автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Исследование и разработка процесса штамповки полусферических деталей из слоистого алюминиевого материала методом вытяжки пластичным пуансоном

На правах рукописи

005553М"

ГЛЛКИН ЕВГЕНИИ ВЛАДИМИРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ШТАМПОВКИ ПОЛУСФЕРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СЛОИСТОГО АЛЮМИНИЕВОГО МАТЕРИАЛА МЕТОДОМ ВЫТЯЖКИ ПЛАСТИЧНЫМ ПУАНСОНОМ

Специальность 05.16.05 - "Обработка металлов давлением"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

г 3 ОКТ 2014

Москва 2014

005553716

Работа выполнена на кафедре «Технология обработки металлов давлением» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского».

Ведущая организация: ЗАО "ФОРТ Технология", г. Москва

Защита состоится «11» декабря 2014 г. в «14» часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.110.05 при ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского», по адресу: 121552, г. Москва, ул. Оршанская, д. 3, ауд. 523А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «МАТИ — Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского».

Автореферат разослан « /0 » С^сс^ьс.^ 2014 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим присылать по адресу: 121552, г. Москва, ул. Оршанская, д. 3, ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского», ученому секретарю диссертационного совета Д212.110.05.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.110.05

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Петров Анатолий Павлович (ФГБОУ ВПО «МАТИ -Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского», г. Москва)

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Первов Михаил Леонидович (ФГБОУ ВПО «Рыбинский Государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева)), г.Рыбинск)

Кандидат технических наук, инженер первой категории

Головкин Павел Александрович

(ФГУП ГКЫПЦ имени М.В. Хруничева, г.Москва)

кандидат технических наук

Палтиевич А.Р.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы:

Одной из важных государственных задач является обеспечение выпуска отечественной промышленностью широкого ассортимента современных средств индивидуальной бронезащиты (СИБ). К числу широко применяемых СИБ относятся бронешлемы (БШ), основным элементом которых является жесткий наружный корпус, изготавливаемый, как правило, из высокопрочных труднодеформируемых металлических материалов. Корпус БШ представляет собой изделие полусферической формы, основным методом изготовления которого в серийном производстве является вытяжка пластичным пуансоном.

К корпусу БШ предъявляются особые требования, к числу которых относятся гарантированный уровень механических свойств, минимальная разнотолщннность стенки изделия, весовые характеристики. Появление новых материалов заставляет постоянно пересматривать возможности совершенствования современных защитных средств. К числу перспективных для изготовления корпусов БШ относятся слоистые алюминиевые материалы типа ПАС, среди которых наибольшее распространение получил материал ПАС-! и его модификация ПАС-1Б. Их слоистое строение позволяет эффективно снижать скорость зарождения и роста трещин в СИБ. Эта группа материалов обладает хорошей технологичностью, их применение позволяет существенно снижать весовые характеристики изделий, что выгодно отличаются их от традиционных сталей и титановых сплавов. Однако листовые полуфабрикаты из ПАС-1 и ПАС-1Б ранее не применялись в качестве материала для изготовления корпусов БШ, поэтому подобные технологии отсутствуют. Их разработка представляет собой сложную научно-техническую задачу, связанную с созданием новых методик проектирования. Настоящая работа посвящена исследованию и разработке технологического процесса вытяжки полусферических изделий из материала ПАС-1Б. В связи с этим, тема диссертационной работы является актуальной.

Цель работы - разработка научно-обоснованного процесса штамповки полусферических деталей из слоистого алюминиевого материала ПАС-1 Б методом вытяжки пластичным пуансоном.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка методики построения математической модели процесса горячей прокатки сборной заготовки материала ПАС-1Б.

2. Исследование характера течения компонентов сборной заготовки материала ПАС-1Б при прокатке и разработка технологии производства листов из этого материала.

3. Построение математической модели процесса вытяжки полусферического изделия из материала ПАС-1Б пластичным пуансоном.

4. Исследование характера утонения стенки заготовки из материала ПАС-1Б по штамповочным переходам.

5. Изучение характера распределения компонентов напряженно-деформированного состояния в слоях листовой заготовки из материала ПАС-1Б и в свинцовом пуансоне в процессе вытяжки полусферического изделия.

6. Оценка влияния геометрических параметров пластичного пуансона на характер распределения НДС в свинце и в материале заготовки.

7. Разработка методики проектирования технологического процесса вытяжки полусферических деталей из материала типа ПАСМ.

8. Создание технологического процесса изготовления полусферических деталей и выпуск технологической рекомендации по их производству.

Научная новизна:

1. Разработана методика построения конечно-элементной модели процесса горячей прокатки сборной заготовки материала ПАС-1Б. Методика базируется на предложенном методе определения коэффициентов прочности соединения слоев сборной заготовки, в основе которого используется итерационная процедура сравнения экспериментальных и расчетных значений толщины слоев сборной заготовки.

2. Установлен характер влияния толщины прослойки из АД1 на формирование прочного соединения компонентов сборной заготовки ПАС-1Б при горячей прокатке, на основании чего определен наиболее благоприятный диапазон толщин, находящийся в интервале от 5 до 6 мм.

3. На базе математического моделирования и экспериментальных исследований получены количественные зависимости утонения стенки заготовки ПАС-1Б по ее образующей и по штамповочным переходам.

4. С помощью математического моделирования установлено наличие градиента интенсивности напряжений в приграничном с заготовкой слое пуансона, который объясняет механизм формирования условий активного трения на поверхности заготовки, контактирующей с пуансоном.

5. Установлены количественные значения компонентов напряженно-деформированного состояния в заготовке и в свинцовом пуансоне по штамповочным

переходам в зависимости от зоны очага деформации и геометрии инструмента, на основании чего определена наиболее рациональная длина пуансона.

6. Разработана методика проектирования технологического процесса вытяжки полусферических деталей из материала типа ПАС-1.

Практическая значимость работы:

1. Скорректировать параметры сборной заготовки ПАС-1Б и схему ее обжатий на приварочных проходах в технологическом процессе горячей прокатки.

2. Разработать научно-обоснованный технологический процесс изготовления полусферических деталей из материалов ПАС-1 и ПАС-1Б.

3. Изготовить опытную партию корпусов бронешлема "Урал" в количестве 10 штук.

4. Выпустить технологическую рекомендацию ОАО «Дубнинский машиностроительный завод» им. Н. П. Федорова и «МАТИ - РГТУ имени К.Э.Циолковского».

Апробация работы.

Основные положения работы обсуждены:

на Международной молодежной научной конференции "Гагаринские чтения" в 2011, 2013гг., Всероссийской научно-практической конференции "Применение ИПИ-технологий в производстве" в 2010, 2012-2013гг., Всероссийской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" в 2010г.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 12 статьях, в том числе в научных журналах и изданиях, определённых Высшей аттестационной комиссией - 3 работы.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 4 глав, основных выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок, 27 таблиц и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы её цель и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая значимость.

В первой главе на основе анализа состояния вопроса показано, что СИБ являются важным видом продукции. Их развитие и совершенствование продиктовано постоянным повышением характеристик различных современных средств поражения. Одним из способов повышения защиты является применение гетерогенных материалов, превосходящих по своим характеристикам гомогенные. Рассмотрен способ получения слоистого материала на базе броневых алюминиевых сплавов. Благодаря своим свойствам, стоимостным показателям и способностью подвергаться деформации в холодном состоянии они являются перспективными материалами, используемыми для производства СИБ, в частности БШ. Материалы типа ПАС за счет слоистого строения превосходят гомогенные материалы по броневым качествам, что позволяет применять их для комбинированного БШ.

Показано, что для обеспечения минимальных значений утонения и разнотолщинности стенки следует проводить вытяжку полусферических изделий с применением пластичного пуансона (рис.1).

Использование пластичного пуансона обеспечивает постоянный подпор заготовки, создающий благоприятные условия формирования изделия. Помимо этого использование пластичного пуансона позволяет управлять естественным утонением заготовки, за счет регулирования величины гидростатического давления,

передаваемого пуансоном на заготовку и наличия на поверхности заготовки активного трения со стороны свинца.

Во второй главе рассмотрены

характеристики применяемых для исследований материалов: алюминиевых сплавов 1931, 1903А, технического алюминия АД1 и свинца марки С1. Освещены методы экспериментальных

исследований и механических испытаний, применяемые приборы и используемое оборудование. Рассмотрено программное обеспечение, применяемое в работе.

Рис.1. Схема вытяжки полусферической детали пластичным пуансоном: 1 - контейнер; 2 - свинцовый пуансон; 3 — стальная матрица; 4 - деформируемая заготовка.

В третьей главе представлены результаты исследований процессов получения листовой заготовки из материала ПАС-1Б и вытяжке из нее полусферической детали с помощью пластичного пуансона. Возрастающий спрос на алюминиевые броневые материалы находит новые предложения в виде модификаций материала типа ПАС, листовые полуфабрикаты из которых имеют слоистое строение (рис.2). Основными компонентами этих материалов являются специально разработанные броневые алюминиевые сплавы 1903А, 1931. В состав пакета сплав 1931 входит в виде литой заготовки, тыльный слой из сплава 1903А в виде плакированной горячекатаной плиты.

Технический алюминий АД1 используется в качестве наружных планшет и промежуточного слоя. В заготовке ПАС-1 толщина литого слоя из сплава 1931 составляла 180 мм, новые технологические возможности обеспечили выпуск слитков толщиной 210 мм, что позволяет увеличить дайну получаемой полосы и повысить выход годного. Изменение толщины одного основного слоя, согласно конструкции материала, должно сопровождаться строго пропорциональным изменением толщины другого основного слоя. Однако наружные планшеты и прослойка из АД1 по механическим характеристикам и значению толщин существенно отличаются от основных слоев материала, поэтому характер их деформации в новой заготовке может существенно измениться. В силу этого проведены исследования влияния толщины планшет и прослойки на характер деформации

заготовки в целом. За базовую величину

-iL

\ и

Рис.2. Структура заготовки типа ПАС-1.

толщины прослойки и наружных планшет в материале ПАС-1 принята толщина, равная 6 мм. В новой заготовке материала, получившего наименование ПАС-1 Б, толщина слоев из АД1 варьировалась от 5 до 7 мм. Исследование проводилось с помощью математического моделирования в программе Deform 2D с привлечением

экспериментальных данных.

Задачей моделирования являлось определение режимов обжатий на первых приварочных проходах и изучение характера распределения деформации по компонентам заготовки. На начальном этапе отсутствовали данные о характере изменения прочности соединения слоев в заготовке от прохода к проходу, которая в Deform 2D задастся с помощью коэффициента прочности соединения Кпс, который меняется от 0, если связь слоев отсутствует, до 1, если сформирована прочная связь между компонентами.

Первоначально характер изменения коэффициента Кпс неизвестен. В связи с этим на первом этапе исследования проведено моделирование процесса прокатки заготовки из материала ПАС-1, для которого раннее разработан технологический процесс прокатки и имеются экспериментальные данные об изменение толщин слоев заготовки на приварочных проходах.

Моделирование проводилось на первых пяти проходах с разными коэффициентами К„с и выбирался тот вариант коэффициента на каждом проходе, который позволял получать наиболее близкие результаты с экспериментальными данными по толщине слоев (рис.3).

7

Е

г 5

Слой АД1 - верх

12 3 4 Номер прохода

~0®АД1 эк. 5 —в— АД1 расч.

Прослойка АД1

««#™»АД1 ЭК. «•♦»АД1 расч.

Номер прохода

Слой 1903А

1903А эк. —И—1903А расч.

1 2 3 4 5 Номер прохода

180,0 г 179,0 Е 178,0 3 177,0

г 17б,о

5- 175,0 I 174,0 о 173,0

Слой 1931

—♦—1931 эк. ~#—1931 расч.

1 2 3 4 5 Номер прохода

7

£

г б I 5

X

3 з

Слой АД1 - низ

эк.

И1^»АД1 расч.

12 3 4 Номер прохода

Рис. 3. Расчетные и экспериментальные значения толщин слоев заготовки ПАС-1 В таблице 1 представлены установленные значения Кпс для первых пяти проходов при прокатке заготовки ПАС-1. Эти коэффициенты используются на втором этапе расчетов для случая прокатки заготовки ПАС-1 Б.

Расчетные значения коэффициента прочности соединения

1-ый проход 2-ой проход 3-ий проход 4-ый проход 5-ый проход

К„С 0.5 0,7 0,8 0,9 1,0

Учитывая, что наиболее сложно сформировать прочное соединение на границе литого слоя из 1931 и АД1, в расчетах проводилась оценка послойных деформаций с целью определения толщины слоя АД1, при которой деформации основного слоя из 1931 и прослойки АД1 имели бы наиболее близкие значения. Расчеты показали (рис.4), что изменение толщины прослойки существенно изменяет характер ее деформации.

30,00% 20,00% 10,00% 0,00%

1 2 3 4 S Номер прохода

ЛД1-

иш ЛЛ1-

а)

1 2 3 4 5 Номер прохода

б)

Чем тоньше прослойка, тем большие

относительные деформации она воспринимает

в процессе прокатки, тем интенсивнее растет

ее сопротивление деформации. В случае

прослойки толщиной 7 мм разница

деформаций прослойки и основного слоя

весьма существенна. При толщине прослойки,

равной 5 мм, деформации прослойки из АД1 и

слоя из 1931 по величине соизмеримы.

Раннее в исследованиях НИИ Стали и МАТИ

было показано, что минимальная толщина

прослойки не должна быть менее 5 мм, иначе в

материале не обеспечивается требуемый

уровень ударной вязкости. Поэтому можно

утверждать, что при величинах прослойки 5-6

мм на границе прослойки АД1 и слоя 1931

имеют место минимальные сдвигающие

напряжения, что благоприятно влияет на

Рис.4. Изменение степеней деформаций по формирование прочного соединения слоев. В

слоям заготовки ПАС-1Б. а,б,в - толщина результате расчетов рекомендован режим

прослойки из АД1 соответственно равна 5,6 _ * ^ г обжатии на первых пяти приварочных

проходах, представленный в таблице 2.

Последующие проходы проводятся по схеме

обжатий, аналогичной для материала ПАС-1.

30,00% 20,00% 10,00% 0,00%

\зШЁ

1 2 3 4 5 Номер прохода

АД1-

XXI-е *рх

1ШЛ

в)

и 7 мм.

Схема прокатки слоистых плит ПАС-1Б

№ Н, мм h, мм £, %

1 264 257 2,7

2 257 253,5 1,4

3 253,5 250 1,4

4 250 246,5 1,4

5 246,5 243 1,4

Разработанная методика построения модели является универсальной для прокатки слоистых заготовок типа ПАС. По результатам опытной прокатки получены листы из материала ПАС-1Б толщиной 3 мм, которые послужили, наряду с листами ПАС-1, в качестве заготовок для вытяжки полусферических деталей.

Полусферические детали являются полуфабрикатом для изготовления бронешлемов, к которым предъявляются особые требования. Помимо минимальных весовых характеристик и высокой точности изготовления, они должны иметь минимальное утонение и разнотолщинность стенки. Подобные изделия, отвечающие названным требованиям можно изготавливать методом вытяжки пластичным пуансоном (рис.1). Для минимизации экспериментальных исследований при изучении характера течения и распределения компонентов напряженно-деформированного состояния (НДС) проведено математическое моделирование в программе Deform 2D.

Для построения математической модели процесса вытяжки необходимо знать предельно допустимые деформации, которые может выдержать материал ПАС-1 Б при вытяжке. Поэтому на следующем этапе исследования экспериментальным путем проведена оценка минимально допустимой величины коэффициента вытяжки К! на первом переходе. Испытание проводилось до появления первой трещины, которая появилась при К|=0,75 (рис.5). Повторное исследование проведено при коэффициенте К, на 10% большем, чем 0,75. Вытяжка с К[=0,82 позволила гарантированно получать изделие без его разрушения. Это значение коэффициента принято минимально допустимым. При этом коэффициенте вытяжки на первом переходе проведена оценка параметров НДС в заготовке методом математического моделирования с помощью программы Deform 2D. В качестве исходных данных для проведения расчетов использовались параметры заготовки и оснастки, приведенные в таблице 3. В ходе расчетов неизвестной величиной являлся коэффициент трения на границе заготовки и инструмента. Для его определения проведена

серия конечно-элементных расчетов с различными коэффициентами трения, в ходе которых определялась толщина слоев заготовки после деформации с Ki=0,82. Полученные результаты сравнивались с

экспериментальными данными опытной штамповки. Значения толщины слоев определялись в точках, равномерно расположенных по образующей (рис. 6). Наилучшие результаты расчета по соответствию экспериментальным данным получены при Рис.5. Трещина на заготовке после коэффициенте трения 0, 015. Такая величина

коэффициента объясняется проявлением активного

трения со стороны свинцового пуансона на заготовку. Максимальное отклонение расчетных и экспериментальных

результатов составило 2% (таблица 4), что позволило применить построенную модель Рис.6. Точки, в которых проводились для анализа параметров НДС в заготовке и в замеры толщины стенки заготовки. свинцовом пуансоне.

Таблица 3

Параметры штампа и заготовки

вытяжки сК|=0,75.

Наименование Значение

Штампуемый материал Алюминиевый материал ПАС-1Б

Материал пуансона Свинец марки С1

Диаметр матрицы, мм 480

Высота матрицы, мм 430

Диаметр заготовки, мм 460

Толщина заготовки, мм 3,0

Внутренний диаметр контейнера, мм 480

Высота внутренней полости контейнера, мм 460

Диаметр пластичного пуансона, мм 480

Высота пластичного пуансона, мм 330

Температура обработки, °С 20

На следующем этапе исследований с помощью построенной модели установлены максимальные значения накопленной деформации и интенсивности напряжений в материале заготовки на завершающей стадии первого перехода при 1^=0,82. Эти параметры оказались равны соответственно 0,814 и 394 МПа и зафиксированы в периферийной зоне заготовки вблизи кромки.

Таблица 4

Значения толщины стенки заготовки после первого перехода, полученные в результате

№ Толщина заготовки (мм)

точки Моделирование Реальный процесс

1 2,73 2,77 1,44%

2 2,79 2,81 0,7%

3 2,99 2,93 2,0%

4 3,05 3,03 0,7%

5 3,15 3,09 2,0%

Они приняты в качестве максимально допустимых для материала ПАСМ Б. Учитывая, что заготовка между штамповочными переходами подвергается отжигу, расчеты на последующих переходах проводились до величин интенсивности напряжений и деформаций, близких к установленным предельно допустимым значениям. В таблице 5 представлены значения этих параметров на втором и третьем переходах, а также соответствующие им значения коэффициента вытяжки. После третьего перехода геометрия заготовки соответствовала форме готового изделия. Таким образом, расчеты показали, что изделие может быть получено за три перехода.

Таблица 5

Наибольшие значения интенсивности напряжений и накопленных деформаций в заготовке и коэффициенты вытяжки на каждом из переходов

№ перехода Наибольшее значение накопленной деформации Наибольшее значение интенсивности напряжений, МПа Коэффициент вытяжки

1 0,814 394 0,82

2 0,8 390 0,82

3 0,78 392 0,84

Полученные результаты послужили основой для экспериментальной штамповки, которая проведена с коэффициентами вытяжки, соответствующими расчетным значениям. В таблице 6 представлены результаты замеров толщины заготовки после второго и третьего переходов, полученные в ходе эксперимента и с помощью математического моделирования.

Значения толщины стенки изделия по переходам, полученные в результате математического моделирования и после реального процесса штамповки_

№ точки Толщина заготовки (мм) после перехода № 2 Отклонение

Моделирование Реальный процесс

1 2,72 2,68 1,5%

2 2,74 2,78 1,4%

3 3,03 2,87 5,3%

4 3,07 3,05 0,7%

5 3,21 3,13 2,5%

№ точки Толщина заготовки (мм) после перехода № 3 Отклонение

Моделирование Реальный процесс

1 2,64 2,56 3,0%

1 2,7 2,75 1,8%

3 3,06 2,84 7,2%

4 3,12 3,01 3,5%

5 3,39 3,25 4,1%

Отклонение расчетных и экспериментальных данных составило от 0,7 до 7,2%, что показывает работоспособность разработанной методики моделирования.

Помимо этого в работе проведен анализ НДС в свинцовом пуансоне и влияние его параметров на НДС в заготовке. Для этого в начальный момент расчета на сечение пуансона нанесена сетка из трассирующих точек (рис. 7). Графики НДС в свинце в этих точках представлены на рисунке 8. Расчеты показали (рис. 8), что напряжения и

деформации распределены по сечению пуансона неравномерно. В нижних слоях свинца, примыкающих к контейнеру, наблюдаются минимальные значения напряжений и деформаций. При переходе к средним слоям (50 и 75%) имеет место рост этих характеристик. В слоях свинца, примыкающих к купольной зоне заготовки, зафиксировано снижение уровня напряжений и деформаций по сравнению со средними слоями. Для изучения влияния высоты пуансона на характер распределения НДС в материале пуансона и заготовки проведены дополнительные исследования. Высота пуансона бралась равной 90% и 110% от базового варианта. Результаты распределение НДС в заготовке представлены на рисунке 9. Анализ результатов расчета показал, что увеличение высоты пуансона приводит к росту значений параметров НДС в деформируемой заготовке, что может негативно сказываться на энергетических затратах на проведение деформационного процесса. Уменьшение высоты пуансона приводит к росту параметров НДС в нем самом, особенно в районе купольной зоны заготовки (рис.10). Это может послужить причиной ускоренного износа материала пуансона. Таким образом, установлено, что геометрия пуансона, принятая в базовом варианте, имеет близкие к рациональной величине размеры.

, РЧ я: РП Ри I > .. Г14 (Ч/ РЯ м

Рис.7. Расположение

трассирующих точек по сечению свинцового

пуансона.

Рис.8. Расчетные значения НДС в свинцовом пуансоне:

интенсивность напряжений в свинцовом пуансоне на расстоянии от контактной поверхности с заготовкой: а-10%; б-50%; в - 75%; г - 100%;

накопленная деформация в свинцовом пуансоне на расстоянии от контактной поверхности с заготовкой: д-10%; е - 50%; ж - 75%; з - 100%;

1 2 3 4 5 Точки

В)

Б 2 :

е)

0,2 0,15 0,1 0,05 О

[ Чц/

2 3 4 5 Точки

[ж;

-Я ■ База+10 ....г*"' База-10

Рис.9. Распределение параметров НДС в заготовке:

а, б, в — интенсивность напряжений после 1, 2 и 3 перехода,

г, д, е — накопленные деформации после 1, 2 и 3 перехода.

В

четвертой главе

рассмотрена разработка методики проектирования технологического процесса производства полусферических изделий из материалов ПАС-1 и ПАС-1 Б вытяжкой свинцовым пуансоном. На основании созданной методики разработан научно обоснованный технологический процесс штамповки полусферических деталей пластичным пуансоном. По созданной технологии изготовлена опытная партия корпусов бронешлема "Урал" в количестве 10 штук (рис.11), что послужило основой для выпуска технологической рекомендации ОАО «Дубнинский машиностроительный завод» им. Н. П. Федорова и «МАТИ - РГТУ имени К.Э.Циолковского».

а)

6

5 * Е

5 5

40 30 „20 10 0

ж

б)

Й >| 11

40

30 20

г ¥ с

х I ^ 10

™ф—База ...гт^-™ База+10% База-10%

2 4

Точки

В)

Рис.10. Изменение интенсивности напряжений в материале пуансона в зоне контакта с заготовкой: а, б, в - на первом, втором и третьем переходах.

Рис.11. Опытная штамповка по разработанной технологии: а - устройство для вытяжки; б -вид заготовки после 3 перехода

Общие выводы

1. Разработана методика построения конечно-элементной модели процесса горячей прокатки сборной заготовки материала ПАС-1 Б. Методика базируется на предложенном методе определения коэффициентов прочности соединения слоев сборной заготовки, в основе которого используется итерационная процедура сравнения экспериментальных и расчетных значений толщины слоев сборной заготовки. При построении математической модели корректировка значений коэффициентов прочности соединения проводилась до

получения величины отклонения расчетных и экспериментальных результатов, не превышающей 5-6%. Разработанная методика может найти применение при создании технологических процессов производства листов из новых модификаций материалов типа ПАС.

2. С помощью разработанной методики построена математическая модель процесса прокатки слоистой заготовки ПАС-1Б и исследован характер течения ее компонентов на пяти приварочных проходах. Установлено, что толщина прослойки из АД1 в диапазоне от 5 до 6 мм обеспечивает наилучшие условия формирования прочного соединения компонентов материала, на основании чего скорректированы параметры сборной заготовки и схема обжатий на приварочных проходах. Опытная прокатка, проведенная по разработанной технологии, позволила получить партию листов из материала ПАС-1Б толщиной 3 мм высокого качества.

3. Построена математическая модель процесса вытяжки полусферического изделия из материала ПАС-1Б пластичным пуансоном. Отклонение результатов моделирования с экспериментальными данными по толщине слоев компонентов заготовки не превышает 2%. С помощь моделирования установлены максимальные значения накопленной деформации и интенсивности напряжений, равные соответственно 0,814 и 394 МПа, которые возникают в материале заготовки при формоизменении с предельно допустимым коэффициентом вытяжки. Эти значения приняты в качестве предельно допустимых для определения коэффициентов вытяжки на последующих штамповочных переходах. Расчетным путем установлено и экспериментально подтверждено, что для получения требуемой геометрии изделия необходимо три штамповочных перехода с промежуточными отжигами.

4. Экспериментальным и расчетным путем исследован характер утонения стенки заготовки по штамповочным переходам. Замеры толщины стенки проводились в пяти точках, равномерно распределенных на ее образующей. Установлено, что максимальное утонение заготовка испытывает в купольной зоне, далее по образующей наблюдается равномерное увеличение толщины стенки. После первого перехода в купольной и периферийной зонах толщина стенки составила соответственно 2,77 мм и 3,09 мм (при начальной толщине заготовки, равной 3 мм). После второго и третьего переходов эти параметры стали равны соответственно 2,68 мм и 3,13 мм; 2,56 мм и 3,25 мм. Сравнение результатов моделирования и экспериментальных данных показало, что максимальные отклонения по толщине стенки после первого, второго и третьего переходов не превышают соответственно 2%, 5,3% и 7,2%.

5. Изучен количественный характер распределения компонентов напряженно-деформированного состояния в заготовке и в свинцовом пуансоне по штамповочным переходам. С помощью конечно-элементного анализа установлено, что максимальные значения интенсивности напряжений действуют в периферийной зоне заготовки и составляют более 370 МПа, в ее купольной части они равны 350 МПа. Минимальные значения этого параметра зафиксированы в средней части заготовки, они составили 340

МПа. В приграничном с заготовкой слое свинцового пуансона действующие напряжения более чем на порядок ниже, чем в материале ПАС-1Б. В перечисленных зонах интенсивность напряжений в свинце достигает соответственно следующих значений: >25 МПа, >10 МПа и < 10 МПа. Характер распределения накопленных деформаций в этих же зонах заготовки и пуансона соответствует распределению интенсивности напряжений. В свинце максимальная накопленная деформация имеет место в периферийной зоне очага деформации и равна 1,26, в заготовке она составляет 0,32. Далее уровень деформаций монотонно снижается вплоть до середины образующей и составляет для свинца 0,074, а для заготовки 0,06. Для купольной зоны характерен незначительный рост накопленных деформаций, значения которых достигают в пуансоне и в заготовке около 0,14. Наличие градиента интенсивности напряжений в приграничном с заготовкой слое пуансона, а также характер распределения скоростей течения узловых точек конечно-элементной сетки в этой зоне объясняют механизм формирования условий активного трения на поверхности заготовки, контактирующей с пуансоном.

6. Изучено влияние геометрических параметров пластичного пуансона на характер распределения НДС в свинце и в материале заготовки. В результате расчётов установлено, что свинцовый пуансон высотой, принятой в базовом варианте, имеет близкие к оптимальной величине размеры. Увеличение высоты пуансона приводит к росту компонентов напряженно-деформированного состояния в заготовке и к повышению энергозатрат на проведение деформационного процесса. Уменьшение высоты пуансона влияет на увеличение уровня нагрузки на материал самого пуансона, что будет оказывать влияние на длительность его эксплуатации.

7. Разработана методика проектирования технологического процесса вытяжки полусферических деталей из материала типа ПАС-1. Она базируется на применении построенных математических моделей, результатах конечно-элементного анализа и экспериментальных данных. Методика включает в себя: расчет размеров пуансона, определение минимально допустимого коэффициента вытяжки по переходам, которые определяются по результатам экспериментов и конечно-элементного анализа процесса вытяжки по штамповочным переходам.

8. По результатам выполненных исследований разработан научно-обоснованный технологический процесс изготовления полусферических деталей из материалов ПАС-1 и ПАС-1Б. По созданной технологии изготовлена опытная партия корпусов бронешлема "Урал" в количестве 10 штук, что послужило основой для выпуска технологической рекомендации ОАО «Дубнинский машиностроительный завод» им. Н. П. Фёдорова и «МАТИ - РГТУ имени К.Э.Циолковского».

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи, опубликованные в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ

1. Вейнгерова Е.Д., Галкин Е.В. Исследование некоторых процессов вытяжки полусферических деталей//Технология легких сплавов. 2013. №3. С. 21-27.

2. Галкин В.И., Степанов, Е.И., Галкин Е.В. Особенности процесса вытяжки тонкостенных

полусферических оболочек из титановых сплавов пластичным пуансоном // Технология машиностроения. 2011. №4. С. 14-18.

3. Петров А.П., Галкин Е.В. Математическое моделирование процесса вытяжки пластичным пуансоном полусферических деталей из слоистых алюминиевых материалов // Технология легких сплавов. 2012. №2. С. 101-107.

Статьи, опубликованные в изданиях, не входящих в перечень ВАК РФ

4. Галкин Е.В., Степанов Е.И., Шленский А.Г. Исследование и разработка технологического процесса производства полусферических изделий // Научные труды (Вестник МАТИ). Вып. 17(89). -М.: МАТИ. 2010. с. 194-198.

5. Галкин Е.В., Преображенский Е.В., Анохин А.О. Применение компьютерного моделирования для исследования очага деформации при холодной прокатке алюминиевых плит // Научные труды (Вестник МАТИ). Вып. 20(92). - М.: МАТИ. 2013. с.60-65.

6. Петров А.П., Галкин Е.В., Преображенский Е.В. Математическое моделирование технологических процессов вытяжки пластичным пуансоном полусферических изделий из слоистых алюминиевых материалов //Научные труды (Вестник МАТИ). Вып. 19(91). - М.: МАТИ. 2012. с.57-61.

Материалы научных конференций

7. Галкин Е.В. Исследование процесса прокатки слоистых материалов из высокопрочных алюминиевых сплавов повышенной толщины. XXXIX Гагаринские чтения. Научные труды Международной молодежной научной конференции в 9 томах. Москва, 9-13 апреля 2013 г. М.: МАТИ. 2013. Т.1. - с.191-192.

8. Петров А.П., Галкин Е.В., Степанов Е.И. Процесс производства изделий полусферической формы при ОМД сб.тезисов докладов Всероссийской научно-технической конференции. Новые материалы и технологии. М.: МАТИ. 2010,С.42-45.

9. Галкин В. И., Степанов Е. И, Галкин Е. В. Применение программного продукта DEFORM 2D V9.0 для разработки технологических процессов в листоштамповочном производстве. //сб. тезисов докладов восьмой Всероссийской научно-технической конференции. Применение ИЛИ - технологий в производстве. М.: МАТИ. 2010. С. 71-73.

10. Галкин Е.В., Анохин А.О. Математическое моделирование технологических процессов в листоштамповочном производстве с помощью программного продукта DEFORM. // сб. тезисов докладов десятой Всероссийской научно-технической конференции. Применение ИПИ - технологий в производстве. М.: МАТИ. 2012. С. 52-54.

11. Галкин Е. В. Применение программного продукта DEFORM для математического моделирования процесса производства полусферических изделий. // сб. тезисов докладов Одиннадцатой Всероссийской научно-технической конференции. Применение ИПИ -технологий в производстве. М.: МАТИ. 2013. С. 69-71.

12. Галкин Е.В., Степанов Е.И. Процесс производства алюминиевых изделий полусферической формы при ОМД. XXXVII Гагаринские чтения. Научные труды Международной молодежной научной конференции в 8 томах. Москва, 5-8 апреля 2013 г. М.: МАТИ. 2011. Т.8. - с.116-117.

На правах рукописи

Галкин Евгений Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ШТАМПОВКИ ПОЛУСФЕРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СЛОИСТОГО АЛЮМИНИЕВОГО МАТЕРИАЛА МЕТОДОМ ВЫТЯЖКИ ПЛАСТИЧНЫМ ПУАНСОНОМ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать: 06.10.2014

Заказ № 10274 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru