Введение к работе
Актуальность . Одним из основных направлений развития научно-технического прогресса в машиностроении и металлообработке является всемерное развитие, совершенствование и внедрение ресурсосберегающих технологических процессов и оборудования.
Холодная объемная штамповка по сравнению с другими видами обработки и, особенно, резанием позволяет в 3-3,5 раза увеличить коэффициент использована металла (КИМ), получать высокую точность деталей и хорошее качество поверхности, повысить надежность, износостойкость н долговечность деталей, снизить трудоемкость их изготовления и повысить производительность труда.
Холодная объемная штамповка имеет и некоторые недостатки. К ним относятся, главным образом, высокое сопротивление деформации и пониженная пластичность большинства металлов при комнатной температуре. Высокое сопротивление деформации приводит к увеличению числа штамповочных переходов, снижению стойкости штамповой оснастки, требует применения технологических смазок и оборудования повышенной мощности и, в конечном итоге, удорожает производство. Проблемы совершенствования существующих и разработка новых технологических процессов холодного деформирования тесно связаны с вопросами определения пластичности, т.е. способности металлов деформироваться без разрушения.
Методики прогнозирования пластичности металлов при различных условиях холодной деформации только тогда обладают наибольшей достоверностью, когда они основаны на обобщенных теоретических посылках. Чисто экспериментальный подход приводит к ограничению применимости той или иной методики. В настоящее время в теории разрушения существующие критерии не могут учитывать непосредственное упрочнение металлов; можно указать такие пути нагружения, при которых критерии не работают, и следовательно, не претендуют на общность.
Тема диссертации связана с выполнением межвузовской программы "Ресурсосберегающая технология машиностроения (РТМ) по приказу ГКРФ ВО №224 от 19.03.91 года, ГР № 01.910018418 "Исследование проблем пластичности металла в процессах объемной и поверхностной пластической обработки" (выполняется с 1991 года по настоящее время).
Целью работы является - качественное и количественное определение влияния упрочнения металла, показателей напряженного состояния и Лодэ-Надаи, схем деформирования на пластичность металла для использования при комплексной разработке ресурсосберегающих процессов холодной объемной
штамповки деталей высокого качества из различных сталей и сплавов , штамповой оснастки, внедрение которых позволяет внести значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области холодной объемной штамповки и ускорить решение важной народно-хозяйственной проблемы ресурсо- и энергосбережения. Эта цель достигается путем разработки варианта критерия разрушения металла и его экспериментальной проверки при различных схемах напряженно-деформированного состояния с использованием оригинальной исследовательской оснастки и экспериментально-аналитических методик, позволяющих моделировать реальные технологические процессы холодной объемной штамповки.
Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования выполнены с использованием классических методов описания движения и напряженно-деформированного состояния материала, принятых в механике сплошных сред и в теории пластичности, и экспериментальных методов определения силовых и кинематических параметров в процессе деформирования.
Автор защищает:
- вариант критерия разрушения металлов при холодной объемной штамповке, позволяющий расчитывать предельную деформацию при произвольном пути нагружения и учитывающий непосредственное упрочнение металла при холодной деформации, в обобщенной форме и в виде энергстичекого критерия, как в скалярном, так и тензорном варианте;
- экспериментальные исследования пластичности металлов при постоянном
показателе напряженного состояния;
- закономерности влияния формы траектории деформации на пластичность;
исследования пластичности, металлов высадкой и поперечным выдавливанием в сходящийся канал, обеспечивающие постоянство показателен напряженного состояния в процессе испытания;
усовершенствованную экспериментально-аналитическую методику определения напряженно-деформированного состояния металла при нестационарных процессах во время плоской и осесимметричной холодной объемной штамповки методом муаровых полос;
- расчет деформирующих усилий при высадке и поперечном выдавливании
металла в сходящийся канал произвольной формы;
- проектирование формоизменяющих операций, расширяющие области
применения холодной объемной штамповки для обеспечения производства
деталей, обладающих высокой прочностью, а также конструкций штампового
инструмента для осуществления этих процессов;
- ресурсосберегающие технологические процессы холодной объемной штамповки и конструкции инструмента ряда деталей для заводов машиностроения: автомобильных, горнодобывающих, метростроя, дорожной техники. Например: детали типа "поршень топливоподкачивающего насоса высокого давления" для дизельных двигателей КамАЗ, ЗИЛ, Ярославского завода дизельных двигателей; "конусных втулок" для автомобилей КамАЗ, ЗИЛ, ГАЗ и др.; "корпуса резцов" для горнодобывающей промышленности -Норильского комбината, метростроя, машин для вскрытия автодорог и прокладки траншей.
Научная новизна заключается в:
- разработке варианта критерия разрушения металлов при холодной объемной
штамповке, позволяющий расчитывать предельную деформацию при
произвольном пути нагружения и учитывающий непосредственное упрочнение
металла при холодной деформации, в обобщенной форме и в виде
энергетического критерия, как в скалярном, так и тензорном варианте;
разработанных эффективных экспериментальных исследованиях
пластичности металлов при постоянном показателе напряженного состояния;
- закономерностях влияния формы траектории деформации на пластичность;
исследованиях пластичности металлов высадкой и "поперечным выдавливанием в сходящийся канал, обеспечивающие постоянство показателей напряженного состояния в процессе испытания;
усовершенствованной экспериментально-аналитической методике определения напряженно-деформированного состояния металла в процессах холодной объемной штамповки методом муаровых полос при нестационарном течении материала;
аналитических зависимостях, описывающих формоизменение и деформирующие усилия в некоторых процессах холодной объемной штамповки в зависимости от пластических свойств материала;
расчете деформирующих усилий при высадке и поперечном выдавливании металла в сходящийся канал произвольной формы;
научно обоснованных методах проектирования формоизменяющих операций, расширяющих область применения холодной объемной штамповки для обеспечения производства деталей, обладающих высокой прочностью, а также штампового инструмента для осуществления этих процессов.
Практическая ценность работы.
- Созданы ресурсосберегающие процессы , способы и конструкции штампов
для холодной объемной штамповки различных деталей высокого качества, на
базе научно обоснованного варианта критерия разрушения металлов и
усвершенствованных методик определения напряженно-деформированного
состояния материала при различных операциях, получивших внедрение в промышленность.
- Разработаны расчеты важнейших параметров высадки, различных видов
выдавливания - усилия и деформационной способности, - позволяющие
рационализировать технологические процессы холодной объемной штамповки.
- Даны практические рекомендации для использования расчетов рациональных технологических процессов холодной объемной штамповки с учетом пластических свойств металла; исследования пластичности металлов; способов штамповки и конструкции инструмента (которые защищены 8 авторскими свидетельствами; внедрены в производство с реальным экономическим эффектом более 410 млн. рублей (в ценах ноябрь 1994 года).
- Результаты использованы в учебном процессе (3-х учебных пособиях по
дисциплине " Технология холодной штамповки'', и курсовом и дипломном
проектировании).
Апробация работы. Разделы по содержанию диссертации докладывались на
Всесоюзных, Республиканских, Международной и научно-технических
конференциях:"Пути совершенствования технологии холодной объемной
штамповки", Всесоюзная научно-техническая конференция, Омск, 1978;
"Теплофизика технологических процессов", Всесоюзная конференция,
Ташкент, 1984.; "Современнные методы малоотходной и безотходной
технологии в машиностроении'', Кишинев, 1982.; "Высокопроизводительные
металлосберегахшше процессы обработки металлов", Кишинев, 1984;
"Ускорение научно-технического прогресса путем интенсификации
ресурсосберегающей технологии в области материалловедеяия, термообработки
и порошковой металлургии", Кишинев,! 987; "Инженерные проблемы
автоматизации и улучшения условий труда в кузнечно-штамповочном
производстве", Запорожье, 1984; "Экономичность технологических процессов и
оборудования в кузнечно-штамповочном производстве",Пенза, 1987;
"Повышение качества деталей машин пластическим
деформированием",Фрунзе,1988; "Интенсивность производства и повышение качества изделий поверхностным пластическим деформированием", Тольятти, 1989, "Теоретические в прикладные проблемы развития наукоемких и малоотходных технологий обработки металлов давлением", Винница, 1991;"Пути совершенствования экологического обеспечения работы автомобильного транспорта",Винница, 1990; Республиканская научно-практическая конференция "Ресурсосберегающая технология машиностроения", Москва, МГААТМ, 1993,1994; Международная научно-техническая конференция "Проблемы пластичности в технологии". Орел 1995 г.
Новые технологии, штампы экспонировались на ВДНХ СССР и были награждены медалями: № 11587 от 19.08.1987 г., № 15041 от 16.04.89 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 61 печатная работа, в том числе 8 авторских свидетельств и патентов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 202 наименований и приложения, изложена на 258 страницах машинописного текста, содержит 96 рисунков и 25 таблиц. Общий объем работы 262 страницы.