автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Комбинированное выдавливание полых длинноосных стальных цилиндров

На правах рукописи

РЫБИН Андрей Юрьевич

КОМБИНИРОВАННОЕ ВЫДАВЛИВАНИЕ ПОЛЫХ ДЛИННООСНЫХ СТАЛЬНЫХ ЦИЛИНДРОВ

Специальность 05 03 05 - Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2006

Работа выполнена на кафедре «Механика пластического формоизменения» в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

ЕВДОКИМОВ Анатолий Кириллович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

СОСЕНУШКИН Евгений Николаевич

кандидат технических наук, профессор ШМЕЛЕВ Владимир Евдокимович

Ведущая организация' ОАО «Тульский патронный завод»

Защита состоится "27- " ¿¿'/¿У-ЛУ 2006 г в /У'- часов на заседании диссертационного совета Д 212 271 01 при ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300600, г Тула, ГСП, проспект Ленина, 92, ауд 9-101)

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Автореферат разослан , ¿¿¿2.^ 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ) -тЪ, /С— А Б. Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Современное машиностроение развивается по следующим направлениям'

ресурсосбережение, содержащее в себе экономию трудозатрат, металла, электроэнергии и т д ;

повышение качества получаемых изделий, зависящего от точности используемых заготовок, оптимальных технологических режимов и точности настройки оборудования,

конкурентоспособность, заключающаяся в улучшении товарного вида изделий, экологичности технологий и себестоимости деталей

Процессы холодного выдавливания из всех штамповочных операций наиболее полно соответствует выше перечисленным критериям, особенно, если получаемые изделия и полуфабрикаты являются конструктивно усложненными, в этом случае холодному выдавливанию соответствует максимальный коэффициент использования материала, повышенная точность изделия и достаточно низкая себестоимость их изготовления.

Непрерывно усложняющиеся конструкции машин и оборудования, а также применение новых материалов для изготовления деталей, требуют совершенствования технологий, в том числе и обработки металлов давлением.

В связи с этим необходимы так же непрерывные улучшения традиционных процессов холодного вьщавливания и переход от простых базовых процессов к более сложным - многоканальным К таким операциям относится комбинированное выдавливание высокопрочных материалов, в частности деформируемых сталей

В технической литературе практически отсутствует информация по применению комбинированного выдавливания в изготовлении длинноосных цилиндров, с отношением высоты к диаметру > 5, из стальных заготовок, в частности, с использованием технологий двойного выдавливания К длинноосным стальным изделиям относятся: баллоны огнетушителей, газовые баллоны сифонов, корпуса амортизаторов, пневматических пружин и тд В связи с этим возникает необходимость изучения характера течения металла при комбинированном выдавливании ступенчатых полуфабрикатов и совершенствования способов изготовления длинноосных тонкостенных стальных цилиндров

Часть исследований выполнена при поддержке Российским фондом фундаментальных исследований (№ 03-01-96377, тема «Исследование закономерностей нестационарного течения при обратном выдавливании заготовок в сложнопрофильной матрице», 2003 г; № 04-01 -96705, тема «Технологическая деформируемость плакированных биметаллических стать-никелевых заготовок в условиях плоской и объемной деформации» и гранта Президента РФ для поддержки ведущих научных школ № НШ 1456 2003 8 и №НШ 4190.20068 _

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

С.-Петербург

оэ годбил^р/

Цель работы: Повышение эффективности изготовления стальных тонкостенных длинноосных цилиндров за счет применением прогрессивных процессов комбинированного выдавливания Задачи исследования:

1 Исследовать процесс комбинированного выдавливания полых заготовок из высокопрочных материалов

2 Учесть кинематику течения материала, геометрию инструмента и граничные условия процесса для установления силовых и деформационных параметров на основании разработанных математических моделей

3 Экспериментально исследовать характер деформирования металла и силовые параметры при комбинированном выдавливании полуфабрикатов и сопоставить данные с теоретическими результатами

4 Изучить предельные технологические возможности разработанной технологии по относительной длине изготавливаемых стальных изделий при заданных толщине стенки и наружного диаметра

5 Усовершенствовать технологию получения стальных тонкостенных длинноосных цилиндров на примере пневмогидравлического амортизатора

Методы исследования: Режимы деформирования определялись энергетическим методом, основанным на экстремальном принципе теории пластичности Экспериментальные исследования проводились методами текстурного анализа и электрсггензометрирования с использованием современных испытательных машин и регистрирующей аппаратуры Сопрягаемость деталей и узлов штамповой оснастки при проектировании проверялась методом твердотельного моделирования

Научная новизна: Выявлены закономерности для комбинированного выдавливания ступенчатых деталей с прямой и наклонной перемычкой, связывающие силовые, деформационные и кинематические параметры процессов с размерами заготовок и изделий, с механическими свойствами материалов, трением на контактных границах и геометрией инструмента с помощью выведенных математических моделей в виде опорных решений для различных стадий деформирования и видов пластического течения металла;

Экспериментальным путем установлен характер течения материала и силовые параметры при комбинированном выдавливании ступенчатых деталей с образованием глобальных поверхностей разрыва при переходе от стационарной к конечной нестационарной стадии

Практическая значимость: Разработаны рекомендации по проектированию базовых технологий получения стальных тонкостенных корпусов на примере изготовления рабочего цилиндра пневмогидравлического амортизатора;

Созданы алгоритм и программа для расчета оптимальных параметров технологии, с помощью которых получены зависимости предельной относительной длины стальных тонкостенных корпусов от толщины стенки готового изделия при их изготовлении с применением двойного выдавливания по схеме «обратное + комбинированное»;

Спроектирована специальная конструкция штампа для комбинированного выдавливания с динамической настройкой по разностенности детали, оптимизированная на твердотельной модели.

Реализация работы: Методика расчета технологических режимов процесса комбинированного выдавливания длинноосных стальных цилиндров была использована на ОАО «Щегловский вал» (г Тула), а результаты работ - в учебном процессе ГОУ ВПО «ТулГУ».

Апробация работы: Материалы настоящей работы представлялись на следующих конференциях и выставках:

- ежегодных профессорско-преподавательских конференциях кафедры МПФ ТулГУ (2004 - 2006 гг.);

- Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ - РГТУ им. К Э Циолковского, 2000,2002 гг),

- Российской молодёжной научной и инженерной выставке «Шаг в будущее» /RYP SF Fair (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999,2002 гг);

- Втором Международном конгрессе студентов, молодых ученых и специалистов «Молодежь и наука - третье тысяч enerae»/YSTM'02 (Москва, МГТУ им. Н Э. Баумана, 2002 г.),

- IX Международной выставке молодежных научно-технических проектов «ЭКСПО-НАУКА 2003», Международном молодежном научном конгрессе «Молодежь Наука. Общество», Ассамблее Международного молодежного научного движения под девизом «Судьба планеты в руках молодых» (Москва, ВВЦ, 2003 г).

Полученные награды:

- Диплом победителя за первое место в Региональной выставке «Шаг в будущее - Центр России» (Россия, Липецк, 1999 г);

- Диплом лауреата и Свидетельство кандидата в сборную РФ на Лондонский международный молодежный научный форум на Национальном соревновании молодых ученых Европейского Союза «Шаг в будущее» (Москва, МГТУ им НЭ Баумана, 1999 г.);

- Медаль с удостоверением Министерства образования РФ «За лучшую студенческую работу» в Открытом конкурсе на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в высших учебных заведениях РФ (2000 г);

- Диплом I степени за победу в конкурсе студенческих научных работ в рамках Международного конгресса автомобилестроителей «ФИЗИТА -2002» (Финляндия, Хельсинки, 2002 г),

- Диплом лауреата Всероссийского конкурса молодежных проектов «Ползуновские гранты» (Россия, Барнаул, 2002 г);

- Медаль и Диплом лауреата IX Международной выставки молодежных научно-технических проектов «ЭКСПО-НАУКА 2003 (ESI'2003, Moscow)» и Международного молодежного научного конгресса «Молодежь Наука Общество» (Москва, ВВЦ, 2003 г);

- Серебряная медаль и Диплом Международного Жюри, Диплом почтения и благодарности на VII Московском Международном салоне промышленной собственности «Архимед 2004» (Москва, ВЦ «Сокольники», 2004 г)

Публикации: за время проведения исследований было опубликовано по теме диссертации 15 научных работ (Общий объем - 2,4 пл, личный вклад - 1,8 п.л).

Структура и объём диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы и приложения Диссертация изложена на 102 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков, 10 таблиц и 105 наименований библиографического списка Общий объём работы 121 страница.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, ее научная новизна и практическая ценность, а также изложено краткое содержание рассматриваемой работы.

В первой главе проведен обзор изготовления типовых деталей в виде тонкостенных стальных цилиндров Проанализированы способы получения таких деталей. Выяснено, что эти детали можно получать более рациональным способом, например с использованием комбинированного выдавливания

Проведен обзор теоретических методов исследования холодного осевого комбинированного выдавливания

Большой вклад в развитие теории и технологии холодного выдавливания внесли отечественные учёные И С Алиев, Ю.А Алюшин, В.А Головин, С.И. Губкин, А М. Дмитриев, А.К. Евдокимов, В А Евстратов, В Л Колмогоров, В Д Кухарь, В. А Мишунин, А .Г Овчинников, И П Ренне, Е И Семенов, Л.Г Сосенушкин Е Н, Степанский, А Д Томленов, Л А Шофман, С.П Яковлев и др , а также зарубежные учёные Б Авицур, У Джонсон, X Кудо,Г.Д. Фельдман, Дж Эверхарт, Ч. Уикдр

В частности, процессами комбинированного выдавливания активно занимались И С Алиев, Б Авицур, A.B. Весницкий, У. Джонсон, А М Дмитриев, А К Евдокимов, В В Евстефеев, С.А. Еленев, В В. Ерастов, Ф А Комель, X. Кудо, А.Г. Овчинников, Л Д Оленин и др

На основании проведенного обзора сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе приведены основные уравнения энергетического метода и решены теоретические задачи по комбинированному выдавливанию ступенчатой втулки.

Рассмотрены нестационарная и стационарная стадии процесса при выдавливании инструментом с прямоугольными и наклонными кромками. Разработаны математические модели для каждого варианта рассмотренных схем комбинированного выдавливания.

На стационарной стадии очаги пластической деформации разделяются жесткой областью непродеформированной части заготовки, движущейся относительно матрицы со скоростью у4, которая меньше скорости пуансона VI (рис. 1 ) В связи с этим на контактных границах инструмента с заготовкой возникают активные силы трения тк

Рис 1 Разрывные поля скоростей и годографы для комбинированного выдавливания и комбинированного редуцирования Выведены зависимости технологической силы и значения параметров процесса от геометрических характеристик инструмента и условий на контактных границах. Получены графики, устанавливающие баланс активных и реактивных сил трения (табл. 1.)

Таблица 1

А.^¿СГ-нш) 'А - + я^-фиЯ.

В . 3+и(2Я- *)

в, - Н+^-ЕГ + «(»-<, ДияЯ ,С-т(Н-х)

а " 4л+ву

Я-а-Ь -Ь-1,

е-я /+»(0-0,61-я ^(а-р

Ж, 2к

АВ

а(А+В)'

у4+ С

2ЬТъ

•>, = лгргнй5

1

1

'■т

У а+^+тХ 4

"'ТТ»'

' £

1 b+t+mS

Я-

Установлено, что в зависимости от позиционирования кромок инструмента, определяемого величиной на нестационарной стадии комбинированное выдавливание разделяется на три вида (рис 2) При л > О реализуется традиционная схема комбинированного выдавливания, при котором с увеличениеми показателя трения т сила возрастает, скоростной параметр падает, увеличивается истечение в прямом направлении При я = О реализуется процесс чистовой резки или чистового сдвига, при котором скорость движения детали совпадает со скоростью перемещения инструмента, в связи с чем, силы трения равны 0. В этом случае удельная сила вычисляется только из мощности на линии разрыва 12з, которая равна расстоянию между кромками инструмента А, вдоль которой скорость разрыва у2з равна скорости инструмента V;

' -0.5 -0.33-0.16

0.16 0.33 0.5

\

V \ N

\ \\

[Л-0,5

Г-1 6-0,5 »1-0,5 и-0.5

О 0.16 0.33 0.5

-0.5 -0.33-0.16

а) б)

Рис 2 Зависимость удельной силы (а) и характера распределения параметра скоростей г (б) от расстояния между кромками 5 При л < 0 реализуется процесс комбинированного редуцирования, при котором с уменьшением его значения удельная сила на пуансоне растет, а параметр г падает.

Причем, переход от стационарной стадии к нестационарной осуществляется при различных значения /гпр, характерных для каждого вида деформирования (рис. 3).

Рис 3 Зависимость переходной высоты заготовки от

параметра .г при различном контактном трении т (дополнительно показана ось соответствия .г и степени ^ ¡0 деформации г)

О .17 .33 0,6

При комбинированном выдавливании ступенчатого стакана с наклонной перемычкой деформация локализуется в клиновых каналах инструмента и поэтому, чтобы достичь нестационарной стадии, нужно сблизить кромки инструмента до расстояния, равного толщине стенки изделия Таким образом, стационарная стадия занимает большую часть времени деформирования, и чем больше наклон перемычки, тем больше это время (рис 4)

Рис 4 Схема комбинированного выдавливания ступенчатого стакана с наклонной перемычкой Приведены зависимости технологической силы и значения параметров процесса (табл. 2.).

Таблица 2.

операция Удельная Параметры очаг* пластической двфоимаюи

ко мбикир ованно е выдавливание с наклонной перемычкой Аш ¿(тчо-а^+тпг+о^' й _п_+«+„-Л ¡(7с(£а-а1«) {х^х^ца-ц+х) 1 ) В./'Я+У-Ш+ЧР+У+М 4 ,, . П 1+£+Я-|Л пла '-йЬг^-'1"»*)

В третьей главе проведены экспериментальные исследования холодного комбинированного выдавливания при изготовлении ступенчатых втулок из кольцевых заготовок на спроектированном экспериментальном штампе с использованием тензометрического и текстурного анализа.

В ходе эксперимента путем перебора различных размеров деформирующих элементов инструмента в оснастке (на матрице, пуансоне и оправке) были воспроизведены различные виды процессов комбинированного выдавливания непосредственно комбинированное выдавливание при .V > 0 (рис 5 а), комбинированное редуцирование при $ < О (рис 5 б), чистовая резка сдвигом при 5=0 (рис. 5 в), прямое выдавливание втулки с наружным фланцем при 5 = (рис 5 г); обратное выдавливание втулки с внутренним фланцем при л = £> - с/; (рис 5 д)

Рис. 5 Схемы холодного выдавливания ступенчатой втулки в зависимости от взаиморасположения кромок инструмента, где стрелками показаны траектории перемещения частиц металла Исследование макроструктуры выполняли на образцах, которые после деформирования разрезали, поверхности среза полировали и подвергали гравлению разбавленной азотной кислотой. Проведенные исследования показали, что при комбинированном выдавливании всех рассмотренных ввдов существует глобальная поверхность разрыва в виде изломов линий текстуры и мертвые зоны в углах инструмента (рис. 6).

Рис. 6 Макроструктура образца в виде ступенчатой втулки, полученной комбинированным выдавливанием Эксперименты с тензометрированием деформирующей силы проводились на заготовках из алюминиевого сплава АВ, (геометрические размеры заготовок и полученных деталей сведены в табл. 3.

Таблица 3

* * * £ Гиифа«ш иир

Эаптевм Дга»

На Ж 0, жа <1, 1. а ж а. ». «.

1 || ш и 49.8 20.3 50 30 20 49 ¿г,4 21,4 6.8« 6.7Й

2 чг в 20,2 20 90 30 20 40 61,2 26,9 22 9 10 0,579 0,762

3 4в.а ¿4,2 (Л 56 зь И 45,6 ¿в; ¿6,8 16 6.5/1 0,782

4 20 * 19 3 60 30 20 40 43 26 2 18 4 10 0,571 0,763

5 49.0 26,6 5о зб 20 40 47,2 28,4 21,1 10 0,567 0,763

1 а! 46,4 24 < 21 2 90 30 24 40 47 29 22 в 10 0,534 0.82

2 49,4 24,1 21 3 50 30 24 40 42 27,4 175 10 0,529 0 822

3 48,9 24,2 20 7 60 30 24 4С 46 201 20 4 10 0 535 0 921

1 ш- 5 9 а 44,5 ¿14 56 56 21 30 29,4 22 12 0 0.169 0,634

2 49.6 24,2 21,1 90 36 24 30 33,в 22,2 19,3 0 олАГ 61662

1 49,8 38,6 20 8 60 4В 36 40 25.7 1Л7 '■V -6 0,248 0,319

2 4в|4 Зв,1 190 4( 39 40 Эй,в •е _б|243 0|312

3 48,7 30,2 20,2 60 <6 36 40 25,7 17,4 122 -с 0,245 0,319

4 М. в 33,1 21 56 4в ЗИ 40 25,4 18,7 11,8 -в 0,319

1 аз* с 49,Б 27.6 21,1 60 40 29 60 34.2 9.4 10 0,526

2 49,в ;з> ¿¡1,8 86 «6 5С 40,2 5,5 10 0.524

3 49,6 ¡5,4 ¿0 56 411 а 33,4 7 14 0,926

1 2 | * К 1 о а "4$ 36,5 ¿6,4 30 30 46 33,1 31,5 10 0,434

49 6 30.2 201 60 30 30 4С 321 27 4 10 0 445

3 46 в 30 3 201 60 30 30 40 29 22 5 10 0 439

Запись силы выполнялась с помощью тензометрической установки Сопоставление экспериментальных приведенных удельных сил с безразмерными теоретическими показало, что расхождение в среднем составило, доя комбинированного выдавливания - 10,3 %; для чистовой резки - 22%; для редуцирования - 20,7%; для прямого - 37,3% и для обратного -26,6% (табл. 4)

Таблица 4

п/п ш Силонл параметры

сг о Экажриманталышв Теоретичеокю

а- Р. Н/мм3 ь Р/2к Р, Н/мм» зт

1 5* 300,00 318,31 116,553 1,617 376,853 0,155

5 ** Э5030 339,53 НВ,553 1,673 391,330 0133

3 300,00 310,31 116,953 1.638 376,401 0161

4 II 300,00 316,31 116553 1,570 307,429 0134

5 310,00 338,33 116,553 1,603 373,679 0.130

1 1 £ 250,00 310,05 117047 1,353 318,166 0,023

2 230,00 265,99 117,647 1,251 294,617 0,029

Э 230,00 265,99 117,947 1,304 306,401 0,067

1 73,00 280,87 117,847 1,657 392,622 0,270

2 15 а т 11 52,50 245,61 117847 1,355 295,795 017С

1 а! 90 00 376,95 104 844 1,621 381,752 0013

2 г а 1 я 120 00 502,59 104844 1,748 366,559 •0,371

Э 100,00 418,93 104844 1 718 360,145 ■0,163

4 О. 110,00 ♦60,71 104844 1 701 356.661 ■0 292

1 и) 3 &3 280,00 36612 111282 3,183 710,622 0 443

2 325,00 459,78 111282 2,899 645 077 0 297

3 с 3 300,00 42441 111,202 3,126 695,777 0 390

1 ю ш 8 § 275.00 500,20 1 сеево 2,909 633,220 0 210

2 Из ® тг О £ 275,00 500,20 109960 3,063 666,966 0 250

3 250 00 454,73 108860 3,153 696,561 0 338

Полученные результаты были положены в основу теоретических исследований.

В четвёртой главе

Разработана базовая технология получения стальных тонкостенных цилиндров (рис 7, а) для пневмогидравлических амортизаторов Приведены расчеты технологических режимов и параметров инструмента. Проведены опытные испытания технологии с анализом причин образующихся дефектов Даны рекомендации по бездефектному комбинированному выдавливанию

Спроектирована конструкция универсального специального штампа (рис 7, б), в кагором можно получать как обычные стаканы обратным выдавливанием (первая формоизменяющая операция), так и ступенчатые стаканы комбинированным выдавливанием.

Приведены методика и алгоритм расчета технологически возможной максимальной длины стальных полых цилиндров с использованием допустимых степеней деформации на каждой операции, рекомендованных в справочной литературе Получены зависимости максимальной относительной длины от исходных размеров, наружного диаметра и толщины стенки изделия

к

12

£>02Я0-ДзХ V

■

И

а)

б)

Рис. 7 Опытные образцы технологии (а) универсальный штамп для холодного комбинированного

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное значение для промышленности и состоящая в повышении эффективности производства длинноосных стальных цилиндров за счет применения комбинированного выдавливании в технологической системе двойного холодного выдавливания

В процессе теоретических и экспериментальных исследований достигнуты следующие основные результаты и сделаны выводы

1 Установлено, что на стационарной стадии комбинированного выдавливания инструментом с прямыми и наклонными кромками скорости деформирования определяются скоростным параметром или скоростью перемещения непродеформированной части заготовки Причем само перемещение заготовки в инструменте создает активные силы трения ту на контейнере - в пользу обратного выдавливания, а на оправке - в пользу прямого При этом скорость прямого выдавливания у6 больше скорости обратного выдавливания у3 даже при одинаковых степенях деформации го6 = г,ф на величину несущей скорости V,. ,

Л Выявлено, что на нестационарной стадии комбинированного выдавливания инструментом с прямыми кромками возникают три вида деформирования: комбинированное выдавливание при л > 0, чистовая резка .

сдвигом при 5 = 0 и комбинированное редуцирование при 5 < 0 На этой стадии деформирования между кромками инструмента имеется поверхность глобального разрыва, по обе стороны которой материал движется на встречу друг другу Причем при комбинированном выдавливании на этой

поверхности действуют сжимающие напряжения, при комбинированном редуцировании - растягивающие, а при чистовой резке - напряжения сдвига

Переход от стационарной к нестационарной стадии по мере уменьшения толщины перемычки осуществляется при равенстве технологических сил и сопровождается трансформацией очага деформации и скачкообразным изменением его параметров.

.3 Экспериментальные исследования ступенчатых полуфабрикатов по текстуре детали показали, что при комбинированном выдавливании на нестационарной стадии для всех рассмотренных видов существует глобальная поверхность разрыва в виде изломов линий текстуры и мертвые зоны в углах инструмента Установлены также формы и размеры пластических областей

По силовым параметрам, определенным тензометрированием, найдено расхождение экспериментальных и теоретических данных, которое в среднем составило' для комбинированного выдавливания - 10,3 %, для чистовой резки - 22%, для редуцирования - 20,7%; для прямого - 37,3% и для обратного -26,6%

ф На основании разработанных методики проектирования и алгоритма расчета и анализа полученных зависимостей по определению технологически возможной максимальной длины стальных полых цилиндров установлено, что при использовании допустимых степеней деформаций, на каждой из трех формоизменяющих операций, можно получать изделия с относительной длиной до ктах ~ 12,5, что соответствует максимальному значению по длине -640 мм, при наружном диаметре 55 мм и толщине стенки 1,5 мм

Разработана базовая технология получения рабочих цилиндров пневмогидравлических амортизаторов с наружным диаметром равным 35 мм, длиной - 227 мм, толщиной стенки - 2,5 мм Показано, что при такой технологии увеличивается коэффициент использования материала на 10 -15%, на 20% уменьшается количество операций технологического цикла, повышается производительность на 30%, снижается себестоимость на 8 -12% и улучшается качество изделий Спроектирована конструкция штампа для комбинированного выдавливания с регулировкой инструмента по разностенности полуфабриката в заданном поперечном сечении по результатам предварительного деформирования.

Методика расчета технологии на стальные цилиндры использовалась на ОАО «Щегловский вал» (г Тула) Научные разработки внедрены в учебный процесс при подготовке лекций и лабораторных работ по дисциплинам «Компьютерное моделирование технологических процессов объемной штамповки» и «Экспериментальные методы исследования напряжений и деформаций».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТОБРАЖЕНО В ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Рыбин А.Ю Ресурсосберегающая технология изготовления рабочих цилиндров газонаполненных амортизаторов к подвескам спортивных автомобилей // Региональная молодёжная научная и инженерная выставка «Шаг в будущее - Центр России». Сборник тезисов докладов - Липецк ЛипГУ, 1999.-С. 54-55

2. Рыбин А.Ю. Комбинированное выдавливание ступенчатых труб с конической перемычкой // XXVI Гагаринские чтения Тез докл Международной молодежной научной конференции - М ■ Изд-во «ЛАТМЭС», 2000. - Т 2. - С 312

3 Рыбин А Ю Холодное выдавливание ступенчатых труб с конической перемычкой // Молодежная научно-техническая конференция технических вузов Центральной России Тезисы докладов - Брянск' БГТУ, 2000 - С 97-98

4 Рыбин А Ю Оценка предельных возможностей получения длинноосных стальных цилиндров с использованием холодного выдавливания // XXVII Гагаринские чтения Международной молодежной научной конференции Тезисы докладов. - М • Изд-во «ЛАТМЭС», 2001 -Т.1.-С. 98-99.

5 Рыбин А Ю, Наумов А М Прогрессивная технология получения рабочих цилиндров транспортных амортизаторов // Международная студенческая научно-техническая конференция. Сборник тезисов докладов -Белгород: БелГТАСМ, 2001 -41 - С 135

6 Рыбин А.Ю Разработка технологии и автоматизированное проектирование штампа для комбинированного выдавливания рабочего цилиндра пневмогидравлического амортизатора П Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов. Сборник трудов научно-технической конференции молодых специалистов, аспирантов и студентов - Тула' НТО Оборонпром, 2001 -Вып 2 - С 187-190

7 Рыбин А Ю Исследование комбинированного выдавливания ступенчатых стаканов // III научно-техническая конференция молодых ученых и аспирантов Тезисы докладов - Новомосковск Новомосковский РХТУ им, Д.И Менделеева, 2001 - С 16 - 17.

8. Рыбин А Ю Получение стальных длинноосных цилиндров двойным выдавливанием // XXVIII Гагаринские чтения. Международная молодежная научная конференция Тезисы докладов. - М ■ Изд-во «МАТИ», 2002 - Т 1 -С. 62-63

9. Рыбин А.Ю. Пневмогидравлический амортизатор решение технологических проблем // Второй Международный конгресс студентов для молодых ученых и специалистов «Молодежь и наука - третье тысячелетие»A'STM'02 Тезисы докладов - М. Профессионал, 2002 -41 -С. 57 - 58.

10 Рыбин АЮ Ресурсосберегающая технология получения стальных труб с дном // Образование, наука, производство Сб тез докл Международного студенческого форума - Белгород: БелГТАСМ, 2002. - 4.2 - С. 308.

11 Рыбин А.Ю. Исследование предельных возможностей получения длинноосных стальных цилиндров // XXIX Гагаринские чтения Международная молодежная научная конференция Тезисы докладов - М. Изд-во «МАТИ», 2003. - Т. 1. - С. 66 - 67.

12 Евдокимов АК, Рыбин АЮ Двойное выдавливание тонкостенных стальных цилиндров предельной длины // Известия Тульского государственного университета Серия Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2003 - Вып 2 -С. 98-105 с.

13. Рыбин А.Ю., Герасимова О.М, Евдокимов А К. Выдавливание длинноосных стальных цилиндров // Сборник тезисов П Международной научно-технической конференции «Механика пластического формоизменения Технологии и оборудование обработки материалов давлением». - Тула: ТулГУ, 2004. - С. 107.

14 Евдокимов А К Рыбин АЮ. Комбинированное выдавливание кольцевых заготовок // Известия Тульского государственного университета. Серия Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. - Вып. 1. - С. 200 - 207

15 Евдокимов А К., Рыбин АЮ. Комбинированное выдавливание ступенчатых втулок с наклонной перемычкой // Известия Тульского государственного университета Серия «Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением» - Тула ТулГУ, 2005. - Вып 2. - С. 286 -291

ЛсюбА-

г

«

Подписано в печать У*^ 2006 г

Формат бумаги 60x8^*/^ Бумаге офсетная

Уел печ л 0,9 Уч-изд л 0,8 Тираж 100 эю Заказ № /ОС.

Отпечатано в издательстве Тульского государственного университета,

300600, г Тула, ул Болдина, 151

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Области применения длинноосных цилиндров.

1.2 Технологические проблемы.

1.3 Особенности комбинированного выдавливания.

1.4 Методы решения задач процессов комбинированного выдавливания

Выводы.

Постановка цели и задач исследования.

2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОМБИНИРОВАННОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ.31.

2.1 Основные положения энергетического метода.

2.2 Решение задачи комбинированного выдавливания ступенчатых втулок при плоскодеформированном состоянии.

2.2.1 Стационарный процесс.

2.2.2 Конечная нестационарная стадия.

2.2.3 Комбинированное выдавливание втулок с наклонной перемычкой.

Выводы.

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ КОЛЬЦЕВЫХ ЗАГОТОВОК.

3.1 Описание экспериментальной установки.

3.2 Комбинированное выдавливание втулок.

3.2.1 Комбинированное выдавливание.

3.2.2 Чистовая резка сдвигом.

3.2.3 Комбинированное редуцирование.

3.2.4 Частные случаи комбинированного выдавливания.

3.2.5 Комбинированное выдавливание втулки с наклонной перемычкой.

Выводы.

4. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ЦИЛИНДРОВ.

4.1 Расчет технологических операций.

4.2 Составление маршрутной технологии.

4.3 Расчет максимальной длины полых стальных цилиндров.

4.4 Конструирование инструмента и технологической оснастки.

4.4.1 Конструкция штампа.

4.4.2 Настройка штампа по разностенности детали.

4.5 Опытная отработка технологии.

Выводы.

Актуальность темы: Современное машиностроение развивается по следующим направлениям: ресурсосбережение, содержащее в себе экономию трудозатрат, металла, электроэнергии и т.д.; повышение качества получаемых изделий, зависящего от точности используемых заготовок, оптимальных технологических режимов и точности настройки оборудования; конкурентоспособность, заключающаяся в улучшении товарного вида изделий, экологичности технологий и себестоимости деталей.

Процессы холодного выдавливания из всех штамповочных операций наиболее полно соответствует выше перечисленным критериям, особенно, если получаемые изделия и полуфабрикаты являются конструктивно усложненными, в этом случае холодному выдавливанию соответствует максимальный коэффициент использования материала, повышенная точность изделия и достаточно низкая себестоимость их изготовления.

Непрерывно усложняющиеся конструкции машин и оборудования, а также применение новых материалов для изготовления деталей, требуют совершенствования технологий, в том числе и обработки металлов давлением.

В связи с этим необходимы так же непрерывные улучшения традиционных процессов холодного выдавливания и переход от простых базовых процессов к более сложным - многоканальным. К таким операциям относится комбинированное выдавливание высокопрочных материалов, в частности деформируемых сталей.

В технической литературе практически отсутствует информация по применению комбинированного выдавливания в изготовлении длинноосных цилиндров, с отношением высоты к диаметру > 5, из стальных заготовок, в частности, с использованием технологий двойного выдавливания. К длинноосным стальным изделиям относятся: баллоны огнетушителей, газовые баллоны сифонов, корпуса амортизаторов, пневматических пружин и т.д. В связи с этим возникает необходимость изучения характера течения металла при комбинированном выдавливании ступенчатых полуфабрикатов и совершенствования способов изготовления длинноосных тонкостенных стальных цилиндров.

Часть исследований выполнена при поддержке Российским фондом фундаментальных исследований (№ 03-01-96377, тема «Исследование закономерностей нестационарного течения при обратном выдавливании заготовок в сложнопрофильной матрице», 2003 г.; № 04-01-96705, тема «Технологическая деформируемость плакированных биметаллических сталь-никелевых заготовок в условиях плоской и объемной деформации» и гранта Президента РФ для поддержки ведущих научных школ № НШ 1456.2003.8 и №НШ 4190.20068.

Цель работы: Повышение эффективности изготовления стальных тонкостенных длинноосных цилиндров за счет применением прогрессивных процессов комбинированного выдавливания.

Задачи исследования:

1. Исследовать процесс комбинированного выдавливания полых заготовок из высокопрочных материалов.

2. Учесть кинематику течения материала, геометрию инструмента и граничные условия процесса для установления силовых и деформационных параметров на основании разработанных математических моделей.

3. Экспериментально исследовать характер деформирования металла и силовые параметры при комбинированном выдавливании полуфабрикатов и сопоставить данные с теоретическими результатами.

4. Изучить предельные технологические возможности разработанной технологии по относительной длине изготавливаемых стальных изделий при заданных толщине стенки и наружного диаметра.

5. Усовершенствовать технологию получения стальных тонкостенных длинноосных цилиндров на примере пневмогидравлического амортизатора.

Методы исследования: Режимы деформирования определялись энергетическим методом, основанным на экстремальном принципе теории пластичности. Экспериментальные исследования проводились методами текстурного анализа и электротензометрирования с использованием современных испытательных машин и регистрирующей аппаратуры. Сопрягаемость деталей и узлов штамповой оснастки при проектировании проверялась методом твердотельного моделирования.

Научная новизна: Выявлены закономерности для комбинированного выдавливания ступенчатых деталей с прямой и наклонной перемычкой, связывающие силовые, деформационные и кинематические параметры процессов с размерами заготовок и изделий, с механическими свойствами материалов, трением на контактных границах и геометрией инструмента с помощью выведенных математических моделей в виде опорных решений для различных стадий деформирования и видов пластического течения металла;

Экспериментальным путем установлен характер течения материала и силовые параметры при комбинированном выдавливании ступенчатых деталей с образованием глобальных поверхностей разрыва при переходе от стационарной к конечной нестационарной стадии.

Практическая значимость: Разработаны рекомендации по проектированию базовых технологий получения стальных тонкостенных корпусов на примере изготовления рабочего цилиндра пневмогидравлического амортизатора;

Созданы алгоритм и программа для расчета оптимальных параметров технологии, с помощью которых получены зависимости предельной относительной длины стальных тонкостенных корпусов от толщины стенки готового изделия при их изготовлении с применением двойного выдавливания по схеме «обратное + комбинированное»;

Спроектирована специальная конструкция штампа для комбинированного выдавливания с динамической настройкой по разностенности детали, оптимизированная на твердотельной модели.

Реализация работы: Методика расчёта технологических режимов процесса комбинированного выдавливания длинноосных стальных цилиндров была использована на ОАО «Щегловский вал» (г. Тула), а результаты работ - в учебном процессе ГОУ ВПО «ТулГУ».

Апробация работы: Материалы настоящей работы представлялись на следующих конференциях и выставках:

- ежегодных профессорско-преподавательских конференциях кафедры МПФ ТулГУ (2004 - 2006 гг.);

- Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2000, 2002 гг.);

- Российской молодёжной научной и инженерной выставке «Шаг в будущее» / RYP SF Fair (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999, 2002 гг.);

- Втором Международном конгрессе студентов, молодых ученых и специалистов «Молодежь и наука - третье тысячелетие»/У8ТМ'02 (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002 г.);

- IX Международной выставке молодежных научно-технических проектов «ЭКСПО-НАУКА 2003», Международном молодежном научном конгрессе «Молодежь. Наука. Общество», Ассамблее Международного молодежного научного движения под девизом «Судьба планеты в руках молодых» (Москва, ВВЦ, 2003 г.).

Полученные награды:

- Диплом победителя за первое место в Региональной выставке «Шаг в будущее - Центр России» (Россия, Липецк, 1999 г.);

- Диплом лауреата и Свидетельство кандидата в сборную РФ на Лондонский международный молодежный научный форум на Национальном соревновании молодых ученых Европейского Союза «Шаг в будущее» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999 г.);

- Медаль с удостоверением Министерства образования РФ «За лучшую студенческую работу» в Открытом конкурсе на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в высших учебных заведениях РФ (2000 г.);

- Диплом I степени за победу в конкурсе студенческих научных работ в рамках Международного конгресса автомобилестроителей «ФИЗИТА -2002» (Финляндия, Хельсинки, 2002 г.);

- Диплом лауреата Всероссийского конкурса молодежных проектов «Ползуновские гранты» (Россия, Барнаул, 2002 г.);

- Медаль и Диплом лауреата IX Международной выставки молодежных научно-технических проектов «ЭКСПО-НАУКА 2003 (ESI'2003, Moscow)» и Международного молодежного научного конгресса «Молодежь. Наука. Общество» (Москва, ВВЦ, 2003 г.);

- Серебряная медаль и Диплом Международного Жюри, Диплом почтения и благодарности на VII Московском Международном салоне промышленной собственности «Архимед 2004» (Москва, ВЦ «Сокольники», 2004 г.).

Публикации: за время проведения исследований было опубликовано по теме диссертации 15 научных работ (Общий объем - 2,4 п.л.; личный вклад -1,8 п.л.).

Структура и объём диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 93 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок, 9 таблиц и 105 наименований библиографического списка. Общий объём работы 126 страниц.

ВЫВОДЫ

1. Разработана базовая технология получения стальных цилиндров пневмогидравлических амортизаторов диаметром 35 мм, длиной 227 мм, толщиной стенки 2,5 мм с учетом теоретических и экспериментальных исследований. Показано, что при такой технологии увеличивается коэффициент использования материала, снижается себестоимость и повышается производительность.

2. На основании разработанной методики проектирования, алгоритма расчета и анализа полученных зависимостей по определению максимальной длины стальных изделий установлено, что при использовании допустимых степеней деформаций на каждой из трех формоизменяющих операций можно получать изделия с относительной длиной до ктах 12,5, что соответствует максимальному значению по длине 640 мм, при наружном диаметре 55 мм и толщиной стенки 1,5 мм.

3. Разработана конструкция штампа для комбинированного выдавливания с регулировкой инструмента по разностенности полуфабриката в заданном поперечном сечении по результатам предварительного деформирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное значение для промышленности и состоящая в повышении эффективности производства длинноосных стальных цилиндров за счет применения комбинированного выдавливании в технологической системе двойного холодного выдавливания.

В процессе теоретических и экспериментальных исследований достигнуты следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Установлено, что на стационарной стадии комбинированного выдавливания инструментом с прямыми и наклонными кромками скорости деформирования определяются скоростным параметром у4 или скоростью перемещения непродеформированной части заготовки. Причем скорость перемещения заготовки в инструменте вызывают активные силы трения гк: на контейнере - в пользу обратного выдавливания, а на оправке - в пользу прямого. При этом скорость прямого выдавливания Уб больше скорости обратного выдавливания у3 даже при одинаковых степенях деформации гоб = гпр на величину несущей скорости У/.

2. Выявлено, что на нестационарной стадии комбинированного выдавливания инструментом с прямыми кромками возникают три вида деформирования: комбинированное выдавливание при 5 > 0, чистовая резка сдвигом при 5 = 0 и комбинированное редуцирование при 5 < 0. На этой стадии деформирования между кромками инструмента появляется поверхность глобального разрыва, по обе стороны которой материал движется на встречу друг другу. Причем при комбинированном выдавливании на этой поверхности действуют сжимающие напряжения, при комбинированном редуцировании -растягивающие, а при чистовой резке - напряжения сдвига.

Переход от стационарной к нестационарной стадии по мере уменьшения толщины перемычки осуществляется при равенстве технологических сил и сопровождается трансформацией очага деформации и скачкообразным изменением его параметров.

3. Экспериментальные исследования ступенчатых полуфабрикатов по текстуре детали показали, что при комбинированном выдавливании всех рассмотренных видов существует глобальная поверхность разрыва в виде изломов линий текстуры и мертвые зоны в углах инструмента. Установлены также формы и размеры пластических областей.

По силовым параметрам, определенным тензометрированием, найдено расхождение экспериментальных и теоретических данных, которое в среднем составило: для комбинированного выдавливания - 10,3 %; для чистовой резки -22%; для редуцирования - 20,7%; для прямого - 37,3% и для обратного - 26,6%.

4. На основании разработанных методики проектирования и алгоритма расчета и анализа полученных зависимостей по определению предельной длины длинноосных стальных изделий установлено, что при использовании предельных степеней деформаций на каждой из трех формоизменяющих операций можно получать изделия с относительной длиной ктах 12,5, что соответствует абсолютному значению по длине - 640 мм.

5. Разработана базовая технология получения стальных цилиндров пневмогидравлических амортизаторов диаметром 35 мм, длиной 227 мм, толщиной стенки 2,5 мм. Показано, что при такой технологии увеличивается коэффициент использования материала, снижается себестоимость и повышается производительность. Спроектирована конструкция штампа для комбинированного выдавливания с динамической регулировкой инструмента по разностенности полуфабриката в заданном поперечном сечении. Методика расчёта технологии на стальные цилиндры использовалась на ОАО «Щегловский вал», г. Тула.

Научные разработки внедрены в учебный процесс при подготовке лекций и лабораторных работ по дисциплинам «Компьютерное моделирование технологических процессов объемной штамповки» и «Экспериментальные методы исследования напряжений и деформаций».

1. Алиев И.С. Технологические возможности новых способов комбинированного выдавливания. //Кузнечно-штамповочное производство, М.: 1990. С.7-10

2. Алифанов A.B., Захаревич Л.В., Макушок Е.М., Оленин Л. Д. Технологические процессы пластического деформирования в машиностроении. Минск: Изд-во «Наука и техника», 1989 208 с.

3. Алюшин Ю.А. Теория обработки металлов давлением. Метод верхней оценки и его применение при решении задач ОМД. Ростов-на-Дону: РИСХМ, 1977.- 87 с.

4. Артес А.Э., Евстифеев В.В. Классификация технологических процессов ХОШ. Вопросы групповой технологии. Учебное пособие. М.: Машиностроение, 1987.-80 с.

5. Беккер П.В. Комплексное выдавливание металлических гильз. Дисс. на ^ соиск. степ, к.т.н. Тула: ТулГУ, 2002 135 с.

6. Братухин А.Г., Давыдов Ю.В., Елисеев Ю.С. и др. CALS (Constructions Acquisition and Life cycle Support) в авиастроении. M.: Изд-во МАМИ, 2000. -304 с.

7. Гелей Ш. Расчет усилий и энергий при пластической деформации металлов. Пер. с венг. М.: Металлургия, 1958.-419 с.

8. Головин В. А., Митькин А. И., Резников А. Г. Технология холодной штамповки выдавливанием. М.: Машиностроение, 1970- 152 с.

9. Гредитор М.А. Давильные работы и ротационное выдавливание. М.: Машиностроение, 1971-216 с.

10. Губкин С.И. Деформируемость металлов. М.: Металлургиздат, 1953.— 112 с.

11. Губкин С.И. Теория обработки металлов давлением. М.: • Металлургиздат, 1947.-238 с.

12. Дербаремдикер А.Д. Амортизаторы транспортных машин. М.: Машиностроение, 1985.-200 с.

13. Джонсон У., Кудо X. Механика процесса выдавливания металла. Пер. с англ. М.: Изд-во «Металлургия», 1965 174 с.

14. Джонсон У., Меллор П. Теория пластичности для инженеров. Пер. с англ. А.Г. Овчинникова. М.: Машиностроение, 1979.-567 с.

15. Дмитриев A.M. Исследование процесса холодного обратного выдавливания и стойкости ступенчатых пуансонов. Автореферат на соиск. степ, к.т.н. М.: МВТУ им. Н. Э.Баумана, 1976 16 с.

16. Друянов Б.А., Непершин Р.И. Теория технологической пластичности. М.: Машиностроение, 1990.-272 с.

17. Евдокимов А.К. Процессы выдавливания как единая система. //Вестник машиностроения. № 4, 1998. С. 46-48.

18. Евдокимов А.К. Систематизация и повышение эффективности операций I выдавливания на основе теоретических, экспериментальных ипромышленных разработок. Дисс. на соиск. степ. д. т. н. Тула: 1998380 с.

19. Евдокимов А.К., Кузин В.Ф. Способ получения изделий типа цилиндрических тонкостенных стаканов. Патент РФ № 602283, МКИ В21К21/04. БИ№ 14, 1978.

20. Евдокимов А.К., Юдахин Е.В., Евдокимов В.А., Савостьянов Е.Ю. Штамп для выдавливания изделий типа тонкостенных стаканов. Патент РФ № 1007815, В21J13/02.БИ № 12, 1983.

21. Евдокимов А. К., Юдахин Е. В., Иванова Э. А. Применение комбинированного выдавливания в производстве газонаполненных амортизаторов. //Кузнечно-штамповочное производство, № 5. М.: 1986. С. 12—13.

22. Евдокимов А. К., Юдахин Е. В., Иванова Э. А. Исследование деформированного состояния при холодном выдавливании корпуса фильтра осушителя. //Малоотходные технологические процессы холодной объемной штамповки. Вып. I. М.: СТАНКИН, 1984. С. 70— 75.

23. Евдокимов А.К., Кузин В.Ф. Способ получения изделий типа цилиндрических тонкостенных стаканов. Описание к авторскому свидетельству СССР №602283, МКИ5 Б21К21/04, БИ №14, 1978.

24. Евстратов В.А. Основы технологии выдавливания и конструирования штампов. Харьков: «Вища школа», 1987 144 с.

25. Евстратов В.А. Теория обработки металлов давлением. Харьков: «Вища школа», 1981.-248 с.30