автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Интенсификация обжима трубной заготовки выбором геометрии поверхности её контакта с матрицей

005001079

Кривошеин Виталий Александрович

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ОБЖИМА ТРУБНОЙ ЗАГОТОВКИ ВЫБОРОМ ГЕОМЕТРИИ ПОВЕРХНОСТИ ЕЁ КОНТАКТА С

МАТРИЦЕЙ

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

1 7 НОЯ 2011

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2011

005001079

Работа выполнена в Московском Государственном Техническом Университете им. Н.Э. Баумана.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Дмитриев Александр Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ступников Владимир Петрович.

кандидат технических наук, доцент Лавриненко Владислав Юрьевич

Ведущая организация - ОАО « Институт Цветметобработка»

Защита состоится «?>>Х'«Дл£0П г. в ч. мин. на заседании диссертационного

совета Д 212.141.04 в Московском государственном техническом университете

им. Н.Э. Баумана по адресу:

105005, г. Москва, 2-ая Бауманская ул., д.5.

Телефон для справок 267-09-63.

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим направлять по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана.

Автореферат разослан « У » 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

¡(/^ Семенов В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Развитие промышленности ставит перед машиностроением задачу повышения качества изделий и эффективности производства. Широкое применение в различных отраслях машиностроения, в том числе и аэрокосмической, нашли конические осесимметричные детали. Используются конические детали, в частности в трубопроводах для соединения труб различных диаметров. К коническим деталям предъявляются высокие требования по эксплуатационным свойствам, точности геометрической формы, а также себестоимости их изготовления.

Указанные требования обеспечиваются использованием методов обработки металлов давлением. Постоянной задачей, стоящей перед теорией и практикой обработки металлов давлением, является увеличение степени деформации, достигаемой за один переход при минимальных затратах средств. Возможности формоизменения при обжиме цилиндрических заготовок ограничиваются потерей их устойчивости с образованием продольных или поперечных складок. Исследованные ранее методы силовой и термической интенсификации позволяют значительно повысить степень деформации, но использование этих методов имеет ряд недостатков, среди которых:

- необходимость применения точного локального нагрева и дополнительных нагревательных устройств;

- потребность в использовании сложных конструкций штампового инструмента с применением подпружиненных подпоров, либо подпоров с отдельным приводом.

Существует ряд заготовок, интенсификация процесса обжима которых разработанными ранее методами затруднена или не рациональна. К таким заготовкам можно отнести заготовки с дном, заготовки получаемые методом холодной объёмной штамповки и др. В то же время, к ним применим способ интенсификации профилированием поверхности инструмента.

Способ интенсификации процесса профилированием поверхности матрицы позволяет снизить влияние сил контактного трения, и тем самым повысить формоизменение за операцию. Использование такого способа не требует использования нагревательного оборудования и сложных конструкций штамповой оснастки и может совместно использоваться с другими способами интенсификации. Эффективность его применения ограничивается интенсивностью влияния сил контактного трения, которое в свою очередь зависит от угла наклона рабочей поверхности матрицы и значения коэффициента трения.

В связи с этим, проведение исследования процесса обжима в матрице с кольцевыми канавками, повышающего производительность процесса, является актуальной задачей.

Цель работы

Разработка методики проектирования обжима в матрице с кольцевыми канавками на её рабочей поверхности, позволяющего получить заданную деталь за меньшее количество технологических переходов и с меньшей силой деформирования, методики расчета параметров технологического процесса и конструкции штампа.

Достоверность результатов

Сопоставление результатов аналитического исследования процесса обжима в матрице с кольцевыми канавками, проведенного в развитие зависимостей, предложенных Е.А. Поповым, численного эксперимента, проведенного в программе QForm3D, и физического эксперимента показало удовлетворительное совпадение их результатов. Расхождение в пределах 14-И 7%. Эксперименты проведены в лаборатории кафедры «Технологии обработки давлением» МГТУ им. Н. Э. Баумана на испытательной машине INSTRON DX600. Аппроксимация экспериментальных и теоретических данных, а также построение всех графиков проведено в программе Microsoft Excel 2007.

Научную новизну имеют следующие результаты:

• выявленный диапазон углов конусности матрицы, при которых эффективно профилирование её рабочей поверхности окружными канавками;

• построенные математические модели для расчета геометрии матрицы с кольцевыми канавками.

Практическую значимость имеют следующие результаты:

• разработанная научно обоснованная методика проектирования технологического процесса обжима в матрице с кольцевыми канавками;

• конструкция опытно-промышленного штампа.

Апробация работы

Основные положения и материалы работы доложены и обсуждены на

• конференции Студенческая весна в МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008 г.;

• научных семинарах кафедры Технологии обработки давлением МГТУ им. Н. Э. Баумана, в 2010 и 2011 г.г.

Публикации

Основное содержание диссертационной работы изложено в 5-ти научных работах, включая статьи и опубликованные тезисы докладов конференций. Из них - в журналах по перечню ВАК - 3.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов по работе, списка литературы. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 71 рисунок, 22 таблицы и список литературы из 79 наименования.

Автор защищает:

• математическую модель операции обжима в матрице с кольцевыми канавками, учитывающую форму матрицы и материал заготовки и позволяющую определять коэффициент обжима и силу при обжиме в такой матрице;

• результаты теоретических и экспериментальных исследований, показывающие, что применение кольцевых канавок значительно снижает влияние сил контактного трения;

• методику расчета операции обжима в матрице с кольцевыми канавками, позволяющей получить заданную деталь с меньшим количеством технологических переходов и меньшей силой деформирования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована её цель, определены научное содержание и новизна, практическая значимость, перечень положений, выносимых автором на защиту.

В первой главе проведен анализ существующих технологических процессов изготовления оссесиметричных деталей из трубных заготовок; рассмотрено современное состояние теории и технологических процессов обжима; проведен анализ литературных источников, посвященных вопросам интенсификации процесса обжима, методов расчета и условий применимости известных методов интенсификации.

Решением рассматриваемой проблемой занимались следующие ученые О.В. Попов, М.Н. Горбунов, Ю.А. Аверкиев, Е.А. Попов, С.А. Евсюков, Э.Л. Мельников, АГ. Пашкевич, В.И.Ершов и др. В работах этих ученых разработаны и усовершенствованы методы анализа процессов пластического формоизменения при разных способах обжима. Значительное количество разработанных способов обжима, позволяющих повысить степень формоизменения, свидетельствует об актуальности данной проблемы.

На основе приведенного обзора работ установлено, что коэффициент обжима трубных заготовок ограничивается предельной степенью деформации, ограничиваемой различными видами потери устойчивости в недеформируемой части заготовки и, как следствие, эффективность процесса зависит от возможности предотвращения от потери устойчивости при обжиме. Существующие способы интенсификации обжима трубных заготовок, наряду со сложностью их расчета, имеют такие недостатки, как необходимость использования дополнительного оборудования или сложность конструкции штампового инструмента.

Анализ работ предшественников позволил установить основные проблемы, возникающие при разработке технологических процессов формообразования из трубных заготовок и предложить более универсальный способ интенсификации профилированием рабочей поверхности инструмента кольцевыми канавками.

В соответствии с поставленной целью на основании проведенного литературного анализа сформулированы основные задачи исследования:

1. Обосновать способ обжима в матрице с кольцевыми канавками, позволяющий повысить степень формоизменения.

2. Построить математические модели для определения наилучших условий проведения обжима в матрице с кольцевыми канавками. На основе построенных моделей определить влияние геометрии кольцевых канавок на степень формоизменения.

3. Провести математическое моделирование методом конечных элементов и определить параметры, влияющие на предельный коэффициент обжима и размеры получаемой заготовки.

4. Спроектировать экспериментальную штамповую оснастку для обжима в матрице с кольцевыми канавками. Провести серию экспериментов по обжиму и определить степень повышения коэффициента обжима, с применением разработанного способа.

5. Разработать методику расчета технологического процесса обжима в матрице с кольцевыми канавками и спроектировать штамповую оснастку. Во второй главе разработана модель деформирования оссесиметричной

трубной заготовки в матрице с кольцевыми канавками.

В качестве основных теоретических предпосылок используются положения, сформулированные Е.А. Поповым, для обжима в конической матрице. В начальном периоде образования контактного участка очага пластической деформации краевая часть заготовки отходит от поверхности матрицы. Это объясняется тем, что элементы заготовки, перемещающиеся из участка свободного изгиба в участок, контактирующий с матрицей, имеют в меридиональном сечении определенную кривизну срединной поверхности. Это связано с действием изгибающего момента. Так как на краевую часть заготовки не действуют внешние силы, способные вызвать изгибающий момент, необходимый для спрямления, то изменение кривизны происходит за счет внутренних сил, образованных окружными напряжениями а(). На основании этих положений, предложены этапы деформирования на рис. 1.

Рис. 1. Этапы деформирования в матрице с профилированными кольцевыми канавками: а) выход концевой части на вершину ступеньки; б) деформирование концевого участка без контакта с инструментом; в) деформирование коническим участком ступеньки; г) спрямление участков заготовки между ступеньками

Участок 1 имеет контакт с матрицей по вершине кольцевой канавки. На этом участке, наряду с напряжениями ор и с0, на поверхности заготовки также возникают нормальные контактные напряжения о„. Протяженность данного участка можно считать равной длине скругленного участка вершины кольцевой канавки. Участок 2 образуется в результате действия спрямляющего момента и не имеет контакта с рабочей поверхностью инструмента. Пластическая деформация этого участка происходит за счет сил, действующих внутри обжимаемой заготовки. Участок 3 свободного изгиба находится на входе заготовки в формообразующую часть матрицы и имеет радиус /?р. Заготовка на данном участке не соприкасается с инструментом. На участке 4 действует момент спрямления стенки заготовки, под влиянием которого она принимает коническую форму. Таким образом, по пути пластического деформирования заготовка только концевой частью касается конических участков матрицы. Контакт же других участков проходит по вершинам ступенек матрицы.

Рис. 2. Схема внутренних и внешних сил при обжиме в матрице с кольцевыми канавками и участки в очагах пластической деформации: 1 - участок контакта с

инструментом; 2 - участок без контакта с инструментом; 3 - участок изгиба-спрямления на входе в матрицу; 4 - участок изгиба-спрямления концевой части

заготовки

В третьей главе приведены основные уравнения и соотношения для анализа обжима в матрице с кольцевыми канавками. Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований.

В соответствии с предложенной схемой (рис.2) определим ортах, действующее в недеформируемой стенке заготовки. Уравнение равновесия для случая осесимметричного деформирования тонкостенной заготовки имеет вид

Рассмотрим уравнение равновесия для каждого из участков. Принимаем допущение, что зона контакта на участке 1 прямолинейна, с углом наклона а и равна величине к={\/3)1. Тогда, при Лр= со; = р/сова; а=сот1, получим уравнение равновесия без учета изменения толщины:

эта К Я„

р в

№ Л-

(1)

йа _ л

р р-а (1 + /д^а) = 0.

с1р р 0 (2)

После совместного решения уравнения (2) с условием пластичности Сен-Венана и отыскания произвольной постоянной из граничного условия ор=0 при р=го получим:

с>р = -ст(1+/д^а)(1-г0 р). (3)

Считаем, что изгиб и спрямление с одинаковыми пределами изменения радиусов кривизны дают одинаковое увеличение меридионального напряжения на Дар. Величина Дар на 1 участке определяется по формуле:

, <7 (4)

До- '= 5 , ' 4КР

(5)

где Я -- ; . г •

р 4ар (\-cosa)

При подстановке значения р=г, определим значение ор'"2 , действующее в коническом участке на границе участка 1 с участком 2 по формуле:

о- = -о- (1 + ¿дПёа)(1 - г0, г,). (6)

Р

Совместным решением уравнения пластичности и уравнения равновесия (1) при условии, что ц=0 для участка изгиба-спрямления 2, получим дифференциальное уравнение:

с1ар ^

Р

Интегрируя, получим выражение:

а =а + 1.

р 5

Р (8)

Найдем величину С\из условия, что ар= ор''2 +Дар при р-/-,:

с =сг

1 .9

П 4Д

(9)

где г=Я-пк\па, (Ю)

1 3

где п - количество кольцевых канавок.

Найденное значение постоянной (9) подставим в уравнение (8) и найдем

уравнение для определения напряжения ор в участке 2 при р-г2:

+(l+/¿ctga)(l-ro)+ * г2 г, 4 Rp

(П)

где

г = - ((и -1)/+/j)sina.

(12)

Решая совместно выражение (3) при р=г3 и (11) получим уравнение для

определения напряжения ср'"3 на границе участков 1 и 3:

<7'-"=-<7

р s

l-'j +(l+//ctga)((«-l)- 2)+

'i Ъ

4R.

где

г = R -(n-l)/sina.

(13)

(14)

На участке 3 стенка заготовки имеет коническую форму на протяжении всего процесса. Расчет напряжений <тр на этом участке проводим по формуле (3) учитывая, что ц=0. Аналогичный подход используем для определения

' ртах

на всем протяжении очага пластической деформации.

С учетом упрочнения, изгиба-спрямления и изменения толщины заготовки получим:

сг

.^10

ртах

1+-

п

г

2(7

ТО \

13

R.

\

n-t Г%]Л +(1+pctga)(n-Í '2í-2 )(и(3-2cosa))+-~-

/=1 Г-,

1 = 1

4 R

(15)

'21 '2/-1 где oTD - экстраполированный предел текучести, Я - модуль упрочнения. По уравнению для матрицы с тремя кольцевыми канавками построены графики зависимости силы при обжиме от коэффициента обжима при разных коэффициентах трениях и углах наклона матрицы.

кН

1 1 ♦ Гладкая, (л=0,15 —х— Профилированная, \± —в—Гладкая, |д=0,3 -к- Профилированная, ц

=0,15

=0,3 _ -X

-А"'

1

1,05

1Д

1,15

1,2

,25

1,3

,35

Рис. 3. График зависимости силы обжима от коэффициента обжима при

различных коэффициентах трения ц и угле наклона матрицы а =10° Анализ результатов расчета показал, что профилированная матрица эффективна при высоких коэффициентах трения ц > 0,3, что объясняется большим влиянием сил трения, чем при малых коэффициентах трения, на процесс обжима и их снижением за счет формы матрицы. Эффективность матрицы с кольцевыми канавками наблюдается при углах матрицы до 16,5°.

Для определения достигаемого

формоизменения заготовки при обжиме в гладкой матрице и матрице с кольцевыми канавками, а также определения влияния параметров матрицы на формоизменение был проведен компьютерный эксперимент. Моделирование процесса обжима проводилось в программном комплексе С)Рогт ЗВ.

При обжиме в матрице с кольцевыми канавками при = 0,3 и а = 10° сила, относительно гладкой матрицы, снижается на 21,4%, при ц = 0,15 сила увеличивается на 15,5%. При обжиме же в матрице с кольцевыми канавками при углах а = 20°-ь30° сила увеличивается при рассматриваемых коэффициентах трения, и в среднем больше на 15%, чем при обжиме в гладкой матрице. Это объясняется не столь значительным влиянием сил

Рис. 4. Участки контакта заготовки и матрицы

трения при обжиме на больших углах при малых коэффициентах трения. При а < 20° влияние сил трения высоко и их снижение сказывается на силе обжима и степени формоизменения. Моделирование показало, что контакт заготовки с матрицей происходит по вершинам проточек и образует кольцевые участки (рис.

4).

S, мм

Рис. 5. График зависимости толщины стенки заготовки от угла матрицы а для гладкой матрицы и матрицы с канавками

При обжиме в профилированной матрице заготовка утолщается меньше в среднем на 10% при углах матрицы до а =15-18°, чем при обжиме в гладкой матрице, при больших углах эти значения выравниваются. Данный эффект объясняется значительным вкладом сил контактного трения на малых углах в изменение напряженно-деформированного состояния и как следствие увеличением толщины стенки заготовки.

Проведен эксперимент по исследованию влияния угла наклона рабочей поверхности матрицы а, профиля рабочей поверхности матрицы и материала заготовки на предельный коэффициент обжима, получены приведенные ниже графики.

С увеличением угла наклона матрицы с а =10° до 20° коэффициент обжима при деформировании заготовки из АД1 в матрице с кольцевыми канавками уменьшается с 1,36 до 1,27 (6,6%) , в гладкой матрице увеличивается с 1,22до 1,33 (8,2%), для заготовки из М1 в матрице с кольцевыми канавками уменьшается с 1,28 до 1,26 (1,6%) , в гладкой матрице увеличивается с 1,31 до 1,33 (1,5%). Ступенчатый характер графика объясняется различным напряженно-деформированным состоянием при прохождением заготовки через ступенчатые участки матрицы. 10

35 30 25 20 15 10 5 0

10

15

20

Рис. 7. для

Н, мм

—— Гладкая, а= 10° ---Профилированная, а= 10°

— • Гладкая, а=20° ......Профилированная, а=20°

— -Гладкая, а=30° — • Профилированная, а=30°

. График зависимости силы деформирования от хода инструмента материала М1 при различных углах наклона формообразующей матрицы а

0 5 10 Н, мм 15 20

-Гладкая, а=10° ---Профилированная, а=10°

— • Гладкая, а=20° ......Профилированная, а=20°

— -Гладкая, а=30° — • Профилированная, а=30°

Рис. 6. График зависимости силы деформирования от хода инструмента для материала АД0 при различных углах наклона формообразующей

матрицы а

Р, кН 40

Для заготовки из материала АДО при углах до 16,5° коэффициент обжима в профилированной матрице выше чем в гладкой. При обжиме заготовки из материала МЗ матрица с кольцевыми канавками не эффективна на всём диапазоне исследуемых углов, что объясняется низким влиянием контактного трения на процесс деформирования.

Проведено сравнение данных, полученных в расчетах и экспериментально.

Т7, кН 16

14 12

_———

-------

---— шл-----49

10 12 Гладкая, теория —с— Гладкая, эксперимент —Ж -Гладкая, моделирование

14 16 18 20

а

—В- -Профилированная, теория —Профилированная, эксперимент -Профилированная, моделирование

Рис. 5. Графики зависимости силы обжима от угла матрицы а для гладкой матрицы и матрицы с канавками, полученные теоретическим расчетом, моделированием в программе С>й>гт ЗБ и натурным экспериментом

при Кобж-1,32

Графики зависимости силы обжима от угла наклона матрицы для гладкой матрицы и профилированной матрицы пересекаются. Точка пересечения этих графиков является максимальным значением угла, при котором матрица с кольцевыми канавками эффективна, это значение, при рассматриваемых параметрах процесса, составляет 16,5° в теоретических расчетах, 14,5° при эксперименте и 13° при моделировании. Качественно видно хорошее соответствие графиков, количественно расхождение результатов теории и моделирования от экспериментальных данных составляет не более 2° (12%), что говорит о достаточно высокой точности моделирования и теоретического расчета обжима в профилированной матрице. Расхождение между экспериментом и теорией наблюдаются по силе обжима, что объясняется некоторым отличием в реологии материала, взятого из банка данных программного комплекса.

В четвертой главе приведена методика расчета параметров матрицы с кольцевыми канавками. На основе проведенных теоретических и экспериментальных

исследований показано, что при обжиме в матрице с кольцевыми канавками на коэффициент обжима в значительной степени влияют расстояние между канавками (шаг), толщина заготовки и угол наклона матрицы.

При задании большего шага между канавками, чем рационального, момент спрямления на участке заготовки между касаниями вершин матрицы будет недостаточным для получения ровной поверхности заготовки. При меньшем шаге между канавками данный способ теряет свою эффективность, ввиду увеличения поверхности представлена схема для расчета параметров матрицы с кольцевыми канавками.

Для определения параметра матрицы I экспериментально получено уравнение регрессии: /=2,605-0,077(a)-3,323(s/D)+0.0024(a)2+l ,536(a)(s/D) -0,077(а f (s/D), где а - угол наклона касательной к вершинам выступов матрицы (угол наклона обжатой заготовки).

Для определения величины расстояния между цилиндрическими участками йв экспериментально получено уравнение:

Ad/2=1,406-0,1547(а)-11,725(s/D)+0.0044(a)2+1,49(a)(VD)-0,0317(а)2 (s/D), где Аd=hB.

Принимая, что касательная к вершинам в матрице с канавками располагается под углом а, по рассчитанным параметрам строится профиль матрицы. Радиус скругления матрицы гы рассчитывается из соотношения: гм =(0,2-0,4)/.

Для расчета коэффициента обжима в матрице профилированной кольцевыми канавками используем сокращенное уравнение регрессии, полученное по результатам физического эксперимента, при коэффициенте трения ц > 0,3 и а < 15° (при этих значениях профилированная матрица эффективна):

К =1,41-0,006(а).

обж

В случае, если определенный по последней из приведенных зависимостей Кобж достаточен, переходят к конструированию штампа. Если Кобж недостаточен, то возможно вместе с профилированием матрицы использовать другие методы

параметров матрицы контактного трения. На рис.7

интенсификации, например, конструкцию оснастки с плавающей оправкой (рис. 8).

Данная конструкция позволяет повысить коэффициент обжима за счет снижения влияния силы трения на поверхности матрицы и дополнительного плавающего подпора, позволяющего повысить устойчивость недеформируемой части заготовки.

В штампе плита верхняя 3 направляется по двум колонкам 2, запрессованным в нижнюю плиту 1. На нижней плите установлена опора 14, на которую упирается оправка 13. Внутри оправки свободно перемещается плавающий подпор 12. Оправка с помощью установочных винтов 27 может смещаться в радиальном направлении. Это предусмотрено для обеспечения соосности матрицы 5 и оправки 13.

5 6 30 32 31 7 15 16

Рис. 8. Штамп с плавающей оправкой и матрицей с кольцевыми канавками

Матрица с помощью прижимного кольца 16 закреплена в матрицедержателе 5 и опирается на прокладку 7. Матрицедержатель неподвижно соединен с верхней плитой кольцом 16, внутри которого расположен верхний съемник 30, движение которого обеспечивается тарельчатыми пружинами 32. Пружины опираются на прокладку 31.

Внутри опоры 14 расположено коромысло 18, на котором установлен выталкиватель 11. Последний через прокладку 9 опирается на нижнюю плиту 1. Выталкивание заготовки из плавающего подпора 12 осуществляется следующим образом. При ходе ползуна пресса вверх втулки 17 через штифты 28 передают силу тягам 19. Тяги поднимают коромысло 18 с установленным на нем выталкивателем 11. Последний выталкивает заготовку из подпора 12, который удерживается на планке 21 при помощи винтов 35.

Для возврата плавающего подпора в исходное положение предусмотрена планка 21. При ходе ползуна пресса вверх планка поднимается посредством пружин 23 до упора в гайки 25 расположенные на шпильках 24, что позволяет регулировать высоту подъёма плавающего подпора.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И итоги

1. В результате проведенного анализа различных способов повышения коэффициента обжима установлено, что предложенные ранее способы ограничены в применении для определенных техпроцессов и деталей, либо требуют дополнительного оборудования для их реализации. В связи с этим предложен способ повышения коэффициента обжима исключающий данные недостатки.

2. Эффективность профилированной . окружными канавками матрицы наблюдается до угла наклона рабочей поверхности матрицы а = 14-16 0 и при наличии коэффициента трения и > 0,3, с уменьшением угла наклона эффективность профилированной матрицы увеличивается, что объясняется значительным влиянием сил трения при обжиме на малых углах, и тем самым высокой эффективности их снижения за счет формы матрицы.

3. Экспериментально установлены размеры кольцевых канавок и шаг между ними для различных углов наклона рабочей поверхности матрицы и толщины стенки трубной заготовки, использование которых оптимально для рассматриваемого процесса. Построенные уравнения регрессии для определения размеров матрицы после проведения ряда экспериментов показали свою адекватность.

4. Предложенная методика теоретического расчета показала хорошее качественное схождение с экспериментальными данными при углах

а = 10°+20°. Расхождение в угле, ограничивающем эффективность предложенной матрицы, составило 2°. Моделирование также показало хорошую

сходимость к экспериментальным данным, расхождение в угле составило 1,5 расхождение по силе деформирования до 13% на углах а = 10°-К20°. .

5. Разработанная методика проектирования матрицы, технологического процесса и штампа для обжима в матрице с кольцевыми канавками позволяет снизить силу при деформировании (более 30%), повысить коэффициент обжима (более 11%) и увеличить производительность обжима.

6. Способ интенсификации по форме инструмента можно применять для других технологических процессов, в том числе раздачи и вытяжки, в которых значительно влияние сил трения на предельную степень формоизменения.

Список работ по теме диссертации

1.Кривошеин В.А. Моделирование обжима трубы с применением термической и силовой интенсификации // Сборник тезисов второй всероссийской студенческой научно-технической конференции студентов Студенческая научная весна 2009: Машиностроительные технологии. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - С. 45-46.

2. Кривошеин В.А. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных при исследовании процесса обжима в матрице с кольцевыми канавками // Известия вузов. Машиностроение. - 2011. - № 5. - С. 49-53.

3. Кривошеин В.А. Интенсификация процесса обжима посредством выбора геометрии поверхности контакта заготовки с матрицей // Заготовительные производства в машиностроении. - 2011. - № 6. - С. 19-22.

4. Кривошеин В.А. Теоретический расчет силы при обжиме в профилированной матрице // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. - 2011. - № 9 [Электронный ресурс]. URL: http://technomag.edu.ru/doc/215636.html (дата обращения: 10.10.2011).

5. Кривошеин В.А. Интенсификация процесса обжима посредством выбора геометрии поверхности контакта заготовки с матрицей // Теоретические и прикладные задачи обработки металлов давлением и автотехнических экспертиз. - Винница: ВНТУ, 2011.-С. 158-159.

/

Подписано к печати 28.10.11. Заказ № 739 Объем 1,0 печ.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 (499) 263-62-01

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК В ОБЛАСТИ ОБЖИМА ЗАГОТОВОК. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Теоретические и экспериментальные исследования операции обжима трубной заготовки.

1.2. Способы обжима трубной заготовки.

1.3. Методы интенсификации обжима.

1.4. Толстолистовая штамповка.

1.5. Выводы и итоги по первой главе.

1.6. Задачи диссертационной работы.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Способ обжима в матрице с кольцевыми канавками.

2.2. Методика проведения математического эксперимента.

2.2.1. Выбор исследуемых параметров.

2.2.2. Выбор программы моделирования.

2.2.3. Планирование математического эксперимента.

2.2.4. Анализ построенной модели.

2.4. Обоснование выбора программы моделирования.

2.5. Использование регрессионного анализа.

2.6. Оборудование, оснастка, основные и вспомогательные материалы для проведения эксперимента.

3.4. Выводы и итоги по второй главе.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИИ ОБЖИМА В

МАТРИЦЕ С КОЛЬЦЕВЫМИ КАНАВКАМИ.

3.1. Экспериментальное исследование влияния угла наклона матрицы и толщины заготовки на свободный изгиб концевой части заготовки

3.2. Теоретическое исследование обжима в матрице с кольцевыми канавками.

3.3. Компьютерный эксперимент по исследованию влияния формы матрицы на предельный коэффициент обжима.

3.4. Физический эксперимент по исследованию влияния формы матрицы на предельный коэффициент обжим.

3.5. Сопоставление теоретических и экспериментальных результатов.

3.6; Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА МАТРИЦЫ С КОЛЬЦЕВЫМИ КАНАВКАМИ И ПРАКТИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ

ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ШТАМПА.

4.1. Проектирование поверхности матрицы с кольцевыми канавками.

4.21 Методика расчета коэффициента обжима и силы. обжима в матрице с кольцевыми канавками.

4.3. Конструкция опытно-промышленного штампа.

4.4. Выводы и итоги по четвертой главе.

Актуальность работы:

Развитие промышленности ставит перед машиностроением необходимость повышения качества изделий и эффективности производства. Широкое применение в различных отраслях машиностроения, в том числе и< аэрокосмической*, нашли- конические осесимметричные детали. Используются конические детали, в частности в трубопроводах для> соединения труб различных диаметров. К коническим деталям предъявляются высокие требования по эксплуатационным свойствам, точности геометрической формы, а также себестоимости изготовления,

Указанные требования обеспечиваются использованием методов обработки металлов давлением. Постоянной задачей, стоящей перед теорией и практикой обработки металлов давлением, является увеличение степени1 деформации; достигаемой за один переход при минимальных затратах. Возможности формоизменения при обжиме цилиндрических заготовок ограничиваются потерей* их устойчивости- с образованием продольных или поперечных, складок. Исследованные1 ранее методы силовой и термической1 интенсификации позволяют значительно повысить степень деформации; но использование этих методов имеет ряд недостатков, среди которых: необходимость применения точного локального нагрева и дополнительных нагревательных устройств; потребность в использовании сложных конструкций штамповогс инструмента с применением подпружиненных подпоров, либо подпоров с отдельным приводом.

Существует рад заготовок, интенсификация процесса обжима которых разработанными ранее методами затруднена или не рациональна. К таким заготовкам можно отнести заготовки с дном, заготовки получаемые методом холодной объёмной штамповки и др. В то же время, к ним применим способ интенсификации по рельефу поверхности инструмента.

Способ интенсификации процесса по рельефу поверхности матрицы позволяет снизить влияние сил контактного трения, и тем самым повысить степень формоизменения за операцию, путём профилирования поверхности матрицы. Спрофилированная матрица имеет кольцевые канавки, расположенные с определенным шагом.

При использовании матрицы с кольцевыми канавками кромка обжимаемой трубной' заготовки, продвигаясь напротив канавки, совершает движения* вовнутрь канавки, а затем наружу,, находясь вне контакта с поверхностью матрицы. Таким образом, по пути- пластического деформирования, заготовка только концевой частью деформируется- в значительном- контакте со ступенчатой' поверхностью матрицы. Остальная поверхность заготовки контактирует только1 с- усеченными вершинами кольцевых выступов^ на поверхности малицы. Такая форма рабочей поверхности матрицы наилучшим образом? учитывает естественную (под действием внутренних напряжений) деформацию- кромки заготовки; и уменьшает поверхность контакта этой кромки и. всей заготовки с матрицей*. В результате эффективно снижается- сила контактного трения между заготовкой» и матрицей, в наиболее напряженном из-за особенностей деформации кромки заготовки месте. Применение такого способа'не требует использования нагревательного оборудования и сложных конструкций штамповой оснастки и не ограничивается в возможности совместного использования с другими способами интенсификации.

Эффективность применения данного способа ограничивается интенсивностью влияния сил контактного трения, которое в- свою очередь зависит от угла наклона рабочей поверхности матрицы и значения коэффициента трения.

В связи с этим, проведение исследования процесса обжима в матрице с кольцевыми канавками, повышающего производительность процесса, является актуальной задачей.

Цель работы:

Разработка методики проектирования обжима в матрице с кольцевыми канавками на её рабочей поверхности, позволяющего получить заданную деталь за меньшее количество технологических переходов и с меньшей силой деформирования, методики расчета параметров технологического процесса и конструкции штампа.

Научную новизну имеют следующие результаты:

• выявленный диапазон углов конусности матрицы, при которых эффективно профилирование её рабочей поверхности;

• построенные математические модели расчета геометрии матрицы с кольцевыми канавками.

Практическую значимость имеют следующие результаты:

• разработанная научно обоснованная методика проектирования технологического процесса обжима в матрице с кольцевыми канавками;

• конструкция опытно-промышленного штампа.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Г. В результате проведенного анализа-различных-способов.повышение коэффициента обжима» установлено; что; предложенные ранее способы-ограничены в применении для определенных техпроцессов и* деталей, либо требуют дополнительного оборудования для их реализации. В связи с этим предложен способ повышения, коэффициента обжима исключающий данные недостатки.

2. Эффективность профилированной матрицы наблюдается до угла наклона, рабочей поверхности матрицы а = 14-16 ° и при наличии коэффициента трения ц > 0,3, с уменьшением угла наклона эффективность матрицы увеличивается, что объясняется значительным влиянием сил трения при обжиме на малых углах, и тем самым высокой эффективности их снижения за счет формы матрицы.

3. Экспериментально установлены размеры кольцевых канавок и шаг между ними для различных углов наклона рабочей поверхности матрицы и толщины стенки трубчатой заготовки, использование которых оптимально для рассматриваемого процесса. Построенные уравнения регрессии для определения размеров матрицы после проведения ряда экспериментов показали свою адекватность.

4. Предложенная методика теоретического расчета показала хорошее качественное схождение с экспериментальными данными при углах а = 10°-^20°. Расхождение в угле, ограничивающем эффективность предложенной матрицы, составило 2°. Моделирование также показало хорошую сходимость к экспериментальным данным, расхождение в угле составило 1,5 расхождение по силе деформирования до 13% на углах а= 10°-20°.

5. Разработанная методика проектирования матрицы, технологического процесса и штампа для обжима в матрице с кольцевыми канавками позволяет снизить силу при деформировании (более 30%), повысить коэффициент обжима (более 11%) и увеличить производительность обжима.

6. Способ интенсификации по форме инструмента можно применять для других технологических процессов, в том числе раздачи и вытяжки, в которых значительно влияние сил трения на предельную степень формоизменения.

1. Аверкиев Ю.А. Анализ обжима полых цилиндрических заготовок конической матрицей // Сб.трудов МВТУ Машины и технология обработки металлов давлением. -1955.-№42. - С. 111-118.

2. Аверкиев Ю.А. Исследование обжима полых цилиндрических заготовок // Инженерные методы расчета процессов обработки давлением: Сб. науч. трудов. М.: Машгиз, - 1957. - С. 167-196.

3. Аверкиев Ю.А. Об определении наибольшей степени деформации при обжиме пустотелых цилиндрических заготовок в конической матрице // Кузнечно- штамповочное производство. 1966. — №11. — С. 19-22.

4. Аверкиев Ю.А. Холодная штамповка. Формоизменяющие операции. -Ростов-на-Дону: РГУ, 1984. 288 с.

5. Аверкиев Ю.А., Аверкиев А.Ю. Технологии холодной штамповки. М.: Машиностроение, 1989. - 304 с.

6. Агеев Н.П., Кривицкий Б.А. Анализ условий устойчивости тонкостенных заготовок при обжиме в конической матрице // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. — 1980. —№1. — С. 96-100.

7. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. - 279 с.

8. Бебрис A.A. Устойчивость заготовки в формоизменяющих операциях листовой штамповки. Рига: Зинатне, 1978. —127 с.

9. Биба Н.В., Лишний А.И., Стебунов С.А. Эффективность применения моделирования для разработки технологии штамповки // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2001. -№ 5.-С. 39-44.

10. Богатов A.A. Механические свойства и модели разрушении металлов: Учебное пособие для ВУЗов. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2002. - 239 с.

11. П.Богатов A.A., Мижирицкий О.И., Смирнов C.B. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1984. - 144 с.

12. Глазков В.И. Разработка метода определения возможностей формоизменения и исследование основных направлений интенсификации операций листовой штамповки, ограничиваемые условиями разрушения: Автореф. дис. . докт. техн. наук: 05.02.08.-М.,1983. 38 с.

13. Горбунов М.Н. Штамповка деталей из трубчатых заготовок. М.: Машгиз,1960. -190 с.

14. Горбунов М.Н., Пашкевич А.Г., Каширин М.Ф. Предотвращение гофрообразования при обжиме тонкостенных цилиндрических оболочек // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением.2001. -№ 1-С. 18-19.

15. Горбунов М.Н., Попов О.В. Интенсификация процессов холодной штамповки.I1. М.: МДНТП, 1958.-165 с.

16. ГОСТ 1497-61. Методы испытания на растяжение. М.: Изд-во стандартов, 1962.-28 с.

17. ГОСТ 4784-97. Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки. -М.: Изд-во стандартов, 2000. 18 с.

18. Демин В.А. Проектирование процессов толстолистовой штамповки на основе прогнозирования технологических отказов М.: Машиностроение-1,2002.- 186 с.

19. Евсюков С.А., Бочаров Ю.А., Суворов А.П. Совмещение операций обжима и раздачи // Известия вузов. Машиностроение 1992. -№10-12. - С.106-110.

20. Евсюков С.А., Разработка процессов и методов проектирования листовой штамповки деталей из трубных заготовок: Дис. . док. техн. наук: 05.03.05. -М., 1998.-425 с.

21. Ершов В.И, Глазков В.И, Каширин М.Ф. Совершенствование формоизменяющих операций листовой штамповки. — М. : Машиностроение, 1990.-312 с.

22. Интенсификация, процесса обжима полых цилиндрических заготовок / А.Г. Пашкевич, В.И. Глазков, В.И. Ершов и др. // Кузнечно-штамповочное производство. 1976. - №3. - С.36-39.

23. Исаев А. Н. Механико-математическое моделирование формообразующих операций в процессах изготовления изделий из трубчатых заготовок :— Ростов на Дону :- 2004. 270 с.

24. Калиновский И.П., Чудин В.Н., Мозгов В.А. К расчету технологических параметров обжима трубы с нагревом // Кузнечно-штамповочное производство. 1980. -№ 1.- С. 20-21.

25. Калиновский Н.П., Чудин В.И:, Мозлов В.А. К расчету технологических параметров обжима трубы с нагревом // Кузнечно-штамповочное производство: 1980. - №1. - С.20-21.

26. Калпин Ю.Г., Перфилов В.И., Петров П.А. Сопротивление деформации и. пластичность металлов при обработке давлением — М.: МГТУ МАМИ, 2005.-113 с.

27. Ковка и штамповка: Справочник: В 4 т. / Под ред. Е.И. Семенова М.: Машиностроение, 1987. - Т.4,- 544 с.

28. Колмогоров B.JL Механика обработки металлов давлением: Учеб. для вузов. -Екатеринбург: Уральский Государственный Технический^ Университет УПИ, 2001.-831 с.

29. Колмогоров B.JI. Напряжения, деформации, разрушение. М.: Металлургия, 1970.-230 с.

30. Колмогоров В.JI. Численное моделирование больших пластических деформаций и разрушения металлов // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. — 2003. — № 2. С. 4-16.

31. Компьютерное моделирование процессов листовой штамповки на основе деформационной теории пластичности / Е. Куллиг, И. Бруммунд, Г. Ландграф, Ф. Ульбрихт // Кузнечно-штамповочное производство. 1997. -№ 3.1. С. 13-16.

32. Кривошеин В.А. Теоретический расчет силы при обжиме в профилированной матрице // Наука и образование: электронное научнотехническое издание. 2011. — № 9 Электронный ресурс. URL: http://technomag.edu.ru/doc/215636.html (дата1 обращения: 10.10.2011).

33. Кривошеин В.А. Интенсификация процесса обжима посредством выбора геометрии поверхности контакта заготовки с матрицей // Заготовительные производства в машиностроении. 2011. - № 6. - С. 15-18.

34. Кривошеин В.А. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных при исследовании процесса обжима в матрице с кольцевыми канавками // Известия вузов. Машиностроение. — 2011. — № 6. —С. 10—12.

35. Литвинов В. М. Разработка и исследование высокоэффективных процессов деформирования обжимом тонкостенных трубных заготовок: Дисс. . канд. техн. наук. М., 2004. - 160 с.

36. Любвин В.И.Обработка металлов- радиальным обжатием. М:: Машиностроение, 1955. — 248 с.

37. Марьин Б.Н., Иванов Ю.Л., Сапожников В.М. и др.; Под ред. Б.Н. Марьина. Интенсификация формообразования деталей из трубчатых заготовок.- М.: Машиностроение, 1996. 168 с.

38. Мельников Э.Л. Справочник по холодной штамповке оболочковых деталей( 3-е изд., лерераб. и доп.). — М.: Машиностроение, 2003. — 288 с.

39. Мельников Э.Л. Холодная штамповка днищ. — М.: Машиностроение, 1974.— 186 с.

40. Мещерин В.Т. Планирование: эксперимента при исследовании технологических процессов;-М.: Машиностроение, 1981. — 184 с.

41. Неиершин Р. И. Идеальные процессы обжима и раздачи толстостенных трубных заготовок // Кузнечно штамповочное производство. Обработка' материалов давлением. -2010.-№ 6. - С.23-29.1'' I ' ■ i

42. Непершин Р. И. Моделирование процесса- обжима тонкостенной трубной заготовки сферическими матрицами. // Кузнечно штамповочное производство. Обработка материалов давлением. — 2007. - №11. - С. 32-38;

43. Новик; Ф.С., Арсов Я: Б. Оптимизация процессов технологии, металлов методами? планирования экспериментов: М.: Машиностроение -Техника, 1980.-304 с.

44. Новый политехнический словарь / Гл. ред. АЛО. Ишинский. М.: Большая Российская Энциклопедия, 2000. - 671 с.

45. Пашкевич А.Г., Орехов A.B. Гофрообразование при обжиме тонкостенных оболоче осевым усилием деформирования // Известия вузов. Машиностроение. -1979; №10. - С. 122-126.

46. Пластичность и разрушение / Под ред. В. JL Колмогорова. — М.: Металлургия, 1977.-336 с.

47. Попов Е.А. Использование трубной заготовки вместо листовой // Новые процессы обработки металлов давлением. (М.).-1962. С. 144-150.

48. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки М.: Машиностроение, 1968. -283 с.

49. Попов- Е.А., Оцхели В.Н. Анализ напряженно-деформированного состояния при обжиме трубных заготовок // Кузнечно-штамповочное производство. -1972. — №ь5 С.17-19 .

50. Попов, И.П.Разработка процессов листовой штамповки и методов их проектирования для деталей с заданными размерами по толщине: Дис. . док. техн. наук: 05.03.05. М., 1994. - 447 с.

51. Попов О.В. Изготовление цельноштампованных тонкостенных, деталей переменного сечения. М.: Машиностроение, 1974. - 120 с.

52. Попов О.В. Основы методики теоретического анализа формоизменяющих операций при штамповке деталей, из труб с местным нагревом^ // Кузнечно-штамповочное производство. -1971. -№ 6. С. 14-18.

53. Попов 0:В., Ершов В.И. Изготовление цельноштампованных ниппелей для разъемных соединений, трубопроводов" // Труды МАТИ. -1966. —№ 65. -С.130-145.

54. Попов О.В.Основы методики теоретического анализа при штамповке деталей из труб с применением'термической» и силовой интенсификации // Кузнечно-штамповочное производство: 1971. - № 6 — С. 14-17.

55. Предельные значения коэффициентов обжима глубоких конических деталей / Э.Л. Мельников, М:3. Фомин, B.C. Головин и др.// Кузнечно-штамповочное производство. -1983. № Z - С.21-22.

56. Предотвращение гофрообразования при обжиме тонкостенных цилиндрических оболочек / М.Н. Горбунов, А.Г. Пашкевич, М.Ф. Каширин и др. // Кузнечно-штамповочное производство. -1977. №1. - С. 18-20.

57. Ренне ЖП., Ренне Т.И. Об одной форме потери устойчивости при обжиме тонкостенных- труб из сильно нагартованного металла, // Технология машиностроения- Тула;: издательство ТПИ| 1970: Вын; 9. - С. 22-25.

58. Романовский В.П. Справочник по; холодно® штамповке: JI:: Машиностроение, 1979. - - 520 е. .

59. Рудман Л.И. Справочник конструктора: М!: Машиностроение, 1988: -496 с.

60. Сапожников ВМ;, Марьине : Б;Н1,. Попов Ö.B. Интенсификация? технологических; процессов формообразования деталей из труб:- М;:. Машиностроение, 1995. 176 с.

61. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. — М.: Мир, 1979.-392 с.

62. Сизова И;А. Обжим с утонением трубчатых заготовок: Дис. . канд. техн. наук: 05:03.05 —Mi, 2003. 1601с.

63. Смирнов-Аляев Г.А. Механические основы пластической обработки металлов; -Л.: Машиностроение, 1968.-272 с.

64. Смирнов-Аляев Г.А., Чикидовский В.П;. Экспериментальные исследования в обработке металлов давлением. Л.: Машиностроение, 1972. - 360 с.

65. Спиридонов A.A. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. -М.: Машиностроение, 1981. 184 с.

66. Сторожей М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1971. -423 с.

67. Теория ковки и штамповки / Под ред. Е.П. Унксова, А.Г. Овчинникова. М.: Машиностроение, 1992. — 720 с.

68. Фролов В.Н. Обжим полых цилиндрических заготовок. -М.: Машгиз, 1957.-24с.

69. Харитонов А. А. Формообразование фланцев и утолщений на осесимметричных трубчатых заготовках: Дис. . канд. техн. Наук: 05.03.05. -Тула, 2002. 120 с.

70. Шалаев В.Д. Изменение толщины трубчатых заготовок при обжиме и раздаче // Сб.трудов МВТУ. 1964. - №111. - Машины и технология обработки металлов давлением. — С. 170-179 .

71. Экспериментальные исследования формоизменения стальных труб E.H. Сосенушкин, В.Н. Климов, Е.А. Яновска, Е.А. Кутышкина // Кузнечно -штамповочное производство. Обработка материалов давлением. -2010. № 6. -С. 39-43.

72. ASM Handbook, Metalworking: Sheet Forming: ASM INTERNATIONAL, 1996. -V.14B — 2110 c.