Введение к работе
Одним из основных способов производства точных заготовок посредством обработки металлов давлением является процесс вытяжки из исходной листовой заготовки. Однако традиционные технологические процессы вытяжки в жестких штампах или не обеспечивают нужного ка-іества и высокой точности изделий, или связаны с необходимостью вы-юлнения большого числа переходов, что повышает трудозатраты и расхода на штамповую оснастку. Известны также трудности штамповки изде-шй из материалов, склонных к схватыванию, когда приходится использо-іать различные защитные покрытия, часто не обеспечивающие полного шделения металла заготовок и инструмента. Многооперационность провеса вытяжки связана также с недостаточной точностью вытягиваемых їзделий, имеющих значительную продольную разнотолщинность, разно-ггенность, конусность наружной поверхности. На практике при штамповке (тветственных деталей, как правило, стремятся избежать указанных дефек-ов за счет применения слесарной и механической обработки.
Условия протекания того или иного процесса обработки металлов (авлением и его параметры определяются в конечном итоге видом напряженного состояния, зависящим от схемы приложения деформирующих сил і контактного трения.
Напряженным состоянием можно управлять, прежде всего, путем из-іенегаїя схемы приложения деформирующих сил. Для этого необходимо, :ак правило, видоизменять кинематику машин или применять специальные итампы, отдельные элементы которых получают принудительные перемещения для создания дополнительной нагрузки на заготовку или изменения арактера распределения контактных напряжений. В то же время опыт по-
казывает, что существенного изменения напряженного состояния, а также и распределения деформаций в объеме заготовки можно достичь, регулируя контактное трение.
Трудами отечественных ученых СИ. Губкина, И.М. Павлова, В.П. Северденко, Е.И. Исаченкова, В.Л.Колмогорова, Г.Л. Колмогорова, И.Л. Перлина, Л.В. Прозорова, С.Я. Вейлера, В.И. Лихтмана, А.П. Грудева, А.Н.Леваііова, Е.М.Макушка, В.И. Казаченка и др., а также зарубежных -Ф.Э. Боудена, Д. Тейбора и др. сформулирована определенная точка зрения на механизм и физико-химическую природу трения при пластическом деформировании, показана существенная роль трения в процессах обработки металлов давлением.
Полнота использования способности материала к пластическому формоизменению, в том числе в процессах штамповки деталей из листа, качество штампуемых деталей, стойкость инструмента, а также производительность в значительной степени определяются внешним трением между обрабатываемым материалом и инструментом.
Наиболее ощутимый эффект в снижении сил трения можно получить, создавая режим жидкостного трения. Экранирование контактных поверхностей смазочной пленкой с низким сопротивлением сдвигу, определяемым физико-механическими свойствами смазок, позволяет свести к минимуму величину внешнего трения и тем самым полнее использовать пластические свойства деформируемого металла, значительно снизить усилие формоизменения и повысить стойкость инструмента.
В зависимости от схемы приложения деформирующих сил и схемы деформации режим жидкостного трения может быть создан либо за счет гидродинамического эффекта смазки, т.е. способности вязкой или вязко-пластической среды создавать так называемый "смазочный клин", выдерживающий значительные давления, либо в результате принудительной по-
цачи смазки в зону очага деформации. На принципе подачи смазки под давлением основан процесс гидромеханической вытяжки (ГМВ). При ГВМ происходит значительное выравнивание деформаций в объеме заготовки, что позволяет увеличивать предельные степени деформации. При наличии жидкостного трения по матрице повышается стойкость инструмента и точность штампованных заготовок (особенно уменьшается продольная разнотолщинность). К преимуществам процессов штамповки с жидкостным трением следует отнести также возможность их осуществления в универсальных штампах на обычном оборудовании. Использование противодавления и жидкостного трения в процессах вытяжки позволяет повысить допустимые степени деформации за переход, сократить число штамповочных, термических, вспомогательных операций и повысить качество вытягиваемых изделий.
Расширение области применения ГМВ может быть осуществлено на основе научно обоснованных рекомендаций по проектированию технологии вытяжки в режиме жидкостного трения, оптимизации параметров инструмента и усилия прижима заготовки применительно к материалам, наиболее часто используемым в промышленности.
Решение этой научно-технической проблемы составляет предмет настоящей диссертации.
Работа написана на основе исследований, проведенных автором в течение ряда лет, а также в результате обобщения и систематизации отечественного и зарубежного опыта по ГМВ.
Работа выполнялась в соответствии с координационным планом НИР ВУЗов в области машиностроения (Госбюджетная тема № 54-1) отраслевыми и региональными научно-техническими программами.
Цель работы: разработка новых способов, методик расчета пара-
метров и проектирования технологических процессов гидромеханической вытяжки, системы автоматизированного проектирования технологических процессов ГМВ, выявление взаимосвязи параметров качества и энергосиловых параметров с режимами процесса вытяжки и на их основе назначение научно обоснованных технологических рекомендаций, обеспечивающих повышение эффективности производства и формирование заданных характеристик качества изделий.
Автор защищает результаты теоретического исследования по определению напряженно-деформированного состояния шюсконапряженного изотропно-упрочняющегося материала заготовки на первом и последующих переходах ГМВ; результаты аналитического исследования по определению предельных коэффициентов формоизменения, утонения в опасном сечении заготовки и силового режима процесса; результаты экспериментального исследования силового режима, параметров точности, шероховатости и структуры материала заготовки; результаты исследования эмпирических зависимостей в виде уравнений регрессии для определения давления прижима и утонения в опасном сечении материала заготовки; алгоритмы и программное обеспечение для автоматизированного расчета технологических параметров процесса; конструкции штамповой оснастки и установки для процессов ГМВ; разработанные технологические процессы на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна состоит в разработке математических моделей процесса ГМВ для плосконапряженного изотропно-упрочняющегося материала заготовки на первом и последующем переходах вытяжки деталей цилиндрической и конической формы. В результате теоретических исследований установлены закономерности изменения силовых и деформацион-
дых параметров, предельных степеней формоизменения при ГМВ на первом и последующих переходах. На базе математической статистики и планирования эксперимента получены уравнения регрессии для определения усилия прижима, утонения в опасном сечении при ГМВ деталей цилиндрической и конической форм, получаемых за один или несколько штамповочных переходов. Произведена оценка точности, шероховатости поверхности и микроструктуры материала заготовок, получаемых при использовании новой технологии. Разработана система автоматизированного про-гктирования технологических процессов листовой штамповки.
Методы исследования. Теоретические исследования процесса ГМВ выполнены на базе совместного решения уравнений равновесия и условия пластичности по безмоментной теории для плосконапряженного изотропно-упрочняющегося материала заготовки. Анализ полученных зависимостей для схем ГМВ реализован с использованием персональных ЭВМ. При проведении экспериментальных исследований использованы современные испытательные машины, регистрирующая аппаратура, а экспериментальные зависимости получены с использованием теории подобия, планирования многофакторного эксперимента и математической статистики.
Практическая ценность и реализация работы. В результате теоретических и экспериментальных исследований предложены методики расчета технологических процессов ГМВ деталей цилиндрической и конической формы. Разработана система автоматизированного проектирования технологии процессов листовой штамповки, обеспечивающая получение деталей с наименьшей трудоемкостью и высокими характеристиками качества.
На базе результатов теоретических и экспериментальных исследований новых технологических процессов ГМВ изданы три отраслевых стан-
дарта. Результаты работы внедрены на предприятиях оборонного комплекса с долевым экономическим эффектом более 1 млн. рублей в ценах 1991 года.
Материалы научных исследований включены в разделы лекционных курсов "САПР технологии и оборудования кузнечно-штамповочного производства", "Прогрессивные процессы обработки металлов давлением", а также использованы при выполнении курсовых и дипломных проектов.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях, семинарах и совещаниях:
на 4 семинарах в МДНТП, 1975 - 1992 гг.;
на всесоюзных научно-технических конференциях в Ижевске (1978 г.), Киеве (1978 г.), Москве (1979 г.), Гомеле (1977 г.), Рыбинске (1982 г.), Ленинграде (1982 г.), Челябинске (1983 г.);
на научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов (г.Ижевск, НИТИ "Прогресс", 1978 - 1980 гг.);
на отраслевом совещании "Состояние и основные направления повышения стойкости штампового инструмента" (г.Ижевск, 1978 г.);
на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников ИжГТУ, 1977 - 1997 гг.
Экспонаты по работе демонстрировались на ВДНХ СССР и на Всероссийских выставках в городах Тольятти, Ижевске и Уфе.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 35 печатных работах, в том числе в трех отраслевых стандартах и в двух монографиях (в соавторстве), в описании к 10 авторским свидетельствам на изобретения и в 17 отчетах по НИР.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, 6 глав, основных выводов, списка литературы и 3 приложений. Диссертация изложена на 301 странице машинописного текста, содержит 97 рисунков, 23 таблицы и 158 наименований библиографического списка. Общий объем работы - 352 страницы.