Вытяжка с утонением стенки толстостенных цилиндрических заготовок из анизотропных материалов

Актуальность темы

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.

Материалы, подвергаемые штамповке, как правило, обладают анизотропией механических свойств, которая может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов ОМД.

В различных отраслях машиностроения широкое распространение нашли толстостенные цилиндрические детали, изготавливаемые вытяжкой и вытяжкой с утонением стенки. К ним предъявляются повышенные требования к механическим характеристикам и показателям качества. Вытяжку с утонением применяют при изготовлении цилиндрических деталей высотой до 10 диаметров из материалов, обладающих достаточной пластичностью в холодном состоянии. Вытяжка* с утонением позволяет получать детали, имеющие относительно точные размеры и высокие прочностные свойства, в два-три раза превышающие прочность исходного материала. Это обеспечивается упрочнением металла при деформировании в сочетании с соответствующей термической обработкой. Процессы пластического деформирования цилиндрических анизотропных заготовок в коническом (осесимметричное напряженное и деформированное состояния) канале мало изучены.

При разработке технологических процессов вытяжки с утонением стенки толстостенных цилиндрических деталей из анизотропных материалов в настоящее время используются эмпирические зависимости из различных справочных материалов, а также результаты теоретических исследований формообразования цилиндрических полых заготовок в клиновом (плоское деформированное состояние) канале, в которых не в полной мере учитывается анизотропия механических свойств материала, реальные условия протекания процесса деформирования. Таким образом, развитие теории и технологии вытяжки с утонением толстостенных цилиндрических изделий из материалов, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, приобретает особую актуальность.

Работа выполнена в соответствии с грантами Президента РФ на поддержку ведущих научных школ по выполнению научных исследований (гранты № НШ-1456.2003.8 и № НШ-4190.2006.8), государственным контрактом Федерального агентства по науке и инновациям № 02.513.11.3299 (2007 г.), грантами РФФИ № 05−01−96 705 (2005;2006 гг.) и № 07−01−41 (2007;2008 гг.) и научно-технической программой Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы (2006;2008 гг.)» (проект № РНП 2.1.2.8355).

Цель работы. Повышение эффективности изготовления толстостенных цилиндрических деталей вытяжкой с утонением стенки на базе развития теории пластического деформирования полых заготовок, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать математическую модель операции вытяжки с утонением стенки толстостенных цилиндрических заготовок из материалов, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств. Получить основные уравнения и соотношения для анализа операции вытяжки с утонением стенки цилиндрических заготовок в конических матрицах, протекающих в условиях нерадиального течения и осесимметричного напряженного состояния из анизотропных материалов.

2. Выполнить теоретические и экспериментальные исследования вытяжки с утонением стенки толстостенных цилиндрических деталей из анизотропных материалов в конических матрицах.

3. Установить влияние технологических параметров, анизотропии механических свойств, условий трения контактных поверхностей инструмента и заготовки, геометрических размеров заготовки и детали на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния, силовые режимы и предельные возможности операции вытяжки с утонением стенки.

4. Разработать рекомендации и создать пакеты прикладных программ для ЭВМ по расчету технологических параметров вытяжки с утонением стенки цилиндрических деталей из анизотропных материалов.

5. Использовать результаты исследований в промышленности и в учебном процессе.

Методы исследования. Теоретические исследования операции вытяжки с утонением толстостенных осесимметричных деталей выполнены с использованием основных положений механики деформируемого твердого тела и теории пластичности жесткопластического анизотропного телаанализ напряженного и деформированного состояний заготовки осуществлен численно методом конечно-разностных соотношений с использованием ЭВМ путем совместного решения дифференциальных уравнений равновесия, уравнения состояния и основных определяющих соотношений при заданных начальных и граничных условиях. Предельные возможности формоизменения исследуемых процессов деформирования оценивались по величине максимального растягивающего напряжения на выходе из очага пластической деформации, по степени использования ресурса пластичности и по критерию локальной потери устойчивости анизотропной цилиндрической заготовки. Экспериментальные исследования выполнены с использованием современных испытательных машин и регистрирующей аппаратуры. Обработка опытных данных осуществлялась с применением методов математической статистики.

Автор защищает:

— математическую модель вытяжки с утонением стенки цилиндрических заготовок в конических матрицах, протекающей в условии нерадиального течения и осесимметричного напряженного и деформированного состояний, из анизотропных материалов;

— основные уравнения и соотношения для анализа пластического нерадиального течения полых заготовок, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, в коническом (осесимметричное состояние) канале;

— результаты теоретических исследований вытяжки с утонением стенки цилиндрических деталей из анизотропных материалов в конических матрицах;

— установленные зависимости влияния технологических параметров, условий трения на контактных поверхностях рабочего инструмента и заготовки, анизотропии механических свойств материала заготовки, геометрических размеров заготовки и детали на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния заготовки, силовые режимы и предельные возможности деформирования, связанные с максимальной величиной растягивающего напряжения на выходе из очага пластической деформации и степени использования ресурса пластичности;

— результаты экспериментальных исследований силовых режимов вытяжки с утонением стенки толстостенных цилиндрических заготовок из анизотропных материалов;

— разработанные рекомендации по проектированию технологических процессов, обеспечивающие заданное качество их изготовления, уменьшение трудоемкости и металлоемкости деталей, сокращение сроков подготовки производства новых изделий;

— технологический процесс изготовления толстостенных цилиндрических заготовок для осесимметричных изделий ответственного назначения из стали 18ЮА.

Научная новизна: выявлены закономерности изменения кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояний заготовки, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения в зависимости от технологических параметров, условий трения на контактных поверхностях рабочего инструмента и заготовки, геометрических размеров заготовки и детали и анизотропии механических свойств материала заготовки на основе разработанной математической модели нерадиального течения анизотропного материала в коническом канале в условиях осесимметричного напряженного и деформированного состояний.

Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задач, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями, а также использованием результатов работы в промышленности.

Практическая значимость. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и созданы пакеты прикладных программ для ЭВМ по расчету технологических параметров операции вытяжки с утонением стенки толстостенных цилиндрических заготовок из анизотропных материалов, обеспечивающих интенсификацию технологических процессов, уменьшение трудоемкости и металлоемкости деталей, заданное качество их изготовления, сокращение сроков подготовки производства новых изделий.

Реализация работы. Разработан технологический процесс изготовления толстостенных цилиндрических заготовок для осесимметричных изделий ответственного назначения из стали 18ЮА, который принят к внедрению в опытном производстве на ОАО «ТНИТИ» (г. Тула). Технологический процесс обеспечивает уменьшение трудоемкости и энергоемкости изготовления толстостенных заготовок на 30% по сравнению с существующим технологическим процессом, повышение производительности, при этом достигаются необходимые требования к изделию по геометрическим и механическим характеристикам. Отдёльные результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 150 400 «Технологические машины и оборудование» и инженеров, обучающихся по направлению 150 200 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 150 201 «Машины и технология обработки металлов давлением» и включены в разделы лекционных курсов «Штамповка анизотропных материалов» и «Механика процессов пластического формоизменения», а также использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на международных молодежных научных конференциях XXIV — XXIX «Гагаринские чтения» (г. Москва: МГТУ «МАТИ», 2003;2008 гг.), на международной научно-технической конференции «Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование обработки материалов давлением» (г. Тула: ТулГУ, 2004 г.), на 1-й Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Идеи молодых — Новой России» (г. Тула: ТулГУ, 2004 г.), на международной научно-технической конференции «Автоматизацияпроблемы, идеи, решения» (г. Тула: ТулГУ, 2006 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (2002;2008 гг.).

Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 4 статьях в рецензируемых изданиях, внесенных в список ВАК, 8 тезисах Всероссийских и международных научно-технических конференций объемом 4 печ. л.- из них авторских — 2,1 печ. л.

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору С. С. Яковлеву 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 145 наименований, 3 приложений и включает 110 страниц машинописного текста, содержит 35 рисунков и 1 таблицу. Общий объем — 139 страниц.

5.6. Основные результаты и выводы.

1. Выполнены экспериментальные исследования силовых режимов процесса вытяжки с утонением стенки толстостенных цилиндрических заготовок из стали 11ЮА. Сравнение теоретических расчетов и экспериментальных данных по силовым режимам операции вытяжки с утонением толстостенных цилиндрических заготовок указывает на удовлетворительное их согласование (расхождение не превышает 10%).

2. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны технологические рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления толстостенных осесимметричных деталей с заданными показателями качества методами глубокой вытяжки. Эти рекомендации использованы при разработке нового технологического процесса изготовления толстостенных цилиндрических заготовок для осесимметричных изделий ответственного назначения из стали 11ЮА.

3. Разработанный технологический процесс прошел опытно-промышленную проверку на ОАО «ТНИТИ». Технологический процесс обеспечивает уменьшение трудоемкости и энергоемкости изготовления толстостенных заготовок на 30% по сравнению с существующим технологическим процессом, повышение производительности, при этом достигаются неj обходимые требования к изделию по геометрическим и механическим характеристикам.

4. Материалы диссертационной работы использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов, а также в ряде лекционных курсов при подготовке бакалавров направления 150 400 «Технологические машины и оборудование» и студентов, обучающихся по направлению 150 200 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 150 201 «Машины и технология обработки металлов давлением».

Заключение

.

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное народнохозяйственное значение для оборонной, судостроительной, транспортной и других отраслях машиностроения, и состоящая в научном обосновании режимов операции вытяжки с утонением стенки толстостенных цилиндрических деталей на базе развития теории пластического деформирования анизотропных полых заготовок в коническом канале, обеспечивающих интенсификацию технологических процессов, уменьшение трудоемкости и металлоемкости деталей, заданное качество их изготовления, сокращение сроков подготовки производства новых изделий.

В процессе теоретического и экспериментального исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Разработана математическая модель вытяжки с утонением стенки толстостенных цилиндрических деталей из материалов, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, в конических матрицах, протекающей в условии нерадиального течения и осесимметричного напряженного и деформированного состояний. Получены основные уравнения и необходимые соотношения для анализа кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояния, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения осесимметричной вытяжки с утонением стенки толстостенных цилиндрических деталей из анизотропных материалов. Разработаны алгоритм расчета кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояний, силовых режимов и предельных возможностей формообразования, а также программное обеспечение для ЭВМ.

2. Выполнены теоретические исследования осесимметричной вытяжки с утонением стенки толстостенных цилиндрических деталей из анизотропных материалов в конических матрицах. Выявлены закономерности изменения кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояний заготовки, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения в зависимости от технологических параметров, условий трения на контактных поверхностях рабочего инструмента и заготовки, геометрических размеров заготовки и детали и анизотропии механических свойств материала заготовки на основе разработанной математической модели нерадиального течения анизотропного материала в коническом канале в условиях осесим-метричного напряженного и деформированного состояний.

3. Установлено, что с увеличением угла конусности матрицы а, уменьшением коэффициента утонения ms и относительной величины Dq/sq, увеличением коэффициентов трения на контактных поверхностях инструмента относительная величина осевого напряжения а2 возрастает. Установлено, что при вытяжке с утонением стенки толстостенных заготовок существуют оптимальные углы конусности матрицы в пределах 12. 18°, соответствующие наименьшей величине силы. Показано, что с увеличением коэффициента утонения ms и отношения Dq/sq, уменьшением коэффициентов трения на контактной поверхности матрицы и пуансона относительная величина силы Р уменьшается.

4. Оценены величины неоднородности интенсивности деформации 5е и механических свойств 5СТ, а также величина накопленных микроповреждений в стенке цилиндрической детали после операции вытяжки с утонением. Установлено, что величина неоднородности интенсивности деформации 5е в стенке детали с уменьшением угла конусности матрицы, а и коэффициента утонения ms падает, что говорит о более благоприятных условиях формирования механических свойств материала стенки изготавливаемого изделия. Показано, что увеличение угла конусности матрицы, а и уменьшение коэффициента утонения ms приводит к росту максимальной величины накопленной повреждаемости сое на выходе из очага пластической деформации.

5. Определены предельные степени деформации вытяжки с утонением стенки по максимальной величине растягивающего напряжения на выходе из очага пластической деформации с учетом упрочнения, а также по величине степени использования ресурса пластичности. Установлено, что с увеличением угла конусности матрицы, а и коэффициента трения на контактной поверхности матрицы хм, уменьшением относительной величины Dq / sq предельный коэффициент утонения msnp увеличивается. Так увеличение угла конусности матрицы от 6 до 30° сопровождается ростом величины msllp на 45%. Уменьшение относительной величины Dq/sq с 14 до 2 приводит к увеличению предельного коэффициента утонения msnp на 30%. Показано, что предельные возможности формоизменения операции вытяжки с утонением осесимметричных деталей ограничиваются как допустимой величиной накопленных микроповреждений, так и максимальной величиной осевого напряжения на выходе из очага пластической деформации, что зависит от механических свойств исходного материала и технологических параметров процесса деформирования.

6. Показано существенное влияние анизотропии механических свойств на силовые режимы и предельные возможности формообразования вытяжки с утонением стенки толстостенных цилиндрических деталей. Установлено, что величины относительного напряжения и силы увеличиваются с ростом коэффициента нормальной анизотропии R. Увеличение коэффициента ани7 зотропии R от 0,2 до 2 приводит к росту относительных величин осевого напряжения а2 на 50%, а силы Р — на 30%. Показано, что рост коэффициента анизотропии R от 0,2 до 2 сопровождается увеличением предельного коэффициента утонения msnp на 30%.

7. Выполнены экспериментальные работы по исследованиям силовых режимов операции вытяжки с утонением стенки толстостенных цилиндрических деталей из стали 11ЮА. Сопоставление результатов теоретических и экспериментальных данных по силовым режимам вытяжки с утонением стенки указывает на удовлетворительное их согласование (расхождение не превышает 10%).

8. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по проектированию технологических параметров глубокой вытяжки цилиндрических деталей, которые использованы при разработке технологического процесса изготовления толстостенных цилиндрических заготовок для осесимметричных изделий ответственного назначения из стали 11ЮА. Разработанный технологический процесс прошел опытно-промышленную проверку на ОАО «ТНИТИ». Технологический процесс обеспечивает уменьшение трудоемкости и энергоемкости изготовления толстостенных заготовок на 30% по сравнению с существующим технологическим процессом, повышение производительности, при этом достигаются необходимые требования к изделию по геометрическим и механическим характеристикам. Отдельные результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе на кафедре «Механика пластического формоизменения» Тульского государственного университета.