Введение к работе
Актуальность темы исследования
Развитие народного хозяйства в значительной мере определяется ростом объема производства металлов, расширением сортамента изделий из металлов и сплавов и повышением их качественных показателей, что в значительной мере зависит от условий пластической обработки. Знание закономерностей обработки металлов давлением помогает выбирать наиболее рациональные режимы технологических процессов, требуемое основное и вспомогательное оборудование и обоснование его эксплуатации. В настоящее время в России и во Вьетнаме активно развиваются машиностроительные производства. В производстве есть много видов герметизированных капсул и проволоки различных диаметров, которые целесообразно обрабатывать сваркой давлением. Выбор холодной сварки в качестве темы для исследований вызван реальными запросами производства. Одной из задач исследования является совершенствование технологии сварки давлением, которая важна для развития промышленного производства и экономического развития общества в целом в России и во Вьетнаме.
Возможность получения холодной сваркой прочных и надежных соединений алюминия представляет исключительный интерес для электромашиностроительной промышленности и электромонтажного производства, где в связи с актуальностью проблемы по замене меди алюминием возникает необходимость в алюминиевых токопроводящих деталях, при этом концы выводов оставляют медными. Холодная сварка незаменима для выполнения соединений в огнеопасной и взрывоопасной средах. Этот способ особенно приемлем при изготовлении, например, алюминиевых капсул с веществами, не допускающими температурных воздействий. Холодной сваркой можно герметизировать алюминиевые сосуды для хранения и транспортировки эфира и других анестезирующих жидкостей. Основной задачей производства капсул является надежность их герметизации без локальных разрушений.
В настоящее время отсутствуют полноценные исследования технологических процессов холодной сварки давлением для получения качественных деталей внахлестку из алюминиевых материалов, поэтому повышение эффективности применения холодной сварки давлением для соединения алюминиевых листовых и проволочных деталей внахлестку является актуальной задачей исследования.
Цель работы
Повышение прочности и надежности сварных соединений алюминиевых деталей внахлестку путем назначения рациональных параметров технологии холодной сварки давлением.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи исследований.
1. Провести анализ существующих методов повышения прочности и надежности сварных соединений путем использования локальной холодной пластической деформации.
-
Разработать компьютерные модели напряженно-деформированного состояния деталей различной формы при холодной сварке внахлестку с использованием пакета прикладных программ «Deform» 3D VI0.0.
-
Выявить влияние геометрии инструмента и условий трения на контактных поверхностях на характер деформирования деталей при сварке, на силовые параметры процесса и на адгезионные характеристики свариваемых металлов.
-
Провести эксперименты по холодной сварке давлением внахлестку алюминиевых деталей, определить условия начала схватывания соединяемых поверхностей и проверить прочность сварных соединений. Найти и рассчитать рациональные параметры холодной сварки внахлестку, полученных КЭ-моделированием и экспериментально.
-
Разработать рекомендации по проектированию технологий герметизации капсул и соединения проволочных деталей. Использовать результаты исследований в промышленности и учебном процессе.
Объекты исследования. Технологические процессы холодной сварки давлением.
Предметы исследования. Холодная сварка давлением путем локальной пластической деформации алюминиевых деталей различной формы, соединяемых внахлестку.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории обработки металлов давлением, теории холодной сварки, конечно-элементном методе математического и компьютерного моделирования.
Экспериментальные исследования проводились в научной лаборатории кафедры «Механика пластического формоизменения» ТулГУ с использованием испытательной машины «rnstron» для разработки рекомендаций по повышению прочности и надежности сварного соединения. При осуществлении разработанных операций использовался полуавтомат типа МХСК-1 для герметизации алюминиевых капсул и машина МСХС-5-3 для холодной сварки проволоки.
Автор защищает:
- результаты моделирования процесса деформирования при холодной
сварке давлением в момент герметизации алюминиевых капсул и соединения
алюминиевой проволоки;
рассчитанные значения силы деформирования при сварке от геометрии инструмента, скорости перемещения инструмента, коэффициента трения;
результаты экспериментальной оценки качества и несущей способности сварных швов после сварки;
результаты выбора рациональных параметров технологических процессов холодной сварки давлением внахлестку на основе теоретических данных и эксперимента;
разработанные рекомендации по проектированию технологических процессов герметизации алюминиевых капсул и сварных соединений алюминиевой проволоки;
использование результатов исследований холодной сварки алюминиевых деталей в производстве на предприятиях России и Вьетнама.
Научная новизна:
определены значения силы деформирования в зависимости от геометрии инструмента и условий трения на контактных границах с помощью разработанных имитационных моделей при степени деформации деталей, соответствующей адгезии поверхностей;
выявлен поэтапный характер изменения деформации при холодной сварке давлением проволочных деталей и момент перехода между двумя этапами;
решена задача по определению максимальной прочности соединений на основе теоретических расчетов и экспериментальных испытаний.
Практическая значимость:
сформулирован пакет начальных условий для расчета деформации при сварке давлением с использованием метода конечных элементов;
спроектированы штамповая оснастка, испытательный стенд и инструмент для сварки внахлестку, позволяющие осуществить предлагаемые способы сварного соединения и проверить их надежность;
разработаны рекомендации по расчету технологических режимов деформирования при сварке алюминиевых деталей.
Реализация работы. Разработанные рекомендации по расчету технологических параметров операций холодной сварки давлением алюминиевых деталей внахлестку использованы при проектировании технологических процессов изготовления деталей типа «капсула» и «проволока» из алюминиевого сплава АД1М на ООО «УПА» (г. Тула, Российская Федерация) и ОАО «Хоа фад» (г. Намдин, Вьетнам). Эффективность разработанных технологических схем изготовления этих деталей связана с сокращением затраченной энергии в 20 % для сварки проволоки и 16 % для сварки капсул.
Апробация работы. Материалы исследований доложены на Международных молодежных конференциях «Гагаринские чтения» (г. Москва, 2011, 2012 гг.); на VI Молодежной научно-практической конференции Тульского государственного университета «Молодежные инновации» (г. Тула, 2011, 2012 гг.); на Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Современные технологии обработки металлов и средства их автоматизации», проводимой в рамках Мероприятий по программе «У.М.Н.И.К.» (г. Тула, 2012 гг.); на Виртуальной Международной выставке гениальных изобретателей (Korea Cyber International Genius Inventor Fair, CIGIF, 2012 г.); на конференции ППС кафедры МПФ (г.Тула, ТулГУ, 2011-2013 гг.).
Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 10 публикациях: в 5 статьях в рецензируемых изданиях, внесенных в список ВАК, и в 5 тезисах докладов международных и всероссийских научно-технических конференций объемом 1,24 п.л.
Структура и объем диссертации
