Содержание к диссертации
Введение
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 9
1.1 Особенности конфигурации цилиндрических деталей и технологических процессов их изготовления 9
1.2 Методы исследования процесса вытяжки с утонением стенки 19
ВЫВОДЫ 29
ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 30
2. ВЫТЯЖКА С УТОНЕНИЕМ ТОНКОДОННЫХ КОРПУСОВ В ОДНОКОНУСНОЙ МАТРИЦЕ 31
2.1 Основные уравнения энергетического метода. Разрывные поля скоростей и напряжений 31
2.2 Разрывное поле скоростей для вытяжки с утонением стенки тонкодонных стаканов в конической матрице 41
2.3 Разрывное поле напряжений для вытяжки с утонением в конической матрице 51
2.4 Оценка качества получаемых тонкодонных изделий при вытяжке с утонением в конической матрице 64
ВЫВОДЫ 76
3. ВЫТЯЖКА С УТОНЕНИЕМ СТЕНКИ ТОНКОДОННЫХ КОРПУСОВ
В ДВУХКОНУСНОИ МАТРИЦЕ 79
3.1 Разрывное поле скоростей для вытяжки с утонением стенки стаканов в двухконуснои матрице 79
3.2 Разрывное поле напряжений для вытяжки с утонением в двухконуснои матрице 87
3.3 Оценка качества получаемых тонкодонных изделий при вытяжке с
утонением в конической матрице 93
ВЫВОДЫ 96
4. РАЗРАБОТКА РЕКОШНДАЦИЙ ПО ИЗГОТОВЛЕНИЮ ТОНКОДОННЬІХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ 98
4.1 Деформируемость заготовок при получении тонкостенных колпачков с утоненным дном 98
4.2 Корпусные цилиндрические детали с тонким дном 100
4.3 Разработка технологии изготовления цилиндрических деталей с тонким дном 103
ВЫВОДЫ 113
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 114
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 117
ПРИЛОЖЕНИЯ 127
- Особенности конфигурации цилиндрических деталей и технологических процессов их изготовления
- Основные уравнения энергетического метода. Разрывные поля скоростей и напряжений
- Разрывное поле скоростей для вытяжки с утонением стенки стаканов в двухконуснои матрице
- Деформируемость заготовок при получении тонкостенных колпачков с утоненным дном
Введение к работе
Актуальность.
В современном машиностроении возникает необходимость применения нестандартных по своим характеристикам деталей: предъявляются повышенные требования к их конструкции, качеству изготовления, используемым материалам, которые не всегда удовлетворяются существующими технологиями.
Наиболее перспективным направлением в металлообрабатывающей промышленности является холодная объемная штамповка, в частности, вытяжка с утонением широкой номенклатуры деталей, Среди преимуществ такой операции можно отметить низкую энергоемкость, высокие точность и качество поверхностей изготавливаемых деталей.
Вытяжкой с утонением в основном получают детали с толстым дном, что ограничивает ее применение для изготовления других видов изделий. Например, для корпусов электромагнитных датчиков, применяемых в антиблокировочных системах тормозов автомобилей, основным требованием по конфигурации их является тонкодонность. В этом случае вытянутые толстодонные полуфабрикаты приходится подвергать финишной механической обработке, что сказывается либо на качестве получаемых изделий, а соответственно, и работе датчиков, либо на стойкости инструмента. Кроме того, вытяжка длинноосных деталей из листа толщиной, равной толщине дна, характеризуется многооперационностью технологического процесса, увеличенной трудоемкостью изготовления и сужением номенклатуры получаемых изделий по отношению толщин стенки и дна.
Поэтому стоящие перед технологами задачи, связанные с повышением производительности, а также с решением проблем получения качественных тонкостенных цилиндрических стаканов с тонким дном из высокопрочных и антикоррозионных металлов, являются актуальными.
5 Цель работы. Совершенствование технологии изготовления тонкодонных корпусов с использованием конических матриц для многооперационной вытяжки с утонением стенки. Задачи исследования.
Рассмотреть процесс вытяжки с утонением цилиндрических деталей с различным соотношением толщины дна к стенке.
Разработать комплексную модель процесса вытяжки с утонением тонкодонных стаканов в конических матрицах на основе совместного опорного решения разрывных полей скоростей и напряжений с учетом различного трения на контактных границах.
Произвести оценку ресурса пластичности и возможности разрушения материала в стенке и дне тонкодонных корпусов при вытяжке с утонением стенки,
4. Установить зависимости силовых, деформационных и ресурсных параметров от режимов деформирования и геометрии инструмента при вытяжке с утонением тонкодонных деталей.
5, Применить разработанную комплексную модель для вытяжки с утонением тонкодонных деталей в двухконуснои матрице с оценкой их качества.
6. Разработать технологию для изготовления тонкостенных цилиндрических стаканов с тонким дном из коррозионно-стойких сталей. дном с использованием результатов проведенных исследований.
Методы исследования. Энергетические методы, основанные на экстремальных принципах теории пластичности; моделирование на ЭВМ с использованием программных пакетов Maple, Visio и AutoCAD; экспериментальные методы с использованием современных испытательных машин и регистрирующей аппаратуры.
Научная новизна. На основе совместного решения уравнений для разрывных полей скоростей и напряжений при вытяжке с утонением тонкодонных полуфабрикатов в конических матрицах с учетом различного трения на контактных границах выявлены зависимости силовых и деформационных параметров и возможности формоизменения без разрушения от геометрии вытяжного инструмента, режимов деформирования и значений трения на контактных границах.
Практическая значимость. Разработаны рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления тонкостенных цилиндрических стаканов с тонким дном из коррозионно-стойкой стали с использованием многооперационной вытяжки с утонением стенки в двухконусных матрицах.
Получены рекомендации по выбору геометрии инструмента при различных режимах деформирования, которые позволяют достигать при вытяжке с утонением отношения толщины дна к толщине стенки полуфабриката до 0,25.
Созданы алгоритм и программы для расчета силовых, деформационных и ресурсных параметров вытяжки с утонением стенки тонкодонных деталей в конических матрицах.
Реализация работы. Методика расчёта технологии получения тонкодонных корпусов была использована на ОАО «Тульский патронный завод», г. Тула.
Апробация работы. Материалы настоящей работы представлялись на следующих конференциях и выставках: - ежегодных профессорско-преподавательских конференциях кафедры МПФ ТулГУ (2003-2006 гг.); - Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2002,2003 гг.); - IX Международной выставке молодежных научно-технических проектов «ЭКСПО-НАУКА 2003», Международном молодежном научном конгрессе «Молодежь. Наука. Общество», Ассамблее Международного молодежного научного движения под девизом «Судьба планеты в руках молодых» (Москва, ВВЦ, 2003 г.).
7 Полученные награды: - Диплом лауреата Всероссийского конкурса молодежных проектов «Ползуновские гранты» (Россия, Барнаул, 2002 г.); - Медаль и Диплом лауреата IX Международной выставки молодежных научно-технических проектов «ЭКСПО-НАУКА 2003 (ESI'2003, Moscow)» и Международного молодежного научного конгресса «Молодежь. Наука. Общество» (Москва, ВВЦ, 2003 г.); - Серебряная медаль и Диплом Международного Жюри, Диплом почтения и благодарности на VII Московском Международном салоне промышленной собственности «Архимед 2004» (Москва, ВЦ «Сокольники», 2004 г.).
Публикации. За время проведения исследований было опубликовано по теме диссертации 11 научных работ (общий объем - 2,3 печ.л.; личный вклад - 1,6 печ.л.), в т.ч. 3 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в список ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 101 странице машинописного текста, содержит 66 рисунков, 11 таблиц и 104 наименований библиографического списка. Общий объём работы 126 страниц.
В первой главе дан обзор работ, освещающих современное состояние вопросов вытяжки полых цилиндрических деталей, способов и условий проведения вытяжки с утонением стенки. Существенный вклад в развитие теории и технологии вытяжки внесли А.Ю. Аверкиев, СЛ. Валиев, Г.А. Данилин, У. Джонсон, А.К. Евдокимов, В.Л. Колмогоров, В.В. Каржавин, А.Г. Овчинников, Е.А. Попов, И.П. Ренне, В.П. Романовский, Р. Хилл, ЛЛ. Шофман, СП. Яковлев, С.С. Яковлев и др.
Проведенный анализ исследований, связанных с изготовлением деталей типа стакана с различным отношением толщины дна и стенок,
8 показал, что проблема вытяжки с утонением корпусов с тонким дном практически не исследована.
Во второй главе рассмотрены основные уравнения энергетического метода, с помощью которых была создана комплексная модель вытяжки с утонением тонкодонного полуфабриката в конической матрице на основе совместного опорного решения разрывных полей скоростей и напряжений с учетом различного трения на контактных границах. Определенно влияние на величину силы вытяжки с утонением степени деформации, условий внешнего трения, геометрии инструмента. Выявлена оптимальная геометрия матрицы, при которой снижается технологическая сила и повышается стойкость инструмента и качество изделий. Проведен анализ качества получаемых изделий на основе расчета степени использования ресурса пластичности и выполнения условий неразрушаемости тонкого дна в опасном сечении. Исследована возможность дефектообразования в материале при вытяжке с утонением деталей из коррозионно-стойкой стали в зависимости от степени деформации и геометрии инструмента.
В третьей главе рассмотрен процесс вытяжки с утонением тонкодонной заготовки через двухконусную матрицу, найдена зависимость для силы деформирования от параметров процесса, исследованы зависимости ее от режимов деформирования, и условий трения на контактных поверхностях инструмента, выявлена оптимальная геометрия инструмента и режимы деформирования при вытяжке тонкодонных деталей.
В четвертой главе разработаны рекомендации по совершенствованию технологии получения тонкодонных цилиндрических деталей из нержавеющих сталей, применяемых для электромагнитных датчиков в АБС, среди которых предлагается дно полуфабриката утонять между вытяжными операциями, а вытяжку колпаков с утоненным дном производить в двухконусной матрице. Приведена базовая технология получения тонкодонных цилиндрических деталей. На основе опытных работ получены качественные детали, удовлетворяющих требованиям заказчика.
Особенности конфигурации цилиндрических деталей и технологических процессов их изготовления
Корпусные детали из высокопрочных материалов достаточно широко распространены в приборостроении, медицине, малой энергетике и т.д. В частности, цилиндрические тонкостенные корпуса используются для электронных датчиков, электрических автономных аккумуляторов, топливных элементов и изготавливаются из нержавеющих сталей.
Такие корпуса могут быть по виду образующей цилиндрическими, коническими, криволинейными, ступенчатыми и др. В свою очередь цилиндрические детали имеют различные геометрические соотношения, влияющие на построение технологического процесса и технологические расчеты. Отношения высоты детали к ее диаметру H/D и толщины стенки к диаметру tc/D влияют на количество, например, вытяжных операций, а соотношение толщины дна td к толщине стенки г: tjf \\ t/t=\; t /t \, на вид выбранных операций. В частности, вытяжкой с утонением и комбинированной вытяжкой получают детали с дном толще стенки tjt \, многооперационной вытяжкой без утонения стенки получают детали с равными по толщине стенками и дном ///=1 [16, 59]. Цилиндрические детали с тонким дном t/t \, применяемые в пьезоэлектрических и электромагнитных датчиках, можно получать обычными вытяжными способами и в дальнейшем подвергать механической обработке дна до придания ему нужной толщины, например, резанием (табл. 1).
В работах отечественных ученых Ю.А. Аверкиева, Н.П. Агеева, Г.А.Данилина, С.А. Валиева, В.П. Кузнецова, Е.А. Попова, И.П. Ренне, Л.А. Шофмана, СП. Яковлева, С.С. Яковлева и др. изложены основы теории и накоплен достаточно обширный материал по исследованию процессов вытяжки.
Основные уравнения энергетического метода. Разрывные поля скоростей и напряжений
В теории обработки металлов давлением разрабатываются методы расчета напряжений и деформаций, возникающих в металле при его пластическом деформировании, а также формулируются основные закономерности течения, которым подчиняются технологические процессы.
Для успешной разработки технологических процессов обработки металлов давлением необходимо с достаточной для практических целей точностью уметь определять расчетным путем работу, мощность и силу деформации, которые позволяют проводить выбор типа и мощности оборудования. Кроме того, возникает необходимость кинематических параметров и допустимых степеней деформаций как за одну операцию или переход, так и за весь процесс обработки давлением.
Не менее важно стремиться к оптимизации технологического процесса с целью получения заданной формы заготовки при наименьшей силе и минимальном расходе материала при деформировании. В настоящее время теория пластических деформаций располагает методами для определения выше указанных характеристик, к числу которых относится и метод верхней оценки, базирующийся на кинематически возможном разрывном поле скоростей (РПС) [60, 79,80, 81, 82].
Необходимо отметить, что первым предложил в середине 30-х годов теоремы о верхней и нижней оценках для определения несущей способности конструкций А.А. Гвоздев [18]. Дальнейшее развитие метода связано с работами А.А. Маркова, Р. Хилла, В. Прагера, в которых предложен ряд экстремальных теорем о верхней и нижней оценках, а также заложены основы для разработки вариационных принципов для упруго- и жесткопластических материалов.
Р. Хилл и А.П. Грин в 50-е годы предложили использовать эти теоремы при решении задач пластического деформирования. Развитие этого направления получило в работах Р.Т. Шилда, Д.С. Друкера, П.Г. Ходжа.
В дальнейшем метод верхней оценки использовался в работах отечественных и зарубежных авторов: И.Я. Тарновского, А.Д. Томленова, Ю.А. Алюшина, Л.Г. Степанского, А.Г. Овчинникова, И.П. Ренне, СП. Яковлева, А.К. Евдокимова, В. Джонсона, Э. Томсена, Ч. Янга, Ш. Кобаяши, X. Кудо и др.
Впервые метод совместного решения разрывных полей скоростей и напряжений в вариационной постановке был предложен В.Л. Колмогоровым к решению задач по волочению труб с учетом трения на волоке [44].
Колмогоров В.Л., Качанов Л.М., Богатов А.А., Мижирицкий О.И. в своих работах рассматривали механику разрушения металлов, занимались прогнозированием качества изделий и возможностью управлять его формированием [13,41,45, 46].
class3 ВЫТЯЖКА С УТОНЕНИЕМ СТЕНКИ ТОНКОДОННЫХ КОРПУСОВ
В ДВУХКОНУСНОИ МАТРИЦЕ class3
Разрывное поле скоростей для вытяжки с утонением стенки стаканов в двухконуснои матрице
Входной конус такой двухконусной матрицы обеспечивает пластическую деформацию при вытяжке с утонением, а выходной конус снижает давление на дно изделия, что способствует вытяжке тонкостенных цилиндрических деталей с утоненным дном.
На рисунке 3.1, а) приняты следующие обозначения: 0 - двухконусная матрица, 1 - получаемое изделие, 2, 4 - очаг пластической деформации, 3 -промежуточная жесткая область, 5 - заготовка. Наличие второго конуса приводит к появлению дополнительного очага деформации, а, следовательно, и добавочного параметра уе, поэтому параметрами заготовки, определяющими размер пластической области и ее форму, являются хе и ув
Определяющей геометрией инструмента являются входной сц и выходной а2 углы скоса матрицы и точка пересечения скосов матрицы - т.С, характеризующаяся диаметром А- В зависимости от ее координат происходит перераспределение радиальных сил в осевые и наоборот. Величина диаметра точки пересечения конусов определяет ширину контактной зоны во входной и выходной зонах матрицы. Решением задачи будет нахождение не только оптимальных углов конусности, но и оптимального диаметра Di в общей геометрии матрицы..
Сила деформирования зависит от геометрии инструмента, т.е. углов cti и а2, параметров очага пластической деформации хв и ут режимов деформирования г и условий трения на контактных границах заготовки с матрицей тм и с пуансоном т„. На контактной поверхности материала и пуансона действуют активные силы трения, снижающие силу давления на тонкое дно изделия.
Деформируемость заготовок при получении тонкостенных колпачков с утоненным дном
Входной конус такой двухконусной матрицы обеспечивает пластическую деформацию при вытяжке с утонением, а выходной конус снижает давление на дно изделия, что способствует вытяжке тонкостенных цилиндрических деталей с утоненным дном.
На рисунке 3.1, а) приняты следующие обозначения: 0 - двухконусная матрица, 1 - получаемое изделие, 2, 4 - очаг пластической деформации, 3 -промежуточная жесткая область, 5 - заготовка. Наличие второго конуса приводит к появлению дополнительного очага деформации, а, следовательно, и добавочного параметра уе, поэтому параметрами заготовки, определяющими размер пластической области и ее форму.
Определяющей геометрией инструмента являются входной сц и выходной а2 углы скоса матрицы и точка пересечения скосов матрицы - т.С, характеризующаяся диаметром А- В зависимости от ее координат происходит перераспределение радиальных сил в осевые и наоборот. Величина диаметра точки пересечения конусов определяет ширину контактной зоны во входной и выходной зонах матрицы. Решением задачи будет нахождение не только оптимальных углов конусности, но и оптимального диаметра Di в общей геометрии матрицы..
Сила деформирования зависит от геометрии инструмента, т.е. углов cti и а2, параметров очага пластической деформации хв и ут режимов деформирования г и условий трения на контактных границах заготовки с матрицей тм и с пуансоном т„. На контактной поверхности материала и пуансона действуют активные силы трения, снижающие силу давления на тонкое дно изделия.
