автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Исследование приемов расширения технологических возможностей высокоскоростной листовой штамповки

На правах рукописи

БИСИЛОВ Пазим Урусланович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЕМОВ РАСШИРЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ЛИСТОВОЙ ШТАМПОВКИ

Специальность: 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О ДПР 2014

Воронеж - 2014

005546963

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказская государственная гуманитарно-технологическая академия»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Боташев Анвар Юсуфович

Официальные оппоненты: Соломонов Константин Николаевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения» Воронежский филиал, профессор кафедры теоретической и прикладной механики

Невструев Юрий Алексеевич

кандидат технических наук, ОАО «Научно-исследовательский институт автоматизированных средств производства и контроля», начальник научно-экспериментального отдела, г. Воронеж

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Московский

государственный машиностроительный университет (МАМИ)»

Защита состоится 21 мая 2014 г. в 16— часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.04 ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

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

Автореферат разослан 24 марта 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кириллов О.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время для производства деталей машин и аппаратов, кораблей и аэрокосмической техники широко используется листовая штамповка. Детали, получаемые этим методом, имеют высокую прочность и гладкую поверхность. Кроме того, листовая штамповка, обеспечивая высокий коэффициент использования металла, снижает его расход. Чаще всего листовая штамповка осуществляется в холодном состоянии штампуемой заготовки, т.е. при температуре окружающей среды. При такой температуре пластичность большинства металлов и их сплавов сравнительно невысока, поэтому и коэффициент вытяжки при холодной листовой штамповке невысок. В этой связи за один технологический переход удаётся получить только детали относительно простой формы. Детали сложной конфигурации штампуются за несколько технологических переходов. В некоторых случаях между этими переходами производится промежуточный отжиг. Это существенно повышает себестоимость изготовления деталей.

Повышение температуры заготовки увеличивает её пластичность. В интервале температур теплой и горячей обработки пластичность металлической заготовки существенно увеличивается, а её сопротивляемость пластической деформации резко падает. Однако листовая штамповка в горячем состоянии заготовки производится крайне редко ввиду трудности её осуществления. В этой связи разработка новых методов листовой штамповки, обеспечивающих осуществление процесса штамповки в горячем состоянии заготовки, является актуальной задачей.

Работа выполнена в рамках Федеральной программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса УМНИК» (Государственные контракты №5388р/7806 от 24.09.2007 г., №6636р/9111 от 02.03.2009 г) и по Госзаданию Министерства образования и науки РФ (Регистрационный №7.8418.2013).

Целью работы является расширение технологических возможностей листовой штамповки путем разработки нового метода газовой штамповки, обеспечивающего нагрев заготовки до заданного интервала температур и ее деформирование, а также оборудование для реализации этого метода.

Для достижения этой цели поставлены и решены следующие основные задачи:

• разработка схемы газовой штамповки с двухсторонним нагревом заготовки;

• теоретическое исследование процесса деформации листовой заготовки под двусторонним воздействием высокотемпературного газа;

• разработка и создание экспериментального устройства для исследования процесса штамповки с двухсторонним нагревом заготовки;

• экспериментальное исследование процесса листовой штамповки с двухсторонним нагревом заготовки;

• исследование нагрева листовой заготовки при двустороннем воздействии на нее горячего газа;

• разработка конструкции устройства для листовой штамповки двусторонним воздействием на заготовку горячего газа.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены на основе уравнений теории пластичности, термодинамики, теплопроводности и конвективного теплообмена. Экспериментальные исследования проведены на оригинальном оборудовании, специально созданном для осуществления данных исследований.

Научная новизна:

• разработан новый метод газовой листовой штамповки, обеспечивающий эффективный нагрев листовой заготовки до заданного интервала температур и ее деформирование;

• теоретически определены и экспериментально подтверждены зависимости для определения оптимальных параметров разработанного метода штамповки.

Практическая значимость:

• создан и испытан новый тип устройства для листовой штамповки, осуществляющий эффективный нагрев заготовки до заданного интервала температур и ее деформирование;

• устройство благодаря нагреву заготовки осуществляет процесс штамповки при низком давлении энергоносителя порядка 0,4...1,0 МПа, что существенно расширяет сферу применения газовой штамповки;

• устройство, обеспечивая упрощение технологической оснастки и уменьшение количества технологических переходов, позволяет существенно снизить себестоимость производства штампованных деталей, особенно в малосерийном и опытном производствах;

• способ и устройство для двухстороннего нагрева листовой заготовки перед штамповкой и вытяжкой с сохранением требуемых свойств материала в середине толщины листа внедрен в производство на Воронежском механическом заводе - филиале ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева»;

• устройство для нагрева листовых заготовок до интервала температур теплой и горячей обработки внедрен в производство в ОАО «Научно-исследовательский институт автоматизированных средств производства и контроля»;

• благодаря компактности и невысокой стоимости созданное устройство может найти широкое применение в малых предприятиях, производящих штампованные изделия.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: III, IV, V Международных научно-практических конференциях «Инновационные направления в пищевых технологиях» (Пятигорск, 2009, 2010, 2012); Международной молодежной научной конференции «XXXVII Гагаринские чтения» (Москва, 2011); IV Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования в современном мире» (Санкт-Петербург, 2013); 3-й Международной научно-практической конференции «Современные материалы, техника и технология» (Курск, 2013); «European Innovation Convention», «East

West» Association for Advanced Studiesand Higher Education GmbH (Vienna, 2013); Всероссийской молодежной научно-практической конференции с международным участием «Инженерная мысль машиностроения будущего» (Екатеринбург, 2013); Международной научно-технической конференции «Обработка материалов давлением» (Краматорск, 2011); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Вузовская наука Северо-Кавказскому федеральному округу» (Пятигорск, 2013); VII Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых (Нальчик, 2013); VI-X региональных научно-практических конференциях «Рациональные пути решения социально-экономических и научно-технических проблем региона» (Черкесск, 2006-2010); X Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, 2010, серебренная медаль).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 научных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 2 патента на полезную модель.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: в [1], [2], [3], [6], [13], [14], [15], [17], [26] - расчет основных параметров процесса штамповки; в [7], [16], [18], [19] - разработка и испытание устройства для газовой штамповки; в [12], [20], [24], [27] - разработки методики и проведение экспериментальных исследований процесса газовой штамповки; в [26], [8], [9] - отработка технологических режимов газовой штамповки.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 136 наименований и 2 приложений. Основная часть работы изложена на 119 страницах, содержит 59 рисунков, 3 таблицы.

Автор защищает:

• разработанный метод листвой штамповки, осуществляемый двусторонним воздействием на листовую заготовку высокотемпературного газа;

• разработанное устройство для газовой листовой штамповки, являющееся новым типом штамповочного оборудования;

• полученные зависимости, позволяющие оптимизировать параметры процесса штамповки.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертационной работы и изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор и анализ известных методов и устройств газовой штамповки, являющихся разновидностью импульсных методов металлообработки.

Большой вклад в развитие импульсных методов металлообработки внесли работы Ю.Н. Алексеева, О.Д. Антоненкова, К.Н. Богоявленского, В.К. Борисовича, А.И. Гороховича, А.А. Дерибаса, А.И. Зимина, В.Г. Кононенко, Г7.П. Кузнецова, В.В. Пихтовникова, Е.А. Попова, О.В. Попова, С.М. Поляка,

К.Н. Соломонова, В.Г. Егорова, И.А. Чечеты и др.

Обзор и анализ существующих методов и устройств газовой штамповки показал, что при газовой штамповке происходит нагрев заготовки. Однако из-за кратковременности процесса повышение температуры заготовки сравнительно невелико. Кроме того, процесс нагрева заготовки неуправляем, так как происходит одновременно с процессом деформирования заготовки.

В устройствах пневматической формовки обеспечивается нагрев заготовки до заданного интервала температур, порядка 400...500 "С. Нагрев заготовки осуществляется длительным воздействием нагретого инертного газа, поэтому является чрезмерно дорогостоящим процессом и применяется в основном для штамповки из цветных сплавов особоответственных деталей аэрокосмической техники. Для широкого использования листовой штамповки с нагревом заготовки и обеспечения снижения себестоимости производства штампованных деталей необходимо разработать метод, не требующий для осуществления значительные энергетические затраты и дорогостоящее оборудование. Это послужило основанием для разработки метода газовой штамповки с двухсторонним нагревом штампуемой заготовки.

Во второй главе проведен теоретический анализ процесса газовой штамповки с двухсторонним нагревом заготовки. Принципиальная схема устройства для газовой штамповки с двухсторонним нагревом заготовки показана на рис. 1. Штампуемая заготовка зажимается между матрицей 1 и корпусом 7 камеры сгорания 6 с помощью болтов 5 и гаек 4. Матрица 1 и корпус 7 снабжены впускными клапанами 12, 10, выпускными клапанами 13, 8 и свечами зажигания 3, 9. Камера сгорания 6 и полость матрицы 2 через впускные клапаны 10 и 12 наполняются топливной смесью, например природным горючим газом и сжатым воздухом. Топливная смесь с помощью свеч 3 и 9 поджигается. В результате сгорания давление и температура резко повышаются. Под действием продуктов сгорания заготовка 11 интенсивно нагревается. После достижения температуры заготовки заданной величины открывается выпускной клапан 13 и газ из полости матрицы 2 выпускается. При этом под действием давления газа, находящегося в камере сгорания, заготовка деформируется и заполняет полость матрицы.

Рис. 1. Схема устройства для газовой штамповки: 1 - матрица; 2 - полость матрицы; 3, 9 - свечи зажигания; 4 - гайка; 5 - болт; 6 - камера сгорания; 7 -корпус; 8, 13 - выпускные клапаны; 10, 12 - впускные клапаны; 11 - заготовка

Таким образом, при данном методе штамповки процесс деформирования заготовки начинается после нагрева ее до интервала температур горячей обработки. Поэтому в процессе деформации материал заготовки существенно не упрочняется. В этой связи при теоретическом анализе процесса штамповки материал заготовки считался идеально пластичным.

Схема нагружения штампуемой заготовки показана на рис. 2. Заготовка с двух сторон подвергается интенсивному воздействию горячих газов, образованных в результате сгорания топливной смеси в камере сгорания и полости матрицы. При этом заготовка интенсивно нагревается. При открытии выпускного клапана давление в полости матрицы снижается. Процесс штамповки осуществляется под действием разности давлений газа в камере сгорания и полости матрицы, т.е.

Р =Р<-Рм, О)

где Р условно будем называть давлением штамповки; Рк - давление в камере

сгорания; Рм - давление в полости матрицы.

Так как диаметр заготовки во много раз больше толщины заготовки, то в данном случае деформируемую заготовку можно считать тонкой оболочкой. Тогда можно воспользоваться уравнением Лапласа для тонкой оболочки:

рт _ Р Рт Рв 5'

где от, ов - меридиональные и широтные напряжения; рт, р8- меридиональный и широтный радиусы кривизны; Б - толщина заготовки.

Я,

Рис. 2. Характер деформации заготовки на первом этапе процесса штамповки

Процесс штамповки протекает в два этапа. На первом этапе заготовка деформируется в виде шарового сегмента (рис. 2). При этом <тд=а„,=а. В данном случае условие пластичности можно записать как а = а„ где <7Г предел текучести материала заготовки. Тогда уравнение (2) примет следующий вид:

2? = 7, (3)

где Яс - радиус шарового сегмента, определяемый следующей зависимостью:

(4)

2 А

где Я„ — радиус матрицы; Ь - глубина шарового сегмента. Из уравнений (1), (3) и (4) получим выражение для определения необходимой величины разности давлений между камерой сгорания и матрицей:

На втором этапе процесса штамповки при заполненни углов матрицы и зон с минимальными радиусами можно считать деформирующуюся часть заготовки сферообразной, считая рв = рт . При этом в конечной стадии процесса штамповки давление в полости матрицы сравнительно не велико, и им можно пренебречь. Поэтому без большой погрешности можно считать, что давление штамповки равно давлению в камере сгорания, т.е. Р = Рк . Тогда исходя из зависимости (3) получим зависимость для определения давления газа в камере сгорания в конце процесса штамповки:

(6)

Й1ШП

где /?„,„, - минимальный радиус кривизны донной поверхности матрицы.

Исходя из величины Рк определим давление газа в начале процесса штамповки. После окончания процесса горения топливной смеси происходит нагрев заготовки в течение времени тн. При этом газ в камере сгорания и полости матрицы охлаждается. Исходя из экспериментальных данных процесса горения газообразной смеси в замкнутом объеме изменение давления в этот период определяется следующей зависимостью:

Р,,. = (1 - гн)Рг . (7)

При этом следует иметь в виду, что оптимальная величина времени нагрева тн составляет 0,2.. .0,4 с.

После нагрева заготовки начинается процесс штамповки. При этом за счет деформирования заготовки объем камеры сгорания увеличивается, и газ расширяется. Ввиду кратковременности этого процесса будем считать, что расширение газа происходит по адиабатическому закону. Исходя из этого, а также учитывая выражение (7), получена следующая зависимость для определения необходимой величины давления газа в конце процесса сгорания:

да

где к - показатель адиабаты; ук - объемы матрицы и камеры сгорания. Отсюда зависимость (6) примет вид

.0+Э- о

Так как сгорание топливной смеси происходит при постоянном объеме, то давление продуктов сгорания Р2 выразим через давление топливной смеси:

Р.'г = , (Ю)

где АР - степень повышения давления при сгорании смеси при постоянном объеме. Тогда из зависимостей (9) и (10) получим выражение для определения необходимой величины давления топливной смеси:

* г« «пив 4 "кУ

При расчете по зависимости (11) величину предела текучести и. следует брать с учетом нагрева установки. Исходя из давления топливной смеси определяется

расход топливной смеси на осуществление процесса штамповки.

В третьей главе проведены экспериментальные исследования процесса газовой штамповки с двухсторонним нагревом заготовки.

Для проведения экспериментальных исследований были использованы два экспериментальных устройства, выполненные по схемам, представленным на рис, 1 и 3. Большинство экспериментов проведено на втором устройстве, имеющем кольцевой прижим для зажима фланцевой части заготовки. Технологическая оснастка экспериментального устройства для штамповки включает в себя матрицу 3 и прижим 2. В качестве матрицы использовали цилиндрическую матрицу диаметром 400 мм. Эта матрица позволяет штамповать детали типа днища, а также детали цилиндрической формы. Установкой в матрицу вкладышей можно штамповать детали иных форм. При проведении экспериментов использовали круглую стальную заготовку из стали 3 толщиной 1 мм.

Экспериментальные исследования были проведены, прежде всего, для оценки достоверности результатов теоретического анализа. Поэтому эксперименты вначале проводили в цилиндрической матрице для получения сферических днищ. При штамповке в цилиндрической матрице заготовка сначала деформируется в форме сферического сегмента (рис. 2). Если процесс штамповки заканчивается до соприкосновения заготовки дна матрицы, то получается сферическое днище. Измерив глубину днища, можно по зависимости (11) определить потребную величину давления топливной смеси для штамповки такого днища, считая при этом Ум =У„ где Ус - объем сферического сегмента. Сравнение этого давления с экспериментальным значением давления топливной смеси позволит оценить достоверность результатов теоретического анализа.

Рис.3. Схема экспериментального устройства для штамповки с кольцевым прижимом: 1 - камера сгорания, 2 - прижим, 3 - матрица, 4 - выпускной клапан

Было проведено несколько серий экспериментов при различных значениях давления топливной смеси и времени нагрева заготовки. В частности, при давлении топливной смеси 0,4 МПа и 0,5 МПа были получены сферические днища глубиной соответственно Ь=138 мм и Ь=160 мм. При этом согласно зависимости (4) радиусы сфер днищ составляют 214 мм и 205 мм соответственно. Время нагрева заготовки в обоих случаях составляло 0,3 с. Тогда согласно графикам на рис. 6 температура заготовки при давлении 0,4 МПа составляла около 450 °С, а при давлении 0,5 МПа - около 500 °С. При

ЕСТ—^

Сш. Ьп

__Я3

£12_

" Т£?

4

температуре 450 °С предел текучести стали 3 составляет порядка 190 МПа, а при температуре 500 °С - порядка 170 МПа. Используя эти данные, определим давление топливной смеси по зависимости (11). При расчете по этой зависимости принято = 8; к = 1,28. При глубине дниша Ь = 138 мм объем днища составляет 8,5 л, т.е. Ус = 0,0085м3. Тогда, учитывая, что объем камеры сгорания Ук = 0,032 м3, из зависимости (11) получим Рс = 0,43 МПа. Экспериментальное значение Рс составляет 0,4 МПа. Следовательно, расхождение экспериментального и теоретического значений давления топливной смеси составляет около 7,5 %.

При глубине днища И = 160 мм объем днища составляет 12,2 л, т.е. Ус=0,00122 м3. Тогда из зависимости (11) получим Рс=0,46 МПа. Экспериментальное значение Рс составляет 0,5 МПа. Следовательно, в этом случае расхождение экспериментального и теоретического значений давления топливной смеси составляет 8 %.

Аналогичные результаты получены и при использовании данных других серий экспериментов. Расхождение экспериментальных и расчетных значений давления топливной смеси не превышает 10%. Исходя из этого можно заключить, что результаты экспериментальных исследований в целом подтверждают достоверность основных выводов теоретического анализа и, в частности, приемлемость зависимости (11) для определения потребного значения давления топливной смеси.

Была также проведена серия экспериментов для сравнения данного метода штамповки с односторонней газовой штамповкой. В этой серии экспериментов топливной смесью наполняли только камеру сгорания. Штамповка осуществлялась под действием давления продуктов сгорания этой топливной смеси. При этом оказалось, что при давлении топливной смеси 0,4 МПа глубина отштампованной заготовки составляла около 85 мм, а при давлении 0,5 МПа она составляла 98 мм, что существенно меньше, чем при двухстороннем нагреве. Это объясняется тем, что в данном случае вследствие быстротечности процесса штамповки заготовка существенно не нагревалась. Для сравнения отметим, что при данном методе штамповки при этих давлениях глубина отштампованных заготовок составляла 138 мм и 160 мм.

Исходя из этого можно заключить, что двухсторонний нагрев заготовки создает благоприятные условия для штамповки и позволяет снизить давление топливной смеси. В частности установлено, что топливная смесь давлением 0,4 МПа при двукратном нагружении заготовки обеспечивает штамповку деталей полусферической формы из стальной заготовки толщиной 1мм. Расчет по уравнению (2) показывает, что при отсутствии нагрева заготовки для штамповки такой детали давление топливной смеси должно быть порядка 1,2...1,4 МПа. Следовательно, двухсторонний нагрев заготовки обеспечивает снижение давления топливной смеси в 3...3,5 раз. А при одном и том же давлении топливной смеси данный метод штамповки позволяет штамповать детали значительно большей толщины.

Для оценки технологических возможностей данного метода штамповки

было проведено исследование штамповки детали типа панели сотовой конструкции, имеющей малые радиусы кривизны. Традиционными методами штамповки трудно производить такие типы деталей. Панель сотовой конструкции имела квадратные ячейки размером 90x90 мм. Аналогичные конструкции используются в авиастроении. Их изготовляют фрезерованием либо изотермической формовкой. Штамповку сотовой конструкции производили из алюминиевого листа толщиной 2 мм. Проведенные эксперименты показали, что давление топливной смеси 0,5 МПа достаточно для получения деталей хорошего качества (рис. 46). Время нагрева заготовки составляло 0,3...0,4 с. Для сравнения на рис. 4а показана деталь, полученная при односторонней штамповке, т.е. при наполнении топливной смесью давлением 0,5 МПа только камеры сгорания. Как видно из этих рисунков, двухсторонний нагрев заготовки существенно повышает качество получаемой детали.

а) б)

Рис. 4. Панели сотовой конструкций, полученные односторонним (а) и двухсторонним (б) воздействием продуктов сгорания на заготовку в процессе газовой штамповки

В целом, проведенные экспериментальные исследования показали, что данный метод штамповки обладает широкими технологическими возможностями и применим для штамповки деталей как простой формы, так и сложной конфигурации с малыми радиусами кривизны. Поэтому данный метод может быть эффективно использован для штамповки широкой номенклатуры деталей. Кроме того, проведённые эксперименты показали, что двухсторонний нагрев заготовки создает благоприятные условия для штамповки и позволяет снизить давление топливной смеси в 3...3,5 раза. А при одном и том же давлении топливной смеси данный метод штамповки позволяет штамповать детали значительно большей толщины.

В четвертой главе проведены теоретические и экспериментальные исследования процесса нагрева заготовки при газовой штамповке двухсторонним нагревом заготовки. Толщина штампуемой заготовки во много раз меньше ее диаметра, поэтому заготовку можно рассматривать как тонкую пластину. Известно решение задачи о теплообмене тонкой пластины с окружающей ее газовой средой. При этом установлено, что температуру по

толщине пластины можно считать одинаковой, если критерий Био меньше 0,1. В данном случае это условие выполняется, поэтому изменением температуры по толщине заготовки можно пренебречь. Это дает возможность использовать уравнение теплового баланса для определения температуры заготовки с учетом охлаждения газа.

Часть теплоты, полученной заготовкой от газа, отводится через ее фланец к корпусу и матрице. Однако площадь тепловоспринимающей поверхности заготовки примерно в 50 раз больше площади сечения заготовки, через которую происходит отвод тепла. Поэтому, пренебрегая отводом тепла от заготовки, будем считать, что вся теплота, воспринимаемая заготовкой от газа, идет на повышение ее температуры. Тогда

>щсЛ = dQ , (12)

где т3 - масса тепловоспринимающей части заготовки; (1С) - элементарное количество теплоты, воспринимаемой заготовкой от газа за время (к.

Будем считать, что заготовка нагревается только за счет конвективного теплообмена. Тогда согласно уравнению теплоотдачи Ньютона - Рихмана

<10= aFUr-t)dт, (13)

где площадь тепловоспринимающей поверхности заготовки.

Так как температуры газа сверху и снизу заготовки одинаковы, то в первом приближении можно считать, что поток тепла со стороны камеры сгорания и со стороны матрицы примерно одинаковы. Тогда площадь тепловоспринимающей поверхности заготовки определяется как

/■-/7В+/Г„= 2(Л/4К2= 0,5 ксС , (14)

где с4- диаметр входной кромки матрицы; Рв, Р„ - площади верхней и нижней поверхностей заготовки. Массу тепловоспринимающей части заготовки выразим следующей зависимостью:

и, = 0,5йр. (15).

Тогда из уравнений (12), (13) и (15) получим

а= 0,5 /\фссй . (16)

Из этого уравнения после соответствующих преобразований и интегрирования получим выражение для определения времени нагрева заготовки

О7)

где (/г-'з)сР - среднее значение перепада температур между газом и заготовкой; Д/3 - приращение температуры заготовки, определяемое как

Дг3 =/-/<>, (18)

Если задано время нагрева заготовки, то исходя из зависимости (17) приращение температуры заготовки определяется следующей зависимостью:

При этом величину (гг- /)ср определим, используя известную зависимость

('г - <з)ср = (Д'»шг - А/„,-„) / /«(Мтах / Д?т,„), (20)

где Мтах, Д/„„, - максимальное и минимальное значения перепада температур между газом и заготовкой. При определении величин Агт уменьшение температуры газа в процессе нагрева заготовки.

Полученные зависимости позволяют определить температуру и время нагрева заготовки. В частности, расчет по зависимости (17) показал, что время нагрева стальной заготовки толщиной 1 мм до интервала температур горячей обработки, т.е. до 900 °С, составляет порядка 0,3 с.

Для оценки приемлемости полученных зависимостей были проведены экспериментальные исследования на экспериментальной установке, схема которой представлена на рис. 5. Измерение температуры заготовки при помощи датчиков, наклеиваемых на ее поверхность, в данном случае невозможно, так как датчики также будут подвергаться воздействию горячего газа. Поэтому для определения температуры заготовки использовали термоиндикаторные карандаши, которые плавятся при определенной температуре. Для предотвращения воздействия горячего газа на метки термоиндикаторных карандашей штамповке подвергали две заготовки, уложенные друг на друга. Метки наносили на внутреннюю поверхность заготовки.

Эксперименты проводили следующим образом. На листовую заготовку толщиной 0,5 мм из стали 08 наносили термоиндикаторными карандашами параллельные линии на расстоянии 10 мм друг от друга (рис. 6а). При этом метки наносили таким образом, чтобы чувствительность на температуру нанесенных линий отличалась на 50 °С. Таким образом, эти линии представляли собой шкалу температур с ценой деления 50 °С. Затем на заготовку с линиями устанавливали другую заготовку, после чего обе заготовки в сборе помещали в устройство для штамповки.

В процессе экспериментов варьировали давление топливной смеси от 0,3 МПа до 0,7 МПа и время нагрева заготовки от 0,2 с до 0,7 с. При этом время нагрева заготовки определялось промежутками времени между подачей искры свечей зажигания и открытием выпускного клапана. Вначале провели серию экспериментов при давлении топливной смеси 0,3 МПа, устанавливая время нагрева заготовки равным 0,2 с; 0,4 с; 0,6 с; 0,7 с. Каждый эксперимент повторяли 3 раза. Было установлено, что по мере увеличения времени нагрева заготовки от 0,2 с до 0,6 с ее температура повышается до 400 °С. Однако при увеличении длительности нагрева от 0,6 с до 0,7 с температура заготовки существенно не изменилась. Это свидетельствовало о том, что при длительности нагрева 0,6 с практически наступает тепловое равновесие между газом и заготовкой. В этой связи увеличение времени нагрева заготовки выше 0,6 с нецелесообразно. Поэтому в последующих сериях экспериментов время нагрева заготовки изменяли от 0,2 с до 0,6 с. Результаты экспериментов представлены на рис. 66. Измеренные значения температуры отмечены точками. В трех экспериментах значения температуры либо совпадали, либо отличались на 50 °С. Так при Рс = 0,5 МПа и т = 0,4 с в двух экспериментах температура заготовки составляла 550 °С, а в одном эксперименте - 500 °С, поэтому значения температуры отмечены двумя точками. При Рс = 0,5 МПа и т= 0,6 с во всех трех экспериментах температура составила\550 °С. Значения температуры заготовки, относящиеся к каждой серии экспериментов, объединены соответствующими графиками. Так как температура оценивалась с точностью 50 °С, то можно считать, что доверительный интервал этих графиков

а) б)

Рис'. 6. Схема нанесения термоиндикаторных меток (а) и графики изменения во времени температуры заготовки при различных давлениях топливной смеси (б): 1 - 0,3 МПа; 2 - 0,5 МПа; 3 - 0,7 МПа; 4-1,0 МПа

составляет порядка 25

Из представленных графиков следует, что интенсивный нагрев заготовки происходит при длительности нагрева до 0,3...0,5 с. При дальнейшем увеличении времени нагрева скорость роста температуры существенно снижается. Исходя из этого, а также учитывая, что в процессе нагрева заготовки снижается давление газа вследствие его охлаждения, время нагрева заготовки следует установить в пределах 0,3...0,5 с.

Рис.5. Схема экспериментальной установки для замера температуры заготовки: 1- матрица; 2 — камера сгорания;

3 - заготовки; 4 — термоиндикаторные метки.

Из графиков видно, что температура заготовки существенно зависит от давления топливной смеси. В уравнении (19) влияние давления газа отражает« через коэффициент теплоотдачи а. Для установления вида зависимости а от давления топливной смеси был проведен расчет величины а при различных значениях давления топливной смеси, используя при этом экспериментальные значения температуры заготовки при ти = 0,6 с и уравнение (19). По результатам расчета установлено, что для условий газовой штамповки зависимость коэффициента теплоотдачи от давления топливной смеси Рс выразим следующей зависимостью:

а = 4(^)0'8, (21)

при этом Рс измеряется в МПа, а а — в кВт/(м К).

Зависимости (19)-(21) в совокупности позволяют оценить увеличение температуры штампуемой заготовки под воздействием продуктов сгорания. Вычисленные по зависимости (19) величины температуры заготовки при

различных значениях времени нагрева и давления топливной смеси удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными, расхождение их не превышает 12... 15 %. Проведенные расчеты и экспериментальные исследования показали, что при определенном давлении топливной смеси и длительности нагрева температура заготовки повышается до интервала температур горячей обработки. В частности, при давлении топливной смеси 1 МПа и времени нагрева 0,3 с обеспечивается нагрев стальной заготовки толщиной 1 мм до 900 °С.

Пятая глава посвящена разработке, созданию и испытанию оборудования для листовой штамповки двусторонним воздействием на заготовку горячего газа. В зависимости от назначения и условий эксплуатации устройство для штамповки может быть выполнено по различным схемам, поэтому был проведен анализ возможных схем конструкции устройства. При этом руководствовались стремлением обеспечить простоту конструкции, надежность работы и безопасность эксплуатации устройства, а также технологичность его изготовления. Исходя из этих соображений разработано устройство для штамповки, которое вместе с системой топливоподачи

Рис. 7. Схема устройства для газовой штамповки с системой топливоподачи: 1 - матрица; 2, 8 - кольцо уплотнительное; 3 - камера сгорания; 4, 5 - плита прижимная; 6 - болт; 7 - гайка; 12 - заготовка; 9 - кольцевой поршень; 10, 11 -вентиль: 13 - баллон воздушный; 14 - баллон газовый; 15, 16 - регулятор давления; 17, 18, 19, 20 - обратный клапан; 21, 23 - манометр газа; 22, 24 -манометр топливной смеси; 25, 26 - впускной клапан; 27, 28 -предохранительные клапаны; 29, 30 - декомпрессионные клапаны; 31, 32, 33,34, 35, 36 - электропневматический клапан; 37, 38 - пневмораспределитель; 42, 39, 40, 41 - пятиходовой пневмоклапан; 43, 44 - свеча зажигания; 45, 46 - фланец

Устройство содержит камеру сгорания 3 и матрицу 1, которые стянуты между собой при помощи плит 4, 5, болтов 6 и гаек 7. К камере сгорания 3 при помощи сварки присоединен фланец 46, а к матрице 1 - фланец 45. Во фланце 46 выполнена кольцевая полость, в которой размещен кольцевой поршень 9. Штампуемая заготовка 8 зажимается между кольцевым поршнем 9 и фланцем 45. Подача компонентов топливной смеси и их дозирование осуществляется при помощи системы электропневматических клапанов и электроконтактных манометров.

По этой схеме было изготовлено устройство для штамповки, его фотография показана на рис. 8. После осуществления монтажа устройства было проведено испытание его на прочность. Устройство для штамповки рассчитано на давление топливной смеси до 0,7 МПа, при этом максимальное давление продуктов сгорания может достигать до 6 МПа. Для проведения испытания полости камеры сгорания и матрицы были заполнены водой. Затем с помощью насоса создали в этих полостях давление 12 МПа, что в 2 раза превышает максимально возможное давление продуктов сгорания. Это давление выдержали в течение 10 минут. При этом течи воды и видимых деформаций корпуса камеры сгорания и матрицы не наблюдалось. Это свидетельствует о том, что созданное устройство для штамповки безопасно для работы. После этого данное устройство использовалось для проведения экспериментальных исследований процесса газовой штамповки и для отработки технологических режимов штамповки. При этом устройство показало высокую надежность, поэтому можно его рекомендовать для применения в малосерийном и опытном производствах.

Рассмотренное устройство имеет невысокую производительность, поэтому оно неэффективно для использования в крупносерийном производстве. Однако, если обеспечить установку заготовки на матрицу и съем детали из нее без разборки устройства, то данный метод штамповки может быть использован и в крупносерийном производстве. На рис. 9 представлена схема устройства для штамповки, которое может быть эффективно использовано и в крупносерийном производстве. Устройство содержит станину 1, в верхней части которой выполнена камера сгорания 8. В станине 1 концентрично камере сгорания 8 выполнена кольцевая полость 7, в которой размещен кольцевой поршень 6. В нижней части станины 1 выполнен сквозной проем 2, в котором

Рис. 8. Фотография устройства для газовой штамповки

размещена матрица 4 с установленной на ней заготовкой 5.

Матрица 4 имеет возможность перемещаться перпендикулярно

плоскости чертежа по направляющим 13. Перемещение матрицы производится при помощи пневмоцилиндра, который на схеме не показан. В исходном положении устройства матрица 3 располагается вне рабочей зоны устройства. После установки штампуемой заготовки матрица перемещается в рабочую зону устройства. После этого кольцевой поршень 6 опускается и зажимается фланец заготовки 5. При этом

достигается герметизация камеры КЛапана; 10, 16 - свечи зажигания; 11, сгорания 6 и полости 4 матрицы. Затем 15 - декомпрессионный клапан; 12-производится наполнение топливной канал; 13 - направляющая

смесью камеры сгорания и полости 4

матрицы, а также зажигание топливной смеси. Под действием продуктов сгорания осуществляется процесс штамповки. Затем в полость 4 подается сжатый воздух и кольцевой поршень перемещается вверх. После этого матрица 3 выдвигается из рабочей зоны устройства, и из нее извлекается отштампованная деталь. Цикличность работы данного устройства сопоставима с цикличностью пресса.

В работе разработаны также другие конструктивные решения, направленные на повышение качества штампуемых деталей, упрощение системы топливоподачи, устройство для штамповки и повышение его надежности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В процессе выполнения диссертационного исследования были получены следующие основные результаты:

1. Разработан новый метод газовой листовой штамповки, обеспечивающий эффективный нагрев листовой заготовки до интервала температур теплой и горячей обработки и последующее ее деформирование, что позволяет уменьшить число технологических переходов при штамповке деталей сложной формы, а также в 3...3,5 раза снизить давление энергоносителя.

2. Теоретически определены и экспериментально подтверждены зависимости для определения оптимальных значений технологических параметров процесса штамповки.

3. Для реализации разработанного метода штамповки создано и испытано экспериментальное устройство для газовой штамповки, являющееся новым типом оборудования для листовой штамповки.

4. Устройство, благодаря нагреву заготовки, осуществляет процесс

9 10 11

штамповки с выдвижной матрицей: 1 - станина; 2 - сквозной проем; 3 -матрица; 4 - полость матрицы; 5 -заготовка; 6 - прижимной поршень; 7 - кольцевая полость; 8 - полость камеры сгорания; 9, 17 - впускные

штамповки при низком давлении энергоносителя, порядка 0,4...1,0 МПа, что существенно расширяет сферу применения газовой штамповки.

5. Созданное устройство, обеспечивая упрощение технологической оснастки и уменьшение количества технологических переходов, позволяет существенно снизить себестоимость производства штампованных деталей, особенно в малосерийном и опытном производствах.

6. Положительные результаты испытания созданного устройства для штамповки позволяют рекомендовать данный тип устройства для использования в промышленности в условиях опытного и мелкосерийного производствах, благодаря компактности и невысокой стоимости такие устройства могут также найти широкое применение в малых предприятиях, производящих штампованные изделия.

7. На базе созданного устройства разработана схема устройства для использования газовой штамповки в крупносерийном производстве.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Боташев, А. Ю. Исследование газовой листовой штамповки с двухсторонним нагревом заготовки [Текст] / А. Ю. Боташев, Н. У. Бисилов // Заготовительные производства в машиностроении. - 2013. - № 3. - С. 25-28.

2. Боташев, А. Ю. Экспериментальные исследования газовой штамповки с двухсторонним нагревом заготовки [Текст] / А. Ю. Боташев, Н. У. Бисилов, Р. С. Малсугенов // Заготовительные производства в машиностроении. - 2014. -№1. - С. 17-19.

3. Боташев, А. Ю. Исследование процесса нагрева заготовки при газовой листовой штамповке [Текст] / А. Ю. Боташев, Н. У. Бисилов, Р. С. Малсугенов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 2014. - № 5. - С. 20 -24.

Патенты:

4. Пат. 98954 Российская Федерация, RU 98954 МПК В21 D 22/00. Устройство для листовой штамповки взрывом азовых смесей, патент на полезную модель / А. Ю. Боташев, Н. У. Бисилов; опубл. 10.11.2010, Бюл. №31.

5. Пат. 122597 Российская Федерация, RU 122597 МПК В21 D 26/08. Устройство для листовой штамповки взрывом газовых смесей / А. Ю. Боташев, Н. У. Бисилов, Р. С. Малсугенов; опубл. 10.12.2012, Бюл. №34.

Статьи и материалы конференций:

6. Боташев, А. Ю. Исследование рабочего процесса устройства для газовой штамповки с двухсторонним нагревом заготовки [Текст] / А. Ю. Боташев, Н. У. Бисилов // Обработка материалов давлением: сб. науч. тр. - Краматорск: ДГМА, 2010.-№4.-С. 126- 132.

7. Боташев, А. Ю. Разработка устройства газовой штамповки с двух сторонним нагревом заготовки для производства деталей технологических машин [Текст] / А. Ю. Боташев, Н. У. Бисилов // Инновационные направления в пищевых технологиях: материалы III Междунар. науч.-практ. конф. -Пятигорск, 2009. - С. 285 - 289.

8. Боташев, А. Ю. Разработка технологии производства тонкостенных деталей машин и аппаратов методом газовой штамповки с двухсторонним нагревом заготовки [Текст] / А. Ю. Боташев, Н. У. Бисилов // Инновационные направления в пищевых технологиях: материалы IV Междунар. науч.-практ. конф. - Пятигорск, 2010. - С. 301 - 303.

9. Боташев, А. Ю. Разработка технологии и оборудования для производства спиральных теплообменников [Текст] / А.Ю. Боташев, Н.У. Бисилов, С.А. Боташев, Р.С. Малсугенов // Инновационные направления в пищевых технологиях: материалы IV Междунар. науч.-практ. конф. - Пятигорск, 2010. -С. 304-307.

10. Боташев, А. Ю. Разработка технологии газовой штамповки типовых деталей машин и аппаратов пищевых производств [Текст] / А, Ю. Боташев, Н. У. Бисилов // Инновационные направления в пищевых технологиях: материалы V Междунар. науч. - практ. конф. - Пятигорск, 2012. - С. 456.

11. Бисилов, Н. У. Исследование и разработка устройства для штамповки деталей летательных аппаратов с нагревом заготовки [Текст] / Н. У. Бисилов // XXXVII Гагаринские чтения: тез. докл. междунар. молодежная науч. конф: -М., 2011.-Т. 8.-С. 83 - 84.

12. Бисилов, Н. У. Разработка технологии газовой штамповки тонкостенных деталей теплового оборудования пищевых производств [Текст] / Н. У. Бисилов, Р. С. Малсугенов // Вузовская наука Северо-Кавказскому федеральному округу: материалы Всерос. науч.-практ. конф. - Пятигорск, 2013. - Т. 3. - С 300 - 304.

13. Боташев, А. Ю. Отработка технологических режимов газовой листовой штамповки с нагревом заготовки [Текст] / А. Ю. Боташев, Н. У. Бисилов, Р. С. Малсугенов // Современные материалы, техника и технология: материалы 3-й Междунар. науч.-практ. конф. - Курск, 2013. - Т. 2. - С. 98 - 104.

14. Botashev, A. Yu. The research and creation of device for the gas punching with bilaterial heating of stock material [Text] / A. Yu. Botashev, N. U. Bisilov // Applied and Fundamental Studies: Proceedings of the 2nd International Academic Conference. Vol. 1. March 8-10, 2013, St. Louis, Missouri, USA. -P. 195 - 198.

15. Botashev, A. Y. Research of new method of the sheet stamping and creation of equipment for his realization [Text] / A. Y. Botashev, N. U. Bisilov, R. S. Malsugenov // «European Innovation Convention». Proceedings of the 1st International scientific conference (20 - 21 December, 2013). «East West» Association for Advanced Studies and Higher Education GmbH. Vienna. - P. 129 -135.

16. Бисилов, H. У. Разработка технологической оснастки для штамповки деталей спиральных теплообменников [Текст] / Н. У. Бисилов, Р. С. Малсугенов // Инженерная мысль машиностроения будущего: сборник материалов Всерос. молодежной науч-практ. конф. с международным участием. - Екатеринбург: УрФУ, 2013. - С. 173 - 178.

17. Бисилов, Н. У. Теоретические и экспериментальные исследования процесса газовой штамповки с двухсторонним нагревом заготовки [Текст] / Н. У. Бисилов, Р. С. Малсугенов // Инженерная мысль машиностроения будущего: сборник материалов Всерос. молодежной науч-практ. конф. с междунар.

участием. - Екатеринбург: УрФУ, 2013. - С. 179 - 184.

18. Бисилов, Н. У. Разработка системы топливоподачи испытание устройства для газовой листовой штамповки двухсторонним нагревом заготовки [Текст] / Н. У. Бисилов, Р. С. Малсугенов, М. К. Байрамуков // Наука и устойчивое развитие: материалы VII Всерос. науч-практ. конф. молодых ученых. - Нальчик: Изд-во «Принт - Центр», 2013. - С. 20 - 22.

19. Бисилов, Н. У. Анализ возможных конструктивных схем устройства для газовой листовой штамповки двухсторонним нагревом заготовки [Текст] / Н. У. Бисилов, Р. С. Малсугенов, Р. У. Ураскулов // Наука и устойчивое развитие: материалы VII Всерос. науч-практ. конф. молодых ученых. - Нальчик: Изд-во «Принт - Центр», 2013. - С. 23 - 25.

20. Боташев. А. Ю. Разработка технологических приемов, повышающих эффективность газоимпульсной штамповки [Текст] / А. Ю. Боташев, Н. У. Бисилов, Р. X. Боташев // Рациональные пути решения социально экономических и научно-технических проблем региона: материалы VI регион, науч.-практ. конф. Черкесск: КЧГТА, 2006. - Ч. I. - С. 27 - 29.

21. Бисилов, Н. У. Упрощение технологии изготовления пресс-форм для газоимпульсной штамповки [Текст] / Н. У. Бисилов // Рациональные пути решения социально-экономических и научно-технических проблем региона: материалы науч.-практ. конф. - Черкесск: КЧГТА, 2007. - Ч. 1. - С. 104 - 106.

22. Бисилов, Н. У. Исследование и разработка нового метода листовой штамповки, реализующего эффект сверхпластичности [Текст] / Н. У. Бисилов // Рациональные пути решения социально-экономических и научно-технических проблем региона: материалы науч.-практ. конф. - Черкесск: КЧГТА, 2007.- 4.1. - С. 359-364.

23. Бисилов Н.У. Анализ технологических возможностей методов газовой листовой штамповки / Н.У. Бисилов // Рациональные пути решения социально-экономических и научно-технических проблем региона: материалы науч.-практ. конф. - Черкесск: КЧГТА, 2008. - Ч. 1,- С. 103 - 106.

24. Боташев, А. Ю. Исследование процесса нагрева листовой заготовки при двустороннем воздействии горячего газа [Текст] / А. Ю. Боташев, Н. У. Бисилов И Рациональные пути решения социально-экономических и научно-технических проблем региона: материалы науч.-практ. конф. - Черкесск: КЧГТА, 2008. - 4.1. - С. 109-112.

25. Бисилов, Н. У. Динамика нагрева заготовки при газовой штамповке [Текст] / Н. У. Бисилов // Рациональные пути решения социально-экономических и научно-технических проблем региона: материалы IX науч.-практ. конф. - Черкесск: КЧГТА, 2009. - С. 104 - 107.

26. Боташев, А. Ю. Определение энергосиловых характеристик процесса листовой штамповки двухсторонним воздействием горячего газа [Текст] / А. Ю. Боташев, Н. У. Бисилов // Рациональные пути решения социально-экономических и научно-технических проблем региона, материалы IX регион, науч-практ. конф. - Черкесск: КЧГТА, 2009. - С. 118 - 122.

27. Боташев, А. Ю. Разработка технологии газовой штамповки с двухсторонним нагревом листовой заготовки [Текст] / А. Ю. Боташев, Н. У.

Бисилов // Рациональные пути решения социально-экономических и научно-технических проблем региона: материалы X регион, науч.-практ. конф. -Черкесск: КЧГТА, 2010. - С. 149 - 15 1.

28. Бисилов. Н. У. Испытание и доводка экспериментального устройства для газовой штамповки [Текст] /' Н. У. Бисилов // Рациональные пути решения социально-экономических и научно-технических проблем региона: материалы X регион, науч.-практ. конф. - Черкесск: КЧГТА, 2010. - С. 143 - 146.

Подписано в печатьД2_.^2А-2014. Формат 60x84/16 Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Зак. № 26

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Северо-Кавказская государственная гуманитарно-технологическая академия»

На правах рукописи

04201459266

БИСИЛОВ Назим Урусланович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЕМОВ РАСШИРЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ЛИСТОВОЙ

ШТАМПОВКИ

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Боташев Анвар Юсуфович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

1. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ................................9

1.1. Обзор и анализ технологических возможностей методов газовой листовой штамповки...............................................................................................9

1.2. Цель и задачи исследования..........................................................................23

2. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГАЗОВОЙ ШТАМПОВКИ С ДВУХСТОРОННИМ НАГРЕВОМ ЗАГОТОВКИ.............................................24

2.1. Метод газовой штамповки с двухсторонним нагревом заготовки............24

2.2. Теоретический анализ процесса деформации листовой заготовки под двусторонним воздействием газа.........................................................................25

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОВОЙ ШТАМПОВКИ С ДВУХСТОРОННИМ НАГРЕВОМ ЗАГОТОВКИ.........................................32

3.1. Экспериментальное оборудование для проведения исследований процесса штамповки..............................................................................................32

3.2. Методика проведения экспериментов и анализ их результатов................34

3.3. Оценка технологических возможностей метода газовой штамповки с двухсторонним нагревом заготовки....................................................................43

4. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА НАГРЕВА ЛИСТОВОЙ ЗАГОТОВКИ ПРИ ГАЗОВОЙ ШТАМПОВКЕ С ДВУХСТОРОННИМ НАГРЕВОМ ЗАГОТОВКИ..........................................................................................................46

4.1. Анализ процесса нагрева листовой заготовки при двустороннем воздействии горячего газа....................................................................................46

4.1.1. Закон изменения температуры и давления газа в период горения топливной смеси....................................................................................................46

4.1.2. Оценка нагрева заготовки с учетом охлаждения газа.............................49

4.2. Экспериментальные исследования процесса нагрева заготовки при

газовой штамповке с двухсторонним нагревом заготовки...............................54

4.2.1. Экспериментальное оборудование для исследования процесса нагрева листовой заготовки................................................................................................54

4.2.2. Методика проведения экспериментов по измерению температуры

заготовки и анализ их результатов......................................................................57

4.3. Определение расхода топлива.......................................................................63

5. РАЗРАБОТКА, СОЗДАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЛИСТОВОЙ ШТАМПОВКИ ДВУСТОРОННИМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА ЗАГОТОВКУ ГОРЯЧЕГО ГАЗА.........................................................................67

5.1. Разработка устройств для листовой штамповки двусторонним воздействием на заготовку горячего газа............................................................67

5.2. Расчет на прочность силовых элементов устройства для штамповки......74

5.3. Создание и испытание устройства для штамповки....................................80

5.4. Разработка системы топливоподачи устройства для листовой штамповки

двусторонним воздействием на заготовку горячего газа..................................88

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.......................................................101

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ....................................................102

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................................103

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время для производства деталей машин и аппаратов, кораблей и аэрокосмической техники широко используется листовая штамповка. Детали, получаемые этим методом, имеют высокую прочность и гладкую поверхность. Кроме того, листовая штамповка, обеспечивая высокий коэффициент использования металла, снижает его расход. Чаще всего листовая штамповка осуществляется в холодном состоянии штампуемой заготовки, т.е. при температуре окружающей среды. При такой температуре пластичность большинства металлов и их сплавов сравнительно невысока, поэтому и коэффициент вытяжки при холодной листовой штамповке невысок. В этой связи за один технологический переход удаётся получить только детали относительно простой формы. Детали сложной конфигурации штампуются за несколько технологических переходов. В некоторых случаях между этими переходами производится промежуточный отжиг. Это существенно повышает себестоимость изготовления деталей.

Повышение температуры заготовки увеличивает её пластичность. В интервале температур теплой и горячей обработки пластичность металлической заготовки существенно увеличивается, а её сопротивляемость пластической деформации резко падает. Однако листовая штамповка в горячем состоянии заготовки производится крайне редко ввиду трудности её осуществления. В этой связи разработка новых методов листовой штамповки, обеспечивающих осуществление процесса штамповки в горячем состоянии заготовки, является актуальной задачей.

Газовая штамповка с двухсторонним нагревом заготовки отличается от других методов листовой штамповки, осуществляющихся под действием давления газа, тем, что заготовка вначале под воздействием горячего газа нагревается до заданной температуры и только после этого подвергается деформированию. Метод газовой штамповки с двухсторонним нагревом

заготовки предельно упрощает технологическую оснастку, а также позволяет получать детали сложной конфигурации за один технологический переход за счет повышения пластических свойств заготовки.

Данная работа посвящена решению этой актуальной задачи путем разработки метода газовой листовой штамповки с двухсторонним нагревом заготовки и оборудования для его реализации.

Работа выполнена в рамках Федеральной программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса УМНИК» (Государственные контракты №5388р/7806 от 24.09.2007 г., №6636р/9111 от 02.03.2009 г) и по Госзаданшо Министерства образования и науки РФ (Регистрационный № 7.8418.2013).

Цель работы: расширение технологических возможностей листовой штамповки.

Для этого необходимо выполнить следующие задачи:

• разработка схемы газовой штамповки с двухсторонним нагревом заготовки;

• исследование процесса деформации листовой заготовки под двусторонним воздействием высокотемпературного газа;

• разработка и создание экспериментального устройства для исследования процесса штамповки под двусторонним воздействием газа;

• экспериментальное исследование процесса листовой штамповки двусторонним воздействием на заготовку горячего газа;

• теоретический анализ процесса нагрева листовой заготовки при двустороннем воздействии горячего газа;

• экспериментальное исследование нагрева листовой заготовки при двустороннем воздействии на нее горячего газа;

• анализ возможных конструктивных схем устройств для листовой штамповки двусторонним воздействием на заготовку горячего газа;

• разработка конструкции устройства для листовой штамповки

двусторонним воздействием на заготовку горячего газа.

• выработка рекомендаций для промышленного использования разработанного устройства для штамповки.

Достоверность полученных результатов подтверждается созданием экспериментального устройства для газовой листовой штамповки и проведенными на нем экспериментальными исследованиями.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены на основе уравнений теории пластичности, термодинамики, теплопроводности и конвективного теплообмена. Экспериментальные исследования проведены на оригинальном оборудовании, специально созданном для осуществления данных исследований.

Научная новизна:

• разработан метод газовой листовой штамповки, обеспечивающий эффективный нагрев листовой заготовки до заданного интервала температур и ее деформирование;

• теоретически определены и экспериментально подтверждены зависимости для определения оптимальных параметров разработанного метода штамповки.

Практическая значимость:

• создан и испытан новый тип устройства для листовой штамповки, осуществляющий эффективный нагрев заготовки до заданного интервала температур и ее деформирование;

• устройство, благодаря нагреву заготовки, осуществляет процесс штамповки при низком давлении энергоносителя, порядка 0,4... 1,0 МПа, что существенно расширяет сферу применения газовой штамповки;

• устройство, обеспечивая упрощение технологической оснастки и уменьшение количества технологических переходов, позволяет существенно

снизить себестоимость производства штампованных деталей, особенно в малосерийном и опытном производствах;

• благодаря компактности и невысокой стоимости созданное устройство может найти широкое применение в малых предприятиях, производящих штампованные изделия.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: III, IV, V Международных научно-практических конференциях «Инновационные направления в пищевых технологиях» (Пятигорск, 2009, 2010, 2012); Международной молодежной научной конференции «XXXVII Гагаринские чтения» (Москва, 2011); 3-й Международной научно-практической конференции «Современные материалы, техника и технология» (Курск, 2013); «European Innovation Convention», «East West» Association for Advanced Studies and Higher Education GmbH (Vienna, 2013); Всероссийской молодежной научно-практической конференции с международным участием «Инженерная мысль машиностроения будущего» (Екатеринбург, 2013); Международной научно-технической конференции «Обработка материалов давлением» (Краматорск, 2011); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Вузовская наука Северо-Кавказскому федеральному округу» (Пятигорск, 2013); VII Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых (Нальчик, 2013); VI-X региональных научно-практических конференциях «Рациональные пути решения социально-экономических и научно-технических проблем региона» (Черкесск, 2006-2010); X Московском международном салоне инноваций и инвестиций. (Москва, 2010), (Серебряная медаль).

Автор защищает:

• разработанный метод листовой штамповки, осуществляемый двусторонним воздействием на листовую заготовку высокотемпературного газа;

• разработанное устройство для газовой листовой штамповки, является новым типом штамповочного оборудования;

• полученные зависимости, позволяющие оптимизировать параметры процесса штамповки.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 28 опубликованных работах, из них 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 2 патента на полезную модель. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежат: в [14], [20], [22], [25], [26], [27], [34], [135], [136] расчет основных параметров процесса штамповки; в [7], [12], [13], [32] разработка и испытание устройства для газовой штамповки; в [6], [24], [28], [31] разработки методики и проведение экспериментальных исследований процесса газовой штамповки; в [26], [30], [93] отработка технологических режимов газовой штамповки.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 136 наименований и 2 приложений. Основная часть работы изложена на 119 страницах, содержит 55 рисунков, 3 таблицы.

1. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Обзор и анализ технологических возможностей методов газовой

листовой штамповки

Большой вклад в развитие импульсных методов металлообработки внесли работы Ю.Н. Алексеев, О.Д. Антоненков, К.Н. Богоявленский, В.К. Борисович, А.И. Горохович, A.A. Дерибас, А.И. Зимин, В.Г. Кононенко, Г.П. Кузнецов, В.В. Пихтовников, Е.А. Попов, О.В. Попов, С.М. Поляк, И.А. Чечета [3], [19], [45], [58], [87], [90], [124] и др.

В настоящее время известны следующие методы штамповки с помощью энергии газа: штамповка энергией пороховых газов, штамповка сжиженным газом, штамповка продуктами сгорания газовых смесей, газодетанационная штамповка, газоимпульсная штамповка. Рассмотрим каждый из этих методов в отдельности.

Штамповка пороховыми газами. В качестве энергоносителя используют метательные взрывчатые вещества, именуемые порохами. Энергию пороховых газов, образующихся при сгорании порохов, используют при непосредственном воздействии на заготовку в основном для операций раздачи и калибровки полых деталей из тонколистовых заготовок.

Большее распространение получила штамповка энергией порохов с использованием передающей среды (воды, резины, полиуретана и др.), которая позволяет выровнять поле давления импульсной нагрузки. Конструкция установки закрытого типа показана на рис. 1.1. Она состоит из двух корпусных частей - подвижной верхней 1 и неподвижной нижней 9. В корпусе верхней части установки находится рабочая камера 3, заполненная водой либо эластичной средой, над которой размещен пороховой заряд 2 в патроне. Матрица 8 с прижимным кольцом 6 установлена в матрице-держателе 7 нижней части установки. Между верхней и нижней частями установки находится уплотнительная прокладка 4. Давление газов, образующихся при сгорании пороха, передается через воду (либо эластичную

среду) штампуемой заготовке 5. Установки данного типа рассчитаны на использование небольших зарядов ВВ (до 0,01 кг) и поэтому применяются только при штамповке тонколистовых деталей с габаритным размером до 200 мм [102]. Эти установки отличаются компактностью и простотой конструкции. Однако имеют ограниченное применение.

Рис. 1.1 Установка для штамповки энергией порохов закрытого типа:

1,9- подвижная верхняя и неподвижная нижняя части корпуса; 2 - патрон с пороховым зарядом; 3 - рабочая камера; 4 - уплотнительная прокладка; 5 -заготовка; 6 - прижимное кольцо; 7,8 - матрица-держатель и матрица

Основной недостаток данного метода штамповки обусловлен большими организационно - техническими сложностями, связанными с обеспечением требований техники безопасности по хранению и использованию взрывчатых веществ. Кроме того, вследствие кратковременности импульса давления этот метод не обеспечивает штамповку деталей, требующих глубокую вытяжку.

Штамповка сжиженным газом. Штамповка с помощью сжиженных газов основана на использовании давления, образующегося при быстром испарении сжиженного газа, помещенного в замкнутую полость. Энергетические возможности этого метода относительно невелики. Однако благодаря своей простоте данный метод эффективен для изготовления тонкостенных деталей из плоских и цилиндрических заготовок при наличии сжиженных газов, например жидкого азота.

Схемы устройств для штамповки сжиженным газом представлены на Рис. 1.2. Сжиженный газ заливают в закрытую камеру 1 через отверстие, которое затем закрывают пробкой 2. Вследствие передачи тепла сжиженному газу через стенки камеры происходит его бурное кипение, в результате чего внутри камеры резко повышается давление и происходит деформирование заготовки 3 в матрицу 4. В качестве энергоносителя при штамповке обычно применяют сжиженный азот. Используют также сжиженный воздух, кислород и другие газы.

Давление р, возникающее при испарении сжиженного газа, определяется формулой

Р = 1 + 0),

к

где К - постоянная величина, зависящая от свойств используемого газа; Уж-объем жидкого газа; Ук- объем камеры; коэффициент ( для азота $= 0,003674); 1;- температура емкости.

Сжиже*чный

Слаб доды

а) б)

Рис. 1.2. Штамповка испарением сжиженного газа из плоской (а) и

трубчатой заготовки ( б):

1 - камера сгорания; 2 - пробка; 3 - заготовка; 4 - матрица; 5,6- крышки.

Экономию сжиженного газа может дать уменьшение первоначального объема камеры (перед штамповкой), для чего применяют специальные заполнители, например воду. Такую схему штамповки применяют, в частности, при формоизменении полых заготовок (рис. 1.2, б). При этом заготовку 3 устанавливают в разъемную матрицу 4, которую закрывают крышками 5 и 6. Полость заготовки заполняют водой, после чего внутрь заготовки подают сжиженный газ, испарение которого и приводит к деформированию заготовки.

Сжиженный газ, впрыснутый в воду, испаряется значительно быстрее, чем в воздухе. Для того, чтобы вода при подаче в нее сжиженного газа не замерзала, количество газа рассчитывают таким образом, чтобы температура воды после его испарения была бы не ниже +3° С

Промышленная установка для штамповки сжиженным газом показана на рис. 1.3. В ней применена форсированная подача сжиженного газа в камеру с помощью легко разрушаемой мембраны 1. Процесс деформирования металла происходит при нормальной температуре благодаря тому, что давление газов передается на заготовку 2 через воду, предварительно залитую в камеру через отверстие 3. Герметизация рабочей камеры осуществляется с помощью быстродействующего запирающего уст�