Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние теории и технологии процессов вытяжки и волочения одно- и двухслойных материалов 13
1.1. Способы изготовления многослойных материалов 13
1.2. Анализ существующих технологических процессов изготовления цилиндрических полуфабрикатов 19
1.3. Методы математического моделирования процессов обработки металлов давлением. Критерии деформируемости 23
1.4. Вытяжка и волочение 27
1.5. Основные выводы и постановка задач исследований 35
2. Основные соотношения для анализа процесса вытяжки с утонением стенки цилиндрических заготовок из двухслойного неупрочняющегося материала 38
2.1. Основные уравнения и соотношения 39
2.2. Первое приближение решения задачи 43
2.2.1. Кинематика течения материала. Напряженное состояние заготовки 43
2.2.2. Силовые режимы 50
2.2.3. Деформированное состояние заготовки 54
2.2.4. Учет упрочнения 56
2.2.5. Повреждаемость материала при пластическом формоизменении 57
2.3. Второе приближение решения задачи
2.3.1. Кинематика течения материала. Напряженное состояние заготовки 59
2.3.2. Силовые режимы 72
2.3.3. Деформированное состояние заготовки 73
2.3.4. Учет упрочнения 77
2.3.5. Повреждаемость материала при пластическом формоизменении 78
2.4. Основные результаты и выводы 78
3. Влияние технологических параметров, механических свойств двухслойной заготовки на напряженно-деформированное состояние, силовые режимы и предельные возможности вытяжки с утонением стенки 80
3.1. Кинематика течения материал 81
3.2. Напряженное и деформированное состояния заготовки 89
3.3. Силовые режимы 93
3.4. Повреждаемость материала 97
3.5. Предельные возможности формоизменения 103
3.6. Основные результаты и выводы 112
4. Экспериментальные исследования 116
4.1. Экспериментальное определение характеристик механических свойств листовой горячекатаной стали 12ХЗГНМФБА плакированной слоем стали 08X13 116
4.2. Экспериментальные исследования силовых режимов процесса вытяжки с утонением стенки 122
4.3. Основные результаты и выводы 125
5. Использование результатов исследований
5.1. Рекомендации по проектированию технологических процессов глубокой вытяжки цилиндрических деталей из двухслойных материалов 126
5.2. Разработка нового технологического процесса изготовления заготовок под закатку горловины баллонов высокого давления 129
5.2.1. Технологический процесс 129
5.2.2. Механические и металлографические исследования полуфабрикатов 5-ой вытяжки и вытяжки с утонением стенки из стали 12ХЗГНМФБА плакированной сталью 08X13 136
5.2.3. Гидроиспытания до разрушения баллонов БГ-7,3.30.001 из двухслойной стали
5.3. Использование результатов исследований в учебном процессе 154
5.4. Основные результаты и выводы 154
Заключение 156
Список используемых источников
- Анализ существующих технологических процессов изготовления цилиндрических полуфабрикатов
- Кинематика течения материала. Напряженное состояние заготовки
- Напряженное и деформированное состояния заготовки
- Экспериментальные исследования силовых режимов процесса вытяжки с утонением стенки
Введение к работе
Современные тенденции развития различных отраслей промышленности характеризуются резким повышением требований к качеству и эксплуатационным свойствам изделий при снижении себестоимости их производства. Это стимулирует разработку высокоэффективных технологий, отвечающих указанным требованиям и реализующих экономию материальных и энергетических ресурсов, трудовых затрат. Процессы обработки металлов давлением (ОМД) относятся к числу высокоэффективных, экономичных способов изготовления металлических изделий.
Корпусные цилиндрические детали с высокими эксплуатационными характеристиками широко используются в технике, например, баллоны высокого давления. К таким изделиям предъявляются высокие требования по надежности эксплуатации. Они испытывают внутреннее давление до 30 МПа. С другой стороны они должны иметь небольшую массу и быть удобными при работе в экстремальных условиях. Поэтому для производства баллонов используются высококачественные стали, такие как 18ЮА, специальная сталь ВП-30 и др., обладающие высокими механическими характеристиками и способностью к формоизменению. Большое распространение в технологии производства цилиндрических деталей получили процессы холодной обработки давлением в сочетании с термическими операциями. Формоизменяющие процессы обработки давлением позволяют за счет деформационного упрочнения обрабатываемого материала получать заданные прочностные характеристики готовых изделий. Однако изделия, изготовленные из перечисленных выше высококачественных сталей, обладают низкой коррозионной стойкостью.
В машиностроении на современном этапе находят широкое применение двухслойные материалы, т.е. материалы, представляющие собой основной материал, который подвергается плакированию. В двухслойных мате- риалах плакирующий слой, как правило, выполняет основную функцию -предохраняет изделие от коррозии. Процессы пластического формоизменения двухслойных материалов в настоящее время мало изучены.
Таким образом, развитие теории пластического формоизменения двухслойных материалов приобретает особую актуальность. Решению данной задачи посвящены выполненые исследования.
Работа выполнена в соответствии с научно-технической программой «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» Минобразования РФ, подпрограммой «Транспорт» и гранта Президента РФ на поддержку ведущих научных школ на выполнение научных исследований «Механика формоизменения ортотропных и изотропных упрочняющихся материалов при различных температурах и скоростях деформации» (грант № НШ-1456.2003.8).
Цель работы. Научное обоснование параметров новых технологических процессов изготовления цилиндрических сосудов высокого давления вытяжкой из двухслойных материалов с повышенной коррозионной стойкостью.
Методы исследования. Теоретические исследования вытяжки с утонением стенки выполнены с использованием основных положений механики сплошных сред и теории течения неупрочняющегося изотропно тела; анализ кинематики течения, напряженного и деформированного состояния заготовки при вытяжке с утонением стенки выполнен численно методом конечно-разностных соотношений с использованием ЭВМ. Предельные возможности формоизменения оценивались по величине максимального растягивающего напряжения на выходе из очага пластической деформации и степени использования ресурса пластичности. При проведении экспериментальных исследований использованы современные испытательные машины и регистрирующая аппаратура.
Автор защищает результаты теоретических исследований вытяжки с утонением стенки цилиндрических деталей из двухслойных материалов; установленные закономерности влияния геометрических параметров двухслойного материала, заготовки и инструмента, степени деформации, условий трения контактных поверхностей инструмента и заготовки на распределение деформаций, напряжений, степени использования ресурса пластичности в основном и плакированном слоях в очаге деформации, силовые режимы, предельные возможности формоизменения цилиндрических деталей при вытяжке с утонением стенки, связанные с максимальной величиной растягивающих напряжений на выходе из очага пластической деформации и накоплением повреждаемости; результаты экспериментальных исследований механических свойств двухслойного материала 12X3ГНМФБА+08X13, силовых режимов вытяжки с утонением стенки двухслойных материалов с разной толщиной стенки основного и плакированного материала; разработанные рекомендации по проектированию технологических процессов и новый технологический процесс изготовления загото вок под закатку горловины баллонов БГ-7,3-30-30.001 из стали 12ХЗГНМФБА+08Х13.
Научная новизна: разработаны математическая модель деформирования двухслойных материалов в условиях плоского деформированного состояния; основные уравнения и соотношения, необходимые для анализа напряженного и деформированного состояния заготовки, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения при вытяжке с утонением стенки цилиндрических деталей из двухслойных материалов; установлено влияние геометрических параметров заготовки и инструмента, толщины основного и плакирующего слоя, степени деформации, условий трения контактных поверхностей инструмента и заготовки на напряженно-деформированное состояние заготовки и силовые режимы, предельные возможности формоизменения цилиндрических деталей при вытяжке с утонением стенки. Практическая значимость.
Экспериментально определены механические характеристики двухслойного материала 12ХЗГНМФБА+08Х13.
На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и создано программное обеспечение для ЭВМ по расчету технологических параметров вытяжки с утонением двухслойных материалов.
Реализация работы.
Разработан овый технологический процесс изготовления заготовок под закатку горловины баллонов БГ-7,3-30-30.001 из стали 12X3ГНМФБА+08X13 с высокими эксплуатационными характеристи ками. Новые технологические процессы изготовления заготовок под закатку горловины баллонов высокого давления приняты к внедрению в опытном производстве на ФГУП «ГНТТП Сплав» с экономическим эффектом, полученным в результате повышения их качества и сокра щения сроков подготовки производства.
Отдельные материалы научных исследований использованы в учебном процессе.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (г. Москва, 1999 - 2002 г.), на международной научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии, оборудование и автоматизация штамповочного производства» (г. Тула, 1999 г.), на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (г. Тула, 2001 г.), на отчетной конференции - выставке подпрограммы
205 «Транспорт» научно-технической программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (г. Москва, 2002 г.), на международной научно-практической конференции «Технологические системы в машиностроении» (г. Тула, 2002 г.) а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 1999-2003 г.г.).
Публикации. Основные научные материалы проведенных исследований отражены в 7 статьях в межвузовских сборниках научных трудов и в 5 материалах и тезисах Всероссийских и международных научно-технических конференций. Общим объемом 5,9 печатных листа, авторский вклад 2,8 печатных листа.
Автор выражает глубокую благодарность к.т.н., доценту В.И. Трегубо-ву и к.т.н. доценту А.В.Черняеву 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 138 наименований, 3 приложения и включает 127 страниц машинописного текста, содержит 65 рисунков и 13 таблиц. Общий объем - 222 страницы.
Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе задачи, ее научная новизна, практическая ценность работы, приведены положения, выносимые на защиту, и краткое содержание разделов диссертации.
В первом разделе рассмотрено современное состояние теории и технологии изготовления цилиндрических заготовок и изделий методами глубокой вытяжки из двухслойных плакированных материалов. Обоснована постановка задач исследований.
Во втором разделе приведены математическая модель деформирования двухслойных материалов в условиях плоского деформированного состояния; основные уравнения и соотношения, необходимые для анализа на- пряженного и деформированного состояния заготовки, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения при вытяжке с утонением стенки цилиндрических деталей из двухслойных материалов.
Рассматривается процесс вытяжка с утонением стенки цилиндрических деталей. Материал заготовки принимается двухслойным из разных изотропных неупрочняющихся материалов с различными механическими свойствами. Отношение диаметра заготовки к толщине стенки более 20. Рассматривается плоское радиальное течение материала. На контактных поверхностях заготовки и инструмента задаются касательные напряжения по закону Кулона. Изменение направления скоростей течения материала на границе очага пластической деформации при входе в него и выходе из него учитывается изменением величины радиального напряжения по методу баланса мощностей.
Реализуется приближенное решение этой задачи с привлечением уравнений равновесия, условия несжимаемости материала, уравнений теории течения Сен-Венана-Леви-Мизеса. Приводятся основные соотношения и уравнения для решения поставленной задачи в случае решения по первому и последующим приближениям.
В первом приближении принимается коэффициент жесткости и.,- функция координаты р в каждой из пластических областей (внутреннем и внешнем слоях). Привлекая уравнения связи между напряжениями и скоростями деформации, интегрируются уравнения равновесия в каждом слое. Этим достигается разделение переменных по скоростям течения и напряжениям. Полученное решение в скоростях течения материала используется для уточнения вида коэффициента жесткости, как функция ц.,- =/(р,6). Второе использование этих коэффициентов жесткости в уравнениях связи между напряжениями и скоростями деформации и в уравнениях равновесия позволило получить уравнения с разделяющимися переменными. В дальнейшем дифференциальные уравнения для определения скоростей течения материала решаются методом коллокации с использованием необходимых граничных условий на контуре.
Приводятся соотношения для определения кинематики течения материала, деформированного и напряженного состояния, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения по степени использования ресурса пластичности.
В третьем разделе установлено влияние геометрических параметров заготовки и инструмента, толщины основного и плакирующего слоя, степени деформации, условий трения на контактных поверхностях инструмента и заготовки на напряженно-деформированное состояние заготовки и силовые режимы, предельные возможности формоизменения, связанных с максимальной величиной растягивающих напряжений на выходе из очага пластической деформации и накоплением повреждаемости, цилиндрических деталей при вытяжке с утонением стенки.
В четвертом разделе приведены методика и результаты экспериментальных исследований по определению механических свойств двухслойного листового материала 12ХЗГНМФБА+08Х13, силовых режимов вытяжки с утонением стенки двухслойных материалов с разной толщиной стенки основного и плакированного материала. Показано удовлетворительное согласование теоретических и экспериментальных данных.
В пятом разделе диссертационной работы на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и создано программное обеспечение для ЭВМ по расчету технологических параметров вытяжки с утонением двухслойных материалов. Разработан новый технологический процесс изготовления заготовок под закатку горловины баллонов БГ-7,3-30-30.001 из стали 12ХЗГНМФБА+08Х13 с высокими эксплуатационными характеристиками. Новые технологические процессы приняты к внедрению в опытном производстве на ФГУП «ГНПП Сплав» с экономическим эффектом, полученным в результате снижения трудоемко- сти, металлоемкости изготовления заготовок под закатку горловины баллонов, повышение их качества и сокращения сроков подготовки производства.
Отдельные результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе.
В заключении приводятся основные результаты и выводы по выполненной работе.
Приложения содержат расчетные программы, акты о внедрении технологического процесса изготовления заготовок под закатку горловины баллонов высокого давления в промышленность, а также в учебный процесс.
Анализ существующих технологических процессов изготовления цилиндрических полуфабрикатов
Важной проблемой, стоящей перед современным машиностроением, является повышение эффективности и конкурентоспособности процессов изготовления изделий из металлов и сплавов методами обработки давлением, обеспечивающих максимально возможные эксплуатационные характеристики. В различных отраслях промышленности широкое распространение нашли цилиндрические изделия, изготавливаемые методами обработки металлов давлением. К ним относятся баллоны высокого давления.
Существующие технологии изготовления таких изделий механической обработкой имеют низкие производительность и коэффициент использования материала (КИМ), высокие трудоемкость и себестоимость деталей.
Наибольшее распространение в технологии производства баллонов высокого давления получили процессы холодной обработки давлением в сочетании с термическими операциями. Формоизменяющие процессы обработки давлением позволяют за счет деформационного упрочнения обрабатываемого материала получать заданные прочностные характеристики готовых изделий.
Наиболее важными требованиями, предъявляемыми к баллонам, является повышенная прочность, обеспечение длительной эксплуатации и минимальная металлоемкость. Поэтому для производства баллонов используются высококачественные стали, такие как 18ЮА, специальная сталь ВГТ-30 и др., обладающие высокими механическими характеристиками и способностью к формоизменению. Однако изделия, изготовленные из перечисленных выше высококачественных сталей, обладают низкой коррозионной стойкостью. В настоящее время планируется изготавливать баллоны высокого давления из листового двухслойного плакированного материала на основе стали 12ХЗГНМФБА, механические свойства которой регламентированы ТУ 14-105-589-95, плакированной нержавеющей сталью 08X13 различными методами.
Баллоны высокого давления, испытывающие внутренние давления до 30 МПа, в настоящее время изготавливаются на ряде машиностроительных предприятий несколькими способами [51, 77, 80, 82, 116, 117]: горячим выдавливанием из прутковой заготовки с последующей вытяжкой полученного полуфабриката; из трубной заготовки с оформлением ее донной части и горловины, закаткой; многооперационной вытяжкой из круглой листовой заготовки.
Каждый из названных способов имеет свои преимущества и недостатки. Так, способ горячего выдавливания из прутковой заготовки позволяет получать необходимую герметичность и прочность корпуса баллонов и за небольшое число переходов, при достаточно высоком коэффициенте использования материала (КИМ). Однако для реализации этого способа требуется мощное прессовое оборудование и высокостойкая, дорогостоящая штамповая оснастка, что является сдерживающим фактором при организации производства.
Способ получения корпуса баллона из трубной заготовки характеризуется повышенным значением КИМ и существенным сокращением числа основных и вспомогательных операций. Недостатком способа является трудность получения высокой герметичности и прочности донной части корпуса и его горловины, поскольку эти части корпуса формируют с помощью горячей закатки. Использование в качестве исходной трубной заготовки приводит к получению баллонов высокого давления с завышенной массой и большим допуском на толщину стенки.
Третий способ получения корпусов газовых баллонов основан на использовании многооперационной вытяжки листовой заготовки. Несмотря на необходимость большого числа основных и вспомогательных операций и невысокий КИМ, многооперационная вытяжка находит широкое применение в связи с возможностью получения высококачественного изделия повышенной прочности и меньшей массы.
На основе вытяжных операций можно разработать два различных технологических процесса: на основе последовательных вытяжек без утонения стенки; на основе последовательных вытяжек с утонением стенки после первой вытяжки.
Баллоны, изготовленные по первому варианту технологии, имеют наименьшую массу. Однако отсутствие деформации стенок цилиндрической части корпуса приводит к снижению качества структуры материала, что снижает эксплуатационные характеристики готовых изделий.
Преимуществом второй схемы технологического процесса является возможность достижения стабильных механических и физико-структурных свойств материала, необходимых для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик баллонов высокого давления. По второй схеме технологического процесса необходимо выбирать исходную заготовку значительно большей толщины и, следовательно, меньшего диаметра, чем по первой схеме. Это обстоятельство приводит к тому, что готовые изделия будут иметь донную часть значительной толщины. Введение дополнительной операции механической обточки дна с целью уменьшения массы баллона приводит к значительному снижению коэффициента использования металла, что существенно повышает себестоимость готовой продукции.
Один из возможных вариантов технологии изготовления цельноштам-пованных корпусов баллонов высокого давления включает в себя многооперационные вытяжки без утонения стенки из листовой заготовки, как формоизменяющие операции, и вытяжку с утонением стенки для формирования необходимых механических свойств материала (условного предела текучести, предела прочности, характеристик пластичности), связанных с эксплуатацией изделий.
Кинематика течения материала. Напряженное состояние заготовки
В качестве первого приближения определим jiy в предположении равномерного по углу течения материала в клиновом канале. В этом случае уравнение неразрывности имеет вид Р__ dVn = 0. (2.15) Ф Р Общее решение этого уравнения Vp=-. (2.16) Произвольная постоянная С определяется из граничного кинематического условия, которое заключается в том, что на выходе материала из очага деформации радиальная скорость равна средней радиальной скорости вытяжки прир = Р1 Vp=-Q =- , (2.17) арі еф! где Q - расход материала, VQ - скорость вытяжки. Произвольная постоянная будет равна С = -2. (2.18) а Радиальную скорость найдем в виде Q VV\ Vp=- =- » . (2.19) к ар ар Коэффициент [if определится по формуле (2.11) Цг = , а=Рр2, (2.20) где Р = 5 2-. ЗК05 ! Проинтегрировав второе уравнение системы (2.14) по углу Э, получим -a = 2Pp2Vp+2ppKp+/(p). (2.21) С учетом выражения (2.4) будем иметь - a = 4РФ(9) + Др). (2.22) Подставив полученное выражение и выражение (2.4) в первое уравнение системы (2.14), получим Ф"(Є) - 4Ф(0) = А #ХР) (2 23) р dp Из полученного уравнения (2.23) следует, что правая и левая части являются постоянной величиной, так как слева функция только 0, а справа функция только р. Уравнение (2.23) распадается на два Р df(p) р ф = (2.24) и Ф"(Є)-4Ф(9) = . (2.25) Ищем решение однородного уравнения в виде (9) = 6 . Найдем характеристическое уравнение для определения г г2-4 = 0; гі=2; г2=-2. Общее решение однородного уравнения может быть записано Ф(0) = Ae2Q + Ве 2Є. (2.26) Общее решение для неоднородного уравнения (2.25) будет иметь вид: Ф(0) = Ae2Q + Ве 2Є - —. (2.27) Выражение (2.4) для определения величины радиальной скорости Vp в первом и втором слоях с учетом соотношения (2.27) может быть записано следующим образом: г т=(Ае2в+Ве-2в_о р 4 Интегрирование уравнения (2.24) приводит к соотношению / = pZ)lnp + C, (2.29) а для о получим зависимость ст = -4рФ(0)-р 1пр-С. (2.30) В дальнейшем при определении поля скоростей и напряжений все величины, относящиеся к слою металла I будем обозначать индексом 1, а величины, относящиеся к слою II - индексом 2. Используя уравнения связи между напряжениями и скоростями деформаций (2.9), определим компоненты напряжений в первом и втором слоях металла: для первого слоя ар1 = О! + 2Ц1$р1 =-4(3 (0) - Р! A In р - Q - 2[3lP fl(9) = Р = -6P! Pi (Є)-PA In P-Q = = -бр е20+ 2 - - )- Pi A lnp-Q; aei =cr1 + 2 . = - AW\ (9) - Pi A In p - Q + 2PlP fl(6) = P = -2р1Ф1(Є)-р1А1пр-С1 = = -2Pj( V9 + #ie"29 - -)- Pi A lnp-Q ; фНе) Q„2(2ye-2Z?lg-29) 9R,,20 n-20v n,n трЄ1= Л 2 =PlP 2 = 2Pl(-V B\e )» (2-31) P P для второго слоя ар2 = а2 + 2ц/2 р2 = - 4(32Ф2(0) -P2D2 Inр - С2 - 2(?2р f2(Є) Р .2 "2 = -бр2Ф2(9)-р2/)21пр-С2 = = -6Р2(А2е2в + B2e-2Q -Щ-)-p2D2Inр-С2; а92 = а2 + 2 -2 2 = " 4Р2 2(в) -Р2А2 Inр - С2 + 2Р2р 2(9) = Р = -2р2Ф2(9)-р2/)21пр-С2 = = -2р2(Л2е2е+В2е-20- -)-р21)21пр-С2; „ 2(Q) R ,2(2Л2г29-22?2е-29) xp02= i 2 2 " =Р2Р 9 = Р Р = 2р2(Л2е20-Я2е-20). (2.32) Отметим, что коэффициенты \іц и цг2 будут определяться по формулам, аналогичным (2.20) ЦП - 273ЗД -PlP Цй - 2V3 052 -Р2Р (233) где р1= а а0 ; р 52(а-а0) 1 2V3F05! 2 2л/ЗК052 Задача сводится к нахождению восьми постоянных А .В .С и Z) , где Л: =1, 2. Они определяются из следующих условий: 1. Постоянство расхода металла «о а \VpipdQ+ jVp2pdQ = -V0(8l+82). (2.34) 0 а0 2. Непрерывность скоростей течения металла на границе раздела слоев металла Pl(p ao) = Kp2(p,a0). (2.35) З, 4. Непрерывность напряжений CTQ на границе раздела слоев 0l(P5«o) = o"02(P»ao). (2.36) Ниже будет показано, что это условие дает два соотношения между искомыми неизвестными коэффициентами. 5. Непрерывность касательных напряжений возникающих на границе раздела слоев металла РЄі(Р,ао) = трЄ2(Р ао)- (2.37) 6. Ha контактной поверхности заготовки с пуансоном реализуется за кон трения Кулона ТрЄі(Р.О) = -ЦяЄі(Р 0). (2.38) 7. На контактной поверхности заготовки с матрицей реализуется закон трения Кулона РЄ2(Р.а) = -Им Є2(Р а)- (2.39) 8. Учет изменения направления течения материала на входе в очаг пла стической деформации в первом и втором слоях оцениваем по наибольшей величине угла поворота tfpl(P2 ao) = =eaO если a5l o-52; (2.40, а) Р2(Р2 0 = 7Г 8 a если a l s2 (2-40 б) Здесь (j.jv/ и [iff - коэффициенты трения на контактных поверхностях матрицы и пуансона соответственно. Экспериментальные исследования волочения двухслойных труб показали, что разрушение наблюдается, как правило, в менее прочном слое металла. Поэтому исследование напряженного и деформированного состояния нужно, прежде всего, начинать в этом слое.
Напряженное и деформированное состояния заготовки
На рис. 3.15 - 3.25 приведены зависимости изменения относительной величины силы P = PI[ii{d\ + i) la0,22] от угла конусности матрицы а при фиксированных величинах коэффициента утонения ms и коэффициента трения на пуансоне р,п ()11 = 0,05) соответственно. Здесь введены обозначения: сплошная линия соответствует результатам расчета относительной величины силы Р, вычисленной по второму приближению решения задачи; штриховая линия - по первому приближению.
Анализ графиков и результатов расчета показывает, что с уменьшением коэффициента утонения ms относительная величина силы Р возрастает. Интенсивность роста тем выше, чем меньше коэффициент утонения ms.
Учет упрочнения существенно уточняет относительную величину силы Р, однако, не изменяет характер влияния угла конусности матрицы a, коэффициента утонения ms и условий трения на контактных поверхностях рабочего инструмента и заготовки (]ijj 1\ -м) (Рис- 3.15). град 30 24 град Выявлены оптимальные углы конусности матрицы в пределах 10... 20, соответствующие наименьшей величине силы, при коэффициентах утонения ms 0,75. Если величины коэффициентов утонения ms 0,75, то увеличе 95 ниє угла конусности матрицы а приводит к возрастанию относительной удельной силы Р (рис. 3.16 - 3.19). Величина оптимальных углов конусности матрицы а с уменьшением коэффициента утонения ms смещается в сторону больших углов.
Заметим, что при небольших значениях коэффициентов утонения (ms - 0,6) при увеличении угла конусности матрицы а силу процесса можно скорректировать на величину до 40% в зависимости от сочетания материалов плакированного и основного слоев для исследуемых двухслойных материалов, прибегая к решению задачи во втором приближении. При больших значениях коэффициентов утонения расчеты силовых режимов вытяжки с утонением стенки можно ограничить первым приближением.
Графические зависимости изменения относительной величины силы Р от коэффициента трения на пуансоне (\іц/м-д/) ПРИ фиксированном коэффициенте трения на матрице (ц-д/ =0,05) для ряда двухслойных материалов приведены на рис. 3.20-3.23.
Анализ результатов расчетов и графических зависимостей показал, что изменение условий трения на контактной поверхности пуансона существенно влияет на относительную величину силы Р . С ростом коэффициента трения на пуансоне \\.п (при \х м = 0,05) величина относительной силы Р возрастает. Этот эффект проявляется существеннее на малых углах конусности матрицы а и величинах коэффициента утонения ms; при углах конусности матрицы а = 30 увеличение коэффициента трения на пуансоне в 4 раза по сравнению с коэффициентом трения на матрице приводит к незначительному (около 5%) изменению относительной величины силы Р (рис. 3.20-3.23).
Величина повреждаемости материала сое при пластическом деформировании вычислялась по формуле (2.71) для различных траекторий движения элементарного объема. Расчеты выполнены для двухслойных материалов, механические характеристики которых приведены в табл. 3.1.
Графические зависимости изменения сое в очаге пластической деформации от относительного радиуса р для ряда двухслойных материалов приведены на рис. 3.24 - 3.27. На этих рисунка кривая 1 соответствует результатам расчета величины повреждаемости сое для сечения 9 = 0; кривая 2 - для 0 = OLQ (слой 1); кривая 3 - для 0 = cto (слой 2); кривая 4 - для 0 = а; p = p/s0.
Анализ графических зависимостей показывает, что уменьшение относительного радиуса р сопровождается ростом накопленной повреждаемости сое, вычисленной для различных сечений. Величина сое, вычисленная по второму приближению решения задачи, больше, чем по первому.
Различие между величиной повреждаемости сое, определенной по первому и второму приближению решения задачи, увеличивается с уменьшением относительного радиуса р и может составлять 15% для исследуемых двухслойных материалов. В зависимости от механических характеристик двухслойных материалов максимальная величина сое соответствует сечениям 0 = а (слой 1) или 0 = ао (слой 2).
На рис. 3.28 - 3.30 приведены графические зависимости изменения максимальной величины сое на выходе из очага пластической деформации от угла конусности матрицы а при различных значениях коэффициента утонения ms, а на рис. 3.31 и 3.32 графические зависимости изменения сое от отношения М-я М-М (ПРИ VіМ =0,05) при разных углах конусности матрицы а и коэффициентах утонения ms. Здесь сплошная линия соответствует результатам расчета юе по второму приближению решения задачи; штриховая линия - по первому приближению.
Экспериментальные исследования силовых режимов процесса вытяжки с утонением стенки
С целью проверки возможностей оценки силовых режимов выполнены экспериментальные исследования вытяжки с утонением стенки двухслойной стали 12ХЗГНМФБА х 10X13, механические свойства основного и плакированного слоя которой приведены в разделе 4.1.
Полуфабрикаты для экспериментов изготовлялись из листовых заготовок диаметром 100,0 мм и толщиной стенки SQ=4 мм вытяжкой с калибровкой стенки в матрицах с углом конусности 15 с последующим низкотемпературным отжигом при температуре Т = 720 (время отжига составляло 1 час). Заготовки изготовлялись на токарном станке обточкой квадратных заготовок, предварительно полученных разрезкой из листа. Вытяжка осуществлялась на испытательной машине ГМС 50 в штампе в конических матрицах без _ . - _
Штамп состоит из хвостовика 1, верхней плиты 2, прокладки 3, планки 4, предназначенной для крепления месдозы 5, пуансонодержателя 6, пуансона 7, кондуктора 8, направляющей втулки 9, матрицы 10, нижней плиты 11, съемника .Экспериментальные исследования вытяжки с утонением стенки выполнены на испытательной машине ГМС -50 с записью индикаторных диаграмм «сила-путь».
При вытяжке с утонением стенки для всех опытов были следующие параметры инструмента: радиус закругления кромки пуансона RJJ= 5 мм; диаметр матрицы й?д/ = 50мм; высота рабочего пояска матрицы h= Змм.
В процессе эксперимента изменялись угол конусности матрицы а и коэффициент утонения ms. Коэффициент утонения ms варьировался в диапазоне 0,5...0,9 путем изменения диаметра пуансона.
Вытяжка осуществлялась на конических матрицах с углом конусности 10, 20 и 30. В качестве смазки применялся «Препарат коллоидно-графитовый водный ПСВ». Вытяжка осуществлялась на провал.
Для каждой группы фиксированных параметров проводилось по шесть опытов. За основу брались среднеарифметические данные силы. При расшифровке диаграмм «сила-путь» определялась величина силы процесса на стационарной стадии деформирования.
Выполнено сопоставление теоретических и экспериментальных данных по силовым режимам процесса для исследуемых материалов.
На рис. 4.3 представлены зависимости изменения относительных величин сил вытяжки с утонением стенки Р = Р l[ii{d\ +/ i)fyc o,22] от коэффициента утонения ms при фиксированных значениях угла конусности матрицы а. Значками обозначены экспериментальные данные силы Ржсп = Ржсп /fr l + l) la0,22] сплошная линия соответствует результатам расчета Р по второму приближению решения задачи; штриховая линия - по первому приближению. Заметим, что расчеты выполнены при V-П =2Им =0,1 Результаты экспериментальных и расчетных данных показывают, что относительные величины силы Р существенно зависят от коэффициента утонения ms. С его уменьшением величина Р растет.
Сравнение теоретических расчетов и экспериментальных данных по силовым режимам процесса указывает на хорошее их согласование, а поэтому приведенные в разделе 2 формулы могут быть использованы для оценки силовых режимов процесса вытяжки с утонением стенки. Максимальная величина расхождения теоретических и экспериментальных данных не превышает 10%. Результаты теоретических расчетов дают завышенные значения силовых параметров вытяжки с утонением стенки двухслойного материала.
1. Выполнены экспериментальные исследования по определению констант кривых упрочнения и разрушения для двухслойной стали 12ХЗГНМФБА+08Х13. В отличие от известных методик определения механических характеристик двухслойных материалов, когда механические свойства двухслойных листов оценивают свойствами материала основного слоя, предложено их оценивать, как свойства основного и плакирующего материалов слоев. Экспериментально найдены механические характеристики основного и плакированного слоя, а также двухслойной стали 12ХЗГНМФБА+08Х13 различной исходной толщиной.
2. Проведены экспериментальные исследования вытяжки с утонением стенки двухслойной стали 12ХЗГНМФБА+08Х13 в конических матрицах. Экспериментально показано, что сила процесса существенно зависит от коэффициента утонения, а также угла конусности матрицы. С уменьшением коэффициента утонения сила процесса растет.
3. Сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований по силовым режимам процесса вытяжки с утонением стенки цилиндрических деталей из двухслойных материалов указывает на удовлетворительное их согласование (до 10%). Результаты теоретических расчетов дают завышенные значения силовых параметров вытяжки с утонением стенки двухслойного материала.
Разработка технологических процессов и параметров инструмента для изготовления цилиндрических изделий включает в себя ряд основных элементов.
Исходные данные: чертеж изделия; марка материала; толщина дна изделия; наружный или внутренний диаметр изделия, толщины основного и плакированного материалов; механические свойства основного и плакированного материалов: параметры кривой упрочнения тео, 2к,Пк константы материала Q , Uy- для определения величины предельной интенсивности деформации 8;„p (см. раздел 3 и 4).
1. Составление технологического чертежа изделия. Этот чертеж составляется на основе конструкторского чертежа по рекомендациям, изложенным в работах [18, 44, 53, 96]. Толщина дна изделия чаще всего выбирается равной толщине заготовки (s$ =язаг). Высота полуфабриката включает в себя необходимый припуск на обрезку 15...20% от высоты изделия. Меньшие значения принимаются при относительной глубине больше 3, а большие -при существенном фестонообразовании и использовании проката с минусовыми допусками [124, 130].
2. Определение формы исходной заготовки. Форма исходной заготовки для тел вращения принимается круглой. В случае существенной плоскостной анизотропии возможно использование расчетного контура заготовки [18, 124, 130].
3. Определение общего коэффициента утонения msoQ и коэффициента вытяжки т . Указанные коэффициенты вычисляются по известным формулам, характерным для расчетов операций вытяжки и вытяжки с утонением стенки (по механическим характеристикам основного материала), изложенным в работах [18, 23, 44, 53, 85, 96].
