Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса и постановка задачи исследовании 10
1.1 Характеристика объекта исследования 10
1.2 Процессы производства деталей исследуемого типа 11
1.2.1 Общий обзор возможных технологических процессов.. 11
1.2.2 Обзор разновидностей и схем процесса ротационной вытяжки 13
1.3 Анализ современного состояния процессов ротационной вытяжки 27
1.3.1 Анализ используемого оборудования 27
1.3.2 Современное состояние теории процессов ротационной вытяжки 35
1.4 Выводы 48
2 Теоретический анализ 49
2.1 Анализ деформированного состояния металла в ходе ротационной вытяжки 49
2.2 Определение площади контакта металла с роликом 50
2.3 Анализ влияния отклонения от «закона синуса» на площадь контакта металла с роликом 54
2.4 Определение параметров кривых упрочнения исследуемых сплавов 60
2.5 Результаты расчетов по предложенной методике 63
2.6 Выводы 66
3 Экспериментальные исследования 67
3.1 Задачи экспериментальных исследований 67
3.2 Материалы и образцы 67
3.3 Экспериментальное оборудование и оснастка 69
3.4 Методы экспериментальных исследований, измерительная аппаратура и инструмент 74
3.5 Планирование экспериментов 79
3.6 Экспериментальные исследования 84
3.7 Определение величины упругих деформаций ролика в ходе ротационной вытяжки методом модельного эксперимента 97
3.7.1 Методика исследований 97
3.8 Исследование изменения микроструктуры и механических свойств материала в результате ротационной вытяжки 106
3.9 Выводы 116
4 Практическое применение разработанных методик и рекомендации по использованию процесса ротационной вытяжки из листового проката 117
4.1 Общие принципы разработки технологии РВ с использованием станков типа PNC/CNC 117
4.2 Разработка технологического процесса производства деталей «Экран» и «Обечайка» 126
4.3 Виды технологических дефектов при ротационной вытяжкеиз листового проката 128
4.4 Ротационная вытяжка со штамповкой прижимом 132
4.5 Программная реализация методики автоматизированного проектирования 134
4.6 Оценка экономической эффективности внедрения процесса ротационной вытяжки в серийное производство 138
4.7 Выводы 143
5 Основные выводы 144
6 Библиографический список
- Процессы производства деталей исследуемого типа
- Анализ влияния отклонения от «закона синуса» на площадь контакта металла с роликом
- Методы экспериментальных исследований, измерительная аппаратура и инструмент
- Разработка технологического процесса производства деталей «Экран» и «Обечайка»
Введение к работе
Для современного машиностроения актуальным вопросом является разработка новых способов обработки металла, отвечающих требованиям экономии, многономенклатурности, высоким уровнем автоматизации, а также высокими механическими свойствами деталей.
Особенно остро этот вопрос стоит в отрасли авиационного двигателестроения, где используются дорогостоящие материалы, потеря которых в стружку при механической обработке, приносит значительные финансовые расходы производителю. Не менее важен вопрос получения деталей с высокими механическими свойствами, ведущих к уменьшению веса двигателя и, как следствие, улучшению его эксплуатационных характеристик. И конечно, учитывая то, что в данной области производства выпуск изделий ведется в основном мелкими сериями, крайне важным является поиск технологии, обеспечивающей быстрый переход от производства одного изделия к другому.
За последние годы в различных отраслях машиностроения значительное развитие получили процессы пластического формоизменения с локальным приложением нагрузки, позволяющие экономить материал, повышать производительность и снижать энергозатраты при их реализации. Одним из таких процессов является ротационная вытяжка (РВ), представляющаяся собой формоизменение плоских или полых заготовок на вращающейся оправке при помощи перемещающихся деформирующих элементов.
Ротационная вытяжка, при уместном ее применении успешно конкурирует с механической обработкой по производительности и позволяет использовать более простые по форме и способу получения заготовки. Причем стоит отметить, что наиболее эффективное использование процесса ротационной вытяжки дает использование специализированного оборудования, оснащенного специальными устройствами центровки, снятия заготовок,
проведения доделочных операций, а также позволяющего быстро менять инструмент в процессе деформирования.
Все вышеупомянутые преимущества процесса являются весомыми причинами для использования ротационной вытяжки в отечественном авиадвигателестроении. К тому же, проведя анализ конструкции современных газотурбинных двигателей (ГТД), становится ясно, что в этой отрасли данная технология просто необходима, учитывая то, что 60 -70% деталей ГТД (в том числе и наиболее нагруженные) являются именно сложнопрофильными осесимметричными деталями, наиболее подходящими для изготовления ротационной вытяжкой.
Значительное различие в механике деформирования имеют между собой ротационная вытяжка из листа и ротационная вытяжка из трубы. Данное различие сказывается и на устройстве и принципах работы оборудования для ротационной вытяжки, а также на различных подходах к построению математических моделей процессов. Но, рассматривая группу процессов ротационной вытяжки, как единое целое становится ясно, что процесс охватывает собой достаточно широкий диапазон типоразмеров и форм деталей.
Однако до последнего времени ротационная вытяжка находила очень ограниченное применение в данной области машиностроения. В первую очередь это обусловлено недостаточной изученностью процесса применительно к деталям из жаропрочных и коррозионно-стойких сплавов и нехваткой современного специализированного оборудования на предприятиях отрасли.
Исследование особенностей процесса ротационной вытяжки при изготовлении деталей из жаропрочных и коррозионно-стойких сплавов и установление зависимостей энергосиловых параметров процесса и геометрических параметров получаемых деталей от варьируемых факторов процесса, а также создание простых и удобных в использовании методик разработки новых технологических процессов является актуальной задачей для машиностроительных предприятий, в первую очередь - предприятий авиационной и ракетно-космической отрасли.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Экспериментально установлены зависимости геометрических параметров деталей от технологических факторов при ротационной вытяжке жаропрочного сплава ХН60ВТ, а также построены математические модели процесса в виде уравнений регрессии.
Разработана математическая модель для определения площади пятна контакта ролика и заготовки с учетом их упругих деформаций и отклонения от «закона синуса».
Установлены причины возникновения, предложены методы устранения и предупреждения возможных технологических дефектов при РВ деталей исследуемого типа.
Экспериментально установлены взаимосвязи показателей механических свойств и изменений микроструктуры, происходящих при ротационной вытяжке, а также в сочетании ее с последующей термообработкой.
Методами математического моделирования построены зависимости, позволяющие определить упругие деформации роликового узла в ходе ротационной вытяжки.
Разработана методика автоматизированного проектирования технологических переходов РВ сложнопрофильных осесимметричных деталей из листового проката.
Практическая полезность работы состоит в том, что:
Предложена и прошла экспериментальное и опытно-промышленное апробирование технология производства деталей «Экран» из жаропрочного сплава ХН60ВТ и «Обечайка» из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т методом РВ на специализированном ротационно-вытяжном станке Leifeld PNC-III.
Полученные результаты экспериментальных исследований позволили оценить качество изготавливаемых деталей и определить оптимальные режимы
обработки на стадии проектирования без проведения дополнительных наладочных работ.
За счет предложенного метода ротационной вытяжки со штамповкой прижимом на станке уменьшена себестоимость изготовления сложнопрофильной детали «Дно» путем сокращения количества операций и оборудования задействованного в техпроцессе.
Разработана программная реализация методики определения технологических параметров процесса ротационной вытяжки.
Использование результатов работы позволяет существенно увеличить эффективность производства сложнопрофильных осесимметричных деталей из листового материала, ускорить сроки его подготовки при переходе на новую технологию и улучшить точностные параметры получаемых деталей.
В основу исследований автором положены работы по теории процессов ротационной вытяжки и поперечной прокатки В.И. Королькова, А.И. Вальтера, В.Ф. Баркая, Н.И. Могильного, М.А Гредитора., А.С. Маленичева, Л.Г. Юдина, СП. Яковлева и других.
В первой главе проведен анализ предшествующих теоретических, экспериментальных и прикладных исследований и сформулированы основные задачи работы.
Во второй главе выполнен теоретический анализ процесса РВ на ротационно - вытяжных станках и определены деформационные параметры процесса.
В третьей главе приведены методика и результаты экспериментальных исследований геометрических, энергосиловых параметров, а также состояния поверхности получаемых деталей в зависимости от варьируемых факторов процесса.
В четвертой главе приводятся рекомендации по использованию разработанных в ходе работы методик и приемов, описания возможных технологических отказов, методы их устранения.
С целью практической реализации результатов работ была разработана методика автоматизированного проектирования технологического процесса ротационной вытяжки.
С использованием данной методики спроектирован технологический процесс изготовления деталей «Экран» и «Обечайка».
Работа выполнена по заказу ФГУП «ММПП «Салют», г. Москва.
Процессы производства деталей исследуемого типа
При производстве сложнопрофильных осесимметричных изделий из листового материала возможно применение следующих формообразующих операций: штамповка жестким инструментом на гидропрессе, гибка, в сочетании со сваркой и калибровкой, штамповка на прессе эластичным инструментом, гидроформовка и ротационная вытяжка (рисунок 2). Рассмотрим целесообразность применения вышеуказанных операций при производстве сложнопрофильных осесимметричных деталей из жаропрочных и коррозионно-стойких сплавов.
Несмотря на сравнительно маленькую трудоемкость штамповки на гидропрессе, в связи с необходимостью проведения данной операции в инструментом на прессе профилирование инструментом на прессе несколько переходов, стоимость оснастки вносит значительный вклад в Гибка в сочетании со сваркой и калибровкой обеспечивает достаточную многономенклатурность производимых деталей, однако наличие сварных швов значительно снижает механические характеристики получаемых изделий. Штамповка эластичным инструментом может исключить все недостатки вышеуказанных технологий, однако ограничения по прочностным характеристикам деформируемого металла сводят на нет все преимущества процесса при штамповке жаропрочных и коррозионно-стойких сплавов. Штамповка жидкостью (гидроформовка), не смотря на возможность получать сложнопрофильные изделия за один переход, имеет два главных недостатка -значительное утонение материала в куполообразной части детали или у дна и возможность нарушения осевой симметрии изделия в связи с неравномерностью трения по прижиму и отсутствием трения между заготовкой и жидким пуансоном [37].
Ротационная вытяжка на специализированном оборудовании исключает либо значительно уменьшает все недостатки вышеуказанных способов, позволяя производить высокоточные детали из жаропрочных и коррозионно-стойких сплавов различных типоразмеров и форм, обладающих высокими механическими характеристиками [5].
Ротационная вытяжка является одним из древнейших способов обработки тонколистового материала. Первые станки для ротационной вытяжки широко применялись ещё в древнем Египте. Они использовались для производства деталей из мягких металлов и сплавов, таких как кувшины, стаканы и др. [4, 64, 68].
Со временем процесс стал вытесняться более высокопроизводительными технологиями - холодная штамповка вытяжка, сварка из листа и т.д.
Вновь вспомнили про ротационную вытяжку лишь в 30-х годах прошлого века, когда стали появляться первые станки с электрическим приводом вращения детали и ручным перемещением ролика. Позже они сменились станками с гидрокопирами, а затем, в 70-х годах станками с ЧПУ (CNC) и системой «Playback» (PNC) [61].
В настоящее время основными производителями станков для ротационной вытяжки в мире являются фирмы Leifeld и Denn. Их оборудование, имеющее жесткую систему крепления и перемещения роликов позволяет получать детали с точностью до Ла=0.63-0.32 не требующие дополнительной чистовой обработки.
Рассмотрим различные схемы процесса ротационной вытяжки, выделив три основные схемы процессов формообразования,
К первой схеме отнесехМ процесс «укладки» заготовки на оправку за один проход, так называемую вытяжку проецированием - формовку сдвигом (shear forming). В ходе процесса изменение толщины стенки заготовки происходит по закону синуса, т.е. толщина стенки заготовки пропорциональна синусу угла наклона образующей оболочки к оси детали. S=S0xsma (1.1)
Принципиальная схема процесса формовки «проецированием» для случая изготовления конических деталей приведена на рисунке Рисунок 3 - Схема формовки «проецированием» из плоской заготовки.
Таким образом, при выборе размеров исходной заготовки необходимо учитывать утонение её стенок при формовке.
При формовке «проецированием» деталей с криволинейной образующей необходимо проектировать технологию с учетом изменения угла наклона касательной к элементу заготовки, что обуславливает необходимость применения заготовок различных форм [5,56, 58].
На рисунке 4 представлены варианты выбора заготовок, обеспечивающие получение оболочек с равномерной толщиной стенок. Это предварительная формовка заготовки (а) и применение заготовок с переменной толщиной (б).
Анализ влияния отклонения от «закона синуса» на площадь контакта металла с роликом
Помимо пружинения металла, при формовке детали проецированием, часто на площади контактной поверхности сказывается еще и отклонение от закона синуса, которое сопровождается наклоном фланца, располагающегося строго вертикально при идеальном выполнении данного закона.
Законом синуса в данном процессе называется зависимость толщины стенки получаемой детали от синуса угла наклона образующей детали к её оси. S Soxsina (2.14)
Известно 3 варианта прохождения процесса, идентифицированные и подробно рассмотренные В.Ф. Баркая. Он различает перераскатку, проекционное выдавливание и недораскатку. Эти варианты протекают при зазорах, меньших, равных или больших, чем определенные по закону синуса Их особенностью является отклонение помимо толщины стенки еще и фланца детали от вертикального положения.
Из схем приведенных на рисунке 33 видно, что при перераскатке имеет место отклонение фланца в направлении обратном направлению вытяжки, а при недораскатке в направлении, совпадающем с направлением вытяжки. перераскатка і проекционное выдавливание недораскатка St S0sin a Sj= SoSin a St S0sin a
Варианты прохождения процесса однопроходной ротационной вытяжки.
Очевидно также и соответствующее изменение угла (р внедрения ролика в заготовку, а значит и изменение площади контактной поверхности металла с роликом, что в свою очередь сказывается на значениях деформаций и напряжений в заготовке.
Несмотря на то, что это достаточно многогранный и сложный аспект процесса ротационной вытяжки, выделим здесь основные зависимости.
Основываясь на полученном опыте по изготовлению деталей однопроходной ротационной вытяжкой, следует отметить, что при отклонении от закона синуса в пределах 20% наблюдалось соответствующее отклонение угла наклона фланца от вертикального не более чем на 10-13.
Рассмотрим связь изменения угла наклона фланца Ар и угла внедрения ролика в заготовку А р (рисунок 34).
Рисунок 34 - Изменение угла внедрения при отклонении от закона синуса. Очевидно, что т.к. р= 90- , а ц 180- =90+ , то изменения угла наклона фланца Ар и угла внедрения ролика в заготовку А р в идеализированной модели равны между собой. Исходя из вышесказанного, примем зависимость Д =/2 А0ТН (град) как описывающую изменение угла внедрения ролика в заготовку с приемлемой для данного приближения точностью.
Следовательно, формула для расчета «высоты» проекции площади контактной поверхности 6 примет вид для проекционного выдавливания: J = r-(l-cos( -M2Asin)) (2.15)
Расчеты, проведенные с учетом отклонения зазора от закона синуса показывают повышенные (в пределах 13-15%) значения меридиональных деформаций при уменьшенном на 20% зазоре и пониженное (около 5-7%) при увеличенном на эту же величину зазоре.
Рассмотрим деформационные параметры процесса ротационной вытяжки, рассчитанные с учетом внесенных в модель корректив.
Согласно модели, представленной в источниках [21, 22], форма детали разбивается на элементарные участки описываемыми уравнениями типа AJX+BJZ+CJ=0 (2.16) в случае прямолинейного участка в меридиональном сечения поверхности детали и Ax2 + 2Bxy + Cy2+2Dx+2Ey+F = 0 (2.17) в случае если участок представляет собой линию второго порядка Меридиональное сечение заготовки разбивается на п элементов, каждому из которых соответствуют координаты начала элемента и конца элемента (узлов) по внутренней и наружной поверхности.
При расчете кинематики используется зависимость угла наклона элемента от его положения в сечении заготовки.
Методы экспериментальных исследований, измерительная аппаратура и инструмент
Ротационная вытяжка «проецированием» производилась с целью выявить зависимости, позволяющие в дальнейшем оптимизировать процесс с точки зрения качества поверхности изготавливаемых деталей, получения требуемой геометрии деталей и энергоемкости процесса.
Необходимо отметить, что, в то время как алюминиевые сплавы, медные сплавы и конструкционные стали хорошо изучены в ходе многочисленных экспериментов; для хромоникелевых сплавов практически не проводились исследования зависимостей параметров качества, в том числе и геометрических параметров, от технологических режимов. Вместе с тем, построение таких зависимостей необходимо, поскольку хромоникелевые сплавы являются дорогими и труднообрабатываемыми материалами, что вынуждает искать способы сокращения операций механической обработки.
В ходе экспериментов использовалась смазка типа Gleitmitte! 1400 AS для холодной штамповки.
Для выполнения экспериментальных задач производилось измерение параметра шероховатости поверхности деталей Ra (мкм), толщины стенки полученной детали (значение которой затем использовалось при расчете пружинения металла) S (мм), и деформирующего усилия в поперечном направлении Рх (кН). На основе априорных данных при исследовании вышеуказанных параметров были выбраны следующие факторы, оказывающие наибольшее влияние на ход процесса: - подача роликаДмм/мин), - частота вращения заготовки S (об/мин) - радиус деформирующего ролика R (мм) - относительный зазор между роликом и оправкой Дрол/оп равный отношению установленного зазора к зазору, обеспечивающему идеальное протекание процесса при выполнении «закона синуса» Asin=Soxsma.
При проведении ПФЭ использовались следующие методы и аппаратура для измерения исследуемых величин: -при измерении деформирующего усилия использовалась месдоза, размещенная в роликовом узле. Величина деформирующего усилия оценивалась по показаниям индикатора на пульте управления станком исходя из того что 100% усилия по его шкале соответствовало 140кН. с точностью ±4%. -при измерении толщины стенки детали использовалась ручная скоба с индикатором по ГОСТ 11358-89. с допускаемой погрешностью измерения ±0.1 мм -при измерении параметра шероховатости Ra использовался профилограф Hommel tester Т-1000. Диапазон измерения прибора позволяет измерять шероховатость поверхности Ra до 80 мкм (от 1-го до 13 -го класса) с точностью 0.01 мкм. Данный прибор сертифицирован Госстандартом России и внесен в Госреестр средств измерения. - при измерении зазора между роликом и оправкой использовался набор мерных пластин с ручками по ОСТ 1.51199-81, позволяющий контролировать зазор между роликом и оправкой в интервале 0.5 - 6мм с интервалом 0.05мм.
При исследовании механических свойств использовалась делительная машина Walter серии ТА для нанесения рисок на образцы и машина для испытаний того же производителя типа LFM с максимальным усилием разрыва 250 кН. Точность определения предела прочности и текучести согласно паспортным данным составляет ±0.5% точность измерения величин 8 и 5рав„. составляет ±1%.
Вырезка образцов для испытаний производилась электроэрозионным методом.
При проведении исследований микроструктуры использовался микроскоп, оснащенный электронным устройством, позволяющим сохранять изображение с него в повсеместно используемых форматах растровой графики jpeg и bmp.
Исследование влияния основных факторов процесса ротационного редуцирования на интересующие параметры с целью получения математических моделей проводили с использованием метода планирования экспериментов. В настоящей работе была использована многофакторная схема ПФЭ-42, поскольку влияние ряда факторов неизвестно, равно как и влияние их взаимодействий.
С учетом априорной информации [5], [8], [15], результатов предварительных опытов и теоретического анализа в качестве независимых переменных (факторов) были выбраны величины, указанные в предыдущем параграфе, имеющие интервалы варьирования, указанные в таблице 9.
Как видно из таблицы в качестве модели, описывающей поведение данной системы была принята линейная модель с варьированием факторов на двух уровнях. В качестве же метода получения данной модели выбран полный факторный эксперимент с числом опытов равным 24=16. Выбор данного плана обусловлен, как уже было отмечено, малой изученностью процесса и возможностью получить неадекватную модель в результате отбрасывания значащих взаимодействий варьируемых факторов, а также возможностью получения более полной информации об изучаемых зависимостях.
План - матрица эксперимента представлена в таблице 10. Согласно методике планирования ПФЭ после проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных строится модель в виде уравнения регрессии j e+2 A (3-І) и проводится её проверка на адекватность [8]. Для вычисления коэффициентов модели обычно используют метод наименьших квадратов.
Разработка технологического процесса производства деталей «Экран» и «Обечайка»
Следующий этап - проектирование опытной оснастки. Здесь необходимо учесть возможное внесение корректив в техпроцесс, связанное с доработкой оснастки, а значит, при возможности учитывать это в конструкции оснастки. Так, например, в оснастке для детали оболочка, уступ на который опирается фланец сделан в виде отдельной детали - кольца (4), которое в дальнейшем возможно доработать с учетом пружинения материала детали (рисунок 70). Подробная методика проектирования давильных роликов приведена в работе [40].
Далее назначают ориентировочные значения подач и частоты вращения шпинделя. Данные по числу оборотов для некоторых материалов можно взять, например, из справочника по листовой штамповке В.А. Романовского [38]. В случае аустенитных коррозионно-стойких сталей и жаропрочных сплавов целесообразно задавать число оборотов шпинделя в диапазоне со = 200...300 об/мин., при осевых подачах/= 100... 150 мм/мин.
В главе 2 настоящей работы представлена усовершенствованная методика определения деформационных и энергосиловых параметров процесса ротационной вытяжки деталей из листового проката. На основе данной методики, а также аналогичных методик, описывающих поведение металла в ходе процесса ротационной вытяжки, может быть построена математическая модель, позволяющая дать априорную оценку возможности проведения процесса при выбранных режимах, а также описать напряженно -деформированное состояние металла в ходе процесса. Здесь можно возразить, что ротационная вытяжка - достаточно гибкий процесс и его коррекция возможна в ходе операции. Это действительно так. Одним из достоинств ротационной вытяжки является возможность внесения изменения без конструктивных доработок оснастки. Опытный оператор уже в ходе процесса с достаточно большой вероятностью может определить то, что металл находится на грани выработки ресурса технологической пластичности и необходимо «смягчить» режимы деформирования во избежание брака. Это позволяет отработать режимы на 2-3 -х, реже 5-10 деталях, при менее опытном операторе, и при наличии режима Playback (воспроизведение действий оператора при формовке годной детали) повторять данную программу сколь угодно много раз. Однако данная методика неприменима при деформировании дорогостоящих жаропрочных сплавов с ценой до 1000 руб/кг и больше. Здесь во избежание громадных издержек в ходе разработки техпроцесса возникает необходимость его моделирования. Все это показывает неизбежность внесения в современный техпроцесс данной стадии.
В случае успешного моделирования данная модель оптимизируется по одному или нескольким выбранным параметрам. Это может быть шероховатость поверхности, наиболее благоприятное НДС, минимальные энергозатраты и т,д. Параметр оптимизации определяется из требований чертежа или из технологических соображений.
Далее сгенерированная траектория движения деформирующего ролика вместе с режимами передается на станок и производится опытная раскатка, после которой производится контроль интересующих конструктора параметров деталей из опытной партии и, в случае удовлетворения требованиям чертежа, а также положительным результатам испытаний детали (в случае если таковые назначены), принимается решение о внедрение данной детали в серийное производство.
С применением вышеописанной методики был разработан технологический процесс производства деталей «Экран» и «Обечайка».
При изготовлении обеих деталей применена комбинированная стратегия укладки заготовки на оправку, т.е. сначала вытяжка шла по «закону синуса» (около третьей части от длины образующей), дальнейшая же формовка осуществлялась многопроходной ротационной вытяжкой.
Принципиальная схема движения деформирующего ролика, а также режимы, при которых проводился процесс, приведены на рисунке 71.
Следует отметить, что ввиду малой площади донной части детали «Обечайка», для предотвращения отрыва дна (от высокого крутящего момента при формовке периферийных участков) использовалось 2 прижима: первый для первоначальной укладки части заготовки на оправку, и второй, повторяющий форму наружной поверхности детали вблизи донной части для окончательной формовки.
