автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Разработка процессов вытяжки с принудительным утонением плоской заготовки и последующего обжима для осесимметричных конических деталей с заданной толщиной стенки

На правах рукописи

Звонов Сергей Юрьевич

Разработка процессов вытяжки с принудительным утонением плоской заготовки и последующего обжима для осесимметричных конических деталей с заданной толщиной стенки

05.02,09 - Технологии и машины обработки давлением

11 АПР 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара-2013

005051593

005051593

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетам образовательном учреждении высшего профессионального образовани «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академик С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) н кафедре обработки металлов давлением.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Самохвалов Владимир Петрович, доктор технических наук, старший научный сотрудник, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)», кафедра производства летательных аппаратов и управления качеством в машиностроении, профессор;

Почекуев Евгений Николаевич, кандидат технических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тольяттинский государственный университет», кафедра сварки, обработки материалов давлением и родственных процессов, доцент.

Ведущая организация:

федеральное государственное унитарное предприятие Государственный научно-производственный ракетно-космический центр «ЦСКБ-Прогресс» (Самара).

Защита состоится 29 марта 2013 г. в 12-00 на заседании диссертационного совета Д212.215.03, созданном на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ.

Автореферат разослан 26 февраля 2013 г.

Ученый секретарь

Попов Игорь Петрович

диссертационного совета д.т.н., доцент

Клочков Ю.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В рыночных условиях современное развитие машиностроения предъявляет высокие требования к совершенствованию технологии, качеству и эксплуатационным характеристикам изделий при низкой себестоимости их производства. Одно из эффективных направлений связано с разработкой технологии, основанных на формообразовании деталей из листа, что позволяет успешно решать проблемы экономии материала и снижения трудоемкости изготовления деталей, с применением листовой штамповки позволяющие получать близкую форму и геометрию к готовому изделию.

Во многих отраслях промышленности и в первую очередь двигателестроения нашли широкое применение осесимметричные конические детали с переменной толщиной стенки (втулки, переходники, форсунки и т.п.). Существующие технологии изготовления подобных изделий либо трудозатратны или имеют низкий коэффициент использования металла за счёт использования более толстой листовой заготовки, которая снижает массовые характеристики изделий.

Наиболее проблематично получение конических деталей с переменной толщиной, когда цилиндрические пояски, расположенные со сторон большего и меньшего диаметров, значительно толще конической части.

Целью диссертационной работы является разработка научно-обоснованной методики проектирования процессов вытяжки с принудительным утонением плоской листовой заготовки и последующего обжима для осесимметричных конических деталей с размерами близкими к размерам готового изделия.

Для достижения поставленной цели в диссертации определены следующие задачи исследования:

1) выявить механизмы пластического деформирования и провести анализ напряженно-деформированного состояния процессов вытяжки с принудительным утонением круглой и кольцевой заготовки и последующего обжима цилиндрической заготовки с отверстием на донном участке;

2) установить предельные возможности процесса вытяжки с принудительным утонением круглой и кольцевой заготовки и последующего обжима цилиндрической заготовки с отверстием на донном участке;

3) установить основные параметры, влияющие на распределение толщины вдоль образующей детали для процесса вытяжки с принудительным утонением в коническую матрицу;

4) разработать методику проектирования процессов вытяжки с принудительным утонением и последующего обжима;

5) провести экспериментальные исследования с целью подтверждения достоверности разработанной методики;

6) разработать рекомендации для внедрения в производство.

Методы исследований:

Теоретические исследования проводились для процессов вытяжки в коническую матрицу с принудительным утонением листовой круглой или

кольцевой заготовки и последующего обжима цилиндрической заготовки с отверстием на донном участке, используя основные положения теории листовой штамповки.

Проведены исследования рассматриваемых процессов в специализированном программном комплексе DEFORM-2D, на основании которых выявлены допущения, используемые при теоретическом анализе.

Экспериментальные исследования выполнены в лабораторных условиях. Для обработки результатов исследований принимались статистические методы. В качестве основного оборудования использовалась машина ЦДМПУ-30, в качестве измерительной техники - DEA Global Performance.

Научная новизна:

1) разработана научно-обоснованная методика проектирования процессов вытяжки с принудительным утонением плоской заготовки и последующего обжима цилиндрической заготовки с отверстием на донном участке для осесимметричных конических деталей с переменной толщиной стенки вдоль образующей;

2) разработаны математические модели процессов вытяжки с принудительным утонением в коническую матрицу листовой круглой и кольцевой заготовки для последующего обжима заготовки с отверстием на донном участке заготовки;

3) определены предельные параметры и границы применения процессов вытяжки с принудительным утонением материала круглой и кольцевой заготовки и последующего обжима заготовки с отверстием на донном участке для осесимметричных конических деталей с переменной толщиной стенки.

Практическая ценность работы

Разработана методика проектирования с определением основных технологических параметров процессов вытяжки в коническую матрицу с принудительным утонением и последующего обжима заготовки с отверстием на донном участке, что позволяет сократить расход материала, снизить трудоемкость детали.

Спроектирована конструкция штамповой оснастки.

Автор защищает:

1) методику проектирования процессов вытяжки плоской кольцевой заготовки в коническую матрицу с принудительным утонением и последующего обжима цилиндрической заготовки с отверстием на донном участке. Методика обеспечивает снижение трудоемкости, увеличение коэффициента использования материалов для осесимметричных конических деталей с переменной толщиной стенки;

2) выявленные на основе теоретических методов и математического моделирования механизмы, анализ напряженно-деформированного состояния заготовки в рассматриваемых процессах формообразования осесимметричных конических деталей с переменной толщиной стенки;

3) результаты экспериментальных исследований;

4) конструкцию штамповой оснастки.

Достоверность результатов подтверждается:

• научно-обоснованным анализом процессов вытяжки в коническую матрицу с принудительным утонением и последующего обжима заготовки с отверстием на донном участке;

• корректностью постановки задачи;

• использованием теории листовой штамповки и специализированного программного комплекса Deform;

• современными методами проведения экспериментов и обработки полученных данных;

• сходимостью полученных данных от разных методов исследований.

Апробация работы

Отдельные результаты исследований использовались в курсовых и дипломных проектах студентов ФГБУ ВПО Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет).

Результаты исследований рекомендованы в виде руководящих технических материалов в производстве на предприятии ОАО «Металлист-Самара» (г. Самара).

Основные материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях различного уровня, проводимых в СГАУ и других организациях России с 2007 года и по настоящее время: «XXXIII Самарская областная студенческая научно-техническая конференция» (Самара, 2007 г.); «Королёвские чтения» (СГАУ, Самара, 2007, 2009, 2011 гг.); «Мавлютовские чтения» (УГАТУ, Уфа, 2008, 2010, 2011 гг.); аспирантские чтения (СамГМУ, Самара, 2009 г.); международная конференция «Металлофизика, механика материалов, наноструктур и процессов деформирования» (СГАУ, Самара, 2009 г.); «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (СГАУ, Самара, 2009 г.); «Современные наукоёмкие инновационные технологии» (Дом науки и техники, Самара, 2010 г.); «Туполевские чтения» (КГТУ, Казань, 2011 г.); «Проблемы и перспективы развития наземного транспорта и энергетики» (КГТУ, Казань, 2011 г.); «Космос 2012» (СГАУ, Самара, 2012 г.); «НТКД-2012 в рамках салона Двигатели 2012» (ВВЦ, Москва, 2012 г.).

Публикации: По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ 3 работы.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 110 источников, приложений. Работа изложена на 138 страницах основного текста и содержит 89 рисунков и 13 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность рассматриваемых научно-технических проблем, сформулирована цель работы и основные задачи, научная новизна,

методы исследования, практическая ценность работы, о публикациях, структуре и объеме диссертационной работе.

В первой главе проведён анализ существующих методик проектирования процесса и технологических способов получения конических деталей с переменной толщиной вдоль образующей. Обоснована постановка цели и задачи исследований.

В развитие теории и технологии изготовления конических деталей большой вклад внесли: Аверкиев Ю.А., Берлет Ю.Н., Валиев С.А., Гречников Ф.В., Дмитриев A.M., Евсюков С.А., Исаченко Е.И., Маслов В.Д., Попов Е.А., Попов И.П., Романовский В.П., Сторожев М.В., Соколовский В.Н., Чистяков В.П., Фомин М.З., Шофман JI.A. и др.

Из анализа известных способов получения конических деталей с переменной толщиной стенки вдоль образующей, предложен способ формообразования, содержащий две операции: вытяжка с принудительным утонением плоской кольцевой или круглой заготовки и последующего обжима цилиндрической заготовки с отверстием на донном участке (рисунок 1).

Применение предлагаемого способа ограничено отсутствием научно-обоснованной методики проектирования технологического процесса. Отсутствуют ограничения предельных возможностей вытяжки с принудительным утонением кольцевой заготовки и последующего обжима цилиндрического стакана с разной толщиной вдоль образующей.

Аналитический обзор помог определить цель и выделить задачи исследования.

U заг

1)

/

- и ота

3) 4

4)

Рисунок 1 - Схема технологии процесса изготовления полых конических деталей

с переменной толщиной стенки вдоль образующей способами пластического деформирования и окончательной механической обработки: 1 - резка заготовок из листа; 2 - вытяжка с принудительным утонением; 3 - обжим

Вторая глава посвящена исследованию с применением программного продукта DEFORM -2D процессов изготовления полых конических деталей с переменной толщиной стенки вдоль образующей способами пластического

деформирования.

В таблице 1 приведены принимаемые значения исследуемых параметров для процесса вытяжки в безразмерной величине.

Таблица 1 - Принимаемые значения исследуемых параметров для процесса вытяжки

Параметры Принимаемые значения

ГПвыт 0,45 0,48 0,5 0,56 0,6

Шут 0,44 0,48 0,52 0,56 0,6

гсп/8 0,4 0,8 1,6 2,4 3,2

¿отв/Озаг 0,14 0,18 0,22 0,26 0,28

f 0,05 0,1 0,15 0,2

На основании полученных результатов вытяжки с принудительным утонением в коническую матрицу установлено, что процесс вытяжки кольцевой и круглой заготовки целесообразнее рассматривать в две стадии (рисунок 2), которые позволяют более точно рассчитать толщину стенки.

Первая стадия характеризуется формированием конической чаши. Вторая стадия начинается после процесса формообразования конической чаши и обуславливается формированием цилиндрического стакана.

Применение вытяжного пуансона с относительной величиной радиуса скругления гсп/8заг<0,4 приводит к уменьшению толщины в опасном сечении, но не превышает величины принудительного утонения цилиндрической стенки. В этом случае возможен обрыв в опасном сечение, а при последующем обжиме наблюдается кольцевая потеря устойчивости. Для отношения гС1/8заг>1,6 на коническом участке детали при последующем обжиме наблюдается чрезмерное увеличение толщины материала.

- Е#еИгл ¡МРа)

а) б)

Рисунок 2- Стадии процесса вытяжки с принудительным утонением в коническую матрицу круглой заготовки: а - первая стадия вытяжки в коническую матрицу; б — вторая стадия вытяжки с принудительным утонением

Заготовкой для последующего обжима является цилиндрический стакан. Процесс обжима цилиндрического стакана также можно разделить на две стадии. Первая стадия - формирование конической части детали, а вторая -формирование цилиндрического участка с меньшим диаметром. Второй цилиндрический участок, сформированный при вытяжке, при обжиме своих геометрических размеров не изменяет. На момент остановки процесса сформированы: конический участок и два цилиндрических участка требуемой высоты (рисунок 3).

Рисунок 3 - Стадии процесса обжима цилиндрической заготовки с отверстием

в донной части

При обжиме цилиндрической заготовки с отверстием в донной части рассматривалась потеря устойчивости заготовки для разных толщин стенки вдоль образующей и диаметров отверстий.

Установлено оптимальное соотношение диаметров отверстия и заготовки как для вытяжки с принудительным утонением, так и для обжима, которое составляет (¿отв/йзаг = 0,22-^0,32.

У заготовок, полученных вытяжкой с принудительным утонением и отверстием на донном участке при обжиме наблюдается потеря устойчивости для относительных толщин 8/8заг <0,52, а для значений 0,52< 8/8заг <0,6 плохое прилегание детали к конической поверхности матрицы.

В третьей главе устанавливались аналитические зависимости, описывающие изменения вдоль образующей толщины, деформации по толщине детали полученной штамповкой. Зависимости получены на основании известных теоретических положений листовой штамповки и результатов расчета в программном продукте 0ЕРСЖМ-20.

На рисунке 4 представлена схема вытяжки с принудительным утонением.

а) \ б)

Рисунок 4 - Схема вытяжки с принудительным утонением: а - первая стадия; б - вторая стадия; 1 - участок конуса; 2 - участок опасного сечения; 3 - донный

участок; S3ar - толщина заготовки; R3ar - радиус заготовки; х - перемещение кромки заготовки; RH - переменный радиус кромки; Re- тангенциальный радиус; Ra— радиус дна; Ron- радиус опасного сечения; hK - высота конуса

Меридиональное напряжение в момент формообразования в коническую чашу определяли по установленной формуле:

а

П П П / \ 1-х

где: П - модуль упрочнения, х - смещение края фланца заготовки.

(Т

Анализ формулы 1 показывает, что она даёт экстремум

т.,

П

(1)

при

изменении х. Взяв производную по х, находим смещение края фланца заготовки, при котором напряжение имеет максимум:

х =1-

1+^7-

Я

(2)

Отсюда нашли условие, при котором проводили последующую вытяжку с принудительным утонением во избежание обрыва дна заготовки:

Rн=Rзar(l-x). (3)

где: Ян - переменный радиус кромки.

Деформация и толщина определялись в характерных элементах. На границе первого и второго участка конической заготовки толщину определим по формулам:

П

s, = S3al ехр

П

(4)

(5)

В сечении II (рисунок 4а) напряжение, деформацию по толщине и толщину находили по формулам:

= (ато + mXl + fctgaí 1 - + -Ä— \ 1-х) +

(6)

(Ю)

_ ртахоп.с. ^то

6s" ~-П-' (7)

Sn=S3ar(l-esin)- (8)

В сечении III (рисунок 4а) напряжение находили по формуле:

__Ъ-

р max D

2^ + 1 __s

pmzxd fa , (9)

Деформацию по толщине и толщину:

,, _ Р\nax¿» ^то

cslü - п

Siii=S3ar(l-eSIIi). (11)

Осевое напряжение в протянутой стенке заготовки через верхний поясок

матрицы определяли по формуле (работа Дмитриева A.M.):

, /,. -0,5/„. , Rk-r 1-cosa.

стс = 1,155х((1 + " . J»)x\n-¿-+ —-) (12)

sina, Л| — у sina v '

где: R, - радиус матрицы; <ус — осевое напряжение в протянутой стенке заготовки.

Через нижний поясок матрицы по формуле:

,,,,.1-cosa, 0,5 /„ , R,-r /„ xrxl-2f xR. х/г.

<TC2 =<rc+l,155(—;---J*-^üi.-!-—)

sina, sina, R — r R —r ....

V /

где : сгС2 — осевое напряжение в протянутой стенке заготовки через нижний поясок матрицы;Л*, Ик - высоты цилиндрических поясков матрицы.

Полученные зависимости позволяют установить предельные возможности из условия сгс2 <ств.

Определение толщины у конической детали, полученной обжимом, проводили по следующим участкам:

• первый участок - кольцевое дно;

• второй участок - радиусное скругление пуансона;

• третий участок — цилиндрический участок с минимальной толщиной;

• четвёртый участок - цилиндрический участок с максимальной толщиной возле кромки.

На рисунке 5 представлена схема обжима цилиндрического стакана.

3)

Рисунок 5- Схема обжима цилиндрического стакана: 1 - заготовка (цилиндрический стакан) для обжима; 2 - радиусное скругление цилиндрического стакана при увеличении; 3 - коническая деталь

Использованы формулы для определения напряжений при обжиме (Е. И. Семенов):

= 0,5 х <т х

1+1^- |(3-2хсова), (14)

Деформации на коническом участке определили по уравнению связи:

а„

1

е.. =

--2

(15)

Для расчёта толщины использовали зависимость:

■5 = 5- . (16)

V Р

Четвёртая глава посвящена экспериментальным исследованиям, направленных на подтверждение достоверности результатов теоретического анализа и математического моделирования в программном продукте 0ЕР(ЖМ-20.

Проведена серия экспериментов по определению толщин деталей из

круглой и кольцевой заготовок и предельных параметров процессов. Представлены: оборудование, материалы, методика и результаты экспериментов.

На основе результатов теоретических расчетов и моделирования была изготовлена экспериментальная оснастка для формообразования конической детали типа «форсунка», представленная на рисунках 6 и 7. ■8 7

1 2 з 4 а) б)

Рисунок 6 - Оснастка для вытяжки с принудительным утонением: а - детали оснастки для вытяжки, б - общий вид оснастки для вытяжки, установленной на нижней траверсе пресса ЦДМПУ-30; 1 - пуансон, 2 - коническая матрица, 3 - бандаж, 4 - установочное кольцо, 5 - выталкиватель, 6 - прокладка, 7 - контейнер, 8 - эластичный буфер,

1 2 а) б) Рисунок 7 - Универсальная гидравлическая машина ЦДМПУ-30 с установленным экспериментальным штампом для обжима: 1 - матрица; 2 - пуансон; а - детали оснастки для обжима; б - общий вид оснастки для обжима, установленной на нижней траверсе пресса ЦДМПУ-30

При проведении экспериментов использовались следующие материалы для заготовок: сталь 12Х18Н10Т; алюминиевый сплав Д16АМ. Для стали 12Х18Н10Т применяли смазку Синэрс-В и лак XBJI, а для алюминиевого сплава Д16АМ минеральное масло.

Измерения толщин заготовок и деталей проводились с помощью координатно-измерительной машины DEA Global Performance, индикаторной стойки и штангенциркуля с точностью 0,001 мм, 0,01 мм и 0,05 мм соответственно (рисунок 8) _

Рисунок 8 - Мерительный инструмент: а - координатно-измерительная машина DEA Global Performance; б - измерительная стойка со штангельциркулем

На рисунке 9 и 10 представлены распределение толщины стенки вдоль образующей цилиндрического стакана и конической детали.

т

S,MM

о

л 2.6

Щ 2.4

и

н 2,2

5 9 13

Длина образующей стенки

17 L,MM 21

Рисунок 9 - Толщины конической детали и цилиндрической заготовки, из стали 12Х18Н10Т: 1 - коническая деталь; 2 — заготовка после вытяжки

Рисунок 10 - Пример сопоставления контуров готового изделия и конической детали (сталь 12Х18Н10Т): 1 - контур конической детали полученной после эксперимента; 2 - контур конического изделия; 3 - контур конической детали, полученной при моделировании

Результаты эксперимента подтвердили результаты моделирования.

Эксперименты показали достоверность предлагаемой методики расчёта толщины заготовки с погрешностью не более 10 %.

В пятой главе приведены: пример последовательности выполнения операций при проектировании технологии изготовления конических деталей; расчёты параметров технологического процесса; схемы устройств для производства полых конических деталей с переменной толщиной вдоль образующей.

На рисунке 11 показана геометрия конической детали, для которой проводились расчёты технологического процесса. КИМ на одну единицу изделия при изготовлении механической обработкой составил 10%, а по предлагаемой технологии 37%. Таким образом, увеличение КИМ на одно изделие относительно базового варианта составило 72%.

Рисунок 11- Размеры изделия ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Разработана научно-обоснованная методика проектирования конической детали с размерами наиболее близкими к готовому изделию на основе, процессов вытяжки с принудительным утонением в коническую матрицу из кольцевой

заготовки и последующего обжима с отверстием в донной части. Научные и практические результаты работы состоят в следующем:

1) анализ научно-технической литературы показал, что одним из рациональных производительных и экономичных процессов изготовления конических деталей с утолщёнными цилиндрическими участками являются процессы вытяжки с принудительным утонением в коническую матрицу и последующего обжима. Выявлен механизм и проведен анализ напряженно-деформированного состояния;

2) разработана методика проектирования способа формообразования, основанного на процессах вытяжки с принудительным утонением из кольцевой заготовки с ^„„:»/Д„= 0,22 и последующего обжима конических деталей с утолщёнными цилиндрическими участками, позволяющего формировать толщину стенки вдоль образующей близкую к готовому изделию;

3) определены основные технологические параметры (гсп — радиус скругления пуансона для вытяжки, основные размеры кольцевой заготовки, заготовки для обжима, Кут - коэффициент утонения), влияющие на толщины детали при вытяжке с принудительным утонением и обжимом;

4) установлены силовые и предельные параметры формообразования при вытяжке;

5) усовершенствована штамповая оснастка для формообразования конических деталей, с разной толщиной стенки вдоль образующей близкой к готовому изделию;

6) погрешность результатов, полученных при моделировании, теоретических расчётах и экспериментах не превышает 10%;

7) разработаны рекомендации для проектирования осесимметричных конических толстостенных деталей с утолщенными цилиндрическими поясками.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

В ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией:

1. Звонов С.Ю. Особенности процесса формообразования полых конических деталей из кольцевой заготовки [Текст]/С.Ю. Звонов, И.П. Попов, А.Г. Шляпугин//Известия вузов. Авиационная техника, Казань, №3, 2010.-стр. 75-76.

2. Звонов, С.Ю. Экспериментальные исследования процессов вытяжки, вытяжки с отбортовкой и принудительным утонением толстостенной заготовки [Текст]// С.Ю. Звонов, В.П. Белянин, М.А. Болотов, И. П. Попов// Известия Самарского научного центра РАН, Самара, 2010. - Т.12, №4(3). С. 558-561.

3. Звонов, С.Ю. Формообразование детали типа «форсунка» двигателя летательного аппарата [Текст]// С. Ю. Звонов, И. П. Попов, В. А. Михеев// -Вестник СГАУ, Самара, 2010. - №4(24). С. 58-64.

и в других изданиях:

4. Пат. 80370 Российская Федерация, МПКВ2Ю22/20. Устройство для вытяжки деталей с переменной толщиной [Текст]/ С.Ю. Звонов, И.П. Попов, Ф.В. Гречников, О.Ю. Блинова, А.Г. Шляпугин; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Самар. гос. аэрокосм. ун-т. - 2008100731/22; 09.01.2008; опубл. 10.02.2009, Бюл. № 4.

5. Звонов С.Ю. Особенности процесса формообразования полых конических деталей из кольцевой заготовки [Текст]/ С.Ю. Звонов, И.П. Попов, А.Г. Шляпугин // Всероссийская молодежная научная конференция «Мавлютовские чтения», Сборник трудов том №2 - Уфа, Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т., 2008. -стр. 134-135.

6. Звонов С.Ю. Особенности процесса вытяжки в коническую матрицу с принудительным утонением из листового материала [Текст]/ С.Ю. Звонов, И.П. Попов//Международная научно-техническая конференция «Металлофизика, Механика материалов, наноструктур и процессов деформирования», Сборник трудов - Самара, СГАУ, 2009. - стр. 103-106.

7. Звонов С.Ю. Определение характера изменения толщины опасного сечения при вытяжке в коническую матрицу с принудительным утонением толстостенной заготовки [Текст]/ С.Ю. Звонов, И.П. Попов// Республиканский научный журнал «Технология производства металлов и вторичных материалов», Казахстан, Караганда, КГИУ, №1, 2010. - стр. 137-140.

8. Звонов С.Ю. Разработка новой технологии изготовления детали «втулка» [Текст]/ С.Ю. Звонов, И.П. Попов, А.Г. Шляпугин// VI международная научно-техническая конференция АНТЭ, Казань, КНИТУ-КАИ, 2011. - стр. 587-590.

9. Звонов С.Ю. Разработка методики проектирования конической детали с размерами, близкими к готовому изделию [Текст]/ С.Ю. Звонов, И.П. Попов// Научно-технический конгресс по двигателестроению 2012, Москва, АССАД, 2012.-стр. 327-329.

10. Звонов С.Ю. Определение предельных параметров формоизменения для вытяжки с принудительным утонением в коническую матрицу [Текст]/ С.Ю. Звонов// Вестник совета молодых ученых и специалистов, Самара, СГАУ, №1,2012, стр. 77-88.

Подписано в печать 19.02.2013. Формат 60x84/16

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экземпляров Отпечатано с готового оригинал-макета заказчика 443086 Самара, Московское шоссе, 34, СГАУ

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)»

На правах рукописи

Звонов Сергей Юрьевич

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССОВ ВЫТЯЖКИ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ УТОНЕНИЕМ ПЛОСКОЙ ЗАГОТОВКИ И ПОСЛЕДУЮЩЕГО ОБЖИМА ДЛЯ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ КОНИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ С ЗАДАННОЙ ТОЛЩИНОЙ СТЕНКИ

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

^ Диссертация на соискание ученой

О степени кандидата технических наук

ю

ю „

ю £

со а

ю

О ^ Научный руководитель:

СМ С: д.т.н., профессор Попов И.П.

Самара 2013

Оглавление

Введение...........................................................................................................................5

1. Анализ способов получения осесимметричных полых конических деталей с цилиндрическими поясками изделий с переменной толщиной стенки вдоль образующей....................................................................................................................11

1.1 Классификация полых конических деталей с переменной толщиной стенки

по конструктивно-геометрическому признаку............................................................................12

1.2 Анализ способов формообразования заготовок в осесимметричные полые конические щцелия с переменной толщиной стенки вдоль образующей...........................15

1.2.1 Способы формообразования трубных заготовок в конические

детали на основе процессов обжима и раздачи..............................................................17

1.2.2 Способы на основе процессов многопереходной вытяжки................................21

1.2.3 Способы на основе процессов вытяжки цилиндрической заготовки

и последующего обжима......................................................................................................24

1.2.4 Способ на основе процессов вытяжки с принудительным утонением

и последующего обжима......................................................................................................27

1.3 Выводы по главе. Цель и задачи исследования..................................................................30

2. Исследованиес помощью программы DEFORM-2D процессов вытяжки

с принудительным утонением и последующего обжима..........................................32

2.1 Общие принципы проведения вычислительного эксперимента

с использованием программного комплекса DEFORM - 2D..................................................32

2.2 Вытяжка с принудительным утонением плоской круглой заготовки...........................40

2.2.1 Связь предельных коэффициентов утонения заготовки

с коэффициентами вытяжки................................................................................................42

2.2.2 Влияние радиусного скругления пуансона на распределение

толщины детали при вытяжке с принудительным утонением.....................................45

2.3 Вытяжка с принудительным утонением плоской кольцевой заготовки.....................47

2.3.1 Влияние прижима на донную часть кольцевой заготовки..................................49

2.4 Обжим заготовки с отверстием в донной части..................................................................51

2.4.1 Установление предельных параметров при обжиме заготовки, полученной вытяжкой с принудительным утонением...................................................53

2.5 Выводы по результатам моделирования процессов вытяжки заготовки

с принудительным утонением и последующего обжима.........................................................54

3. Теоретические исследования процессов вытяжки с принудительным утонением и последующего обжима...........................................................................56

3.1 Применяемые гипотезы и допущения....................................................................................56

3.2 Теоретические исследования процессов вытяжки с принудительным утонением и обжима...........................................................................................................................59

3.2.1 Определение толщины детали при вытяжке с принудительным утонением плоской круглой заготовки..............................................................................59

3.2.2 Определение толщины детали при вытяжке с принудительным утонением плоской кольцевой заготовки.........................................................................72

3.2.3 Определение толщины детали при обжиме...........................................................77

3.3 Выводы по главе...........................................................................................................................80

4. Экспериментальные исследования.......................................................................82

4.1 Методика проведения эксперимента......................................................................................82

4.2 Оборудование, инструменты, используемые в экспериментальных исследованиях.......................................................................................................................................89

4.3 Материалы, используемые в экспериментальных исследованиях.................................95

4.4 Результаты экспериментальных исследований процессов вытяжки

с принудительным утонением и обжима......................................................................................95

4.4.1 Результаты исследований из плоской круглой заготовки...................................95

4.4.2 Результаты исследований из плоской кольцевой заготовки.............................101

4.4.3 Сравнение полученных данных.............................................................................108

4.5 Выводы по главе.........................................................................................................................113

5. Методика проектирования процессов вытяжки с принудительным

утонением и последующего обжима для деталей типа «форсунка».....................114

5.1 Пример расчёта...........................................................................................................................115

5.2 Устройства для формообразования полых конических деталей..................................119

Основные результаты и выводы по работе..............................................................123

Основные условные обозначения..............................................................................125

Список использованных источников........................................................................127

Введение

В авиационной промышленности проблема эффективности производства в значительной степени связана с получением штампованной детали, размеры которой либо близки, либо полностью соответствуют готовому изделию. Это позволяет, с одной стороны, повысить эксплуатационные характеристики, с другой -снизить себестоимость готового изделия за счет повышения коэффициента использования материала и снижения трудовых затрат. Особенно остро проблема стоит в производстве изделий для двигателей летательных аппаратов. При производстве энергетических установок летательных аппаратов используются небольшие по размерам полые осесимметричные конические с цилиндрическими поясками изделия (в дальнейшем конические изделия) типа «форсунка» из специальных сплавов с относительными геометрическими характеристиками/с! > 0.5, > 0.5, где Б - средняя толщина изделия, <1 - наибольший диаметр изделия, Ь - высота изделия. Особенностью конструкции подобных изделий является наличие разной толщины вдоль образующей, причем наибольшие значения принадлежат цилиндрическим пояскам, а наименьшие - стенке.

Для изготовления изделий с переменной толщиной стенки широко используется механическая обработка заготовки из прутка. Этот способ изготовления изделий имеет низкий коэффициент использования материала около 10%.

Изготовить конические изделий с разной толщиной стенки вдоль образующей возможно, используя сочетания процессов вытяжки в коническую матрицу с принудительным утонением плоской круглой или кольцевой заготовки и последующего обжима цилиндрической заготовки, полученной вытяжкой, с отверстием на донном участке, с разной толщиной стенки вдоль образующей.

Заготовки, полученные вытяжкой с отверстием на донном участке, позволяют увеличить выход годного материала и снизить трудоёмкость изготовления подобных изделий.

Однако для изготовления подобных изделий с использованием процессов вытяжки с принудительным утонением и последующего обжима цилиндрической заготовки с отверстием на донном участке, отсутствует методика проектирования.

Работа является продолжением исследований, проводимых на кафедре «Обработка металлов давлением» под руководством доктора технических наук, профессора И.П. Попова в ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)», направленных на получение деталей с размерами толщин, близкими или полностью соответствующими готовому изделию, используя формообразующие операции листовой штамповки.

Целью диссертационной работы является разработка научно обоснованной методики проектирования процессов вытяжки с принудительным утонением плоской листовой заготовки и последующего обжима для осесимметричных конических деталей с размерами, близкими к размерам готового изделия.

Для достижения поставленной цели в диссертации определены следующие задачи исследования:

• выявить механизмы пластического деформирования и провести анализ напряженно-деформированного состояния процессов вытяжки с принудительным утонением круглой и кольцевой заготовки и последующего обжима цилиндрической заготовки с отверстием на донном участке;

• установить предельные возможности процесса вытяжки с принудительным утонением круглой и кольцевой заготовки и последующего обжима цилиндрической заготовки с отверстием на донном участке;

• установить основные параметры, влияющие на распределение толщины вдоль образующей детали для процесса вытяжки с принудительным утонением в коническую матрицу;

• разработать методику проектирования процессов вытяжки с

принудительным утонением и последующего обжима;

• провести экспериментальные исследования с целью подтверждения достоверности разработанной методики;

• разработать рекомендации для внедрения в производство.

Методы исследований:

Теоретические исследования проводились для процессов вытяжки в коническую матрицу с принудительным утонением листовой круглой или кольцевой заготовки и последующего обжима цилиндрической заготовки с отверстием на донном участке, используя основные положения теории листовой штамповки.

Проведены исследования рассматриваемых процессов в специализированном программном комплексе DEFORM-2D, на основании которых выявлены допущения, используемые при теоретическом анализе.

Экспериментальные исследования выполнены в лабораторных условиях. Для обработки результатов исследований принимались статистические методы. В качестве основного оборудования использовалась машина ЦДМПУ-30, в качестве измерительной техники - DEA Global Performance.

Автор защищает:

1) методику проектирования процессов вытяжки плоской кольцевой заготовки в коническую матрицу с принудительным утонением и последующего обжима цилиндрической заготовки с отверстием на донном участке. Методика обеспечивает снижение трудоемкости, увеличение коэффициента использования материалов для осесимметричных конических деталей с переменной толщиной стенки;

2) выявленные на основе теоретических методов и математического моделирования механизмы, анализ напряженно-деформированного состояния заготовки в рассматриваемых процессах формообразования осесимметричных конических деталей с переменной толщиной стенки;

3) результаты экспериментальных исследований;

4) конструкцию штамповой оснастки.

Научная новизна:

1) разработана научно обоснованная методика проектирования процессов вытяжки с принудительным утонением плоской заготовки и последующего обжима цилиндрической заготовки с отверстием на донном участке для осесимметричных конических деталей с переменной толщиной стенки вдоль образующей;

2) разработаны математические модели процессов вытяжки с принудительным утонением в коническую матрицу листовой круглой и кольцевой заготовок для последующего обжима заготовки с отверстием на донном участке;

3) определены предельные параметры и границы применения процессов вытяжки с принудительным утонением материала круглой и кольцевой заготовки и последующего обжима заготовки с отверстием на донном участке для осесимметричных конических деталей с переменной толщиной стенки.

Достоверность результатов подтверждается:

• научно обоснованным анализом процессов вытяжки в коническую матрицу с принудительным утонением и последующего обжима заготовки с отверстием на донном участке;

• корректностью постановки задачи;

• использованием теории листовой штамповки и специализированного программного комплекса Deform;

• современными методами проведения экспериментов и обработки полученных данных;

• сходимостью полученных данных от разных методов исследований.

Практическая ценность работы

Разработана методика проектирования с определением основных технологических параметров процессов вытяжки в коническую матрицу с принудительным утонением и последующего обжима заготовки с отверстием на донном участке, что позволяет сократить расход материала, снизить трудоемкость детали.

Спроектирована конструкция штамповой оснастки.

Апробация работы

Отдельные результаты исследований использовались в курсовых и дипломных проектах студентов ФГБОУ ВПО Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет).

Результаты исследований рекомендованы в виде руководящих технических материалов в производстве на предприятии ОАО «Металлист-Самара» (г. Самара).

Основные материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях различного уровня, проводимых в СГАУ и других организациях России с 2007 года и по настоящее время: «XXXIII Самарская областная студенческая научно-техническая конференция» (Самара, 2007 г.); «Королёвские чтения» (СГАУ, Самара, 2007, 2009, 2011 гг.); «Мавлютовские чтения» (УГАТУ, Уфа, 2008, 2010, 2011 гг.); аспирантские чтения (СамГМУ, Самара, 2009 г.); международная конференция «Металлофизика, механика материалов, наноструктур и процессов деформирования» (СГАУ, Самара, 2009 г.); «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (СГАУ, Самара, 2009 г.); «Современные наукоёмкие инновационные технологии» (Дом науки и техники, Самара, 2010 г.); «Туполевские чтения» (КГТУ, Казань, 2011 г.); «Проблемы и перспективы развития наземного транспорта и энергетики» (КГТУ, Казань, 2011 г.); «Космос 2012» (СГАУ, Самара, 2012 г.); «НТКД-2012 в рамках салона Двигатели 2012» (ВВЦ, Москва, 2012 г.).

Публикации: По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, -3 работы.

Структура и объем диссертации: диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, списка использованных источников; работа изложена на 138страницах, включая89 рисунков, 13 таблиц.

Автор выражает благодарность коллективу кафедры «Обработка металлов давлением» за содействие, а также заведующему кафедрой ОМД, члену-корреспонденту РАН, профессору Ф.В. Гречникову и научному руководителю, доктору технических наук, профессору И.П. Попову за практическую помощь при выполнении работы, ценные замечания и рекомендации.

1. Анализ способов получения осесимметричных полых конических деталей с цилиндрическими поясками изделий с переменной толщиной

стенки вдоль образующей

Полые осесимметричные конические изделия с разной толщиной стенки вдоль образующей из жаропрочных сплавов нашли широкое распространение в изделиях аэрокосмической техники, особенно в двигателях летательных аппаратов, и отличаются большим разнообразием как формами, так и размерами(рисунок 1.1) [30,50].

б)

Рисунок 1.1- Использование конических деталей с переменной вдоль образующей толщиной стенки в двигателях летательных аппаратах: а - топливный коллектор ГТД, форсунка; б - коническая часть реактивного сопла

Существующие в настоящее время технологии изготовления осесимметричных полых конических изделий с переменной толщиной стенки вдоль образующей и основанные на них способы формообразования должны удовлетворять:

• Геометрическим размерам заданной точности (толщине стенки, диаметральным размерам, качеству поверхности);

• механическим свойствам;

• эксплуатационным характеристикам.

1.1 Классификация полых конических деталей с переменной толщиной стенки по конструктивно-геометрическому признаку

В конструкции двигателей летательных аппаратов полые конические изделия используются в местах соединения трубопроводов при переходе от большего диаметра к меньшему, в топливных коллекторах ГТД. Подобные изделия по распределению толщины стенки вдоль образующей можно представить в виде эпюр, показанных на рисунке 1.2.

В таблице 1.1 приведена классификация по относительным геометрическим размерам полых осесимметричных конических изделий с переменной толщиной вдоль образующей стенки, применяемых в двигателях летательных аппаратов.

В качестве конструктивных геометрических признаков конических изделий приняты следующие отношения:

• отношение минимальной толщины изделия к большему £

диаметру—^ а

<*х

• отношение диаметров изделия —;

с/

и

• отношение высоты изделия к её наибольшему диаметру —;

• отношение толщин изделия^2-.

Таблица 1.1-Клас