Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор современных методов обработки давленим, основанных на комплексном локальном нагружении очага деформации 14
1.1 Тенденции развития технологии обработки металлов давлением 14
1.2 Технологические процессы с локальным и комплексным воздействием на заготовку 16
1.3 Валковая штамповка как метод комплексного локального деформирования20
1.3.1 Применение валковой штамповки для высадки утолщений на длинномерных заготовках большого диаметра 20
1.3.2 Применение валковой штамповки для изготовления деталей со ступенчатой боковой поверхностью 26
1.3.3 Некоторые характерные особенности пластического течения металла при валковой штамповке 42
1.3.4 Особенности возникновения осевой утяжины в заготовке при валковой штамповке * 44
1.4 Выводы по главе 1 и постановка задачи исследования 49
ГЛАВА 2 Исследование и совершенствование непрерывно-последовательной высадки с обкаткой из трубной заготовки 52
2.1 Экспериментальные исследования процесса непрерывно-последовательной высадки ...52
2.1.1 Методика экспериментальных исследований 52
2.1.2 Экспериментальные исследования и анализ результатов 59
2.2 Математическое моделирование непрерывно-последовательной васадки с обкаткой и анализ результатов расчета 70
2.3 Совершенствование технологии и оборудования для непрерывно-последовательной высадки 81
2.3.1 Совершенствование технологии высадки 81
2.3.2 Разработка и изготовление гибкой системы синхронизации и гидростанции пресса 85
2.4. Экспериментальная высадка на модернизированной НВМ 88
2.4.1 Высадка в роликовую матрицу 88
2.4.2 Высадка в один переход 94
2.5 Выводы по главе 2 97
ГЛАВА З Валковая штамповка из тонкостенной заготовки 99
3.1 Исследование возможности поверхностного упрочнения тонкостенных осесимметричных деталей без раскатки 99
3.1.1 Постановка задачи исследования 99
3.1.2 Математическое моделирование процесса обкатки тонкостенных заготовок
3.1.3 Экспериментальное исследование валковой штамповки с роликами относительно большого диаметра 110
3.1.4 Методика математического планирования эксперимента, статистической обработки результатов и оценки погрешности 112
3.1.5 Исследование влияния относительного диаметра ролика на размеры зоны деформации 112
3.2 Исследование влияния величины тормозного момента на ролике на параметры упрочнения при обкатке 116
3.2.1 Оценка влияния тормозного момента на величину интенсивности деформации 116
3.2.2 Теоретическое исследование процесса обкатки при приложении к ролику тормозной силы 121
3.2.3 Экспериментальное исследование процесса обкатки тонкостенных заготовок с торможением ролика 128
3.2.4 Анализ результатов обкатки с торможением ролика 136
3.3 Разработка технологии валковой штамповки с торможением обкатывающих роликов 140
3.4 Методика определения технологических параметров валковой штамповки с торможением ролика 144
3.5 Выводы по главе 3 149
ГЛАВА 4 Валковая штамповка'тонкостенных изделий из сплошной заготовки 152
4.1 Экспериментальные исследования валковой штамповки из сплошной заготовки 152
4.1.1 Классификация процессов валковой штамповки из сплошной заготовки 152
4.1.2 Условия экспериментальных исследований ...159
4.1.3 Методика экспериментальных исследований 159
4.1.4 Разработка экспериментальной оснастки .' 162
4.1.5 Основные технологические параметры процесса валковой штамповки 171
4.1.6 Особенности пластического течения металла при валковой штамповке 173
4.2 Теоретические исследования валковой штамповки 198
4.2.1 Выбор метода решения задачи и порядка расчета 198
4.2.2 Расчет технологических параметров на стадии прошивки 200
4.2.3 Моделирование валковой штамповки на стадии обкатки 221
4.2.4 Вычисление параметра утяжки Rx/R 231
4.2.5 Вычисление силы и контактного напряжения на роликах, силы на пуансоне, величины потребного и создаваемого моментов 239
4.2.6 Расчет максимальной допустимой относительной скорости деформирования заготовки 262
4.2.7 Статистическая обработка экспериментальных данных и оценка достоверности результатов теоретических исследований .266
4.3 Совершенствование технологии изготовления осесимметричных деталей методом валковой штамповки . 270
4.4 Выводы по главе 4 л 276
Заключение '. 279
Список использованной литературы
- Технологические процессы с локальным и комплексным воздействием на заготовку
- Математическое моделирование непрерывно-последовательной васадки с обкаткой и анализ результатов расчета
- Экспериментальное исследование валковой штамповки с роликами относительно большого диаметра
- Условия экспериментальных исследований
Введение к работе
Актуальность темы. Перед отечественным производством, в том числе машиностроением, поставлена задача резкого повышения эффективности, производительности и достижения к 2010 году удвоения внутреннего валового продукта. Решение подобной задачи невозможно без разработки принципиально новых технологий и оборудования, конкурентоспособных на мировом рынке и позволяющих получать изделия высокого качества при наименьших затратах на их производство.
Одним из наиболее эффективных направлений получения сложных изделий машино- и приборостроительного назначения являются методы локального деформирования, такие, как свободная ковка, вальцовка, поперечно-клиновая прокатка, обкатка деталей из труб и листовых материалов, накатка зубьев, ротационное выдавливание, сферодвижная штамповка, торцевая раскатка, непрерывно-последовательная высадка и др. Вследствие локальности деформирования значительно снижается технологическая сила совершения операции, что обеспечивает минимизацию металлоемкости оборудования, повышение стойкости инструмента, способствует увеличению коэффициента использования материала.
Принципиально новым развитием этих методов является предложенная специалистами Орловского государственного технического университета (ОрелГТУ) технология пластической обработки металлов с комплексным локальным нагруже-нием заготовки, получившая название "валковая штамповка", сочетающая в едином процессе операции объемной штамповки и локальное деформирование неприводными роликами или приводными валками. Новый способ деформирования позволяет получать сплошные и полые детали, тонкостенные и толстостенные изделия малых размеров, применяемые в приборостроении, и крупные для машиностроительной или авиационной промышленности, изделия круглые и некруглые в плане с высокой точностью и качеством изготовления при технологической силе на порядок меньшей, чем для традиционных методов объемной штамповки. Комплексное нагружение очага деформации локальным периодическим воздействием с одновременным воздействием через постоянно фиксируемую зону позволяет получить новый технический эффект, недостижимый другими методами деформирования.
Важным условием понимания новых процессов является установление и исследование взаимосвязи параметров, их влияния на процесс деформирования и конечный результат формоизменения заготовки. Качество изготовления деталей, производительность и стабильность или устойчивость технологических процессов валковой штамповки зависят от правильного выбора технологических и конструктивных параметров, т.е. заданный эффект возможен только при оптимальном режиме деформирования, зависящем от соотношения прежде всего скорости перемещения инструмента в осевом направлении и скорости относительного вращения, величин обжатия, геометрических параметров инструмента и формы детали, направления взаимного перемещения инструмента в осевом, радиальном и тангенциальном направлениях и температуры заготовки.
Актуальность темы диссертационной работы подтверждается ее соответствием ряду научно-технических программ: "Авнацнонндя^технология", выполнявшаяся по решению совместной коллегии МАП и Минвуза ^(5^21^4440 1986г.;
* ал *Лп*гі
"Высокие технологии высшей школы", утверждена приказом № 486 от 20.03.96г. "Об утверждении перечня минвузовских научно-технических программ на 1996г."; проектами "Исследование пластического течения металла при локальном и комплексном нагружении" и "Исследование характера пластического течения металла при получении тонкостенных осесимметричных деталей методом валковой штамповки", выигравшими конкурсы грантов в 1996 и 2000г.г. соответственно; проектом "Исследование пластического течения металла при изготовлении деталей методом валковой штамповки", вошедшим в разовый заказ-наряд Орел ГТУ в 1999г; проектом "Исследование напряженно-деформированного состояния и характера пластического течения металла в разделительных и формообразующих операциях при локальном деформировании", вошедшим в единый заказ-наряд ОрелГТУ в 2000г.; проекта "Учебный автоматизированный комплекс для изучения процессов пластической обработки материалов", выигравшего конкурс Минобразования РФ" в 2001г, проводимого в рамках программы: "Научное, научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования" по подпрограмме: "Научное и научно-методическое обеспечение индустрии образования"; работа соответствует "Критическим технологиям федерального уровня", утвержденным председателем Правительственной комиссии по научно-технической политике 21.07.1996г. по направлению "Модульные технологии производства массовой металлопродукции с новым уровнем свойств".
Цель работы: На основе теоретических и экспериментальных исследований, систематизации выявленных особенностей напряженно-деформированного состояния и характера пластического течения металла в очаге деформации при различных схемах валковой штамповки, разработать новые технологические процессы, оснастку и методику их проектирования для расширения номенклатуры изделий и повышения производительности валковой штамповки, улучшения показателей прочности, геометрической точности и шероховатости поверхности при изготовлении тонкостенных осесимметричных изделий машино- и приборостроительного назначения.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и успешно решены следующие задачи:
1. Провести теоретические исследования валковой штамповки тонкостенных изделий на основе численного решения математической модели, построенной на основе общих уравнений пластического течения, при различных схемах процесса, определяющих начальные и граничные условия моделирования, а именно:
валковой штамповки как сочетания непрерывно-последовательной высадки с обкаткой утолщений на комлевой части трубной заготовки, установить оптимальные технологические параметры процесса;
валковой штамповки как сочетания обкатки полых тонкостенных ступенчатых заготовок с осевым нагружением, не достигающим напряжения текучести, определить предельные режимы обработки, при которых исключается раскатка изделия, выявить влияние основных технологических параметров обкатки на характер деформационного упрочнения;
валковой штамповки тонкостенных изделий из сплошной заготовки, выявить, особенности- напряженно-деформированного состояния материала в очаге
І " изг»^** \
* '' С —-
* * - ** -f*"*—
деформации, выявить факторы, влияющие на образование осевой утяжины на изделии, определить предельные режимы обработки, при которых исключается заклинивание изделия.
2. Провести комплексные экспериментальные исследования валковой штам
повки по различным технологическим схемам для подтверждения достоверности
результатов теоретических исследований и выявления особенностей пластическо
го течения металла в очаге деформации, а именно:
установить механизм и факторы, влияющие на возникновение радиальных и осевых гофров на изделии при непрерывно-последовательной высадке;
установить закономерности поверхностного упрочнения металла и показатели шероховатости поверхности изделия при обкатке роликами относительно большого диаметра;
выявить особенности изменения деформирующей силы на различных стадиях валковой штамповки и положения нейтральной точки на дуге контакта инструмента и заготовки.
-
Разработать новые технологические процессы и оснастку для расширения номенклатуры изделий и повышения производительности валковой штамповки, улучшения показателей прочности, геометрической точности и шероховатости поверхности при изготовлении тонкостенных осесимметричных изделий машино- и приборостроительного назначения и провести их экспериментальную апробацию.
-
Разработать научно обоснованную методику и технические рекомендации для проектирования технологических процессов валковой штамповки тонкостенных изделий.
Автор защищает:
1. Математическую модель валковой штамповки тонкостенных изделий как способа обработки металлов давлением с комплексным локальным нагружением очага деформации, построенную на основе общих уравнений пластического течения Прандтля-Рейсса с использованием производной Яумана, при различных схемах процесса (валковая штамповка как сочетание непрерывно-последовательной высадки с обкаткой комлевых утолщений на трубных заготовках; как сочетание обкатки боковой поверхности тонкостенной заготовки с осевым нагружением, как способа изготовления тонкостенных изделий из сплошной заготовки) и стадиях деформирования, определяющих начальные и граничные условия моделирования, и результаты ее численного решения.
-
Методику и результаты экспериментальных исследований различных технологических вариантов валковой штамповки тонкостенных изделий, в ходе которых подтверждена достоверность результатов теоретических исследований и установлены особенности характера пластического течения металла в очаге деформации.
-
Новые технологические процессы и оснастку для расширения номенклатуры изделий и повышения производительности валковой штамповки, улучшения показателей прочности, геометрической точности и шероховатости поверхности при изготовлении тонкостенных осесимметричных изделий машино- и приборостроительного назначения (новизна технических решений подтверждена патентами Российской Федерации) и результаты их экспериментальной апробации.
-
Научно обоснованную методику и технические рекомендации для проекти-
рования технологических процессов валковой штамповки тонкостенных изделий.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые разработана математическая модель валковой штамповки тонкостенных изделий как способа обработки металлов давлением с комплексным локальным нагружением очага деформации, построенная на основе общих уравнений пластического течения Прандтля-Рейсса с использованием производной Яу-мана, при различных схемах процесса и стадиях деформирования, начальных и граничных условиях моделирования, численное решение которой позволило установить особенности напряженно-деформированного состояния материала в очаге деформации, а именно:
установить оптимальные технологические параметры процесса валковой штамповки как сочетания напрерывно-последовательной высадки с обкаткой утолщений на комлевой части трубной заготовки, получить технологические зависимости, необходимые для модернизации действующего и создания нового производственного оборудования;
определить предельные режимы обработки, при которых исключается раскатка изделия, при валковой штамповке как сочетании обкатки полых тонкостенных ступенчатых заготовок с осевым нагружением, выявить влияние основных технологических параметров обкатки на характер деформационного упрочнения;-
выявить условия и механизм возникновения осевой утяжины заготовки в процессе валковой штамповки тонкостенных изделий из сплошной заготовки, что дает возможность изготовления деталей со сквозным осевым отверстием на одной позиции обработки, получить зависимости величины утяжки металла от технологических параметров и режимов обработки;
установить причины заклинивания заготовки в роликовой матрице, провести расчет максимально допустимой относительной скорости деформирования, при которой исключается заклинивание заготовки в роликовой матрице (по схеме с приводом вращения от упора и пуансона) и разработать методику ее определения для практических расчетов.
2. Впервые разработана методика и проведен комплекс экспериментальных исследований различных технологических вариантов валковой штамповки тонкостенных изделий, в ходе которых подтверждена достоверность результатов теоретических исследований и установлены особенности пластического течения металла в очаге деформации:
выявлен механизм возникновения и развития радиальных и осевых гофров при валковой штамповке (непрерывно-последовательной высадке с обкаткой) утолщений на комлевых частях трубных заготовок;
выявлен эффект увеличения интенсивности упрочнения поверхности детали при обкатке роликом, нагруженным тормозным моментом, получены зависимости параметров упрочнения, шероховатости и твердости поверхности детали от технологических параметров обкатки;
установлено наличие четырех основных последовательных стадий валковой штамповки тонкостенных изделии из сплошной заготовки (стадия открытой прошивки, переходная, установившаяся и заключительная) и их влияние на изменение силовых режимов деформирования;
- установлено, что угол нейтрального сечения при валковой штамповке с приводом вращения заготовки от пуансона и упора стремится к нулю, что означает фактическое отсутствие нейтральной точки на дуге контакта, а напряжения, действующие в поперечной плоскости вблизи дуги контакта, являются всесторонне сжимающими, обеспечивая тем самым максимально возможное для данного материала формоизменение на одной позиции обработки.
Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий теоретический анализ и экспериментальное апробирование предложенных технических решений в производственных и лабораторных условиях. Все исследования проводились по единой методике, что дало возможность получения сопоставимых результатов.
Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния и характера пластического течения металла заготовки при различных технологических вариантах и стадиях валковой штамповки проводились методом численного решения математических моделей на основе теории пластического течения Пран-дтля-Рейсса с использованием производной Яумана, при различных схемах процесса и стадиях деформирования, начальных и граничных условиях моделирования на персональном компьютере, в том числе с применением разработанного специалистами Орел ГТУ при непосредственном участии автора настрящей работы специального пакета прикладных программ "Штамп", реализующего анализ упруго-пластических моделей методом конечных элементов.
Экспериментальные исследования проводились на специализированном промышленном оборудовании в цехе №5 Челябинского трубопрокатного завода, а также на специально сконструированной оснастке в лабораториях Орел ГТХ с применением общепринятых методов планирования эксперимента и статистической обработки результатов экспериментов.
Достоверность результатов. Достоверность результатов экспериментальных исследований обеспечивается применением научно обоснованных методик планирования эксперимента и обработки полученных данных, поверенного лабораторного оборудования и контрольно-измерительных приборов; достоверность теоретических расчетов достигается обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задач математического моделирования, применением современных математических методов и вычислительной техники и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями.
Практическая ценность и реализация работы:
1. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана новая технология валковой штамповки (непрерывно-последовательной высадки с обкаткой) комлевых утолщений на трубных заготовках большого диаметра; определен диапазон технологических параметров для модернизации действующего и конструирования перспективного технологического оборудования, проведена модернизация непрерывно-высадочной машины, которая заключалась в переводе гидростанции на принцип поддержания постоянства скорости главного исполнительного механизма и внедрении принципиально новой
гибкой программируемой микропроцессорной системы синхронизации.
-
Определена методика расчета необходимых технологических и конструктивных параметров валковой штамповки (обкатки роликами с диаметром, соразмерным диаметру заготовки, с осевым нагружением, не достигающим напряжения текучести) тонкостенной ступенчатой заготовки; разработана и экспериментально апробирована технология получения изделий с заданными параметрами деформационного упрочнения; разработаны основные конструкторские и технологические рекомендации по проектированию оснастки для реализации предложенных технических решений.
-
Разработана и успешно экспериментально апробирована новая технология валковой штамповки тонкостенных изделий из сплошной заготовки, в том числе со сквозным осевым отверстием, содержащая рекомендации в отношении формы и размеров инструмента, а также кинематических режимов деформирования, позволяющая расширить технологические возможности способа, существенно повысить производительность и стойкость инструмента.
-
Результаты работы внедрены в учебный процесс и используются:
при чтении лекций, проведении лабораторных и практических занятий по дисциплинам "Теория обработки металлов давлением", "Специальные виды штамповки" для студентов направления подготовки бакалавров 551800 "Технологические машины и оборудование" и специальности 120400 "Машины и технология обработки металлов давлением";
при подготовке кандидатских и магистерских диссертаций, исследовательских курсовых и дипломных проектов, выпускных квалификационных работ бакалавров.
Апробация работы. По содержанию диссертационной работы был выполнен ряд докладов на научно-технических конференциях различного уровня, в том числе: региональной научно-технической конференции "Интенсификация производства и повышение качества изделий поверхностным пластическим деформированием", г. Тольятти, 1989 г.; региональной научно-технической конференции "Прогрессивные материалы, технологии и конструкции в машино- и приборостроении", г. Калуга, 1990 г.; техническом совете Челябинского трубопрокатного завода в 1991 г.; всероссийской научно-технической конференции «Металлические материалы, методы их обработки», Москва, МГАТУ, 1994 г., международной научно-технической конференции "Ресурсосберегающие технологии, связанные с ОМД", г. Владимир, 1996 г., международном научно-техническом симпозиуме "Механика и технология в процессах формоизменения с локальным очагом пластической деформации", Орел, 1997 г.; 2-ой международной научно-технической конференции "Проблемы пластичности в технологии", г. Орел, 1998 г.; международной конференции "Ресурсосберегающие технологии, оборудование и автоматизация штамповочного производства", г. Тула, 1999 г.; международной науччо-технической конференции "Ресурсосберегающие технологии в машиностроении", г. Владимир, 1999 г.; международной научно-технической конференции "Фундаментальные и прикладные технологические проблемы в машиностроении "Технология - 2000", г. Орел, 2000 г.; всероссийской конференции "Современная образовательная среда", г. Москва, 2002 г.; научно-технических конференциях в Орлов-
ском государственном техническом университете в 1986-2003 гг.
Публикации, По теме диссертационной работы опубликовано: монографий - 1; статей в центральных и зарубежных научных рецензируемых издания, и сборниках, входящих в "Перечень периодических научных и научно-технических изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук" - 10; статей в различных межвузовских и внутривузовских сборниках научно-технических трудов - 23; тезисов докладов на международных, всероссийских и региональных научно-технических конференциях - 14; авторских свидетельств на изобретения и патентов 11.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех основных глав, заключения, списка использованных источников из 249 наименований и включает 189 страниц машинописного основного текста, содержит 144 рисунка и фотографии и 13 таблиц. Общий объем - 308 страниц.
Технологические процессы с локальным и комплексным воздействием на заготовку
Итак, можно считать установленным, что основной целью развития современных технологий обработки металлов давлением является активная интенсификация процесса деформирования, увеличение степени деформации на одной позиции обработки, получение изделий с заранее заданными механическими свойствами. Поиски ведутся по разным направлениям, и имеются некоторые положительные результаты. Так, при сверхскоростной штамповке [107 -109] (например, штамповке взрывом, магнитно-импульсной и т.д.) на некоторых металлах и сплавах выявлен эффект сверхпластичности. Это делает подобные технологии весьма перспективными, однако практическая их реализация в производстве затрудняется специфическими техническими сложностями.
Многолетний опыт, накопленный исследователями, технологами и производственниками, работающими в области различных видов прокатного произ водства, в частности, поперечной, поперечно-винтовой прокатки и др. [6 - 34, 110, 111], позволяет утверждать, что ролик (валок) является наиболее удобным инструментом локального периодического воздействия на заготовку, развитая теоретическая база прокатки позволяет моделировать на ее основе новые перспективные методы обработки.
Так, одним из примеров применения ролика или валка в качестве рабочего инструмента формообразования является технология сферодвижной штамповки. Учеными из Уфы и Челябинска разрабатывается технология торцевой раскатки [112 - 118], в которой основным формообразующим инструментом также является ролик. Торцевая раскатка успешно применяется для получения деталей типа дисков, в том числе из мало- и труднодеформируемых металлов и сплавов.
В последние годы наметилась тенденция применения роликов в том или ином виде для реализации нетрадиционных для ОМД технологий. Подобные решения являются следствием очевидных преимуществ, свойственных прокатному производству - в первую очередь, высокой производительности, непрерывности, стабильности и безинерционности вращательного движения по сравнению с возвратно-поступательным. Так, кроме уже упоминавшейся вальцовки, с помощью роликов возможно осуществление операций вырубки-пробивки из листового материала (полосы, ленты). Заслуживает внимание также использование ролика специфической формы для изготовления просечно-вытяжных сеток [119 - 126] (см. рисунок 1.1). Оригинальная технология позволяет получать неметаллические сетки методом просечки-вытяжки с производительностью в 10 и более раз выше, чем в традиционных устройствах периодического действия (штампах и специальных автоматах), при этом конструкция оборудования значительно проще и, соответственно, дешевле, а необходимая высокая точность подачи обеспечивается самим инструментом без применения специальных устройств.
Еще одним примером применения ролика в новом качестве является разработанная специалистами Тульского государственного университета техноло гия ротационной вытяжки (РВ), которая представляет собой процесс формоизменения плоских или полых вращающихся заготовок по профилю оправки с помощью перемещающейся деформирующей нагрузки (см. рисунок 1.2) [127 -132]. Процесс характеризуется наличием локального очага деформации, образующегося в результате воздействия давильного элемента (ролика или шарика) на материал заготовки. Реализация локализованной деформирующей нагрузки при РВ позволяет получать на одной позиции обработки высокие степени деформации (до 80 %), что делает процесс экономически выгодным по сравнению с другими способами изготовления деталей, например, с традиционной вытяжкой. Посредством РВ изготовляют полые детали с постоянной и переменной толщиной стенки, имеющие широкий диапазон размеров (диаметр до 5 м, толщину стенки до 40 мм и длину до нескольких метров) и различные формы. Ротационную вытяжку можно успешно использовать для обработки как обычных сталей и сплавов, так и труднодеформируемых тугоплавких материалов.
Возможность изменения в широких пределах геометрических параметров рабочего профиля деформирующего элемента в сочетании с оптимальными режимами обработки позволяет регулировать качество изделий, получать высокую размерную точность и низкую шероховатость поверхности. Практическое применение РВ значительно снижает объем первоначальных затрат на приобретение оборудования, изготовление инструмента и оснастки по сравнению с другими видами обработки, в частности, с глубокой вытяжкой на прессах, и позволяет эффективно использовать указанный метод в мелко- и среднесерийном производстве крупногабаритных деталей сложной формы.
Математическое моделирование непрерывно-последовательной васадки с обкаткой и анализ результатов расчета
Краткое описание и обоснование применения используемого программного продукта. В программе (ПГШ "ШТАМП") реализуется изотропная упруго-пластическая модель с упрочнением при неизменных упругих свойствах и малых упругих деформациях. Определяющее уравнение представляет собой уравнение течения Прандтля-Рейсса [175 - 183] в котором материальная производная заменена коротационной. В качестве последней в программе используется производная Яумана. В данном случае (при изотропной теории и малых упругих деформациях) это является достаточно корректным [184 - 193].
Таким образом, используемое в программе определяющее уравнение, свернутое по двум парам индексов имеет вид: CTJ=C--d, (2.11) где aJ = т + а-со-со-ст; (2.12) a - тензор напряжений; со - скорость вращения окрестности материальной точки; а — производная по времени тензора напряжений; С - тензор упругопластичности; d - тензор деформации скорости. В математической модели, которая реализуется в программе, эта скорость представляет собой тензор вихря и определяется формулой: (2.13) lfduk диЛ юк1= . 2 Эх, дкк) Величины С и d определяются следующими выражениями: 3vJS;:Sif Ciiki=Eijki-=i — С2-14) J J c2(l + H7(3G)) и (2.15) 1 ( duk 9oi ki 2 1 1 kj где Eyki - тензор упругости изотропного тела; G - модуль сдвига; Sij, Ski - компоненты девиатора напряжений; — квадрат интенсивности напряжений; Н - модуль упрочнения; х - координата материальной точки; и - скорость перемещения материальной точки. Использование при моделировании изотропной теории пластичности обусловлено тем, что при обкатке осуществляется циклическое, или близкое к нему, деформирование заготовки, при этом приращение параметра Удквиста на каждом цикле невелико. Таким образом, поверхность обратимости будет мало отличаться от окружности, и противоречия с реальной картиной деформирования практически не возникнет.
Выбор модели расчета. Задачи аналитического исследования - математическое моделирование процесса высадки с обкаткой утолщения роликами по номинальному диаметру при реальных технологических параметрах; сравнение результатов расчета по основному критерию - толщине осевого гофра — с опытными данными, и в первом приближении оптимизация технологических параметров высадочного оборудования и технологии высадки. Приведенные ранее [79, 133] варианты исследования выполненные вариационным методом, а также приближенные методы технологических расчетов, такие, как метод характеристик или линий скольжения, не нашли подтверждения на практике ввиду несовершенства примененного метода, математического аппарата и средств вычислительной техники. Кроме того, результаты вычислений не дают однозначных решений по выбору технологических параметров высадки, таких, как скорость перемещения осаживающей траверсы и скорость обкатки, а ведь именно соотношение этих параметров непосредственно влияет на величину подачи материала под обкатывающий ролик.
Геометрия модели и технологические параметры процесса. При высадке внутренний диаметр заготовки и изделия остается постоянным и составляет 225 мм, толщина стенки исходной трубы 24 мм, номинальная толщина стенки в утолщении 65 мм. Угол подъема наружной стенки трубы в очаге пластической деформации на основании экспериментальных данных при стабильно протекающем процессе усредненно примем равным 45. Ролик выполнен с шириной рабочей части, равной 24 мм. Таким образом, расчетная схема примет вид, показанный на рисунке 2.9.
Скорость осаживающей траверсы при высадке в один переход составляет в среднем 5 мм/мин, роликовая обойма содержит 3 ролика и вращается с постоянной скоростью 10 об/мин. В промежуток времени между прохождением роликов по одному и тому же осевому сечению осаживающая траверса успевает переместиться на шаг х = 0,17 мм в осевом направлении.
Экспериментальное исследование валковой штамповки с роликами относительно большого диаметра
Методика экспериментального исследования. Поскольку тонкую полосу в первом приближении можно считать частью кольца нулевой кривизны, то для упрощения проведения исследования в качестве заготовки использовали тон-кую полосу. Исходной заготовкой .являлась литая полоса из свинцового сплава толщиной 5 мм (рисунок 3.11).
На боковую поверхность наносилась прямоугольная координатная сетка с шагом 0,5 мм. В качестве формообразующего инструмента использовался набор цилиндрических роликов (рисунок 3.12).
Исследования проводились на универсальной разрывной испытательной машине МР-200, которая представляет собой двухколонный гидравлический пресс с двумя силовыми гидроцилиндрами, приводящими в движение траверсу. Номинальная сила машины 200кН, ход траверсы 200мм. Результаты экспери-ментов оценивались встроенными приборами по стандартной методике (см. гл. 2). Погрешность машины при измерении нагрузки не более 1%, погрешность измерения перемещения траверсы не более 0,2мм.
После проведения экспериментов измерялась деформация координатной сетки с помощью универсального измерительного микроскопа УИМ-23, погрешность измерения которого не превышает 0,5 мкм.
При проведении экспериментов использовались известные принципы планирования эксперимента, обработки полученных данных и оценки погрешности результатов, основанные на принципах теории вероятности и математической статистики.
Для оценки точности используется методика, составленная на основе определения погрешности при установлении технологических параметров процесса обкатки. Использование разработанной методики позволило повысить достоверность опытных данных. В целом методика планирования эксперимента и статистической обработки данных соответствует описанной в главе 2 настоящей работы. Чтобы установить влияние геометрических параметров процесса обкатки на глубину зоны деформации, ролики разного диаметра внедряли в заготовку. Варьировали следующими параметрами: - диаметром ролика из расчета, что отношение диаметра ролика к толщине заготовки dp S = 1, 2, 3; - глубиной внедрения ролика, которая составляла 0.05; 0.1; 0.15; 0.2 от толщины заготовки.
После внедрения ролика по искажению координатной сетки оценивалась глубина деформированной зоны. Если в какой-то серии экспериментов глубина зоны деформации становилась равной толщине заготовки, то внедрение этого ролика на большую глубину не проводилось.
В результате исследования были определены значения глубины зоны пластической деформации при различных геометрических параметрах. Результаты представлены в таблице 3.1. Фотографии заготовок, деформированных при различных условиях, представлены на рисунке 3.13.
Картина распределения деформаций при внедрении ролика в заготовку, полученная в результате экспериментального исследования, совпадает с данными, полученными в процессе математического моделирования, что подтверждает корректность математической модели при описании процесса обкатки тонкостенной заготовки и правильность задания начальных и граничных условий.
По результатам исследования установлено, что с увеличением диаметра ролика увеличивается глубина наклепанной зоны при одинаковой глубине внедрения. Следовательно, с увеличением диаметра ролика уменьшается величина внедрения его в заготовку до проникновения зоны наклепа на всю толщину стенки (рисунок 3.14). Это позволяет сделать вывод, что использование ролика большего диаметра позволяет деформировать тонкостенную заготовку на большую глубину при постоянной глубине его внедрения, следовательно, применение ролика меньшего диаметра позволяет вести обработку при большей глубине его внедрения и получать большую степень наклепанного слоя 6s3 раскатки заготовки. Также установлено, что при использовании роликов малого диаметра, но большего, чем толщина заготовки (dp0Jl /S = 2, 3) предельная глубина внедрения до проникновения деформации на всю толщину заготовки меньше 0,1S. При этом деформация поверхностных слоев заготовки мала, следовательно, незначительно и упрочнение металла заготовки.
Условия экспериментальных исследований
Условия эксперимента. Поскольку реализовать усовершенствованный процесс с помощью существующей оснастки невозможно, то необходимо было разработать новое обкатное устройство, которое позволит прикладывать к ролику в процессе обкатки не только радиальную, но и тангенциальную тормозную силу.
Однороликовое обкатное устройство с пружинящим корпусом пониженной жесткости и тормозным механизмом показано на рисунках 3.27 и 3.28.
Обкатное устройство имеет следующее устройство: в корпусе 1 на оси 2 вращается ролик 3, в который для уменьшения трения запрессован бронзовый вкладыш 4. Корпус выполнен пружинящим с возможностью измерения его деформации стрелочным индикатором 5, закрепляемым в корпусе винтом 6. Таким образом, можно измерять и изменять радиальную силу обкатки, приложенное к ролику. Отличием данного обкатного устройства является наличие тормозного механизма, работающего следующим образом. В опорах корпуса на оси 7 качается коромысло 8, на котором закрепляется тормозная колодка 9 из фрикционного материала, прижимаемая к ролику пружиной 10. Вращением гайки 11 можно изменять величину сжатия пружины, а следовательно, и силу прижима. При этом на ролике создается тормозная сила, величина которой зависит от силы прижима и коэффициента трения между роликом и тормозной » колодкой.
К устройству прилагается комплект сменных роликов диаметрами 30, 40, 50, 60 мм. Жесткость обкатного устройства до 5000 Н/мм, максимальная величина радиальной силы обкатки 12000 Н, максимальная тормозная сила, прикладываемая к ролику в процессе обкатки - 1200 Н.
Исходной заготовкой являлось отлитое в металлическую форму кольцо из алюминиевого сплава Ал4 (рисунок 3.29) со следующими параметрами: - наружный диаметр 50 мм; - толщина стенки 5 мм; - высота кольца 25 мм; - предел текучести 193 МПа; - шероховатость поверхности Ra = 3.98 мкм, что соответствует 4 классу шероховатости, получаемому при литье в кокиль. - твердость поверхности заготовки HV = 67. В качестве оборудования использовали токарно-винторезный станок модели ФТ-11, со следующими характеристиками: - наибольшее допустимое усилие при обработке, Н 16000; - наибольший диаметр обрабатываемой заготовки, мм 260; - наибольшая длина обрабатываемой заготовки, мм 1000; - частота вращения шпинделя, об/мин 8 - 1600; - наибольший допустимый момент на шпинделе, Н-м: при частоте вращения 8-63 об/мин 1580; при частоте вращения 100 об/мин 1070. Обкатное устройство устанавливается в резцедержатель станка так, чтобы ось ролика была параллельна оси заготовки (рисунок 3.30).
Радиальная сила обкатки контролируется по деформации корпуса устройства с помощью индикатора часового типа ИЧ 10Б кл. 1 ГОСТ 577-68 с ценой деления 0,01 мм. Величина тормозной силы контролируется по величине сжатия тарированной пружины. Обкатка производилась при частоте вращения заготовки 30 об/мин (рисунок 3.31).
Методика измерения шероховатости поверхности. Для определения зависимости качества поверхности от параметров обработки после обкатки измеряли шероховатость наружной поверхности заготовки с помощью профилометра модели 170621 со следующими характеристиками:
RaBn - верхний предел измерения, мкм. Таким образом, на пределе измерения 1 мкм максимальная погрешность не превышает 0,074 мкм, а на пределе 10 мкм максимальная погрешность не превышает 0,65 мкм. Шероховатость измеряли на наружной поверхности заготовки в нескольких точках, затем определяли среднее значение шероховатости.
Методика исследования микротвердости. Для определения показателей упрочнения металла заготовки при обкатке был выбран один из экспериментальных методов - метод определения напряжений в пластической области по распределению твердости. Этот метод основан на изменении твердости при холодном деформировании. Предполагается, что твердость деформированного тела не изменя-ется во времени (во всяком случае,,за промежуток времени между деформированием объекта и измерением ее твердости). Из существующих способов измерения твердости был выбран способ измерения микротвердости [206], так как глубина отпечатка мала по сравнению с толщиной стенки заготовки, что позволяет достаточно точно определить твердость тонкого наклепанного слоя.
Поскольку качество обработанной поверхности заготовки после обкатки достаточно высокое, то дополнительная специальная обработка не требовалась. Измерение микротвердости проводили путем внедрения алмазной пирамиды с углом при вершине 136 под нагрузкой 200 г на микротвердомере ПМТ-3 У4.2.
Показатель (число) твердости определяли по формуле: HV = 1,8584- -, (3.7) где Р — нагрузка на индентор; Н; d - диагональ отпечатка, м. Для алюминиевых сплавов с погрешностью не более 10% справедливо соотношение cs = HV/3, поэтому по приращению твердости можно судить об упрочнении металла.
Методика измерения радиального биения заготовки. Измерение радиального биения заготовки по наружному диаметру кольца измеряли непосредственно после установки заготовки на оправку (см. рисунок 3.32) и закрепления оправки в патроне токарного станка при помощи установленного в штативе индикатора часового типа модели ИЧ 10Б кл. 1 ГОСТ 577-68 с ценой деления 0,01 мм (рисунок 3.33).
Исследование радиального биения заготовки. После обкатки проводили из-мерение радиального биения заготовки. Результаты измерений показали, что радиальное биение заготовки после обкатки на всех режимах уменьшалось незначительно, поскольку жесткость обкатного устройства мала и траектория движения ролика практически повторяет профиль поверхности заготовки. Изменение диаметра заготовки происходит в основном за счет перераспределение металла микронеровностей, смятия выступов и заполнения впадин, при этом достигается равномерность упрочнения поверхности за счет малого колебания усилия обкатки.
