Введение к работе
Актуальность работы
Одной из самых распространенных операций листовой штамповки является вытяжка - образование полого изделия из плоской или полой исходной листовой заготовки.
В процессах листовой штамповки (вытяжки) силы трения, возникающие под прижимом деформируемой заготовки, значительно влияют на глубину вытяжки, энергосиловые параметры процесса и качество получаемых изделий.
На сегодняшний день не существует такой методики, по результатам которой можно однозначно выбрать технологический смазочный материал (ТСМ) для всего многообразия штампуемых деталей. Многие предприятия, помимо оценки смазочного материала в лабораториях, проводят серию опытно-промышленных испытаний для окончательного подбора. Это приводит к дополнительным материальным, трудовым, энергетическим затратам.
Решением может стать предварительный выбор ТСМ на основе численного моделирования операций вытяжки с введением в расчет триботехнических характеристик подбираемых ТСМ, что приведет к сокращению количества лабораторных и опытно-промышленных испытаний.
Однако зависимость триботехнических характеристик ТСМ от различных факторов в процессе трения под прижимом при вытяжке изучена недостаточно, что ведет к недостаточной для предварительного подбора ТСМ точности численного моделирования процессов вытяжки.
Таким образом, оценка триботехнических характеристик различных смазочных сред, выявление зависимости характеристик от нормальных давлений на контактной поверхности и от пути трения при скоростях деформирования, температурах контакта, парах трения, соответствующих операции вытяжки, является важной задачей трибологии.
Одновременно с этим ведутся интенсивные разработки в области создания высокоэффективных технологических смазок для листовой штамповки, удовлетворяющих современным требованиям производства кузовных деталей.
Большой вклад в изучение проблем трения и изнашивания трибосопряжений внесли отечественные ученые Буше Н.А., Буяновский И.А., Гаркунов Д.Н., Горячева И.Г., Дроздов Ю.Н., Захаров СМ., Колесников В.И., Крагельский Н.В., Матвеевский P.M., Михин Н.М., Пичугин В.Ф., Семенов А.П., Сорокин Г.М., Хрущов М.М. и другие. Значительный вклад в исследование проблем трения в условиях обработки металлов давлением внесли отечественные и зарубежные ученые: Белосевич В.К., Грудев А.П., Гудвин Г. М., Зильберг Ю.В., Исаченков Е.И., и другие. Выполнение диссертации связано с проведением исследований в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» 2009-2013 гг.
Цель работы - установление закономерности влияния пути трения под прижимом при вытяжке на триботехнические характеристики различных технологических смазочных материалов и на этой основе повышение качества глубокой вытяжки.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе сформулированы следующие основные задачи исследования:
-
На основе научно-технической и патентной информации выполнить анализ особенностей контактного трения в процессах обработки металлов давлением (ОМД), в том числе глубокой вытяжки.
-
Разработать методику определения параметров трения: напряжения и коэффициента трения при листовой штамповке.
-
На основе разработанной методики создать лабораторный комплекс для физического моделирования процесса трения под прижимом при глубокой вытяжке.
-
Оценить напряжения трения, коэффициенты трения заготовки о инструмент при вытяжке с применением ТСМ с различными физико-химическими свойствами, установить их зависимость от нормального давления и пути трения.
-
С помощью программно-вычислительного комплекса (ПВК) Deform-3D оценить влияние выявленных зависимостей на точность расчетов параметров листовой штамповки. Оценить возможность прогнозирования появления разрывов материала заготовки при моделировании вытяжки с учетом выявленных зависимостей.
-
На основе полученных в ходе исследования данных предложить и апробировать ТСМ с высокими антифрикционными свойствами для глубокой вытяжки из углеродистых сталей.
Объект исследования
Трение под прижимом при холодной листовой штамповке.
Предмет исследования
Триботехнические характеристики смазочных материалов в процессе трения под прижимом при вытяжке.
Методы исследования
Решение поставленных задач достигалось с применением расчетно-аналитического метода и метода физического моделирования.
Расчетно-аналитическая часть диссертации базируется на современных методах механики сплошной среды. В основу математической модели процесса вытяжки заложены закон сохранения вещества, закон сохранения энергии. Моделирование упругой и пластической деформации заготовки с учетом трения под прижимом осуществлялось с помощью метода конечных элементов.
Физический эксперимент, как часть исследования, включал в себя определение триботехнических характеристик ТСМ под прижимом при вытяжке в зависимости от нормального давления, пути трения, физико-химических свойств ТСМ. Достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечена многократным повторением экспериментов, статистической обработкой результатов, удовлетворительной для обеспечения статистической значимости полученных результатов.
Научная новизна
-
Разработан новый способ оценки коэффициентов трения, напряжений трения на контакте заготовки и инструмента под прижимом при листовой штамповке (защищен патентом РФ).
-
Установлены принципиальные качественные отличия зависимостей коэффициента трения от пути трения при вытяжке: для жидких ТСМ -одностадийная, для консистентных ТСМ - двухстадийная, для ТСМ с
наполнителем - трехстадийная. Предложен механизм действия ТСМ, объясняющий существование выявленных зависимостей.
-
Разработана математическая модель фрикционного взаимодействия пары «инструмент-заготовка» в процессе вытяжки, учитывающая закономерности изменения контактных условий от пути трения, нормального давления. Полученная модель применима при компьютерном моделировании процессов холодной листовой штамповки в ПВК «Deform-3D», в условиях исследуеммых, давлений, температур и скоростей деформирования.
-
Впервые установлено, что совместное действие бис(2-гидроксиэтил)олеиламина и низкоэтерифицированного пектина в разработанной смазочной композиции значительно повышает ее антифрикционные свойства. Смазочная композиция защищена патентом РФ.
Практическая значимость
Разработана методика определения коэффициентов трения под прижимом в процессе штамповки-вытяжки, создана информационная база данных по триботехническим характеристикам ТСМ, используемые при проведении научно-исследовательских работ и в учебном процессе в лабораториях «Хозрасчетного творческого центра Уфимского авиационного института» (ХТЦ УАИ) и в Уфимском Государственном авиационном техническом университете. Внедрен в массовое производство ТСМ«Росойл-555М» для глубокой вытяжки.
Личный вклад соискателя
В научных публикациях, раскрывающих результаты, полученные при выполнении диссертации и написанных в соавторстве, соискателю принадлежит: в работах [3, 7-9, 11, 12] - составление плана экспериментальных исследований, обработка и анализ результатов; в работах [1, 5, 6, 10] - сбор материалов, анализ результатов отечественных и зарубежных исследований.
Выбор темы исследования, постановка цели и задач работы, а также выдвижение идей выполнены соискателем совместно с научным руководителем. Обзор литературных источников, разработка физической и математической моделей трения под прижимом при вытяжке, доработка лабораторного комплекса для исследования процесса вытяжки и создание компьютеризированной системы измерения сил, приложенных к заготовке, проведение экспериментов, обработка полученных результатов, проведение аналитических расчетов, написание докладов и статей выполнены соискателем в большей части самостоятельно.
Автор выносит на защиту:
способ определения силы трения, коэффициента трения и напряжения трения в зоне прижима при листовой штамповке металлов;
функциональные зависимости напряжения трения под прижимом от пути трения для технологических смазочных материалов с различными физико-химическими свойствами;
математическую модель фрикционного взаимодействия пары «инструмент-заготовка» в процессе вытяжки, учитывающая закономерности изменения контактных условий от пути трения, нормального давления.;
Триботехнические характеристики ТСМ для глубокой вытяжки «Росойл-555М»
Апробация результатов работы
Основные результаты диссертации прошли апробацию в виде выступлений автора с научными докладами на международных научно-технических конференциях и совещаниях, а также в виде научных статей в журналах, рецензируемых ВАК.
Реализация результатов работы
На базе результатов исследования предложен к внедрению в массовое производство на ОАО «АвтоВАЗ», ОАО «УАЗ» высокоэффективный технологический смазочный материал «Росойл-555М» для процессов глубокой вытяжки углеродистых сталей. Освоено его серийное производство на ЗАО «Опытный завод смазок и оборудования» (г. Уфа). На технологический смазочный материал «Росойл-555М» оформлена соответствующая технологическая документация.
Публикации
По теме диссертации было опубликовано 11 работ, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 тезиса докладов на международных научно-технических конференциях, зарегистрировано 3 патента на изобретение.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 143 страниц печатного текста, в том числе 45 рисунка, 26 таблиц, библиографический список из 124 наименований и 3 приложения.
Выражаю благодарность доктору технических наук, профессору Шустеру Леве Шмульевичу, кандидату технических наук Абрамову Алексею Николаевичу за помощь в работе.
