автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Безоправочное гидропрессование толстостенных трубных заготовок и формообразование винтовых канавок на их внутренней поверхности методом продавливания инструмента жидкостью высокого давления

ой

1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

ДОНЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

СПУСКАНЮК Александр Викторович

БЕЗОПРАВОЧНОЕ ГИДРОПРЕССОВАНИЕ ТОЛСТОСТЕННЫХ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК И ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ВИНТОВЫХ КАНАВОК НА ИХ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ МЕТОДОМ ПРОДАВЛИВАНИЯ ИНСТРУМЕНТА ЖИДКОСТЬЮ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность: 05.03.05 - "Процессы и машины обработки давлением"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Донецк - 1996

Диссертация является рукописью Работа выполнена в Донецком физико-техническом институте HAH Украины

Научные руководители:

■ д.т.н. Я.Е.Бейгельзимер,

■ д.ф.-м.н., профессор В.Н.Варюхин.

Официальные оппоненты:

- д.т.н., профессор Л.Н.Соколов,

- к.т.н., доцент П.Ф.Бублик.

Ведущая организация

- Институт проблем материаловедения HAH Украины, г. Киев.

Защита состоится 19 декабря 1996 г. в 12— в аудитории 5.353 на заседании специализированного совета Д 06.04.03 в Донецком государственном техническом университете (340000, г. Донецк, ул. Артёма, 58). С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке технического университета.

Автореферат разослан ноября 1996 г.

Отзывы на автореферат просим направлять в адрес университета.

Учёный секретарь специализированного совета Д 06.04.03, д.т.н. С.М.Сафьянц

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Резервы ресурсосбережения и повышения качества продукции металлургических и машиностроительных предприятий связаны с разработкой и использованием прогрессивных технологий обработки металлов давлением, обеспечивающих формообразование точных заготовок с высококачественной поверхностью и высоким комплексом физико-механических свойств материалов. Одной из актуальных задач ученых и производственников является разработка малоотходных высокопроизводительных технологий производства методами пластической деформации толстостенных трубных заготовок со- сложной конфигурацией внутреннего канала для последующего изготовления из них широкого круга деталей машин и механизмов, товаров народного потребления. В частности, толстостенные трубные заготовки с криволинейными канавками на внутренней поверхности необходимы в производстве некоторых видов стволов огнестрельного оружия, полых валов, втулок, без канавок - да я изготовления пушечных свёрл, гидроцилиндров и т.п.

Большие технологические возможности в производстве заготовок сложной конфигурации, толстостенных и особо толстостенных труб предоставляют методы гидропрессования. Однако, практическое их использование пока весьма ограничено, что объясняется недостаточным уровнем разработок научных основ процессов и методов проектирования технологий. В связи с этим разработка научных основ процессов безоправочного гидропрессования толстостенных трубных заготовок и формообразования винтовых канавок на их внутренней поверхности является актуальной задачей дальнейшего развития теории и технологии обработки давлением.

Целыо работы является разработка научных основ новой технологии безоправочного гидропрессования толстостенных трубных заготовок и формообразования винтовых канавок на их внутренней поверхности методом продавли-вания инструмента жидкостью высокого давления, обеспечивающей снижение рабочих давлений и повышение качества продукции.

В работе решали следующие основные задачи:

— разработка технологических схем производства толстостенных трубных заготовок с винтовыми канавками на их внутренней поверхности и методики проектирования технологического процесса;

-разработка математической модели и установление основных закономерностей процесса безоправочного гидропрессования толстостенных трубных заготовок;

- разработка математической модели и установление основных закономерностей процесса формообразования винтовых канавок на внутренней поверхности заготовок методом продавливания инструмента жидкостью высокого давления; -разработка методики определения основных параметров процесса и оценки физико-мёханических свойств заготовок. .

Объскт исследования — технология холодного пластического формообразования толстостенных трубных заготовок с винтовыми канавками на внутренней поверхности, основанная на использовании жидкостей высокого давления.

Научная новизна работы состоит в: -математических моделях процессов безоправочного гидропрессования толстостенных трубных заготовок с аналитическим определением компонент напряжённо-деформированного состояния (НДС), материала и формообразования винтовых канавок на их внутренней поверхности методом продавливания инструмента жидкостью высокого давления с одновременным дорнованием отверстия передним участком инструмента, имеющим круглое поперечное сеченис;

- экспериментально-расчётном методе определения компонент НДС материала при безоправочном гидропрессовании толстостенных трубных заготовок; -линейной зависимости относительной величины осевой компоненты деформации трубной заготовки (в сравнении с деформацией прутка) от относительной площади поперечного сечения её полости;

-математическом обеспечении прогноза поврежденности материала и технологической пластичности при гидропрессовании трубных заготовок, характеристик прочности и остаточной пластичности материала в гидропрессованных прутках и трубах с учетом деформационного упрочнения и стадийного характера изменения параметров модели.

Практическая ценность работы состоит в:

- технологических и технических решениях (технологические схемы производства изделий, режимы гидропрессования заготовок и формообразования канавок, устройства для осуществления операций пластического деформирования), реализация которых позволяет обеспечить снижение рабочих давлений гидропрессования, повышение производительности труда и высокое качество трубных заготовок с винтовыми канавками на внутренней поверхности;

- методике определения основных параметров процессов безоправочного гидропрессования толстостенных трубных заготовок, формообразования винтовых канавок на их внутренней поверхности и свойств изделий;

- методике направленного поиска оптимального варианта технологии, органи-чесю! сочетающей в себе метод многокритериальной оптимизации Соболя-Статникова и метод управления сложными системами посредством анализа чувствительности;

-методике определения фундаментальных параметров а, а, К, п, используемых в модели структурно-неоднородного материала и законе упрочнения, на основе результатов экспериментов по гидропрессованию и растяжению образцов до разрушения.

Основные положения, выносимые tía защиту: -основы теории процесса безоправочного гидропрессования толстостенных трубных заготовок, включающей: математическую модель процесса; основанный на этой модели экспериментально-расчётный метод определения компо-

нент НДС заготовки; методику и программное обеспечение для определения основных параметров процесса, прогноза и корректировки показателей качества гидропрессованных изделий;

-математическая модель процесса формообразования винтовых канавок на внутренней поверхности толстостенных трубных заготовок и методика определения основных параметров процесса;

- результаты экспериментального исследования силового режима процесса, закономерностей формоизменения заготовок и формирования комплекса их физико-механических свойств, обосновывающие теоретические положения и используемые для идентификации параметров моделей.

- схемы технологических процессов получения заготовок, устройства для реализации операций гидропрессования и методика проектирования технологического процесса на основе компьютерных экспериментов.

Реализация результатов работы. Результаты исследования и пакет прикладных программ для проектирования процесса гидропрессования трубных заготовок использованы на ряде предприятий. Внедрение технологического процесса безоправочного гидропрессования стальных толстостенных трубных заготовок осуществлено на Опытном производстве ДФТИ HAH Украины. Экономическая эффективность использования разработок составляет 1800 грн. на 1 тонну продукции, долевой эффект автора составляет 60%.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на международной конференции "Joint XV & XXXIII EHPRG High Pressure Science and Technology Research" (Варшава, Польша, сентябрь 1995 г., 2 доклада); XIV международной конференции по физике прочности и пластичности материалов (Самара, июнь 1995 г.); IV международной конференции по механике неоднородных структур (г. Тернополь, сентябрь 1995 р.); международной конференции "Computational Methods and Testing for Engineering Integrity" -CMT'96 (Куала-Лумпур, Малайзия, 1996); международной конференции "Hot lsostatic Pressing - HIP'96" (Андовер, Массачусетс, США, Май 1996); научных семинарах Донецкого физико-технического института HAH Украины.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ (7 статей в академических и зарубежных журналах и 1 тезис доклада).

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и выводов, изложена на 111 страницах, содержит 35 рисунков, 2 таблицы и 5 приложений, список литературы из 117 наименований, всего 163 страницы.

Личный вклад автора состоит в разработке основ теории процесса безоправочного гидропрессования толстостенных трубных заготовок, математической модели процесса формообразования винтовых канавок, методики определения параметров моделей в эксперименте; постановке, проведении и анализе результатов экспериментов; разработке технологических схем и устройств для гидропрессования, методики проектирования технологических процессов, компьютерных программ, промышленном внедрении результатов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, её научная новизна и практическая значимость, дана общая характеристика работы.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ произведен анализ современного состояния разработок методов гидропрессования толстостенных трубных заготовок со сложной конфигурацией полости, результаты которого свидетельствуют о том, что гидропрессование трубных заготовок, особенно толстостенных, в ряде случаев имеет преимущества перед такими технологиями как прокатка и волочение. Связаны они с относительно малыми потерями работы деформации на преодоление. сил контактного трения, высокой степенью равномерности деформации заготовки, возможностью управления величиной гидростатического давления с целью повышения пластичности обрабатываемого материала.

В то же время различные методы гидропрессования отличаются своими технологическими возможностями. Как показывают результаты исследований, особенно это заметно при необходимости формообразования трубных заготовок со сложным профилем внутреннего канала. Способ гидропрессования заготовок на неподвижной оправке позволяет формообразовывать с высокой точностью изделия сложного профиля, но процесс реализуется при высоком уровне давления рабочей жидкости. В случае гидропрессования заготовок на подвижных оправках ограничена длина получаемых изделий, проблемы возникают при выпрессовке оправок, особенно если необходимо формообразовывать точные винтовые канавки.

В связи с вышесказанным целесообразной представляется разработка научных основ технологии получения изделий в два перехода: на первом - формообразование трубы с необходимым диаметром внутренней полости, на втором - формообразование канавок методом продавливания инструмента с помощью жидкости высокого давления. В качестве исходного материала используются трубы, полученные в металлургическом производстве прокаткой либо волочением. Необходимо учесть, что производство толстостенных труб этими методами затруднено, на машиностроительном предприятии не всегда имеется необходимый сортамент и в практике для получения точных заготовок используют процессы редуцирования и гидропрессования труб. Метод безоправочно-го гидропрессования является предпочтительным в сравнении с методами гидропрессования труб на оправках, так как процесс реализуется при наименьшем уровне давления рабочей жидкости.

Показано, что рассматриваемые процессы безоправочного гидропрессования, формообразования канавок методом продавливания инструмента через полость заготовки с помощью жидкости высокого давления изучены еще недостаточно, .чтобы можно было принимать определенные решения по разработке технологии. Отсутствуют теоретические решения либо экспериментальные зависимости для определения давления жидкости, параметров формоизменения

трубных заготовок при безоправочном их гидропрессовании, а тем более для расчета компонент НДС материала в очаге деформации. Исследования необходимы также для определения технологической пластичности заготовок и физико-механических свойств гидропрессованных изделий. Для процесса формообразования винтовых канавок на внутренней поверхности труб методом продав-ливания инструмента также пока не получены соотношения, позволяющие хотя бы определить необходимый уровень давления жидкости. В то же время известные подходы и решения, полученные для других процессов, дают основания для постановки задачи по определению указанных зависимостей. .

Произведенный анализ литературных данных позволил обосновать целесообразность и необходимость разработки технологических схем производства

изделий, математических моделей процессов безоправочного гидропрессования толстостенных трубных заготовок и формообразования винтовых канавок на их внутренней поверхности, методики проектирования технологического процесса.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ разрабатываются математические модели процессов гидропрессования толстостенных трубных заготовок и формообразования винтовых канавок на их внутренней поверхности.

Расчетная схема процесса безоправочного гидропрессования приведена на рис. 1. В основу разрабатываемой модели положена предло- -женная А.А.Ильюшиным модель пластической деформации толстостенных труб со следующими основными допущениями:

1) напряжения гхг,я>,ег0 и скорости деформации ё,,ёг,ёа являются главными;

2) величина ё. зависит только от г и не зависит от г.

Сделанные допущения справедливы в тем большей степени, чем меньше угол матрицы и коэффициент контактного трения на поверхности матрицы. Кроме того, принято допущение о неупрочияемости материала, а контактное трение не учитывается.

При сделанных допущениях определение параметров НДС металла сводится к интегрированию системы двух обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка, для чего компоненты тензоров скоростей деформаций и напряжений выражаются через компоненту скорости деформации сг и осевую компоненту скорости течения V. Система уравнений имеет вид: с1ёг !<к = (СЬ2 - В) / {А - РЬг)

с1У / (к = е.

где С, А, Рг В - нелинейные функции от с: \\V\b- текущее значение радиуса канала матрицы (см. рис.1). Граничное условие для К имеет вид: при 2-0. Граничное условие для ё, определяется тем, что в выходном сечении матрицы сг2=0 (для численного решения задачи задаётся близкая к нулю величина). Поэтому задача должна решаться методом "стрельбы", который в нашем случае состоит в следующем:

1) принимается некоторое пробное значение ёг0;

2) интегрируется система уравнений (1) с начальным условием ¿';;=Ао при 2=0;

3) определяются ё, и V при где 2\ - координата выходного сечения матрицы;

4) при 2=2] определяется величина а2 по следующим формулам:

и, - а,

(2)

(3)

Если |е^<0,ШПа, то считается, что &г0 определено верно и решение найдено; если же |о^]>0,1МПа, то принимается новое значение ёгй и указанный алгоритм повторяется. Поиск ёг0 может быть осуществлен любым эффективным методом решения нелинейных уравнений.

При разработке математической модели про-

г> , цесса формообразования винтовых канавок рас-

Рис. 2. Схема процесса од- ' ' 1 , '

, сматриваются различные способы деформации за-

иовреметюго дорнования

, , готовки, в том числе способ, согласно которому отверстия и формообра- , ^ J

осуществляется формообразование канавок мето-зования канавок. 1

дом продавливания инструмента жидкостью высокого давления с одновременным дорнованием отверстия передним участком инструмента, имеющим круглое поперечное сечение (рис.2 и 3). —£-зн

Рис. 3. Схема действия сил на формообразующий инструмент и заготовку.

Ря=™ _5£_Г в+Ж)(, _ 41 (4)

к-» — чу совдЛ о2;

Давление жидкости рц, необходимое для формирования N канавок, равно

4уУ <гтЬ

—_-- и 1 .. 1--.

л/3 ж!0 со я/? V соБуЗД О где ц - коэффициент трения. Давление жидкости в контейнере при дорновании

рп = ^-{кА + МН)

'.—и)

(5)

1 11 ■ "1 1

где к - экспериментально определяемый коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений и влияние наплыва металла перед дорном (см. рис.2); 1 - (/с/п; / -толщина стенки заготовки.

Полное давление, необходимое для дорнования с одновременным формированием Л7 канавок, равно

4<т7.

7з

1- 1

\

(1+2*7

ьы

со б/?

^Я] М + //Я а + —— +--— . (6)

С05 Р) 1 ^

В ТРЕТЬЕМ ГЛАВЕ описана методика исследования процессов гидропрессования и определения показателей качества изделий. Теоретическое исследование процессов деформирования проведено с целью установления их закономерностей, определения параметров НДС материала, обеспечения возможности прогноза силового режима, формоизменения и технологической пластичности заготовок, свойств получаемых изделий. Идентификация подгоночных коэффициентов экспериментально-аналитических моделей производилась в тестовых экспериментах, после чего проверялась адекватность модели во всем экспериментально исследованном диапазоне изменения параметров. В экспериментах использовались методы статистической обработки результатов измерений.

Гидропрессование толстостенных трубных заготовок осуществлялось на гидравлическом прессе модели П474А усилием 1 МН. Усилия гидропрессования фиксировались при помощи месдозы с наклеенными тензорезисторными датчиками, усилителя МПО-2 и осциллографа Н700, а также по показаниям манометра пресса и записанным диаграммам изменения во времени давления масла в гидросистеме пресса. Гидропрессование заготовок осуществлялось в контейнере диаметром 32 мм через матрицы с диаметром отверстия й|=16ч-22 мм и углами конической воронки 2а=8°, 20° и 40° с использованием заглушек, предотвращающих проникновение рабочей жидкости в полость трубной заготовки. Исходные заготовки получены механической обработкой из прутков проката сталей 35, 45, 30ХГСА, З8ХНЗМФА. Наружный диаметр исходных заготовок равнялся Д)=22-г30мм, внутренний с/0=9,5-^20мм, соотношение диаметров варьировалось в пределах £/о/А)=0,Зн-0,8. Соотношение диаметров заготовки Д) и отверстия матрицы В\ варьировались в пределах (0о/0))2=1,4^2,7. Исходные заготовки фосфатировались и омыливались, в качестве рабочей жидкости использовано масло индустриальное марки И20.

При экспериментальном исследовании процесса формообразования канавок использовался инструмент, обеспечивающий одновременно дорнование отверстия и формирование восьми винтовых канавок. В экспериментах варьировались коэффициент толстостенности заготовок (Г =0,25-1,0), угол отклонения винтовой канавки от вертикали (/£=3-15°) и величина натяга при дорновании отверстия (Д=0-0,62 мм). Глубина канавок равнялась а=0,15 мм, ширина Ь=2,5 мм. С целью снижения сил контактного трения при формообразовании канавок на поверхность заготовок перед деформацией наносились смазочные вещества, в частности КТИОЛ-15, раствор фторопласта в ацетоне с наполнителем - мелкодисперсным порошком дисульфида молибдена. Исследование распределения свойств материала по поперечному сечению образцов, полученных безопра-вочным гидропрессованием трубных заготовок, а также пластической области после формообразования канавок на их внутренней поверхности производилось с использованием результатов измерений микротвердости стали в соответствующих участках. Микротвердость измерялась с помощью микротвердо-метра ПМТ-3 па полированных образцах. Средний размер диагонали отпечатка определялся при нагрузке 100 г. по 30 отпечаткам.

Для проверки адекватности разработанных моделей структурно-неоднородного материала и оценки качества гидропрессованных заготовок исследовались механические свойства и плотность гидропрессованных материалов. Испытания образцов на растяжение осуществляли на разрывной машине ИМ-4Р. Плотность образцов измерялась тройным гидростатическим взвешиванием, в качестве рабочей жидкости использован тетрабромэтан С2Н2В14.

Компьютерное моделирование процессов безоправочного гидропрессования толстостенных трубных заготовок и формирования винтовых канавок на их внутренней поверхности проводилось с использованием IBM-PC/AT/486-DX2-66 совместимого персонального компьютера, работающего под операционной системой Microsoft Windows'95. Использовались языки программирования Borland Pascal 7.0 и Borland С++. Для построения графических зависимостей использовались программные продукты MicroCal Origin 3.0 и Surface Mapping System 5.01.

В ЧЕТВЁРТОЙ ГЛАВЕ приведены результаты теоретического и экспериментального исследования процессов гидропрессования трубных заготовок и формообразования винтовых канавок на их внутренней поверхности.

Экспериментально установлено, что при безоправочном гидропрессовании трубных заготовок основным фактором, который определяет соотношение между величинами осевой и радиальной деформаций, является толстостеи-ность заготовок. Влияние угла конической воронки матрицы при варьировании его в пределах 2Д=8...40° оказалось незначительным.

Экспериментально установлена пропорциональная зависимость так называемой относительной степени деформации трубной заготовки уГт от относительной площади её поперечного сечения в исходном состоянии FT. Предла-

гаемые характеристики Рт и уГг представляют собой площадь поперечного сечения-исходной трубной заготовки и степень ее деформации при гидропрессовании в относительных величинах по сравнению соответственно с площадью поперечного сечения прутка с тем же наружным диаметром и со степенью деформации прутковой заготовки.

С использованием установленной зависимости у7т от Ит получено эмпирическое выражение, рекомендуемое для оценки размеров гидропрессованной трубной заготовки в виде

'"«-Ж1-®-

где /•'/■ и /г - площадь поперечного сечения трубной заготовки до и после деформации соответственно. При использовании этой зависимости коэффициент вытяжки трубной заготовки 1?г, равный Лт =Ь'т//т, определяется в виде

Кг=Г^г! 1 /■> V (8)

I-/-7.(1-1 Кп)

где Кц =Уц1/ц - коэффициент вытяжки прутковой заготовки, /у = (Ц^ - г/,,) / .

Экспериментально определена зависимость давления гидропрессования от коэффициента вытяжки трубных заготовок (рис. 4).

Разработан экспериментально-расчётный метод определения компонент НДС трубной заготовки при безоправочном гидропрессовании. Полученные в гл. 2 соотношения определяют компоненты НДС материала через функцию ёДг). Предложен простой метод расчета этой функции в первом приближении, не требующий решения системы уравнений (1). Метод основан на результатах теоретического анализа процесса и экспериментально установленных закономерностях формоизменения заготовок. Соотношение между осевыми компонентами деформации материала трубной заготовки и сплошного модельного прутка с]1 определено в виде

= 1-^((У0//30)2. (9)

Адекватность полученного соотношения с определением величины к исследована в эксперименте при (с!о/0о)г<0,65 и коэффициенте вытяжки заготовок /?7=1,16-1,86. В результате линейной аппроксимации экспериментальных данных, приведенных на рис. 5, определено значение коэффициента А?=1,18.

В предположении, что подобное соотношение справедливо не только для полных, но и для текущих по высоте очага деформаций, получены

Ф) = - ^/я/?), (10)

.ы'-й .

йЦ-ЫЦ.У. 2г

Д

ёг{г) = \2У0^—1-—(11)

О / Ч

Д,

Рис.4. Зависимость давления жидкости от коэффициента вытяжки трубных заготовок

(W

Рис. 5. Экспериментальная зависимость отношения ej б'," от величины (do/D0)2.

Зависимости для е,(г) и ёг(г) использованы для определения параметров НДС заготовки ёг(г,г), ев(г,г) и ¿,(г,г) в рамках модели гл.2. Величина накопленной интенсивности деформации е, получена путем интегрирования ц вдоль линий тока металла. Так, на наружной и внутренней поверхностях заготовки имеем

ш = 1

(12) (13)

о V{z) О V(z)

Интегрирование в (12) и (13) производится численно. Эти соотношения использованы для определения величины сопротивления деформации металла с учетом упрочнения. С этой целью использовалась известная зависимость о'¡-Л- е!". Давление q металла на матрицу определяется в виде

Ч-

-finj V3

е.и +

4&1 ~ %

(14)

+ л/^ -

Средние по сечению г сопя1 значения а, получаем численным интегрированием методом Эйлера уравнения

da

. ez -

dz V К V

Iqb-tgp

\\K-al)

(15)

при граничном условии сг,=0 в нижнем сечении матрицы.

Таким образом получены зависимости ¿Дг,г), ёг(г,г), ёи(г,г), сг(г), ¿¡{г,г), а,(г), сгш(г) и <7,/,(г). Рассогласование экспериментальных значений давления жидкости и теоретических, полученных через значения <уг, составляет менее 8% (рис. 4). Этот результат даёт основания использовать полученные

Р, МП а 800

600

значения параметров НДС для прогноза технологической пластичности заготовок и свойств изделии, в частности как показано в пятой главе.

Экспериментально установлено, что полученная для процесса формообразования криволинейных канавок зависимость давления жидкости от коэффициента толстостенности заготовок в целом неплохо соответствует экспериментальным данным в довольно широком диапазоне значений /"=0,45*1,0 при использовании подгоночного коэффициента, определенного в тестовом эксперименте (рис.6). При I <0,4 наблюдается несоответствие теоретических и экспериментальных значений давления жидкости, поскольку неприемлемым становится допущение о преобладающем сосредоточении пластической деформации в ограниченном слое вблизи внутренней поверхности заготовки.

Результаты исследования модели и экспериментальные данные свидетельствуют о том,

400

200

Сталь 38ХНЭМФА

-----Д=0.60 ММ, к=4.1

Сталь Ст45

.....д=0.62 ММ, к=5.1

-Д=0.53 ММ, к=4.5

0 0.2

0.4

0.6

0.8

/

1.0

Рис.б. Зависимость величины давления .жидкости а контейнере от относительной толщины стенки заготовки при формообразовании винтовых канавок.

что наиболее существенное влияние на силовой режим процесса формообразования канавок оказывают величина натяга при дорновании отверстия, относительная толстостенность заготовок и, естественно, прочностные характеристики обрабатываемого материала. Давления возрастают с увеличением глубины, ширины и числа канавок. Согласно модели давление формообразования винтовых канавок начинает резко возрастать при значениях 45°. Формообразование канавок с относительной .глубиной аШо<0,05, шириной Ыс1п<0,\Ъ при их числе ЛМ-П2, угле отклонения от оси /?<30° достигается при относительно невысоком уровне давленияр!,0.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ исследованы технологическая пластичность заготовок и физико-механические свойства изделий, разработано математическое обеспечение прогноза характеристик прочности и остаточной пластичности материала в гидропрессованных сплошных и трубных заготовках, основанное на модели структурно-неоднородного материала.

Разработанная ранее модель структурно-неоднородного материала в данной работе получила дальнейшее развитие. С целью более точного прогноза свойств изделий учтено деформационное упрочнение материала, причем параметры аппроксимирующей степенной функции фиксированы в пределах одной стации деформации и изменяются при переходе от одной стадии к другой. Зависимость коэффициента внутреннего трения а от "интенсивности девиатора деформаций у также принимается стадийной. Предельное относительное су-

жение при растяжении образцов с образованием шейки определяется из условия достижения критической степени поврежденности материала.

Разработанное математическое обеспечение позволяет по результатам экспериментов, комплексно включающих гидропрессование и растяжение образцов до разрушения, определять фундаментальные параметры материала, а именно К, п для функции а5 = Ке", коэффициент внутреннего трения а и характеризующий морфологию несплошностей коэффициент а, фигурирующие в условии пластичности структурно-неоднородного материала.

Хорошее согласие результатов теоретических расчетов с экспериментальными данными при значениях а и а, полученных по новой методике, и совпадение со значениями а и а, определяемыми по известной методике с испытанием образцов на одноосное сжатие и кручение, свидетельствуют об адекватности модели. Показано, что теоретическая оценка упрочнения материала согласуется с результатами измерения его микротвердости, значений Ста, сгц и цг при испытании образцов, вырезанных из гидропрессованных изделий.

Получено расчетное соотношение для прогноза поврежденности материала, оцениваемой пористостью 0, вблизи внутренней поверхности гидропрессованной трубной заготовки, основанное на разработанной и представленной в гл. 2 модели процесса гидропрессования, имеющее вид

0.014 0 0.012 -

d,/d0=0.68

d,/do=0.76

0.010

0.008

0.006

0.004

^а -6л/3а0е"

-■Об) V v '

0.3

0.4

0.5

0.6

<V°o 0 7

¿0 м

сЬ Лл/21

Численно интегрируя уравнение (16) с использованием полученных в гл.4 зависимостей ёг, ё, и V от 2 и с начальным условием ©=©о при 2=0, получаем зависимость 0 от г. Величина 0 при г (где 2] - координата выходного сечения матрицы) является количественной мерой поврежденности внутренних слоев заготовки.

На рис.7, приведены рас-

Рис. 7. Пористость материала 0 на внутренней поверхности гидропрессованных

' трубных заготовок. четные значения пористости материала 0 на внутренней поверхности гидропрессованных заготовок (Д/Д)=0,80 -г 0,64) с различным отношением djl\ в исходном состоянии. Результаты оценки поврежденности материала использованы для прогноза технологической пластичности заготовок при 0=©ы>, где ©кр=0,01 - критическое значение пористости, и влияния режимов гидропрессования на эксплуатационные свойства изделий при разработке технологических рекомендаций. В частности, для ответственных изделий могут использо-

ваться только заготовки, дефекты которых типа микропор и микротрещии частично либо полностью "залечиваются" при последующей термической обработке, т.е. при гидропрессовании допускается развитие относительной пористости не более 0,005-=-0,007.

В ШЕСТОЙ ГЛАВЕ описаны разработанные технологические процессы производства заготовок с применением методов гидропрессования и устройства для реализации процессов гидропрессования.

Научные результаты диссертационной работы могут быть использованы при изготовлении широкого круга изделий металлургического и машиностроительного производства, как например, особотолстостенных труб, труб со сложной конфигурацией внутренней полости, стволов огнестрельного оружия, шлицевых втулок и т.п. Схема технологического процесса производства заготовок стволов огнестрельного оружия (рис.8) включает операции:

1) безоправочного гидропрессования трубной заготовки;

2) высадки фланца с одновременным оформлением цилиндрического участка диаметром сЛ и переходного конического участка;

3) формообразования винтовых канавок.

Предложена также схема технологического процесса производства точных цилиндрических заготовок со сложным профилем внутреннего канала для изделий типа шлицевых втулок. Разработано устройство для безоправочного гидропрессования толстостенных трубных заготовок без прессостатка либо с

Рис.8, Схема технологического процесса производства заготовок типа стволов огнестрельного оружия.

прессостатком при автоматическом режиме работы пресса. Особенностью устройства является наличие специальных средств, используемых для предотвращения утечек рабочей жидкости через полость заготовки. Разработано устройство для осуществления на автоматизированной установке операции формообразования винтовых канавок на внутренней поверхности заготовок.

Предложен алгоритм компьютерного эксперимента для организации направленного поиска оптимального варианта разрабатываемого технологического процесса, органически сочетающий в себе методы многокритериальной оптимизации Соболя-Статникова и управления сложными системами посредством анализа чувствительности и базирующийся на разработанных математических моделях процессов гидропрессования трубных заготовок и формообразования в них канавок. Использование метода анализа чувствительности продемонстрировано на примере корректировки геометрических размеров полых цилиндрических изделий, получаемых методом гидропрессования.

Разработана общая методика проектирования технологического процесса изготовления толстостенных трубных заготовок с винтовыми канавками на внутренней поверхности, основанная на результатах исследования, разработанных методиках расчёта основных технологических параметров.

Показаны преимущества новой технологии в сравнении с другими методами гидропрессования. Установлено, что технология безоправочного гидропрессования обеспечивает снижение давления рабочей жидкости на 10^-20% по сравнению с гидропрессованием на подвижной либо неподвижной оправках. По сравнению с гидропрессованием на жидкостной оправке достигается большая степень утолщения стенки трубы (на 15*30%).

Разработанное технологическое обеспечение позволяет управлять показателями качества деформированных заготовок, обеспечивать высокую точность размеров (6*7 квалитет) и малую шероховатость поверхности (высота микронеровностей до 0,3*0,5 мкм). Преимущества в обеспечении более высокого качества продукции в сравнении с гидропрессованием на подвижной оправке особенно очевидны при формообразовании длинномерных изделий с соотношением длины к диаметру канала /7с/о>10. В случае использования конкурирующей технологии (гидропрессование заготовок на подвижной оправке) в процессе выпрессовки оправок образуются задиры, нарушения профиля, а при ¿М)>20*30 выпрессовка становится чрезвычайно затруднённой либо невозможной в связи со значительными силами трения между оправкой и трубой.

Произведена оценка технико-экономической эффективности новой технологии в сравнении с изготовлением изделий радиальным обжатием и механической обработкой. Приведены рекомендации по использованию технологии и результаты внедрения разработок.

выводы

¡.Разработана аналитическая математическая модель процесса безопра-вочного гидропрессования толстостенных трубных заготовок, обеспечивающая определение компонент НДС материала с использованием численных методов решения нелинейных уравнений. Разработан простой экспериментально-расчетный метод приближенного определения компонент НДС материала. При использовании полученных этим методом полей напряжений и деформаций достигается хорошее соответствие теоретических и экспериментальных значений параметров процесса и характеристик механических свойств материала в прессованных заготовках.

2.Установлены основные закономерности процесса безоправочного гидропрессования толстостенных трубных заготовок. В частности, установлено, что соотношение между осевой и радиальной компонентами деформации определяется относительной толстостепностью исходной заготовки, а влияние угла конической воронки матрицы при изменении его в пределах 2/? 8И0° незначительно. Получены эмпирические выражения для определения коэффициента вытяжки заготовок /?-/• и геометрических размеров прессованных изделий, зависимость давления гидропрессования от Яг-

3. Разработана модель и установлены основные закономерности процесса формообразования винтовых канавок на внутренней поверхности толстостенной трубной заготовки методом продавливания инструмента жидкостью высокого давления с одновременным дорнованием отверстия передним участком инструмента, имеющим круглое поперечное сечение. Теоретическая зависимость давления жидкости от коэффициента относительной толстостенности заготовок I соответствует экспериментальным данным в довольно широком диапазоне значений I -0,4-=-1,0 при использовании подгоночного коэффициента, определенного в тестовом эксперименте. Наиболее значительное влияние на силовой режим процесса оказывает натяг при дорновании, относительная тол-стостенность заготовки и угол отклонения винтовых канавок при его значениях /7>30°. При /7<30°, числе канавок N<12, относительных величинах натяга Л <0,05, глубины канавок а <0,05, ширины Ь <0,4 давление жидкости не превышает 1,5 оу-

4.На основе созданных моделей с использованием экспериментальных результатов разработана методика и пакет прикладных программ для определения основных параметров процессов безоправочного гидропрессования трубных заготовок и формообразования канавок на их внутренней поверхности, прогноза технологической пластичности заготовок, прочностных и пластических характеристик деформированных сталей.

5.Разработаны схемы технологических процессов производства толстостенных трубных заготовок, в том числе с винтовыми канавками на их внутренней поверхности, рекомендуемые для использования при изготовлении полых валов, державок пушечных свёрл, стволов огнестрельного оружия и по-

добных изделий. Разработаны методика проектирования технологии, алгоритм и программы компьютерного эксперимента, обеспечивающие эффективный направленный поиск оптимального варианта разрабатываемой технологии, органически сочетающий в себе метод многокритериальной оптимизации Собо-ля-Статникова и метод управления сложными системами посредством анализа чувствительности.

6.Разработаны устройства для безоправочного гидропрессования трубных заготовок и последующего формообразования на их внутренней поверхности винтовых канавок, устанавливаемые на вертикальные гидравлические прессы..

7.Практическое использование результатов работы показало, что технология безоправочного гидропрессования особенно эффективна при пластическом формообразовании изделий из толстостенных трубных заг отовок, необходимости увеличения их толстостеиности. При давлениях гидропрессования p¡a-¡<\,5 достигается уменьшение площади поперечного сечения канала трубных заготовок в 20-50 раз. Технология формообразования винтовых канавок методом продавливаиия инструмента жидкостью высокого давления особенно эффективна при изготовлении длинномерных изделий с соотношением длины к диаметру канала L/do>\0. Новая технология обеспечивает снижение давления гидропрессования на 10-20%, более высокое качество продукции.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Расчет показателей качества заготовок, полученных гидропрессованием А.В.Спускатпок, Я.Е.Бейгельзимер, Б.М.Эфрос, В.Н.Варюхин // Физика и техника высоких давлений, 1994, - том 4, №3-4, сс.29-33.

2. Ja.E.Beigelzimer, B.M.Efros, V.N.Varyukhin, A.V.Spuskanyuk. Deformation and fracture of metallic materials by hydroextrusion. // Engineering Mechanics, Brno, Czech Republic, 1995, - v.2, №1, pp.17-26.

3. Бейгельзимер Я.Е., Спускашок A.B. Напряженно-деформированное состояние металла при безоправочном гидропрессовании толстостенных трубных заготовок // Физика и техника высоких давлений, 1995, - №1, сс. 18-25.

4. Спускашок A.B., Бейгельзимер Я.Е., Алексеев В.П. Модель процесса формообразования криволинейных канавок на внутренней поверхности трубных заготовок // Физика и техника высоких давлений, 1995, - №3, сс.24-30.

5. Получение методом гидропрессования полых изделий с каналом переменного сечения. А.В.Спусканюк, Р.Аиссауи, Р.Мерзуг, В.П.Алексеев, Я.Е.Бейгельзимер, В.З.Спускашок. - Донецк: Физика и техника высоких давлений, 1996, -том 6, №2, сс. 128-134.

6. Mathematical simulation of stability and viscous fracture of materials deformed under pressure. Ya.E. Beygelzimer, B.M. Efros, V.N. Varyukhin, A.V. Spuskanyuk //

, Proceedings of the Joint XV & XXXIII EHPRG High Pressure Science and Technology Research international conference. - Warsaw, Poland 1995, p.p. 141-143.

7. Prediction of quality properties of details manufactured by hydroextrusion methods. A.V. Spuskanyuk, Ya.E. Beygelzimer, V.N. Vaiyukhin, B.M. Efros // Joint XV & ХХХП1 EHPRG High Pressure Science and Technology Research international con-, ference. - Warsaw, Poland, 1995, p.335.

8. Calculation of the hydroextrusion formed billet quality properties A.V. Spuskanyuk, Ya.E. Beigelzimer // Proceedings of the Joint XV & XXXIII EHPRG High Pressure Science and Technology Research international conference. - Warsaw, Poland, 1995, p.p. 150-152.

АНОТАЦ1Я

О.В.Спускаток "Безоправочне пдропресування товстостшних трубних заготовок та формоутворення гвинтових канавок на i'x BHyrpinmm поверхш методом продавлювання шс.рументу раиною висо-кого тиску".

Дисерташя на здобуття наукового ступейГо кандидата техшчних наук за фахом 05.03.05 - "Пронеси та машини обробки тиском^ - "-••

Дoнcцький державний техшчиий ушйерситет. Донёцык, 1996 р.

1

Захищаетья 8 наукових праць.

Розроблеш HayKOBi основи, технолопчне та техтчне забезпечення реалгзаци нового технолопчного процесу виготовлення товстостшних трубних заготовок з гвинтовими канавками на внутршнш поверхш. Спочатку виготовляеться точна товстостшна трубна заготовка методом безоправочного пдропресування вих1дно1 заготовки, попм формоутворгоються гвинтхда канавки методом продавлювання шструменту через oTBip заготовки за допомогою радини, яка ущшьнена до високого тиску. Вперше розроблена матемаггична модель процесу безоправочного пдропресування, за допомогою яко! визначаються компонента напружсно-деформованого стану матер1алу, та модель формоутворення гвинтових канавок вказаним методом. В результат! теоретичного та експеримен-тального дослщження встановлеш основга законом1рносп процеЫв, розроблена методика визначення ix параметров та проектування технологи. Запропоно-вано обладнання для зджснення nponecie, методика пошуку оптимального Bapiamy технологи. Результата дослщження використаш рядом шдприемств, впроваджеш у Досшдному виробництв1 Донецышго фт'зико-техшчного ¡нституту НАН Украши з економ1чним ефекгом в p03Mipi 1800 грн. на тонну продукцн.

Kmc40Bi слова: пдропресування, товстостшга труби, гвинтов! канавки, математична модель, технолога.

ABSTRACT

A.V.Spuskanyuk "Hydroextrusion of thick-wall tubular billets without inner surface support and shaping of helical flutes on their inner surface by pressing the tool through the tube hole with high pressure liquid".

Dissertation for the candidate degree on the speciality 05.03.05 "Pressure Treatment

Processes and Machines".

Donetsk State Technical university. Donetsk, 1996.

There are 8 scientific papers defended.

The scientific description, technology and equipment for the new technological process of producing thick-wall tubular billet with helical flutes on inner surface have been developed. At the first stage the thick-wall tubular billet is processed by hydro-extrusion of initial billet without inner surface support. Then the helical flutes on its inner surface are formed by the tool being pushed through the tube hole by high-pressure liquid. The mathematical model of the hydroextrusion of tubular billet without inner surface support, by means of which the stressed and deformed state components of material are derived, as well as model of the inner surface helical flutes shaping by tire above mentioned method have been developed for the first time. As the result of theoretical and experimental investigations the principal dependencies of these processes, method of their main parameters determination and technology designing method have been developed. The equipment for carrying out described processes and method of selecting the best technology option have been suggested. The results of investigation have been practically used at the several industrial enterprises, at the Experimental Plant of the Donetsk Physics & Technical Institute of the NAS of Ukraine with the 1800 hrivna per ton economical effect.

Keywords: hydroextrusion, thick-wall tubes, helical flutes, mathematical model,

technology. ,

/

Подп. в печать 12.11.96 г. Формат 60x84 Vi«. Усл. печ. л. - 1,00. Тираж 100 экз.

Ризограф ДонФТИ им. А.А.Галкина HAH Украины _Украина, 340114, г. Донецк, ул. Р.Люксембург, 72_