автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Инновационные технологии пластического формоизменения при немонотонном и монотонном нагружении

На правах рукописи

ХВАН Александр Дмитриевич

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАСТИЧЕСКОГО ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ ПРИ НЕМОНОТОННОМ И МОНОТОННОМ

НАГРУЖЕНИИ

Специальность: 05.02.09 - Технологии и машины

обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

11 АПР 2013

Тула-2013

005051514

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический

университет»

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Дмитриев Александр Михайлович

Официальные оппоненты: Субич Вадим Николаевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет», заведующий кафедрой «Машины и технологии обработки металлов давлением»;

Егоров Владислав Геннадьевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий», профессор кафедры «Техническая механика»;

Яковлев Сергей Сергеевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», заведующий кафедрой «Механика пластического формоизменения»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Донской государственный

технический университет» (г. Ростов-на-Дону)

Защита состоится «14» мая 2013 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.01 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300012, г. Тула, ГСП, просп. Ленина, д. 92, 9 -101).

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан «26» марта 2013 г.

Ученый секретарь /'/У/ /¿- у

диссертационного Черняев Алексей Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Надежность элементов конструкций во многом определяется их высокими эксплуатационными свойствами, и поэтому в технике придается большое значение разработкам технологий повышения несущей способности машин и механизмов, а также улучшению технологичности их изготовления. При этом несущая способность в основном зависит от прочностных свойств материалов и, в первую очередь, от предела текучести, определяющего начало возникновения в конструкциях недопустимых пластических деформаций. Поэтому для машиностроения всегда актуальны различного рода инновационные технологические разработки, направленные на увеличение этой характеристики.

В механике уже давно известен эффект увеличения прочности большинства металлических сплавов за счет пластического деформирования. Однако этот эффект из-за отсутствия соответствующих методов расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) в упрочняемых деталях не нашел еще широкого применения в технике. Поэтому с целью расширения возможностей использования этого эффекта в промышленности необходимы новые теоретические разработки в области пластичности металлов.

Пластическое деформирование в сочетании с термообработкой является основой в предварительной термомеханической обработке (ПТМО) и используется широко в промышленности для существенного улучшения эксплуатационных характеристик, например в инструментальной промышленности - повышения стойкости различного рода инструментов. В связи с этим являются актуальными инновационные разработки нетрадиционных процессов пластической обработки заготовок в зависимости от их формы и назначения, которые в свою очередь потребуют постановки и решения соответствующих задач теории пластичности. В частности разработки технологий ПТМО применительно к длинномерным цилиндрическим деталям побуждают к поиску новых методов исследования процесса осадки их заготовок, являющегося в обычных условиях практически не реализуемым из-за потери устойчивости.

Надежность работы элементов конструкции зависит в какой-то мере и от технологии пластического формоизменения. Заготовки с заданной точностью формы и размеров можно получать за один переход или из-за исчерпания ресурса пластичности за несколько переходов, связанных с промежуточным отжигом для восстановления пластичности материала заготовки. Во втором случае можно с высокой эффективностью использовать немонотонные процессы пластического формоизменения, что также связано с постановкой и решением новых задач теории пластичности.

Реализация немонотонных процессов пластической обработки заготовок вызывает насущную потребность в создании новых конструкций штампов и прессового оборудования для применения их в промышленности.

Разработка процессов пластического деформирования и их реализация при проектировании инновационных процессов обработки давлением для улучшения эксплуатационных характеристик и технологичности изготовления элементов конструкций является актуальной для производства проблемой, решение которой позволит перейти на новый технический уровень,

соответствующий современным требованиям к производимой конкурентно-способной наукоемкой продукции.

Работа выполнялась в соответствии с программой Рособразования: «Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению «Ракетостроение» (Приказ Рособразования № 294 от 23.03.2009 г.), а также по научному направлению ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в соответствии с планом ГБ НИР № 2007.02 «Компьютерное моделирование операций обработки металлов давлением и повышение несущей способности элементов конструкций».

Научная проблема. Развитие теоретических основ пластического формоизменения в условиях немонотонного и монотонного нагружения.

Целью работы является улучшение эксплуатационных свойств элементов конструкций пластическим деформированием на основе исследований свойств материалов в условиях немонотонного и монотонного нагружения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Создание способа упрочнения элементов конструкций пластическим деформированием в условиях немонотонного нагружения на основе модели анизотропно упрочняющегося тела Г. Бакхауза.

2. Разработка способа увеличения критических деформаций в условиях действия растягивающих напряжений на основе модели Г. Бакхауза.

3. Определение НДС при осадке с кручением (цилиндрических) и сдвигом (плоских) заготовок с учетом упрочняемости материала в условиях монотонного нагружения.

4. Исследование пластической устойчивости цилиндрических заготовок при осадке (растяжении) с кручением в условиях монотонного нагружения на основе критерия положительности работы добавочных нагрузок.

5. Разработка конструкций штамповой оснастки для реализации нетрадиционных процессов пластической обработки цилиндрических и плоских заготовок.

6. Проектирование конструкции пресса для штамповки с кручением невысоких цилиндрических заготовок.

7. Разработка инновационных технологий ПТМО для повышения стойкости инструментов из инструментальных сталей.

8. Реализовать результаты исследования в производстве и учебном процессе.

Объект исследования. Процессы пластического формоизменения в условиях немонотонного и монотонного нагружения.

Предмет исследования. Пластическая обработка заготовок для улучшения эксплуатационных свойств элементов конструкций.

Методы исследования. Исследования основаны на законах и положениях теории упругости и пластичности, теоретической и технической механики, на стандартных методах технических и технологических испытаний, положениях материаловедения и термической обработки металлов, методиках анализа и статистической обработки результатов исследований.

Научная новизна состоит в развитии теории пластического формоизменения при немонотонном и монотонном нагружении, осадки со

сдвигом заготовок, устойчивости деформирования длинномерных цилиндрических и плоских заготовок с учетом упрочняемости материалов, и заключается в следующем:

- даны теоретическое и экспериментальное обоснования возможности оценки пластического состояния металлических сплавов в условиях немонотонного нагружения с помощью модели анизотропно упрочняющегося тела Г. Бакхауза, и как следствие установлены эффекты изотропного упрочнения и увеличения определяющей начало образования местных утонений критической деформации;

- определено НДС при осадке с кручением (цилиндрических) и со сдвигом (плоских) заготовок в условиях монотонного нагружения с учетом упрочняемости материала, позволяющее решать задачу об устойчивости при осадке с кручением длинномерных цилиндрических заготовок, а также разрабатывать инновационные технологии ПТМО для повышения стойкости инструментов.

Научная значимость работы состоит в развитии теории пластического формоизменения при немонотонном и монотонном нагружении, осадки со сдвигом длинномерных цилиндрических и плоских заготовок, в обосновании возможности использования инженерного критерия положительности работы добавочных нагрузок при исследовании пластической устойчивости деформирования указанных заготовок.

Практическая ценность. Для повышения эффективности производства на основе выполненных исследований разработаны: способы увеличения важнейшей характеристики прочности материала - условного предела текучести и критической деформации с целью получения за одну непрерывную операцию без промежуточных отжигов заготовок в реализуемых техпроцессах, связанных с действием растягивающих напряжений; инновационные технологии ПТМО применительно к инструментальным сталям, обеспечивающие существенное увеличение стойкости инструментов; на уровне изобретений конструкции штамповой оснастки и прессового оборудования для реализации указанных технологий.

Реализация и внедрение результатов работы. Проведенные исследования нашли практическое применение при разработке технологических процессов, связанных с повышением несущей способности и технологичности изготовления элементов конструкций (валы, стойки, режущие и мерительные инструменты).

Результаты исследований внедрены на предприятиях: ОАО ВАСО, ОАО «Тяжмехпресс», «Воронежский механический завод - филиал ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева»», ОАО НИИАСПК, Завод ракетных двигателей «КБ химавтоматики», ООО ПФК «Воронежский станкозавод-холдинг», ОАО «НПО «СПЛАВ»», ОАО «ТНИТИ». Часть теоретических результатов исследований используется в учебном процессе ФГБОУ ВПО «ВГТУ», ФГБОУ ВПО «ТулГУ», ФГБОУ ВПО «МГИУ».

В актах отмечены эффективность проведенных исследований и их перспективность для развития отечественного машиностроения.

Апробация работы. Основные положения работы обсуждались и были одобрены на конференциях и симпозиумах различного уровня в стране и за рубежом: И-й Международной научно-технической конференции «Механика

/

пластического формоизменения технологии и оборудования обработки материалов давлением» (Тула, 2004); Всероссийской научно-технической конференции «Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении» (Воронеж, 2001); Международной научно-технической конференции «Авиакосмические технологии» (Воронеж, 2004, 2009, 2011); Международной научно-технической конференции «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов» (Санкт-Петербург, 2005, 2007); Российской конференции «Компьютерные технологии автоматизированного проектирования систем машиностроения и аэрокосмической техники» (Воронеж, 2006); Международной научно-технической конференции «Достижения и перспективы развития процессов и машин обработки давлением в металлургии и машиностроении» (Украина, Краматорск, 2009); Международной научно-технической конференции «Прогрессивные методы и технологическое оснащение процессов ОМД» (Санкт-Петербург, 2009); Международной научно-технической конференции «Новые наукоемкие технологии, оборудование и оснастка для обработки материалов давлением» (Украина, Краматорск, 2010); Международной научно-технической конференции «Х-й Конгресс кузнецов России» (Рязань, 2010); Всероссийской научно-технической конференции «Научные исследования и разработки в области авиационных, космических и транспортных систем» (Таруса, 2010); научном семинаре Тульского государственного университета и на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного технического университета.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 51 научных работ, в том числе 23 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, две монографии, получено 16 патентов РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов, списка литературы, включающего 132 наименования, и приложений. Основная часть работы изложена на 373 страницах машинописного текста, содержит 155 рисунков и 27 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе на основе анализа состояния вопроса делается вывод о востребованности производством решения проблем разработки инновационных и совершенствования существующих технологий улучшения эксплуатационных свойств элементов конструкций и улучшения технологичности их изготовления с целью повышения надежности и качества машин и механизмов. В связи с этим рассматривается ряд важных для промышленности задач:

- оценка НДС при немонотонных процессах нагружения на основе достаточно адекватных реальным свойствам металлов моделей анизотропно упрочняющегося тела;

- определение НДС при осадке с кручением (цилиндрических) и со сдвигом (плоских) заготовок в условиях монотонного нагружения;

- создание технологий инновационных видов обработки, а именно осадки и осадки с кручением длинномерных цилиндрических заготовок при реализации ПТМО применительно к инструментам типа сверл, зенкеров и др. с целью повышения их стойкости;

- разработка конструкций соответствующей технологической оснастки и прессового оборудования для реализации указанных видов пластической обработки заготовок;

- разработка высокоэффективных технологий ПТМО для повышения стойкости режущих и мерительных инструментов цилиндрической и прямоугольной форм.

Отмечен большой вклад в решение этих задач ряда отечественных и зарубежных ученых - JI.M. Качанова, H.H. Малинина, A.A. Ильюшина, Г.Д. Деля, Е.П. Унксова, С.П. Яковлева, Г.Б. Талыпова, В.Н. Субича, М.Л. Бернштейна, С.С. Горелика, Ф.В. Гречникова, Ю.М. Арышенского, Г. Бакхауза, А. Надаи, A.M. Дмитриева, В.А. Огородникова, A.A. Богатова и др.

Предложенная Г. Бакхаузом модель анизотропно упрочняющегося тела используется в диссертации при изучении немонотонных процессов пластического формоизменения.

На базе обзора выполненных исследований по решению указанных проблем сформулированы цель работы и вытекающие из нее задачи исследования.

Во второй главе представлены результаты исследований по упрочнению элементов конструкций немонотонным пластическим деформированием на основе модели анизотропно упрочняющегося тела Г. Бакхауза. В реальных условиях некоторые элементы конструкций работают в необычных условиях, например в агрессивной среде, и в связи с этим они изготавливаются, как правило, из нержавеющих сталей аустенитного класса. Для повышения прочности такого рода деталей можно использовать только пластическое деформирование. Однако деформирование в условиях монотонного нагружения вызовет анизотропию механических свойств металла, одним из проявлений которого является эффект Баушингера.

Рассматривается способ устранения деформационной анизотропии, основанный на эффекте изотропного упрочнения в результате немонотонного процесса пластического деформирования. При реализации этого эффекта материал вновь становится изотропным, но упрочненным по отношению к исходному. Согласно теории анизотропно упрочняющегося тела для реализации указанного эффекта необходимо, чтобы по окончании последнего этапа деформирования координаты центра поверхности нагружения были равны нулю, т.е.

Здесь <р{р-е) - функция, характеризующая наследственное влияние истории нагружения; е - переменная в подынтегральной функции. В теории предполагается независимость функций <р{е - е ), ег0(е), ß(e) от вида

напряженного состояния и истории нагружения, и их можно рассматривать как используемые в модели характеристики материала.

Для определения условного предела текучести £т0 2 изотропно упрочняемого материала совместно с соотношением (1) рассматриваются уравнения состояния в соответствии с теорией течения.

Выполнены исследования по изучению эффекта изотропного упрочнения материалов деформированием их в условиях линейного напряженного состояния и сдвига. При этом рассматривается нагружение цилиндрической заготовки в системе координат х1 = г, х2 = р, = т] (рис. 1).

Для реализации эффекта изотропного упрочнения в условиях линейного напряженного состояния производится нагружение заготовки в цикле Растяжение (Р) - Сжатие (С) - Растяжение (Р) - и т.д. вдоль оси х,. При этом получено соотношение для расчета компонентов девиатора напряжений на я -й ступени нагружения:

(S„)„ =~о-0(е

ds„

de

1".

, - P{Sok )]р{е - £ok Уо {Sok )At ■

(2)

Здесь для компоненты девиатора напряжений 5и Ак =-2, если к-й - участок деформирования соответствует растяжению, а {к + 1)-й- сжатию, в противном случае Ак =2.

Х2(р) ^ о

Рис. 1. Схема положения осей координат заготовки

Тогда из соотношения (2) получают формулы для расчета растягивающих (<?р)и сжимающих (ас) напряжений:

и-1,

= о а (е) - 0,5 z[l- р{єок )]<р(е - еок К (єок )àk ;

к=1 п-L

(3)

ас = -ст0(е) +0,5 l[l - fi(e0k )](р(е - еок)а0(еок )Ак. к=1

Для случая п = Ъ при выполнении условия (1) получено трансцендентное уравнение относительно искомой деформации е02 (при сжатии) по заданной величине еох (при растяжении):

[1 - fl(e02 Ж (s02 ) = 2[l - J3(s0 ! Ж (е0 ! )(р0 + (l-p0) exp[ci (e02 -£-oi)C2{. (4)

Повышенное значение условного предела текучести равно эквивалентному напряжению

щп=[\ + р{е01)\у0{ет)12. (5)

В соотношении (4) с,, с2, <р0 - коэффициенты аппроксимации, определяемые статистической обработкой опытных значений функции <р.

Для проверки эффекта восстановления изотропии механических свойств материала при его пластическом деформировании были выполнены испытания цилиндрических образцов из стали 45 по двум циклам нагружения «Р-С» и «С - Р» в осевом направлении при ¿г01 =0,072 и £01 =0,091. Во втором случае сжатие длинномерных образцов производилось в специальном устройстве. Интенсивности напряжений, определенные по действительной кривой течения, составили для первого цикла нагружения Со(г01)= 700 МПа; °о(£02)= —725МПа. Рассчитанные значения координаты ап для циклов нагружения «Р - С» и «С - Р» составили соответственно ± 7 МПа (знак «-»'дня цикла «С - Р»). Эту координату в связи с ее малостью по сравнению с <т0(£-0,) и сг0 (г02) можно принять равным нулю, и тем самым считать выполненным условие (1). Расчетные значения условного предела текучести составили 468МПа, что больше опытного значения (432 МПа) на ~ 8%. Были определены условные пределы текучести при сжатии в поперечном направлении (ось х2) изготовленных из деформированных в указанных циклах нагружения образцов размером 8*10x12 мм. Опытное значение указанной характеристики этих образцов составило ~ 430 Мпа, что позволяет заключить с отклонением < 10% о восстановлении изотропии механических свойств.

Получена экспериментальная зависимость между деформациями е02 и

¿>о| при £о| > 0,05 в виде

£ог = г01 + Ае'

где Ае - некоторая константа, зависящая от свойств материала. Для исследованной стали Ае я 0,02.

Произведена экспериментальная оценка деформированного состояния сжатых вдоль оси хг прямоугольных образцов определением компонентов деформации ег2, е33 в зависимости от приращения накопленной

деформации е-е02-

Результаты анализа опытных данных о деформированном состоянии позволяют также заключить с отклонением ~ 5% о реализации эффекта восстановления изотропии механических свойств. Аналогичные результаты получены и для других значений е01 и е02, удовлетворяющих условию (4).

В работе доказывается реализация эффекта изотропного упрочнения материала и в случае нагружения в условиях циклического сдвига (кручения) тонкостенных трубок. При этом установлено значение повышенного условного предела текучести равного эквивалентному напряжению (5), независимое от направления деформирования в подвергнутых циклическому сдвигу образцах.

Здесь зависимость (6) также является справедливой: для стали "20 Ае = 0,02; стали 35 -0,013; стали 1Х18Н9Т - 0,012; стали 45 - 0,007.

Были выполнены эксперименты на трубках (017мм, с толщиной стенки 1мм) из стали 40Х. На рис. 2 показаны графики изменения нормальных напряжений ст. Здесь 1 - кривая течения; 2 — расчет по уравнению (5); 3-е учетом эффекта Баушингера; точки — опытные значения. Из рисунка следует, что расчетные значения с отклонением < 10% совпадают с опытными. При е = 0,03 ег02 = 560МПа, что больше исходного предела текучести на ~ 50%. (т,МПа

609

400

о 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

Рис. 2. Графики зависимости <т от деформации г0[

В диссертации немонотонное нагружение рассматривается так же, как один из способов упрочнения деталей при рабочих нагрузках, не совпадающих по направлению с направлением пластического деформирования. При этом, как и ранее, используется модель Г. Бакхауза для оценки повышенного значения условного предела текучести в следующих случаях: упрочнение валов пластическим растяжением (сжатием) вдоль оси их заготовок; упрочнение сжимаемых стоек кольцевого сечения внутренним давлением; упрочнение этих же стоек, но пластическим кручением.

Для упрочненного вала условный предел текучести на сдвиг определяется по формуле:

_а0(ен [1 -рщт\ пл

С целью проверки этой формулы были выполнены эксперименты на образцах размером 017x160мм из сталей 20 и 1Х18Н9Т. На рис. 3 представлены графики изменения касательных напряжений в зависимости от накопленной деформации е для стали 1Х18Н9Т. Из анализа графика следует, что расчетные значения достаточно точно (с отклонением < 10%) согласуются с опытными. При накопленной осевой деформации е = 0,2 условный предел текучести больше исходного тт на ~ 54%.

Для второго случая упрочнения получены соотношения для расчета повышенного значения условного предела текучести на сжатие и давления q.

В третьем случае предел текучести оказался также равным эквивалентному напряжению (5).

т,МПа ___

1

2

•

3

о 0,04 0,08 о-12 в,16 0,20

Рис.3. Зависимости т от деформации е: 1 - диаграмма сдвига т(е);

2 - формула (7); 3-т'03= /?(е)г(е); точки - экспериментальные значения

Таким образом, представленные во второй главе результаты исследования позволяют сделать вывод о достаточной эффективности использования немонотонного пластического деформирования, как основного способа повышения несущей способности элементов конструкций, изготовленных по каким-либо причинам из термически неупрочняющихся материалов.

Третья глава посвящена исследованию возможности увеличения обусловливающей начало образования местных утонений критической деформации е в пластически обрабатываемых заготовках при действии растягивающих напряжений. Из теории пластичности известно, что чем выше упрочняемость материала, определяющаяся производной с{сг0/с1е на кривой течения, тем устойчивее протекает процесс деформирования. Однако с увеличением накопленной деформации е данная производная монотонно уменьшается, достигая при этом некоторого значения, соответствующего критической деформации.

При реализации в производственных условиях ряда технологических процессов, например вытяжки тонкостенных цилиндров, из-за недостаточности пластичности материала заготовки не всегда удается получить поковку с заданными технологическими размерами за один непрерывный процесс. В связи с этим непрерывный техпроцесс разделяют на несколько переходов с промежуточным отжигом для восстановления пластичности материала. Однако в качестве альтернативного способа улучшения технологических свойств материа-

ла нами предлагается способ, основанный на увеличении производной <Лсг0 / ¿е немонотонностью техпроцесса. Для обоснования нового способа увеличения екр в диссертации рассматриваются немонотонные процессы в реверсивном режиме: в условиях линейного напряженного состояния; чередования двух видов напряженного состояния. В первом случае исследуется циклическое нагру-жение «Р - С — Р - ...», а во втором «Р - кручение (К) - Р - К - ...»; раздача внутренним давлением (Р9) трубки - растяжение (Р) - ?ч - ... Р - ...; растяжение листа (Р*) - растяжение (сжатие) в поперечном направлении (Р^) или (С,,) - ....

Для циклического растяжения — сжатия получены соотношения: - для расчета критической деформации

£>:р = £йп + 2 i [(ff0(*-2) -£o(t-i))].

(Ю

где п = 3, 5, 7 ...; £o(i-2) и so(t-1) ~ накопленные деформации в конце этапов растяжения и сжатия; - для определения осевого напряжения

<т = а0(е)- 0,5Е[(1 - р{еок)Ые - еок)стй(еок)Ьк, (9)

где Ак = ±2 (знаки «+» и «-» соответственно при нечетном и четном значениях к). Дополнительно к этим выражениям записывается условие потери устойчивости пластического деформирования

-■^ = 1- (Ю)

<т0 de

Для оптимизации процесса увеличения екр решаются совместно уравнения (8 - 10). При этом в соотношении (10) вместо интенсивности напряжений сг0 подставляется напряжение сг. В результате устанавливается число циклов и, деформации £0(*-2)> £o(k-i)' обеспечивающие наибольшее значение sKp.

С целью экспериментальной проверки предлагаемого способа увеличения екр соотношения (8-10) рассматривались для п= 3 (цикл нагружения «Р - С -Р». На рис. 4 и 5 показаны зависимости Ae = e01-s0{= f\(coi) и екр = /2{е0,).

As_

о,os

0,01

0,04 о,os 0,12 0,16

Рис. 4. Зависимость As от s0l

ojo

Опыты проводились на образцах размером 016x120мм из стали 20. Предварительно образцы (по три штуки) растягивались до деформаций £01 = 0,07; 0,12; 0,18, после чего они сжимались вдоль оси до определенной по графику на рис. 5 накопленной деформации Ае в специальном устройстве. На рис. 5 точками отмечены опытные значения екр. Из этого рисунка следует, что при деформациях гг01>0,06 происходит монотонное увеличение екр. Результаты анализа представленных данных позволяют заключить, что расчетные значения е с отклонением < 10% совпадают с опытными. При этом наибольшее опытное значение екр = 0,25 превышает исходное (0,18) на ~ 40%, и тем самым подтверждается достаточная эффективность рассмотренного способа улучшения технологических свойств материала.

Рассмотренный способ увеличения критической деформации екр имеет существенный недостаток из-за сложности осадки длинномерных заготовок, приводящий к необходимости укорачивать их. В связи с этим исследуется второй способ нагружения: «Р - К - Р - ... » тонкостенной т рубки.

Для определения наибольшего значения екр получена соответствующая

система уравнений.

С целью экспериментальной проверки были испытаны трубки размером 017x110 мм с толщиной стенки 1,5 мм из стали 40Х. При монотонном растяжении екр = 0,04. На рис. 6 и 7 представлены для цикла «Р - К - Р» графики изменения Ая = £2~ й1 и £кр в зависимости от деформации . Трубки предварительно растягивались до е1 = 0,006; 0,015; 0,030, после чего закручивались до значений деформации Ае, определенных по рис. 6. Расчетные значения вкр превышают эту величину при монотонном растяжении

на ~ 75%.

Рис. 6. Зависимость Ае от е.

Рис. 7. Зависимость екр от е1

На рис. 8 для иллюстрации представлена фотография образцов (слева направо: 1 — недеформированный образец; 2 - образец после монотонного растяжения; 3, 4, 5 - образцы, растянутые предварительно соответственно до деформации = 0,006; 0,015; 0,030). На данный способ увеличения критической деформации получен патент РФ._________

Рис. 8. Трубчатые образцы в эксперименте

Для последних двух циклов нагружения: листов «Рх - Ру - Рх - ... » и цилиндров кольцевого сечения «Р — Р9 — Р - Р? - ... » также получены соответствующие системы уравнений, необходимые для оптимизации указанных процессов деформирования.

Таким образом, предложен достаточно эффективный альтернативный существующим технологиям новый способ улучшения технологических свойств материалов, основанный на немонотонности процесса пластического деформирования заготовок элементов конструкций.

В четвертой главе представлены результаты исследований пластической деформации при монотонном нагружении. Это обусловлено тем, что при разработке высокоэффективных технологий предварительной термомеханической обработки (ПТМО) для повышения стойкости и износостойкости режущих и мерительных инструментов необходимо знание НДС в заготовках с целью оптимизации процесса пластической обработки последних для достижения максимального эффекта улучшения эксплуатационных свойств указанных изделий.

При реализации технологии ПТМО применительно к инструментам в форме цилиндров (сверла, развертки, концевые фрезы и др.) пластическую обработку заготовок рационально выполнять осадкой с кручением, так как данный вид обработки позволяет получать структуру металла, обеспечивающую максимальное повышение стойкости инструментов.

На рис. 9 представлена схема нагружения заготовки 1 (радиусом Е^ и длиной /0) перемещением пуасона 3 вниз со скоростью V и вращением его без проскальзывания (благодаря радиальным насечкам) относительно заготовки с угловой скоростью со.

Для произвольной точки А заготовки в системе координат г, р, <р определены компоненты скоростей перемещения и деформации, на основе которых согласно теории течения получены формулы для расчета напряжений:

(П)

= ±сг0(е)/ Л; ^ = г = ^<70(«Мі ± в)рШв 'А.

где А = 1|1 + І- —

20-

Я2є2

v -----

< ^ 1 1 1 1

і і 0 а,

т //// / /і

211

рг ; знак «+» относится к растяжению с кручением.

Деформирующие нагрузки, сила сжатия и скручивающий момент будут соответственно равны:

я

Р = ±2лА{(е0 + е)" ■ А 1р ■ йр\ о

М =

2лу(\:

е)А V/ , у,

Д"1 • р^р.

(12)

Ъе- Я о

В представленных соотношениях с целью удобства счета предлагается ввести линейную зависимость между угловой у и относительной е деформациями:

у = се _(13)

и соответственно Д = А' = , 1 +

ЗЯг

Рис. 9. Схема нагружения заготовки

где с - коэффициент, учитывающий влияние угловой деформации на процесс осадки с кручением. При с = 0 - реализуется чистая осадка заготовки силой Р'.

Для оценки степени влияния деформации сдвига на силу сжатия вводится безразмерный параметр а, определяемый по формуле:

(14)

г сг0(е)к о

Были выполнены эксперименты по осадке с кручением заготовки размером 018x140мм из стали 9ХС в специальном устройстве для осадки с кручением, в котором закручивание заготовки реализуется с помощью винтовой

пары с различными значениями угла подъема резьбы. Представленные опытные данные показывают, что с увеличением коэффициента с параметр а для упрочняющихся материалов уменьшается, что подтверждает полученные В.Н. Субичем данные об уменьшении силы сжатия заготовок с увеличением деформации сдвига.

В диссертации также определено НДС при осадке со сдвигом плоских заготовок с исходными размерами а0 х Ь0 х (ширина х толщина / высота), нагружаемых перемещением пуансона вниз (ось у) и в горизонтальном направлении (ось х) со скоростями V и Ух. Так же, как и в предыдущем случае, на основе анализа НДС получены формулы для расчета компонентов напряжений и деформирующих нагрузок.

Для оценки влияния деформации сдвига на силу сжатия заготовки вводится параметр р:

Р = Ру!Ту=^я, (15)

где Ру - сила сжатия при у — О, Д! = ^1 + /2(1~е)2/е2 .

Были определены расчетом значения р для заготовок размером 40x20x50мм из стали 45. Полученные данные показывают, что сдвиговые деформации уменьшают силу сжатия заготовки также и для упрочняющегося материала.

Указанные выше инструменты являются длинномерными (с отношением длины / к диаметру <1 более 3) и использование осадки с кручением в условиях реализации ПТМО из-за искривления заготовок практически невозможно. Поэтому с целью осуществления нетрадиционного процесса деформирования предлагается обрабатывать заготовки с приложением к ним поддерживающей поперечной нагрузки в виде сосредоточенных сил <2 и распределенной нагрузки интенсивностью д (рис.10).

Эти нагрузки в работе определяются на основе критерия положительности работы добавочных нагрузок:

<1Рс11+ама<р + А(С1О) > о. (16)

(17)

В момент начала потери устойчивости заготовки ее изогнутая ось представляется в виде кривой

. 2 7zz

^ = у.

После подстановки соотношений (12) в критерий (16) с учетом (17) получим выражения для расчета_искомых поперечных нагрузок:

<2 = <2/Уо1Я = Я/Уо- <18)

Здесь Q = 2#oif(fo±g)l j'ífo + I6 + (2 ~ 5i4fe ;

_ = я^02Л2(е0 + е)" (во + ёУ [б + Сг{2- 5g)L 9 3£ ¿ Aiíl-e)2

На рис. 11 представлены фафики изменения сил Q для заготовки размерами 016x80мм из стали 45 (А = 1015М7а, п = 0.16,ей = 0.002). Здесь штриховая линия при п = 0; 1; 2 - с = 0; 4.

6,0

3,0

1.s

1 Л г > / У

<7 2

04

Рис. 11. Графики для расчета поддерживающих заготовки нагрузок

Из рисунка следует, что упрочняемость материала и наличие деформации сдвига приводят к снижению поддерживающей нагрузки. Такой же результат получен и для интенсивности распределенной нагрузки д .

С целью проверки полученных решений задач по осадке с кручением заготовок и критерия (16) на основе их рассматривалась задача об устойчивости заготовок при растяжении с кручением с последующей экспериментальной проверкой. При этом сформулировано соответствующее уравнение устойчивости процесса растяжения с кручением, решением которого определяются накопленная и относительная критические деформации екр и екр.

На рис. 12 и 13 представлены графики изменения указанных деформаций в зависимости от коэффициента с в (13). Здесь точки - опытные данные, полученные испытанием образцов размером 015x90 мм из стали 45.

Рис. 12. Изменение деформации екр в зависимости от с

Екр____________

0,20\ -Ьг—

___с

о 0,4 0,$ 1,2

Рис. 13. Изменение деформации екр в зависимости от с

Представленные расчетные и опытные данные позволяют заключить о достаточной точности оценки НДС при осадке (растяжении) заготовок с кручением и правомерности критерия положительности работы добавочных нагрузок.

В пятой главе представлены разработанные конструкции технологической оснастки и пресса для реализации в производственных условиях предложенных процессов пластической обработки длинномерных и плоских заготовок. С их применением повышается эффективность технологий ПТМО и как следствие - увеличение стойкости и износостойкости инструментов.

Разработан ряд конструкций штампов, в основе которых используются винтовые и зубчатые механизмы с механическим и гидравлическим приводом.

В штампах с винтовым механизмом нагружение заготовки производится одновременным поступательным и вращательным движением пуансона благодаря винтовым пазам в корпусе, по которым перемещаются жестко закрепленные в пуансоне два и более пальцев. При этом для предотвращения проскальзывания на торцах пуансона и основании выполнены в радиальном направлении насечки с острыми углами. Получены соотношения для расчета угла подъема винтовых пазов, как функции размеров заготовки и характеристик ее материала. При наличии на прессах гидрооборудования можно достаточно эффективно использовать штампы с гидромеханизмом. В них применена гидросистема, позволяющая прикладывать крутящий момент к заготовке через штоки гидроцилиндров, зубчатые рейку и колесо на основании штампа.

Плавное изменение соотношения между угловыми и линейными деформациями в заготовке производится регулировкой давления в гидросистеме

штампа с помощью дросселя.

Получены соотношения для расчета силы сжатия, крутящего момента и функции дросселирования в зависимости от размеров заготовки, характеристик материала и относительной деформации сжатия.

Во всех конструкциях штампов для предотвращения изгиба заготовок используются поддерживающие элементы в виде секторов, изготавливаемых резкой по диаметральной плоскости на 6 - 8 равных частей усеченного корпуса с центральным соосным отверстием (с диаметром равным диаметру заготовки).

Разработаны конструкции штампов для осадки со сдвигом плоских заготовок с использованием клиновых кинематических пар и гидромеханизмов. В первом случае нагружение заготовки производится нагружающим пуансоном перемещением его одновременно вниз Ы и в поперечном направлении (х) благодаря клиновой паре с углом а. Движением пуансона в направлении оси * в заготовке создаются деформации сдвига, которые находятся в определенном соотношении с деформацией осадки, зависящего от угла а. Получены соотношения для расчета деформирующих нагрузок Рх и Ру, как функции размеров заготовки, характеристик материала, угла а и относительной деформации г.

На оенове анализа имеющейся научно-технической информации делается вывод о перспективности использования в промышленности процесса осадки с кручением в сочетании с термообработкой с точки зрения создания равномерной мелкозернистой структуры в поковках различных деталей (инструменты, зубчатые колеса и др.), являющейся основой повышения эксплуатационных свойств элементов конструкций.

В связи с отмеченным в работе представлена конструктивная схема пресса для штамповки с кручением невысоких круглых заготовок (рис. 14).

Л I

'/ ' /

5.

I

за

ш

Рис. 14. Конструктивная схема пресса

В прессе вместо кривошипного механизма используется винтовая передача (винт - приводной маховик). Основные элементы пресса: станина 1; приводной маховик 2 с винтом 3 с концевой частью некруглого сечения, вставленной в соответствующее некруглое отверстие верхнего маховика 4; подпятник 5 ползуна 6 с закрепленным на нем по крайней мере двумя упорами 7, свободные концы которых установлены по скользящей посадке в цилиндрических отверстиях маховика 2; нижняя часть штампа 9 с необходимым матрицами. Подпятник 5 образовывает подвижную кинематическую пару с болтом 8, жестко соединенным с винтом 3.

Принцип работы пресса. Вращение маховика 2 передается через упоры 7 подпятнику 5. В связи с этим последний в свою очередь будет перемещаться вместе с ползуном 6 вниз или вверх в зависимости от направления вращения маховика 2. Для плавного изменения в широких пределах соотношения между угловыми и линейными деформациями в заготовке предусмотрена возможность вращения винта 3 с маховиком 4 относительно приводного маховика 2 с угловой скоростью ю3, вызванного действием тормозного момента Мт. Этот изменяющийся по величине момент зависит от силы поджатая Рг винтов 10 к маховику 4.

На основе кинематического и силового анализов взаимосвязанных подвижных элементов пресса получены на базе решения задачи по осадке с кручением цилиндрических заготовок (гл. 4) соотношения для расчета момента на приводном маховике и потребной для обработки заготовки мощности:

Здесь р - коэффициент, равный отношению угловой скорости приводного маховика (а) к линейной скорости винта (V). Причем величину этого коэффициента задают только за счет предусмотренной в прессе возможности изменять скорость V.

Для примера определена мощность N для обработки заготовки размером 0100x50 мм из стали Х12М.

На рис. 15 представлены графики изменения мощности N в зависимости от относительной деформации осадки е, при разных значениях коэффициента ¡3, при линейной скорости V = 1 мм/с. Здесь 1, 2, 3, 4 - соответственно для /?=0; 0,015; 0,030; 0,045.

Из рисунка следует, что с увеличением степени осадки заготовки мощность N монотонно возрастает. С увеличением деформации сдвига эта мощность также монотонно возрастает.

Главным преимуществом разработанного пресса по сравнению с аналогами, представленными в описаниях патентов, является возможность плавно изменять в широких пределах соотношение между угловыми и линейными деформациями осадки в заготовке любых размеров. Эффективность пресса повысится при использовании его в условиях крупносерийного и массового производства.

(19)

Рис. 15 Изменение мощности в зависимости от относительной деформации

осадки Трекр

Шестая глава посвящена исследованию влияния пластической деформации на стойкостные свойства инструментальных сталей 9ХС, ХВГ, Х12М и Р6М5 и разработке технологических схем изготовления инструментов из этих сталей. В связи с этим рассматривается технология ПТМО, как альтернатива существующим в инструментальной промышленности различным способам повышения стойкости инструментов. При этом разработана методика реализации ПТМО, включающая проведение исследований в два этапа:

1. На первом этапе проводят тестовые исследования согласно представленной на рис. 16 технологической схеме ПТМО,

Рис.16. Технологическая схема ПТМО: 1 - предварительная пластическая деформация; 2 - дорекристаллизационный нагрев (отдых); 3 - закалка с быстрым нагревом; 4 - окончательный отпуск. Ткомн-

комнатная температура; Трекр- температура рекристаллизации а - фазы; М„ -температура начала мартенситного превращения; Ас, - нижняя критическая точка при нагреве; АСз ~ верхняя критическая точка при нагреве доэвтектоидной стали; А —>П - область аустенитно - перлитного превращения; А область

аустенитно - мартенситного превращения.

и устанавливают при этом оптимальные значения степени пластической деформации и режим термообработки, обеспечивающие максимальное увеличение стойкости стали относительно ее исходной.

При этом изготовленные из исследуемой стали образцы диаметром (1 и высотой А =(1,2 - 1,5)*/ осаживаются на прессе в специальном штампе до различных значений накопленной деформации е1. Далее из деформированных образцов изготавливают проходные резцы, которые после соответствующей термообработки согласно технологической схеме ПТМО и окончательной заточки подвергаются стойкостным испытаниям на токарном станке точением прутка из стали 45 по определенному технологическому режиму.

За критерий износа резцов принята величина ширины /г3 площадки, образующейся на главной задней грани резца, значение которой принято согласно рекомендациям 0,3 мм.

Для оценки степени повышения стойкости резцов рассматривается безразмерный параметр, характеризующий относительную стойкость Кт и определяемый по формуле

(20)

1 о

где Т0, Т - стойкости инструментов (мин), изготовленные соответственно без пластической деформации и по новой технологии.

Получены экспериментальные данные об этом параметре в зависимости от накопленной деформации при осадке е, и сдвига е2 для сталей ХВГ и 9ХС, которые были аппроксимированы полиномами 3й степени:

сталь ХВГ: КТ = -79,7620е(3 + 63,3650е,2 - 9,3825е, + 1,0412;

К'т = -60,389^2 + 42,452е| - 5,527е2 +1,019;

з г \ <21)

сталь 9ХС: КТ = -60,233^ + 48,88 Ц2 - 7,372^ +1,011;

К'т = ~47,770е1 + 34,536е| - 4,747е2 +1,020. Из результатов анализа экспериментальных данных и соответствующих им аппроксимаций следует, что до накопленных деформаций е1кр=е2кр=~ 0,1 происходит монотонное уменьшение стойкости, связанное с интенсивным ростом размеров зерна в структуре исследованных сталей. При деформациях же е >0,1 стойкость монотонно возрастает, достигая при этом наибольшего увеличения при е1опт » 0,45 и е2опт ~ 0,40. Деформирование заготовок в условиях линейного напряженного состояния дает больший эффект увеличения стойкости, чем деформирование в условиях сдвига. Установлено: сталь 9ХС КТпах = 2,12; К'Ттах=1,60; сталь ХВГ КТгазх = 2,40; К'Ттах= 1,75.

Были проведены исследования по влиянию сочетания деформаций осадки ех и деформаций сдвига е2 на повышение стойкости сталей. При этом из предварительно закрученных до деформаций е2 образцов изготавливались короткие цилиндрические образцы для осадки до деформаций е,. Данные

стойкостных испытаний изготовленных из осаженных образцов резцов позволили получить аппроксимированные функции Кт = Кт(е1,е2)-

сталь 9 ХС

КТ =167,ЪЪЪехе\ +58,741е24 -138,179е3 +82,944^ -251,841evef + + 237,036e,2 е^ -12,622е2 + 101,445е,е2 -239,847е2е2 + 145,185е3е2 + +1,005 - 10,423e, + 79,988^ - 177,906e,3 + 121,29e,4; ^

сталь ХВГ

КТ = 173,732e,e| + 88,435*4 -171Д37е| + 92,525ef -265,443e,e^ + + 264,433e,2e22 -12,326e2 + 101,423e,e2 -246,091e,2e2 +146,443e,3e2 + +1,001 -9,501e, + 83,097e,2 - 193,77e,3 + 135,625e,4.

Оптимизацией этих функций получены следующие результаты: -для стали9ХС е,оггг= 0,35; е2о1ТГ=0,25; КТтзх =2,37; -для стали ХВГ е,01ГГ= 0,33; e2om=0,22; КТтах =2,55.

Таким образом на основе анализа представленных опытных данных можно заключить, что сочетание деформаций сдвига и осадки в обрабатываемой заготовке инструментальных сталей дает больший эффект увеличения стойкости, чем при деформировании заготовки только в условиях осадки, либо - сдвига. Данный результат выполненных исследований важен при разработке инновационных технологий ПТМО применительно к повышению стойкости инструментов.

Были выполнены исследования на стали Х12М по вышеприведенной методике. Полученная при этом экспериментальная зависимость Кт = Кт{ех) аппроксимирована полиномом 4й степени

Кт =65,909е4 -106,820e3 +55,594е2 -7,972е, +1,000. (23)

Для этой стали установлены следующие значения: е1кр= 0,1; е,оггг=0,5;

-^Гтах=1>7. rwri/K

В диссертации представлены также результаты исследования стали РбМЗ. Установлено, что холодная пластическая деформация практически не сказывается на изменении ее стойкости. В связи с этим осаживались нагретые до различных значений температуры образцы в неизотермическом режиме. Получены опытные зависимости Кт=Кт(ех,Т), на основе которых определены оптимальные значения температуры нагрева (Г = 1173°К) и деформации осадки е,от= 0,5, обеспечивающие наибольшее увеличение

стойкости стали KTmm = 1,7.

2. На втором этапе исследуется влияние пластической деформации на повышение стойкости конкретных инструментов, но уже в производственных условиях их эксплуатации. Отработанный на инструментальной стали технологический режим ПТМО используется при изготовлении того или иного инструмента. При этом в формуле для расчета определяющего относительную

стойкость параметра рассматриваются другие критериальные характеристики. Например, при определении стойкости резьбонакатных роликов Т — это число накатанных резьбой определенного размера болтов.

В производственную технологическую схему процесса изготовления инструментов добавляется операция пластического деформирования заготовки с рассчитанными из условия пластической несжимаемости материала размерами, позволяющими получить последующую заготовку с припуском для окончательной механической обработки.

В диссертации представлены технологические схемы процесса изготовления следующих инструментов:

1. Двусторонние концевые фрезы размером 016 мм из стали 9ХС, гладкие (проходные и непроходные) калибры 05ОН7 из стали ХВГ, резьбонакатные ролики для накатки резьб размером М12 - М20 из стали XI2М. Воронежское акционерное самолетостроительное общество (ВACO).

2. Крупномодульные пальцевые фрезы с модулем m = 35 мм из стали Р6М5. ОАО «Тяжмехпресс».

3. Гладкие (проходные и непроходные) калибры 016Н7 из стали Х12М. ООО ФПК «Воронежский станкозавод - холдинг».

Реальное увеличение стойкости для всех рассмотренных инструментов относительно реализуемой по старой технологии стойкости составляет 1,5 - 2,0 раза.

Для примера на рис. 17 - 19 приведены результаты внедрения инновационной технологии ПТМО применительно к резьбонакатным роликам (М12) из стали Х12М в ОАО ВАСО. Схема указанной технологии представлена на рис. 17. Отличается она от традиционной включением в нее дополнительной

Рис. 17. Технологического схема процесса изготовления резьбонакатного ролика в условиях ПТМО

операции пластической осадки предварительно изготовленной мехобработкой на заготовительной стадии заготовки кольцевой формы с установленными на основе пластической несжимаемости материала размерами. На рис. 18 в скобках даны размеры, получающиеся после осадки с учетом припуска на мехобработку для формообразования резьбонакатного ролика в соответствии с его чертежом. Фотография роликов показана на рис. 19.

&5(П4)

Рис. 19. Фотография резьбонакатных роликов

Рис.18. Эскиз заготовки кольцевой формы для пластической осадки

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертации представлено решение крупной научной проблемы, заключающейся в развитии теоретических основ пластического формоизменения в условиях немонотонного и монотонного нагружения.

Решенная проблема имеет важное хозяйственное значение, поскольку на ее основе для определенных термически не упрочняемых материалов будут разрабатываться инновационные технологии повышения несущей способности

элементов конструкций.

В процессе теоретического и экспериментального исследовании получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Проведенные теоретические и экспериментальные обоснования адекватности предложенной Г. Бакхаузом модели анизотропно упрочняющегося начально изотропного тела реальным свойствам металлических сплавов при их пластическом деформировании позволили достаточно точно (с отклонением <10%) оценивать НДС металлов при их деформировании в условиях немонотонного нагружения.

На основе указанной модели установлен важный для практических целей эффект изотропного упрочнения металлов пластическим деформированием в условиях немонотонного нагружения, который проявляется при выполнении условия равенства нулю координат центра поверхности нагружения [а, =0; г, ] = 1,2,з) в конце последнего этапа пути деформирования. При этом металл после пластического деформирования вновь становится по своим механическим свойствам изотропным, но с увеличенным относительно исходного предела текучести егг (или тт) значением условного предела

текучести а02 (или г0 3). У исследованных сталей 45, 40Х это увеличение составляет (50-60)%, что является существенным с точки зрения повышения прочности деталей машин.

Созданы теоретические основы увеличения прочности деталей немонотонным пластическим деформированием для:

- упрочнения валов растяжением или сжатием их заготовок;

- упрочнения работающих на сжатие стоек кольцевого сечения раздачей их внутренним давлением или кручением.

Расчетные результаты увеличенного значения г03 для валов и <т02 для стоек подтверждаются опытными данными с отклонением ~ 10%.

Повышение г0 з относительно тт и сг0 2 относительно от для сталей 20, 35, 1Х18Н9Т составляет ~ 60%, и тем самым достигается значительное повышение надежности указанных деталей.

2. На основе модели анизотропно упрочняющегося тела Г. Бакхауза установлен эффект увеличения критической деформации екр в условиях действия растягивающих напряжений. При этом составлены расчетные алгоритмы для оптимизации технологических процессов увеличения екр:

- цилиндрических заготовок в цикле нагружения растяжение - сжатие -растяжение - ...;

- труб в цикле нагружения растяжение - кручение - растяжение...;

- листов в цикле нагружения растяжение — растяжение (или сжатие) в поперечном направлении — растяжение — ....

Расчетные с отклонением ~ 10% от опытных данных подтверждают увеличение екр относительно нее в условиях монотонного нагружения на 40 -75%.

Разработанный способ повышения пластичности металлов может быть эффективно использован на производстве при изготовлении обработкой давлением заготовок без дополнительных промежуточных операций отжига, и ^ вместе с тем для создания мелкозернистой структуры металла, являющейся основой увеличения его эксплуатационных свойств (прочность, износостойкость).

3. Разработанная на основе модели изотропно упрочняющегося тела теория осадки со сдвигом цилиндрических и плоских заготовок в условиях монотонного нагружения включает в себя определение НДС, деформирующих нагрузок в заготовках в зависимости от относительной деформации е и механических характеристик материала. При этом установлено, что с увеличением деформации сдвига сила осадки заготовки уменьшается, а с увеличением упрочняемости материала происходит повышение силы сжатия. Результаты испытаний на образцах 018x140 мм из стали 9ХС и размером 20x20x10 мм из стали 20 подтверждают с отклонением <10% полученные расчетом данные.

4. С помощью инженерного критерия положительности работы добавочных нагрузок, входящего в созданную теорию проектирования технологической оснастки для реализации нетрадиционных процессов ОМД, исследована устойчивость длинномерных заготовок при их сжатии с кручением

с учетом воздействия препятствующих искривлению заготовок поперечных

нагрузок в двух случаях:

- распределенная нагрузка имеет постоянную интенсивность q;

-к заготовке длинной /0 приложены на расстоянии /0/(/я + 1) друг от друга т сосредоточенных сил Q.

Установлено, что с увеличением относительной деформацией осадки силы и интенсивность д монотонно возрастают. С ростом деформации сдвига указанные силовые характеристики уменьшаются и в связи с этим повышается устойчивость заготовки.

5. Экспериментальная проверка правомерности использованного при определении поперечных поддерживающих нагрузок указанного в п. 4 критерия устойчивости на примере решения задачи об устойчивости заготовок при растяжении с кручением позволила установить следующее. Увеличение деформации сдвига приводит к росту критической накопленной деформации ек и к уменьшению относительной (екр) деформации. Полученное решение с погрешностью <10% согласуется с данными эксперимента на образцах из стали 45 что подтверждает правильность оценки НДС при осадке (растяжении) с кручением цилиндрических заготовок и обоснованность применения в механике пластического формоизменения инженерного критерия положительности работы добавочных нагрузок.

6 В разработанных конструкциях штампов с использованием в них винтовых, клиновых и цанговых механизмов, а также гидропривода применимы полученные в диссертации соотношения для расчета основных геометрических параметров штампов, зависящих от степени деформации и свойств материала заготовки. Результаты испытаний изготовленных макетов штампов для осадки с кручением (цилиндрических) и осадки со сдвигом (плоских) заготовок подтверждают высокую эффективность технических идеи, заложенных в спроектированных конструкциях.

7. Разработанная на уровне изобретения конструкция пресса для штамповки с кручением плоских круглых заготовок, позволяющего обрабатывать последние с большими размерами и достаточно легко изменяемыми в широком диапазоне соотношениями между линеиными и угловыми деформациями является частью технологической базы для внедрения в производство инновационных технологий повышения стоикости инструментов в форме диска. Конструкция пресса является более простои по сравнению с аналогами, включающими в себя в качестве главного элемента

сложные кривошипные механизмы.

8 Экспериментально установленная возможность повышения стоикости инструментальных сталей (9ХС, Х8Г, Х12М и др.) за счет пластических деформаций осадки, сдвига и сочетания их при реализации технологии 111Ми позволила определить технологические режимы ПТМО с наилучшими значениями указанных деформаций, при которых стойкость исследованных сталей увеличивается в 1,5 - 2,5 раза по сравнению со стойкостью, достигаемой по традиционному способу изготовления инструментов (без дополнительной

пластической деформации).

Для быстрорежущей стали Р6М5 установлено, что холодная пластическая деформация практически не влияет на изменение стойкости изготовленного из

нее инструмента. В связи с этим разработана новая технология ПТМО для этой стали, заключающаяся в пластическом деформировании в неизотермическом режиме нагретых до определенной температуры с выдержкой в течение заданного времени заготовок. При этом установлены рациональные значения температуры нагрева и степени пластической деформации.

Установлено, что главной причиной повышения стойкости инструментальных сталей при реализации технологии ПТМО является значительное понижение балла карбидной неоднородности (с ~9 до ~2) в металлографической структуре сталей.

9. Годовой эффект от внедрения части результатов исследований в производство (ОАО ВАСО, ОАО «Тяжмехпресс», «Воронежский механический завод - филиал ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева»», ОАО НИИАСПК, Завод ракетных двигателей «КБ химавтоматики», ООО ПФК «Воронежский станкозавод-холдинг», ОАО «НПО «СПЛАВ»», ОАО «ТНИТИ» составил более 1 (одного) миллиона рублей. В учебном процессе ФГБОУ ВПО «ВГТУ», ФГБОУ ВПО «ТулГУ», ФГБОУ ВПО «МГИУ» используются материалы диссертации.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Хван А.Д. Исследование осадки с кручением длинномерных цилиндрических заготовок / А.Д. Хван, A.A. Воропаев, Д.В. Хван // Известия ТулГУ. Серия. Механика деформируемого твердого тела. Тула: Из-во ТулГУ, 2004. Вып. 1.С. 26-31.

2. Хван А.Д. Способ построения диаграмм сдвига / А.Д. Хван // Наука -производству. 2004. №12. С. 26 - 27

3. Хван А.Д. Устойчивость длинномерных цилиндрических заготовок при их осадке с кручением / А.Д. Хван, A.A. Воропаев // Кузнечно - штамповочное производство. 2004. № 12. С. 10-13.

4. Хван А.Д. Осадка со сдвигом плоских заготовок из упрочняющегося материала / А.Д. Хван, A.B. Попов // Известия ТулГУ. Серия. Механика деформируемого твердого тела. Тула: Из-во ТулГУ, 2005. Вып.1. С. 64 - 65.

5. Хван А.Д. Устойчивость цилиндрических заготовок при их растяжении с кручением / А.Д. Хван, A.A. Воропаев, Д.В. Хван // Кузнечно-штамповочное производство. 2006. №7. С. 7-10.

6. Хван А.Д. Пластическая обработка длинномерных цилиндрических заготовок осадкой с кручением / А.Д. Хван, Д.В. Хван // Тяжелое машиностроение. 2006, № 3. С. 14 - 16.

7. Хван А.Д. Упрочнение тонкостенных цилиндрических стоек пластическим деформированием / А.Д. Хван, Д.В. Хван // Тяжелое машиностроение. 2006. № 12. С. 29 - 30.

8. Хван А.Д. Пластическая обработка плоских заготовок осадкой со сдвигом / А.Д. Хван, A.B. Попов // Кузнечно-штамповочное производство. 2007. №10. С. 35-37.

9. Хван А.Д. Штамп двустороннего действия для осадки с кручением длинномерных цилиндрических заготовок // Кузнечно-штамповочное производство. 2008. №8. С. 29 - 31.

10. Хван А.Д. Гидравлический штамп для осадки с кручением длинномерных цилиндрических заготовок / А .Д. Хван, П.М. Панин // Кузнечно-штамповочное производство. 2008. №1. С. 31 - 33.

11. Хван А.Д. Влияние механотермической обработки на снижение балла карбидной неоднородности инструментальной стали / А.Д. Хван, A.B. Попов, A.B. Токарев // Кузнечно-штамповочное производство. 2008. №7. С. 29-30.

12. Хван А.Д. Штамп двустороннего действия для осадки с кручением длинномерных цилиндрических заготовок / А.Д. Хван // Кузнечно-штамповочное производство. 2008. №8. С. 29 - 31.

13. Хван А.Д. Штамп для осадки длинномерных цилиндрических заготовок / А.Д. Хван // Кузнечно-штамповочное производство. 2009. №7.С. 15-17.

14. Хван А.Д. Построение диаграммы сдвига путем испытания на кручение «условного» трубчатого образца / А.Д. Хван // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2010. № 3. С. 56 - 57.

15. Хван А.Д. Повышение несущей способности валов / А.Д. Хван, C.B. Пустовалов //Тяжелое машиностроение. 2010. №9. С. 15 - 17.

16. Хван А.Д. Изотропное упрочнение металлов на основе знакопеременного пластического кручения / А.Д. Хван // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2010. №2. С. 22 -25.

17. Хван А.Д. Напряженно - деформированное состояние в цилиндрической заготовке при осадке (растяжении) с кручением / А.Д. Хван // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением.

2010. №10. С. 19-22.

18. Хван А.Д. Гидропривод штампа для осадки с кручением цилиндрических заготовок / А.Д. Хван // Кузнечно-штамповочное производство. 2011. №7. С. 29 — 31.

19. Хван А.Д. Повышение стойкости стали Р6М5 пластической деформацией в неизотермическом режиме / А.Д. Хван // Заготовительные производства в машиностроении. 2011. №11. С. 21 — 23.

20. Хван А .Д. Пресс для комбинированного нагружения при обработке металлов давлением / А.Д. Хван, П.М. Панин // Кузнечно-штамповочное производство. 2011. №10. С. 36 - 39.

21. Хван А.Д. Применение критериев устойчивости в обработке металлов давлением / H.A. Евдокимова, А.Д. Хван // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т.7. №11. 2. С. 97 - 98.

22. Хван А.Д. Пластическая осадка длинномерных цилиндрических заготовок / А.Д. Хван, Д.В. Хван // Заготовительные производства в машиностроении. 2012. №6. С. 27 — 29.

23.Хван А.Д. Определение энерго-силовых параметров для реализации процесса штамповки с кручением цилиндрических заготовок / А.Д. Хван, В.А. Крук, В.В. Ковалев // Кузнечно-штамповочное производство. 2012. №7. С. 15 -18.

Патенты на изобретения:

24 Пат. 2240358, Российская Федерация, МПК C21D 7/00, Способ упрочнения металлов / А.Д. Хван, Д.В. Хван, C.B. Пустовалов; № 2003111054/02; заявл. 17.04.2003; опубл. 20.11.2004. Бюл. № 32. 4 с.

25.Пат. 2243273, Российская Федерация, МПК7 C21D 7/00, Способ повышения твердости низкоуглеродистых сталей / А.Д. Хван, Д.В. Хван, A.A. Горячев, А.Н. Анисимов, М.А. Дикарев; № 2003111053; заявл. 17.04.2003; опубл. 27.12.2004. Бюл. № 7. 4 с.

26.Пат. 2247355, Российская Федерация, МПК G01 3/08, Устройство для испытаний на пластическое сжатие длинномерных образцов / А.Д. Хван, Д.В. Хван, A.A. Горячев, A.A. Воропаев, В.А. Рыжков; № 2003124123/28; заявл. 31.07.2003; опубл. 27.05.2005. Бюл. № 6. 3 с.

27. Пат. 2252102, Российская Федерация, МПК G01 3/08, Устройство для пластической осадки со сдвигом плоской заготовки / А.Д. Хван, Д.В. Хван, A.A. Горячев, А.Н. Анисимов, М.А. Дикарев, А.Ю. Шаталов; № 2004100754/02; заявл. 08.01.2004; опубл. 20.05.2005. Бюл. № 14. 4 с.

28.Пат. 2252269, Российская Федерация, МПК7 C21D 7/00, Способ улучшения свойств инструментальной стали / А.Д. Хван, Д.В. Хван, A.A. Горячев, А.Н. Анисимов, М.А. Дикарев; № 2004100753; заявл. 08.01.2004; опубл. 20.05.2005. Бюл. № 14. 4 с.

29.Пат 2252971, Российская Федерация, МПК7 C21D 7/00, Способ упрочнения материалов / А.Д. Хван, Д.В. Хван, A.A. Горячев, А.Н. Анисимов, М.А. Дикарев; № 200411767; заявл. 02.06.2004; опубл. 27.05.2005. Бюл. № 15. 4 с.

30.Пат. 2255322, Российская Федерация, МПК G № 01 3/08, Устройство для испытаний на сжатие длинномерных образцов / А.Д. Хван, Д.В. Хван, A.A. Горячев, А.Н. Анисимов, М.А. Дикарев; № 2004106840; заявл. 09.03.2004-опубл. 27.06.2005. Бюл. № 18. 4 с.

31.Пат 2294530, Российская Федерация, МПК G01 3/08, Устройство для испытания на пластическое сжатие длинномерных цилиндров / А.Д. Хван, Д.В. Хван, A.B. Токарев; № 2005118537/28; заявл. 15.06.2004; опубл. 27.02.2007. Бюл. № 6. 4 с.

32.Пат. 2296973, Российская Федерация, МПК G01 3/32, Способ определения характеристик материала / А.Д. Хван, Д.В. Хван, И.П. Незнамов; №2005123223; заявл. 21.07.2005; опубл. 10.04.2007. Бюл. № 10. 3 с.

33.Пат. 2306997, Российская Федерация, МПК B21J 5/03, Устройство для осадки со сдвигом заготовки / А.Д. Хван, Д.В. Хван, AB Попов- № 2006107344; заявл. 09.03.2006; опубл. 27.09.2007. Бюл. № 27. 4 с.

34.Пат. 2306998, Российская Федерация, МПК7 C21D 7/00, Устройство для осадки заготовок / А.Д. Хван, Д.В. Хван; № 2006108685; заявл. 20.03.2006; опубл. 27.09.2007. Бюл. № 27. 3 с.

35.Пат. 2309393, Российская Федерация, МПК G01 3/22, Способ определения характеристики материала / А.Д. Хван, Д.В. Хван, П.М. Панин; № 2006105351; заявл. 20.02.2006; опубл. 27.05.2007. Бюл. № 30. 3 с.

36.Пат. 2325451, Российская Федерация, МПК7 C21D 9/22, Способ улучшения свойств инструментальной стали / А.Д. Хван, Д.В. Хван; № 2006122765; заявл. 26.06.2006; опубл. 27.05.2008. Бюл. № 15. 4 с.

37.Пат. 2376098, Российская Федерация, МПК B21J 13/02, Устройство для осадки заготовки / А.Д. Хван, Д.В. Хван, A.B. Попов, А.Т. Крук, A.B. Токарев; № 2008141783; заявл. 21.10.2008; опубл. 20.12.2009. Бюл. № 35. 4 с

38.Пат. 2384834, Российская Федерация, МПК B21J 13/02, Устройство для сжатия цилиндрической заготовки / А.Д. Хван, Д.В. Хван; № 2008141783; заявл. 21.10.2008; опубл. 20.12.2009. Бюл. № 35. 4 с.

39.Пат. 2445600, Российская Федерация, МПК G01 3/08, Устройство для испытания сжатия образцов из листового материала / А.Д. Хван, A.B. Попов, М.А. Дикарев; № 2009142355; заявл. 17.11.2009; опубл. 20.03.2012. Бюл. № 8. 5с.

Монографии:

40.Хван А.Д. Улучшение эксплуатационных и технологических свойств элементов конструкций пластическим деформированием: монография / А.М. Дмитриев, А.Т. Крук, А.Д. Хван. Воронеж: Изд-во Воронежского государственного университета, 2011. 214 с.

41.Хван А.Д. Пластическая обработка заготовок осадкой со сдвигом: монография / А.Д. Хван. Воронеж: Центрально-Черноземное книжное издательство, 2012. 204 с.

Статьи и материалы конференций

42. Хван А.Д. Определение деформирующей нагрузки в штампе для осадки со сдвигом плоской заготовки / А.Д. Хван, A.B. Попов, П.М. Панин // Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов: труды Междунар. науч. - техн. конф. СПб: СПб ГПУ, 2007. С. 412 -415.

43. Хван А.Д. Пластическая устойчивость растягиваемых цилиндрических заготовок / А.Д. Хван // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении: сб. науч. тр. Краматорск: ДГМА, 2007. С. 169 - 174.

44. Хван А.Д. Реверсивное кручение / А.Д. Хван // Обработка материалов давлением: сб. науч. тр. Краматорск: ДГМА, 2008. С. 158 - 160.

45. Хван А .Д. Изотропное упрочнение материалов реверсивным кручением / А.Д. Хван, H.A. Евдокимова // Достижения и перспективы развития процессов и машин обработки давлением в металлургии и машиностроении: труды Междунар. науч.-техн. конф. Краматорск: ДГМА, 2009. №1. С. 34 - 38.

46. Хван А.Д. Определение характеристик сопротивления материалов пластическому деформированию / А.Д. Хван // Достижения и перспективы развития процессов и машин обработки давлением в металлургии и машиностроении: труды Междунар. науч.-техн. конф. Краматорск: ДГМА, 2009. №2. С. 89-94.

47. Хван А.Д. Определение характеристик материала по данным испытаний на кручение / А.Д. Хван // Авиакосмические технологии «АКТ-2009»: сб. тр. Междунар. науч. - техн. конф. Воронеж: вуз 2009. С. 52 - 54.

48. Хван А .Д. Штамп для осадки длинномерной цилиндрической заготовки / А.Д. Хван, A.B. Попов // Новые наукоемкие технологии, оборудование и оснастка для обработки материалов давлением: труды Междунар. науч. - техн. конф. Краматорск: ДГМА, 2010. №1. С. 262 - 265.

49.Хван А.Д. Инновационные технологии повышения стойкости режущих и мерительных инструментов / А.Т. Крук, А.Д. Хван, П.М. Панин // Состояние, проблемы и перспективы развития кузнечно-прессового машиностроения и кузнечно-штамповочных производств: труды Междунар. науч. - техн. конф. «10-й Конгресс кузнецов России». Рязань, 2010. С.223 - 229.

\ -

50.Хван А.Д. Устойчивость цилиндрических заготовок при их осадке с кручением / А.Д. Хван, А.Т. Крук // Современные металлические материалы и технологии (СМТ-11): труды междунар. науч. - техн. конф. СПб: СПб ГПУ, 2011. С. 62-63.

51.Хван А.Д. Исследование влияния пластической деформации на стойкость инструментальной стали Х12М / А.Д. Хван // Труды Междунар. науч.- техн. конф. Краматорск: ДГМА, 2012. №11(30). С. 280 - 284.

Подписано в печать^/. #¿2013. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,1. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100 экз. Зак. №

Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, просп. Ленина, 92.

Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300012, г. Тула, пр. Ленина, 97а.

ФГБОУ ВПО «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

ХВАН Александр Дмитриевич

0о20135'08е1

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАСТИЧЕСКОГО ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ ПРИ НЕМОНОТОННОМ И МОНОТОННОМ НАГРУЖЕНИИ

Специальность: 05.02.09 - Технологии и машины обработки

давлением

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант доктор технических наук, профессор А. М. Дмитриев

Воронеж — 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1. Состояние проблемы и задачи исследования.................................11

1.1 .Упрочнение элементов конструкций пластическим

деформированием. Модели упрочняющихся тел......................................11

1.2.Технологические задачи упрочнения металлов в условиях монотонного и немонотонного нагружения...........................................23

1.3.Пластическая устойчивость заготовок в условиях действия растягивающих напряжений и при осадке длинномерных цилиндров............31

1 АТехнологическая оснастка для нетрадиционной пластической обработки заготовок и прессовое оборудование для осадки с кручением ....36

1.5.Технологии повышения стойкости инструментов.................................41

1 .б.Выводы и задачи исследования................................................53

2. Упрочнение материалов немонотонным пластическим деформированием..........................................................................57

2.1.Определение характеристик сопротивления материалов пластическому деформированию........................................................57

2.2.Изотропное упрочнение материалов деформированием в условиях линейного напряженного состояния...................................................72

2.3.Изотропное упрочнение материалов в условиях сдвиговых деформаций.................................................................................83

2.4.Повышение прочности валов...................................................94

2.5.Повышение прочности тонкостенных цилиндрических стоек раздачей внутренним давлением......................................................................113

2.6.Повышение прочности трубок кручением.................................118

2.7.Вывод ы.............................................................................122

3. Улучшение технологических свойств материалов немонотонным пластическим деформированием......................................................126

3.1.Увеличение критической деформации удлиняемых цилиндрических заготовок на основе циклического растяжения-сжатия.........................126

3.2.Увеличение критической деформации удлиняемых цилиндрических заготовок реверсивным кручением...................................................133

3.3.Реверсивное кручение круглых заготовок.................................144

3.4.Увеличение критической деформации растягиваемых листов.........147

3.5.Увеличение критической деформации удлиняемых тонкостенных цилиндрических заготовок циклической раздачей их внутренним давлением...................................................................151

3.6.Вывод ы............................................................................155

4. Пластическое деформирование заготовок в условиях монотонного нагружения...............................................................157

4.1 .Напряженно деформированное состояние при осадке (растяжении) с кручением цилиндрических заготовок...........................157

4.2.Напряженно деформированное состояние в плоской заготовке

при ее осадке со сдвигом................................................................165

4.3.Устойчивость длинномерных цилиндрических заготовок

при их осадке с кручением..............................................................170

4.4. Устойчивость цилиндрических заготовок при их растяжении с кручением..................................................................................178

4.5.Пластическая устойчивость при сжатии пластин.........................184

4.6.Построение диаграмм пластичности.........................................188

4.7.Вывод ы.............................................................................192

5. Разработка конструкций технологической оснастки и

прессового оборудования для пластической обработки заготовок............195

5.1.Штампы для осадки с кручением цилиндрических заготовок

на основе винтового механизма........................................................195

5.2.Штамп для осадки с кручением длинномерных цилиндрических заготовок на основе гидропривода...................................................217

5.3.Штамп двустороннего действия для осадки с кручением цилиндрических заготовок............................................................224

5.4.Гидравлический штамп двустороннего действия для осадки с кручением длинномерных заготовок.................................................228

5.5.Гидравлический штамп для осадки с кручением длинномерных цилиндрических заготовок............................................................233

5.6.Штамп для осадки длинномерной цилиндрической заготовки с использованием цанги..................................................................238

5.7.Штамп для осадки цилиндрической заготовки с использованием реечной передачи........................................................................252

5.8.Штамп для осадки со сдвигом плоской заготовки........................257

5.9.Штамп для осадки со сдвигом плоской заготовки на основе клинового механизма....................................................................262

5.10. Штамп для осадки со сдвигом плоских заготовок на основе гидропривода..............................................................................272

5.11. Штамп для осадки пластины..........................................278

5.12. Пресс для штамповки с кручением....................................282

5.13. Выводы......................................................................292

6. Исследование влияния пластической деформации на

эксплуатационные свойства инструментальных сталей при реализации технологии предварительной термо-механической обработки (ПТМО).....295

6.1.Технология предварительной термо-механической обработки (ПТМО) инструментальных сталей....................................................295

6.2.Исследование влияния степени пластического деформирования заготовок на стойкость инструментальной стали в условиях ПТМО.........301

6.2.1 Разработка инновационных технологий ПТМО........................301

6.2.2 Исследование влияния деформации осадки на стойкость инструментальных сталей..............................................................310

6.2.3 Исследование влияния деформации сдвига на стойкость инструментальных сталей..............................................................312

6.2.4 Исследование влияния деформаций осадки (ех) и сдвига (е2) на повышение стойкости сталей 9ХС и ХВГ.......................................314

6.3.Исследование влияния пластической деформации на стойкость инструментальной стали Х12М......................................................319

6.4.Исследование влияния пластической деформации на стойкость быстрорежущей стали Р6М5...........................................................322

6.5.Результаты металлографических исследований..........................330

6.6.Разработка технологических схем процесса изготовления инструментов для внедрения в производство......................................337

6.6.1 Технологическая схема процесса изготовления осадкой

с кручением в условиях ПТМО двухсторонней фрезы из стали 9ХС.........339

6.6.2 Технологическая схема процесса изготовления осадкой

в условиях ПТМО гладкого калибра 016Н7 из стали ХВГ...........................342

6.6.3 Технологическая схема процесса изготовления пальцевой модульной фрезы из стали Р6М5.....................................................346

6.6.4 Технологическая схема процесса изготовления резьбонакатных роликов из стали Х12М в условиях ПТМО........................................349

6.7.Вывод ы............................................................................352

7. Основные результаты и выводы..............................................356

Список использованных источников............................................361

Приложение...........................................................................374

ВВЕДЕНИЕ

Надежность элементов конструкций во многом определяется их высокими эксплуатационными свойствами, и поэтому в технике придается большое значение разработкам технологий повышения несущей способности машин и механизмов, а также улучшению технологичности их изготовления. При этом несущая способность в основном зависит от прочностных свойств материалов и, в первую очередь, от предела текучести, определяющего начало возникновения в конструкциях недопустимых пластических деформаций. Поэтому для машиностроения всегда актуальны различного рода инновационные технологические разработки, направленные на увеличение этой характеристики.

В механике уже давно известен эффект увеличения прочности большинства металлических сплавов за счет пластического деформирования. Однако этот эффект из-за отсутствия соответствующих методов расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) в упрочняемых деталях не нашел еще широкого применения в технике. Поэтому с целью расширения возможностей использования этого эффекта в промышленности необходимы новые теоретические разработки в области пластичности металлов.

Пластическое деформирование в сочетании с термообработкой является основой в предварительной термомеханической обработке (ПТМО) и используется широко в промышленности для существенного улучшения эксплуатационных характеристик, например в инструментальной промышленности - повышения стойкости различного рода инструментов. В связи с этим являются актуальными инновационные разработки нетрадиционных процессов пластической обработки заготовок в зависимости от их формы и назначения, которые в свою очередь потребуют постановки и решения соответствующих задач теории пластичности. В частности разработки технологий ПТМО применительно к длинномерным цилиндрическим деталям побуждают к поиску новых методов исследования

процесса осадки их заготовок, являющегося в обычных условиях практически не реализуемым из-за потери устойчивости.

Надежность работы элементов конструкции зависит в какой-то мере и от технологии пластического формоизменения. Заготовки с заданной точностью формы и размеров можно получать за один переход или из-за исчерпания ресурса пластичности за несколько переходов, связанных с промежуточным отжигом для восстановления пластичности материала заготовки. Во втором случае можно с высокой эффективностью использовать немонотонные процессы пластического формоизменения, что также связано с постановкой и решением новых задач теории пластичности.

Реализация немонотонных процессов пластической обработки заготовок вызывает насущную потребность в создании новых конструкций штампов и прессового оборудования для применения их в промышленности.

Разработка процессов пластического деформирования и их реализация при проектировании инновационных процессов обработки давлением для улучшения эксплуатационных характеристик и технологичности изготовления элементов конструкций является актуальной для производства проблемой, решение которой позволит перейти на новый технический уровень, соответствующий современным требованиям к производимой конкурентно-способной наукоемкой продукции.

Работа выполнялась в соответствии с программой Рособразования: «Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению «Ракетостроение» (Приказ Рособразования № 294 от 23.03.2009 г.), а также по научному направлению ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в соответствии с планом ГБ НИР № 2007.02 «Компьютерное моделирование операций обработки металлов давлением и повышение несущей способности элементов конструкций».

Научная проблема. Развитие теоретических основ пластического формоизменения в условиях немонотонного и монотонного нагружения.

Целью работы является улучшение эксплуатационных свойств элементов конструкций пластическим деформированием на основе исследований свойств материалов в условиях немонотонного и монотонного нагружения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Создание способа упрочнения элементов конструкций пластическим деформированием в условиях немонотонного нагружения на основе модели анизотропно упрочняющегося тела Г. Бакхауза.

2. Разработка способа увеличения критических деформаций в условиях действия растягивающих напряжений на основе модели Г. Бакхауза.

3. Определение НДС при осадке с кручением (цилиндрических) и сдвигом (плоских) заготовок с учетом упрочняемости материала в условиях монотонного нагружения.

4. Исследование пластической устойчивости цилиндрических заготовок при осадке (растяжении) с кручением в условиях монотонного нагружения на основе критерия положительности работы добавочных нагрузок.

5. Разработка конструкций штамповой оснастки для реализации нетрадиционных процессов пластической обработки цилиндрических и плоских заготовок.

6. Проектирование конструкции пресса для штамповки с кручением невысоких цилиндрических заготовок.

7. Разработка инновационных технологий ПТМО для повышения стойкости инструментов из инструментальных сталей.

8. Реализовать результаты исследования в производстве и учебном процессе.

Объект исследования. Процессы пластического формоизменения в условиях немонотонного и монотонного нагружения.

Предмет исследования. Пластическая обработка заготовок для улучшения эксплуатационных свойств элементов конструкций.

Методы исследования. Исследования основаны на законах и положениях теории упругости и пластичности, теоретической и технической механики, на стандартных методах технических и технологических испытаний, положениях материаловедения и термической обработки металлов, методиках анализа и статистической обработки результатов исследований.

Научная новизна состоит в развитии теории пластического формоизменения при немонотонном и монотонном нагружении, осадки со сдвигом заготовок, устойчивости деформирования длинномерных цилиндрических и плоских заготовок с учетом упрочняемости материалов, и заключается в следующем:

- даны теоретическое и экспериментальное обоснования возможности оценки пластического состояния металлических сплавов в условиях немонотонного нагружения с помощью модели анизотропно упрочняющегося тела Г. Бакхауза, и как следствие установлены эффекты изотропного упрочнения и увеличения определяющей начало образования местных утонений критической деформации;

- определено НДС при осадке с кручением (цилиндрических) и со сдвигом (плоских) заготовок в условиях монотонного нагружения с учетом упрочняемости материала, позволяющее решать задачу об устойчивости при осадке с кручением длинномерных цилиндрических заготовок, а также разрабатывать инновационные технологии ПТМО для повышения стойкости инструментов.

Научная значимость работы состоит в развитии теории пластического формоизменения при немонотонном и монотонном нагружении, осадки со сдвигом длинномерных цилиндрических и плоских заготовок, в обосновании возможности использования инженерного критерия положительности работы

добавочных нагрузок при исследовании пластической устойчивости деформирования указанных заготовок.

Практическая ценность. Для повышения эффективности производства на основе выполненных исследований разработаны: способы увеличения важнейшей характеристики прочности материала - условного предела текучести и критической деформации с целью получения за одну непрерывную операцию без промежуточных отжигов заготовок в реализуемых техпроцессах, связанных с действием растягивающих напряжений; инновационные технологии ПТМО применительно к инструментальным сталям, обеспечивающие существенное увеличение стойкости инструментов; на уровне изобретений конструкции штамповой оснастки и прессового оборудования для реализации указанных технологий.

Личный вклад автора в работу заключается в формулировании проблемы и определении методологии исследования, получении и обобщении теоретических и экспериментальных результатов работы, а также внедрении их в промышленность и учебный процесс.

Достоверность результатов и выводов работы обеспечивается корректной постановкой задач с использованием допущений, основанных на результатах исследований признанных в теории пластичности, ТММ, металловедении, применением современных методов математического моделирования и методов статистической обработки результатов испытаний. Достоверность заложенных в конструкции технологической оснастки технических идей подтверждена рядом патентов на изобретения. Достоверная точность полученных экспериментальных данных обеспечена использованием современных измерительных средств и прессового оборудования.

Реализация и внедрение результатов работы. Проведенные исследования нашли практическое применение при разработке технологических процессов, связанных с повышением несущей способности

и технологичности изготовления элементов конструкций (валы, стойки, режущие и мерительные инструменты).

Результаты исследований внедрены на предприятиях: ОАО ВАСО, ОАО «Тяжмехпресс», «Воронежский механический завод - филиал ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева»», ОАО НИИАСПК, Завод ракетных двигателей «КБ химавтоматики», ООО ПФК «Воронежский станкозавод-холдинг», ОАО «НПО «СПЛАВ»», ОАО «ТНИТИ». Часть теоретических результатов исследований используется в учебном процессе ФГБОУ ВПО «ВГТУ», ФГБОУ ВПО «ТулГУ», ФГБОУ ВПО «МГИУ».

В актах отмечены эффективность проведенных исследо