авторским свидетельствам на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа,состоит из введения и двух разделов, включающих 12 глав, заключения и списка литературы. Диссертация изложена'на 317 страницах машинописного" текста,. содержит 117 рисунков, 24 -таблицы и 424 наименований библиографического списка. Общий объем работы - 472 страниц.