Введение к работе
Актуальность темы. Важной проблемой, стоящей перед современным машиностроением, является повышение эффективности и конкурентоспособности процессов изготовления изделий из металлов и сплавов методами обработки давлением, обеспечивающих максимально возможные эксплуатационные характеристики.
Совершенствование конструкций изделий ответственного назначения определяет применение высокопрочных материалов и изготовление деталей и узлов со специальными, зависящими от условий эксплуатации, характеристиками. Сложность технологических процессов вызывает в производстве их длительную отработку, влияющую в конечном итоге на трудоемкость и качество изделий. Все это вызывает необходимость изыскания новых принципов технологии, точности ее расчета и сближения на этой основе стадий проектирования изделий и технологической подготовки производства.
В различных отраслях машиностроения широкое распространение нашли конические пустотелые тонкостенные изделия, изготавливаемые методами глубокой вытяжки, обжима и раздачи. Значительной экономии металла в штамповочном производстве при их изготовлении можно добиться путем применения трубной заготовки вместо цилиндрической, полученной методами глубокой вытяжки из листовой заготовки. При этом коэффициент использования металла повышается в несколько раз и соответственно уменьшается обработка резанием.
К числу наиболее перспективных и принципиально новых технологических процессов, направленных на совершенствование современного производства, относится медленное горячее формоизменение заготовок из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести. Технологические принципы формоизменения трубных заготовок в режиме вязкого течения могут быть применены в производстве конических пустотелых тонкостенных деталей из анизотропных высокопрочных сплавов.
Трубный прокат, подвергаемый штамповке, обладает анизотропией механических свойств, обусловленной маркой материала и технологическими режимами его получения. Анизотропия механических свойств материала трубной заготовки может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивость протекания технологических процессов обработки металлов давлением при различных термомеханических режимах деформирования, в частности операций изотермического обжима и раздачи.
Штамповка деталей из анизотропных высокопрочных трубных заготовок операциями изотермического обжима недостаточно широко применяется в промышленности.
При разработке технологических процессов изотермического обжима и раздачи трубных заготовок из высокопрочных материалов, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, в настоящее время используют эмпирические зависимости из различных справочных источников, а также результаты теоретических исследований, в которых не в полной мере учитываются механические свойства материала. Во многих случаях это приводит к необходимости экспериментальной отработки операций изотермического обжима и раздачи, что удлиняет сроки подготовки производства изделия.
В связи с этим создание научно обоснованных, инженерных методик расчета операций изотермического обжима и раздачи трубных заготовок из анизотропных материалов является актуальной, важной научно-технической задачей, внедрение которых внесет значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.
Работа выполнена в соответствии с грантом Президента РФ на поддержку ведущих научных школ при выполнении научных исследований (грант № НШ-4190.2006.8), грантом РФФИ № 07-01-00041 (2007-2009 гг.) и научно-технической программой Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы
(2009-2010 гг.)».
Целью работы является повышение эффективности изготовления осесимметричных тонкостенных деталей методами изотермического обжима и раздачи трубных заготовок из высокопрочных материалов, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, путем разработки научно обоснованных режимов технологических процессов, обеспечивающих заданное качество, уменьшение трудоемкости и металлоемкости изготовленных деталей, сокращение сроков подготовки производства новых изделий.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи исследований:
1. Разработать математические модели операций изотермического обжима и раздачи трубных заготовок, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, в режиме кратковременной ползучести; получить основные уравнения и соотношения для анализа операций изотермического обжима и раздачи анизотропных трубных заготовок при вязком течении материала.
2. Разработать условие устойчивости анизотропной трубной заготовки в виде образования симметричных складок, которое необходимо получить на основе статического критерия устойчивости при ползучести.
3. Выполнить теоретические и экспериментальные исследования операций обжима конической матрицей и раздачи коническим пуансоном трубных анизотропных заготовок из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести.
4. Установить влияние анизотропии механических свойств материала, технологических параметров, геометрии рабочего инструмента, условий трения на контактной поверхности заготовки и инструмента на напряженное и деформированное состояния, силовые режимы, предельные возможности формообразования операций изотермического обжима и раздачи анизотропных трубных заготовок.
5. Разработать рекомендации по расчету технологических параметров изотермического обжима и раздачи трубных заготовок из высокопрочных анизотропных материалов в режиме кратковременной ползучести.
6. Использовать результаты исследований в промышленности и учебном процессе.
Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий теоретический анализ и экспериментальную проверку полученных результатов в лабораторных условиях. Теоретические исследования операций изотермического обжима и раздачи трубных заготовок из высокопрочных анизотропных материалов выполнены с использованием основных положений механики деформируемого твердого тела и теории кратковременной ползучести анизотропного материала; анализ напряженного и деформированного состояний заготовки при изотермическом обжиме и раздаче анизотропных трубных заготовок из высокопрочных материалов осуществлен численно методом конечно-разностных соотношений с использованием ЭВМ путем совместного решения приближенных дифференциальных уравнений равновесия, уравнения состояния и основных определяющих соотношений при заданных начальных и граничных условиях. Предельные возможности формоизменения исследуемых процессов изотермического деформирования оценивались по абсолютной максимальной величине сжимающего напряжения на входе в очаг деформации, по допустимой величине накопленных микроповреждений и локальной потере устойчивости анизотропной трубной заготовки из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести. При проведении экспериментальных исследований использованы современные испытательные машины и регистрирующая аппаратура. Обработка опытных данных осуществлялась с применением методов математической статистики.
Автор защищает:
- математические модели операций изотермического обжима и раздачи анизотропных трубных заготовок из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести для изготовления конических пустотелых тонкостенных деталей;
- основные уравнения и соотношения для анализа операций изотермического обжима и раздачи трубных заготовок, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, при кратковременной ползучести;
- критерий устойчивости анизотропной трубной заготовки в виде образования складок при ее деформировании в режиме кратковременной ползучести, полученный на основе статического критерия устойчивости;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований напряженного и деформированного состояний, силовых режимов, предельных возможностей формоизменения на операциях изотермического обжима и раздачи анизотропных трубных заготовок;
- закономерности влияния анизотропии механических свойств материала, технологических параметров, геометрии рабочего инструмента, условий трения на контактной поверхности заготовки и инструмента на напряженное и деформированное состояния, силовые режимы, предельные возможности формообразования операций изотермического обжима и раздачи трубных анизотропных заготовок в режиме кратковременной ползучести;
- разработанные рекомендации по проектированию технологических процессов изотермического обжима и раздачи анизотропных трубных заготовок из высокопрочных материалов;
- технологический процесс изготовления конических пустотелых тонкостенныех деталей из алюминиевого АМг6 и титанового ВТ6С сплавов, обеспечивающий заданное качество, уменьшение трудоемкости и металлоемкости изготовленных деталей, сокращение сроков подготовки производства новых изделий.
Научная новизна: установлены закономерности изменения напряженного и деформированного состояний, силовых режимов, предельных возможностей формообразования от анизотропии механических свойств материала, технологических параметров, геометрии рабочего инструмента, условий трения на контактной поверхности заготовки и инструмента на основе разработанных математических моделей операций изотермического обжима и раздачи трубных заготовок, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, в условиях плоского напряженного состояния при изготовлении конических пустотелых тонкостенных деталей в режиме кратковременной ползучести.
Практическая значимость. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и создано программное обеспечение для ЭВМ по расчету рациональных технологических параметров операций изотермического обжима и раздачи анизотропных трубных заготовок в режиме кратковременной ползучести при изготовлении конических пустотелых тонкостенных деталей из высокопрочных 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 конических пустотелых тонкостенных деталей с высокими эксплуатационными характеристиками. Технологический процесс принят к внедрению в опытном производстве на ОАО «ТНИТИ». Применение медленного горячего деформирования при изготовлении конических пустотелых тонкостенных деталей позволяет расширить возможности управления процессами путем изменения скоростных условий деформирования. Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» и инженеров, обучающихся по направлению 150200 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением» и включены в разделы лекционных курсов «Основы теории пластичности и ползучести», «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 научно-технических конференциях «Автоматизация; проблемы, идеи, решения» (АПИР-13 и АПИР-14, г. Тула: ТулГУ, 2008, 2009 гг.); на Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Современные технологии обработки металлов и средства их автоматизации» (г. Тула: ТулГУ, 2008 г.); на Международной молодежной научной конференции «XXXV Гагаринские чтения» (г. Москва: МГТУ «МАТИ», 2009 г.); на Международной научно-технической конференции «Прогрессивные методы и технологическое оснащение процессов обработки металлов давлением» (Украина, г. Краматорск, 2009 г.); на Международной научно-технической конференции «Достижения и перспективы развития процессов и машин обработки давлением в металлургии и машиностроении» (г. Санкт - Петербург, 2009 г.), а также ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2007 – 2009 гг.).
Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 6 статьях рецензируемых изданий, внесенных в список ВАК, в 3 статьях в межвузовских сборниках научных трудов, в одном тезисе и 4 материалах всероссийских и международных научно-технических конференций объемом 4.3 печ. л.; из них авторских – 2.4 печ. л.
Автор выражает глубокую благодарность д-ру техн. наук, проф.
С.П. Яковлеву и канд. техн. наук, доц. А.В. Черняеву 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 191 наименования, 3 приложений и включает 99 страниц машинописного текста, содержит 42 рисунка и 1 таблицу. Общий объем - 163 страниц.
