автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Повышение эффективности изготовления поковок сложной формы на основе совершенствования процессов комбинированного выдавливания

На правах рукописи

БИЛЬЧУК МАРИЯ ВИКТОРОВНА

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОКОВОК СЛОЖНОЙ ФОРМЫ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ГОРЯЧЕЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ В РАЗЪЕМНЫХ МАТРИЦАХ

Специальность 05.02.09 -«Технологии и машины обработки давлением»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 июн 2013

ои

Москва 2013

005061252

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сосенушкин Евгений Николаевич ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» Кафедра «Системы пластического деформирования»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ Воронцов Андрей Львович ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н.Э. Баумана Кафедра «Технологии обработки материалов»

Ведущая организация:

Кандидат технических наук, доцент Лисунец Николай Леонидович НИТУ «МИСиС»

Кафедр «Технология и оборудование трубного производства»

ФГУП «Техномаш», г. Москва

Защита диссертации состоится « ^■^¿^УУ2013 года в "^^часов на заседании Диссертационного Совета Д212.142.01 при ФГБОУ ВПО «Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН» по адресу: 127994, Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. 3-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим выслать по указанному адресу в диссертационный совет Д 212.142.01.

Автореферат разослан « Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.142.01

года.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В отечественной промышленности распространены детали типа фланцев и тройников, в частности, в арматуростроении, нефтедобывающей и газодобывающей промышленности, строительной индустрии. Отрасль арматуростроения на сегодняшний день вполне продвинута и конкурентноспособна, однако актуален вопрос повышения эффективности производства и снижения себестоимости подобных изделий.

В крупном арматуростроении существуют и разрабатываются различные технологические процессы изготовления корпусных деталей типа тройников. Так, например, на ЗАО «Энергомаш» (г. Чехов) корпус модели 1315-80-2 получают методом электрошлакового литья, а на ЗАО «Знамя Труда» им. ИМ. Лепсе» (г. Санкт-Петербург) аналогичные тройники из стали 12Х18Н10Т изготавливают штампо-сварным методом. При этом тройник изготовляют методом горячей облойной штамповки на заводе «Уральская кузница», а фланцевая часть после штамповки приваривается к тройнику. Это связано с тем, что в настоящее время отсутствует технология штамповки монолитной конструкции. Аналогичные детали на Барнаульском заводе изготавливают из стали методом литья.

Штампово-сварной метод имеет ряд существенных недостатков: облойная штамповка тройника с увеличенным расходом металла на облой, припуски и допуски не обеспечивает его точность, что предполагает наличие большого объема механической (чистовой) обработки всех поверхностей; применение сварки фланцевой части существенно снижает прочность тройника в целом, что не позволяет использовать его для конструкций, выдерживающих большие давления, и требует большой точности для центрирования свариваемых деталей; данный метод применим для определенной номенклатуры деталей и не годится для массового производства.

Изготовление деталей методом литья нередко приводит к внутренним дефектам, возникающим из-за наличия усадочных раковин и газовых пор.

На сегодняшний день освоен ряд технологий горячей объемной штамповки поковок фланцевого типа. Традиционным методом их изготовления является облойная штамповка в открытых штампах. Среди главных преимуществ этого метода можно выделить высокую производительность и возможность получения относительно точных поковок простой формы. Однако у рассмотренного метода есть ряд недостатков; увеличенный расход металла, из-за наличия облоя и больших припусков и напусков, снижающих коэффициент использования металла. Облой является технологической необходимостью, т.к. он обеспечивает заполнение полости штампа, но потери металла при штамповке могут достигать 25% и более. Наличие облоя увеличивает силу деформирования и требует дополнительного оборудования для проведения операции обрезки; потребность в сравнительно больших технологических силах, из-за воздействия инструмента на всю площадь заготовки и наличия облоя требует завышенные мощности нагревательного и штамповочного оборудования; производство деталей сложной формы (типа крестовин зубчатых колес, сплошных и полых ступиц с периферийными элементами в виде ребер, отростков, выступов и др.) средствами облойной штамповки становится особенно затратным из-за высокой трудоемкости последующей механической обработки.

Повысить эффективность изготовления деталей типа фланцев и тройников, а также устранить вышеуказанные недостатки позволяет технология безоблойной штамповки,

основанная на методе комбинированного выдавливания в разъемных матрицах. Предложенная технология позволяет повысить коэффициент использования металла с 0,250,70 до 0,5-0,85, или на 20-80%, т.е. перевод на штамповку в разъемных матрицах одной тонны деталей дает экономию металла от 0,25 до 2 т.

При переходе на штамповку в разъемных матрицах производительность труда в среднем увеличивается на 25% за счет сокращения числа переходов штамповки с двух-четырех до одного-двух. Предложенный процесс штамповки, в отличие от облойной, может быть легко автоматизирован, так как выполняется за минимальное число переходов и обеспечивает хорошее центрирование и фиксацию заготовок в ручье. Расположение волокон в теле детали, в силу близости форм поковки и готовой детали, благоприятное. Важным преимуществом процесса является возможность предотвращения пористости деталей (за счет исключения выхода внутренних, загрязненных примесями, слоев заготовки на поверхность детали) и возможность получения монолитной крупногабаритной детали, исключающей последующие операции сварки и дополнительной механической обработки.

Однако, несмотря на большую эффективность, способ безоблойной штамповки долгое время не мог быть внедрен в широкое промышленное применение. Это объяснялось недостаточным техническим уровнем штамповочного производства, отсутствием специализированного оборудования, отсутствием как эмпирических, так и теоретически обоснованных формул для расчета температурных и силовых режимов безоблойной штамповки по переходам.

Объектами производства, имеющими фланец, для которых разрабатываются технологические процессы в настоящей работе, являются: тройник, фланец, вентильная головка и золотник.

Цель работы: Повышение эффективности изготовления сложнопрофильных деталей методами закрытой объемной штамповки за счет уменьшения коэффициента использования металла на основе применения штампов с разъемными матрицами.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- выявить влияние кинематики течения металла и температурного фактора при комбинированном выдавливании на возникновение дефектов;

- разработать компьютерные модели предложенных технологических процессов горячей штамповки;

- создать математические модели на основе предложенных схем деформирования с получением основных соотношений для расчета энергосиловых параметров;

- разработать рекомендации по проектированию устройств противодавления и конструирования штамповой оснастки, имеющей матрицы с горизонтальным и вертикальным разъемам;

- разработать новые технологии горячего комбинированного выдавливания поковок с развитым фланцами.

Методы исследования. Компьютерное моделирование конечно-элементным методом применялось для оценки напряженно — деформированного состояния заготовки при сложном течении металла, установления возможных дефектов формообразования и внесения в конструкцию рабочего инструмента корректив для их устранения, а так же для оценки распределения температур в поковке. Математическое моделирование энергосиловых параметров процессов проводилось энергетическим методом. Распределение температуры в

поковке определялось решением дифференциального уравнения Фурье при принятых допущениях и граничных условиях. Метод теплового баланса применялся для определения его составляющих в системе «заготовка-инструмент».

Достоверность результатов подтверждается соответствием результатов компьютерного и математического моделирования с экспериментом, а также практическим использованием результатов работы в промышленности. Научная новизна работы заключается:

- в выявлении влияния геометрических параметров полости штампа, в частности, угла наклона конической части пуансона и радиусов скругления, на кинематику течения металла и заполняемость гравюр полуматриц при комбинированном выдавливании поковок сложной формы с разделением очагов деформации, анализ которых позволил изготавливать детали с увеличенным диаметром фланцевой части без потери устойчивости за меньшее число переходов на одной позиции пресса, а так же избежать дефектов в виде зажимов и недоштамповки;

- в выявлении взаимосвязи и характера изменения величин технологической силы деформирования и силы противодавления при горячем комбинированном выдавливании от геометрических соотношений размеров заготовки и поковки, от изменения относительного диаметра и высоты фланцевой части в процессе деформирования, от условий трения на контактных поверхностях, от температуры нагрева металла и степени его деформации;

- в компьютерных моделях, представляющих собой ЗД модели поковок реальных размеров, позволяющих оценить энергосиловые параметры разработанных технологических процессов горячей штамповки в разъемных матрицах, смоделировать кинематику течения металла и определить вектор направления скорости его течения, проанализировать температурные поля заготовки за цикл обработки, спрогнозировать образование поверхностных дефектов, в частности, в виде трещин на боковой поверхности фланца;

в математических моделях, основанных на энергетическом методе, и в основных аналитических соотношениях, позволяющих количественно определить необходимые активные и реактивные силы на заключительном этапе деформирования, а так же проанализировать характер их изменения на стадии формообразования фланцевой части. Практическая значимость работы заключается:

- в разработке ресурсосберегающих технологических процессов безоблойной штамповки сложнопрофильных поковок с увеличенными размерами фланцевой части за ограниченное количество переходов, что повышает производительность при увеличении коэффициента использования металла за счет сокращения припусков и штамповочных уклонов, снижающего затраты на последующую механическую обработку, при снижении энергозатрат за счет уменьшения технологических сил и использования прессов с меньшей номинальной силой;

- в рекомендациях по разработке технологических процессов и конструированию штамповой оснастки при комбинированном выдавливании фланцевых поковок с диаметром фланцевой части свыше 90 лиг,

- в рекомендациях по конструированию специального устройства противодавления, встраиваемого в штамп с разъемными матрицами, позволяющего универсальным прессам работать в режиме прессов двойного действия при штамповке поковок близких типоразмеров, схожей номенклатуры.

Реализация работы. Полученные результаты и рекомендации приняты к использованию

ООО «Коммунсельхозтехника» (г. Мценск, Орловской обл.).

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены:

- на научно - практической конференции студентов и аспирантов «Автоматизация и информационные технологии» 2007 года (ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»), 2008 года (почетная грамота), 2009 года (диплом);

- на всероссийской научно - технической конференции «Студенческая научная весна 2008: машиностроительные технологии» (МГТУ им. Н.Э. Баумана), (диплом лауреата 2й степени); 2010 г. (диплом лауреата 1й степени);

- на XII научной конференции МГТУ «СТАНКИН» и «учебного центра математического моделирования МГТУ «СТАНКИН» - ИММ РАН» по математическому моделированию и информатике в 2009 года;

- на V конференции молодых специалистов «Металлургия XXI века» (АХК «ВНИИМЕТМАШ»), (диплом лауреата «Лучший доклад»);

- на XIII Международной научно-технической конференции «Новые наукоемкие технологии, оборудование и оснастка для обработки металлов давлением» (ДГМА, Краматорск, 2010 г.);

- на XV Международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы развития технологий и машин обработки металлов давлением» (ДГМА, Краматорск, 2012 г.);

- принимали участие в конкурсах:

1) в Открытом конкурсе 2007 и 2008 годах на лучшую научную работу студентов ВУЗов по естественным, техническим и гуманитарным наукам (грамоты);

2) на соискание премии имени академика А.И. Целикова за лучшую научную студенческую работу в области металлургического машиностроения (ВНИИМЕТМАШ - 2008 г.) (диплом III степени);

3) на IX всероссийской выставке Научно - Технического Творчества Молодежи (НТТМ 2009 г.) (грант II степени Правительства РФ).

Публикации: основные положения диссертации отражены в 15 публикациях, включая 4 в рецензируемых научно-технических изданиях из перечня ВАК, 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 101 наименования и приложений. Работа содержит 94 страницы машинописного текста, 51 рисунков, 28 таблиц. Общий объем работы составляет 115 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность работы, ее научная новизна и практическая значимость, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе дана оценка современного состояния исследований по штамповке поковок деталей типа фланцев и тройников на основе анализа промышленных и литературных данных. Этой проблеме посвящены работы Алиева И.С., Артеса А.Э., Евстифеева В В., Рогозникова П. А.

В мелкосерийном производстве деталей сложной конфигурации, в том числе корпусов и фланцев с развитой втулочной частью, преобладает обработка резанием, характеризующаяся высокой трудоемкостью, низкой производительностью и значительными (до 90%) потерями металла в стружку. Так же одним из распространенных методов изготовления рассмотренных видов поковок является метод облойной штамповки, сопровождающийся большими металлозатратами. Этот метод получил развитие в работах Артеса А.Э., Атрошенко А.П., Брюханова А. Н., Мансурова A.M., Семенова Е.И., Соколова М.А., Ребельского A.B. Для уменьшения материальных, трудовых и энергетических затрат необходимо использовать малоотходные и производительные процессы полугорячей и горячей штамповки, и в частности горячая штамповка в разъемных матрицах, которая нашла отражение в работах Алиева И.С., Артеса А.Э., Журавлева А.З., Эдуардова М.С.

Метод требует использования специальных штампов, устанавливаемых на прессы двойного действия. Альтернативой таких прессов являются устройства, встраиваемые в штамп и позволяющие универсальным прессам работать в режиме прессов двойного действия, что расширяет их возможности. Конструированием таких устройств занимались Артес А.Э., Белокопытов В.В., Гусев Л.С., Рогозников П.А., Третыохин В.В. Во второй главе приведено описание разработанной технологии изготовления сложнопрофильных деталей тройник, фланец. Предлагаемая технология изготовления тройников обеспечивает получение поковок с фланцами увеличенных размеров (отношение высоты высаживаемой части к толщине стенки заготовки составляет 3,7) на универсальном кузнечно-прессовом оборудовании. При этом использован эффект повышения устойчивости за счет совмещения операции высадки при одновременной раздаче металла в очаге деформации фланца и создания благоприятного напряженно-деформированного состояния. Приведены результаты технико-экономического анализа перехода на предлагаемую технологию только за счет экономии ресурсов, без учета изготовления штамповой оснастки, что подтверждает целесообразность рассматриваемого перехода.

Тройники с фланцами (диаметр фланцевой части свыше 90 мм) необходимо изготавливать в штампах с вертикальным разъемом полуматриц за два перехода. Формообразование внутренней полости поковки осуществляется на первом переходе составным с втулочной частью цилиндрическим пуансоном, которая остается в поковке и удаляется из нее при последующей механической обработке полости поковки. Оформление фланцевой части поковки осуществляется на втором переходе монолитным коническим пуансоном, с углом конусной части 15° (рис. 1).

1 — пуансон для выдавливания;

2 - пуансон высадочный;

3 - полуфабрикат;

4 - поковка;

5 - разъемная матрица;

6 - наконечник одноразового использования;

7 - вкладыши

Рис. 1. Схема предлагаемой технологии. 7

В результате было установлено, что переход на предлагаемую технологию (рис. 1), взамен используемой технологии методом облойной штамповки и обработки резанием, обеспечивает экономический эффект (за счет уменьшения расхода металла и без учета стоимости оснастки), при сохранении годового выпуска тройников из стали ШХ15 в объеме 200 штук в год более 300 ООО рублей.

Разработанная технология штамповки деталей с увеличенными фланцами освоена при штамповке фланца со втулочной частью для ООО «Коммунсельхозтехника» (г. Мценск, Орловской обл.). Технология предполагает штамповку из трубной заготовки за две операции: обжим втулочной части в холодном состоянии, а затем штамповка фланца с нагревом. Формообразование фланца осуществляется за счет совмещения операции высадки и раздачи (рис. 2) по описанной выше технологи!. В тоже время поковка послужила моделью для штамповки фланцевой части тройника.

а) б) в)

Рис. 2. Технология закрытой штамповки фланца: а) заготовка; б) полуфабрикат после

первого перехода; в") поковка. С помощью компьютерного моделирования разработанной технологии оценено напряженно - деформированное состояние заготовки при сложном течении металла; установлены виды возможных дефектов формообразования и внесены в конструкцию рабочего инструмента коррективы для их устранения; выявлены закономерности течения металла при комбинировании операций обработки давлением с выявлением возможной потери устойчивости в виде зажимов и недоштамповки; определены температурные поля заготовки в процессе деформирования; спроектирован штамп с исправленной геометрией поверхностей полуматриц для бездефектной штамповки.

Получены расчетные зависимости для определения энергосиловых параметров разработанных технологий. Для рассмотренных поковок использовался энергетический метод верхней оценки. Были построены параметрические модели и созданы расчетные схемы (табл. 1), установлены допущения, сформулированы граничные условия для составляющих скоростей, составлены уравнения мощностей внешних и внутренних сил, мощностей сил среза и внешнего трения.

Р = /(<Г5,^,Я,йГ„,/И); (1)

^=/(0-,,/),.,Я,</„,//); (2)

где аг - напряжение текучести материала; Я - высота фланцевой части поковок;, Д, й?„- геометрические параметры поковок; ^ - коэффициент трения.

На заключительной стадии процесса возникают максимально возможные для рассматриваемого технологического процесса силы деформирования и раскрытия инструмента при вытеснении избытка металла в компенсационную полость. Поэтому наиболее интересна и рассматривается именно эта стадия процесса. Напряженно-

деформированное состояние металла считается осесимметричным, а сам металл — идеально жесткопластическим.

Для оценки величины активной и реактивной силы были построены линейные зависимости по выражениям (1) и (2) для каждой из поковок. Для каждой из рассмотренных поковок, в табл. 2 показаны графики, иллюстрирующие полученные аналитические зависимости.

Математические модели позволяют определить силовые параметры, необходимые для

Графики зависимостей

Таблица 2.

Фланец

P=f(cs}

ЙШ05 ■ ■

: йЮЭй» ; «Я» И ■■ гомаоо о.ео

Я 75.» äi.K' ЩЭЗ Щй напсяженягтекучепв.мпэ

сил от напряжения текучести (/ -технологическая (активная) сила, 2 - сила противодавления (реактивная), кН.)-__

вкв.к -

технологической силы

коэффициента трения (1 - при

2 - при [¿=0,20; 3 - при /1=0,25. 4 ¡1=0,30; 5 - при ¡1=0,35.)

от 0,15; — при

P=f(os)

Тройник (1-й переход)

10,00 Г

з.сю i

ti.CJCl 4.00 ■ 2.00 ;

22.00 25.00 2S,00 3S.00 45.00 Напряжения текучести, МПа

ИМ

сил от напряжения текучести (1 -технологическая (активная) сила, МН; 2 - сила противодавления (реактивная), МН.); ___

технологической силы от коэффициента трения (/ -при/и=0,15; 2 - при [1=0,20; 3 - при [1=0,25, 4 - при /j=0,30; 5 - при [t=0,35.)

Тройник (2-й переход)

P=f(as)

0,75 0.60 1 0,45 s 0,30 • идь 0.00

22,00 25,00 28,00 38.00 45,00 Напряжения текучести, МЛа

М

сил от напряжения текучести (1 -технологическая (активная) сила, МН, 2 - сила противодавления (реактивная), МН );_

технологической силы от коэффициента трения (/ — при [1=0,15; 2 - при [1=0,20; 3 - при /1=0,25. 4 - при [1=0,30; 5-при[1=0,35.)_

Для определения технологической силы и построения графика ее изменения технологический процесс получения фланца был условно разделен на стадии. Стадии процесса выбирались из-за удобства моделирования процесса в программе Deform 3D.

10

Формообразование на каждой из стадий принималось стационарным. Для определения чего был использован описанный выше энергетический метод верхней оценки.

По построенным аналитическим зависимостям можно сделать вывод о том, что изменение технологической силы зависит не только от параметров технологического процесса, но и от геометрических параметров очага деформации. Изменение технологической силы и силы противодавления показано в табл. 3.

Таблица 3.

Изменение технологической силы в процессе деформирования

График изменения сил в процессе деформирования

.......... "Ш® с'4

я 'ш. зи;

Слепеньдефармашк, У,

Y Load (N)

2.33e+005

Load Prediction

Top Die

0.000 7.03 14 1 21.1 Stroke (mm)

График изменения силовых параметров процесса, где Р — технологическая сила; Р, -сила противодавелния

Изменение технологической силы от перемещения ползуна пресса в процессе деформирования

В результате проведенного компьютерного моделирования в программе Deform 3D был построен график изменения технологической силы от перемещения ползуна (табл. 5).

Полученные аналитические зависимости подтверждают предположение о том, что наибольшие силы возникают на последней стадии деформирования, непосредственно перед раскрытием полуматриц, что подтверждается физическим моделированием.

Третья глава посвящена описанию распределения температурных полей в поковке на каждом этапе изготовления детали (например, для тройника - цилиндрическая часть изделия на первом переходе, фланцевая - на втором переходе). При этом предполагается, что очаг деформации расположен в пластических зонах, так как остальная часть поковки представляет собой жесткие зоны.

При расчете тепловыделения (рис. 4) при выдавливании, предложенного Степанским Л.Г., был принят ряд допущений.

Рис. 4. Диаграмма распределения составляющих уравнения теплового баланса для каждой из поковки

На основе полученных результатов проведено прогнозирование разрушения боковой поверхности фланцевой части поковки в процессе деформирования, определен максимальный диаметр фланцевой части до образования поверхностных дефектов (табл. 4). Были рассмотрены известные данные о макроразрушении металла при пластической деформации, исходя из условий постоянства предельной работы растягивающих напряжений, совершаемой ими в единичном объеме материала на интенсивности конечных деформаций:

М = I +0"2 +03 Уе1 =сот1'

О - - • (5)

где , а^ ,0-3 - максимальное, среднее и минимальное растягивающее напряжение;

г>- интенсивность конечных деформаций в элементарном объеме материала в текущий

момент; [е] - предельное значение е' в момент разрушения. Полагают, что условие (5) выполняется при одинаковых температурно-скоростных условиях деформирования и одинаковых фазово-структурных состояниях материала. Полагают также, что в случае анизотропии пластических свойств материала условие (5) выполняется, если сохраняется

- <7* а* сг.+

направление действия растягивающих напряжении 1 , 2, 3 .

Таблица 4.

Результаты расчета

Поковка размерность Тройник (ШХ15) Фланец (Сталь 45)

, МПа 50,00 600,00

а„ МПА 1053,13 1011,55

ирг, МПа 90,71 96,76

О/,, мм 69,23 110,36

Экспериментально полученные данные

О/с мм 69,30 108,00

Сравнение теоретических и экспериментально полученных данных

ЛДь % 0,0007 0,024

В четвертой главе приведено описание экспериментальной штамповки деталей по предложенным технологиям.

Отработка новой технологии штамповки тройников выполнялась на масштабной модели с габаритными размерами, уменьшенными в пять раз. При этом с целью повышения устойчивости процесса высадки выполнялась ее комбинация с процессом раздачи (рис. 4). С целью установления эффекта потери устойчивости и проверки образования каких-либо поверхностных дефектов было отштамповано несколько заготовок разных размеров по высоте. Экспериментальная штамповка проводилась на гидропрессе П1934 силой 2 500 кН. В результате были получены фланцы без видимых поверхностных дефектов (рис. 5 а), что подтверждает результаты проведенного математического моделирования.

По разработанной технологии проводилась экспериментальная штамповка фланца с втулочной частью (рис. 5 б). Технологический процесс состоит из двух операций: обжима исходной трубной заготовкой 06О мм с толщиной стенки 14 мм и высотой 96 мм в холодном состоянии до диаметра и52 мм на высоте 40 мм и последующей горячей штамповки высадкой фланца (рис. 4). В результате натурных экспериментов не обнаружено образования поверхностных дефектов во фланцевой части, а так же на поверхности конической полости.

Рис.4. Схема экспериментального штампа для формообразования фланца из трубной заготовки и41,7/10 при Но = 40, 42, 44, 46 мм

л б)

Рис. 5. Поковки типа фланцев, полученные в результате проведенного эксперимента: а — отпггампованная фланцевая часть тройника; б - фланец с развитой втулочной частью.

Результаты компьютерного и математического моделирования подтверждены в лабораторных условиях экспериментально. Получена удовлетворительная сходимость результатов моделирования с экспериментом (см. табл. 4).

Общие выводы

1. В диссертационной работе изложены научно-обоснованные технологические разработки, связанные с повышением эффективности изготовления поковок сложной формы на примере «тройника», способствующие совершенствованию процессов горячей объемной штамповки за счет использования разъемных штампов, что имеет существенное значение для экономики и обеспечения обороноспособности страны.

2. Выявлено влияние геометрических параметров полости штампа, в частности, угла наклона конической части пуансона и радиусов скругления, на кинематику течения металла и заполняемость гравюр полуматриц при горячем комбинированном выдавливании поковок сложной формы с разделением очагов деформации, что позволило получать детали с увеличенным диаметром фланцевой части без потери устойчивости за меньшее число переходов на одной позиции пресса, увеличить номенклатуру поковок, а так же избежать дефектов в виде зажимов и недоштамповок.

3. На основе математических моделей теплопереноса, основанных на энергетическом методе, проанализировано тепловыделение, сопровождающее процессы деформирования, с получением тепловых полей поковки и расчетом составляющих теплового баланса системы «поковка — инструмент», что дало возможность рассчитать максимально возможный диаметр фланцевой части поковки, который можно получить без образования трещин на боковой поверхности. Полученная модель теплопереноса позволяет определить распределение температуры в самой поковке, а так же в пограничных слоях

поковки и инструмента, что позволяет с некоторой степенью приближения определить температуру нагрева инструмента, спрогнозировать долговечность его работы.

4. Построенные компьютерные модели процессов деформирования на стадии предпроектных расчетов дало возможность смоделировать кинематику течения металла, смыкание полуматриц и движение их как единого инструмента, что позволило спрогнозировать образования дефектов в виде зажимов и недоштамповок, внести необходимые корректировки в геометрию полости штампа, определить оптимальный угол наклона конической части пуансона для получения увеличенного диаметра фланцевой части поковок без потери устойчивости, получить распределение тепловых полей поковки для подтверждения адекватности расчетных зависимостей.

5. Разработанная математическая модель расчета силовых параметров штамповки в разъемных матрицах, основанная на энергетическом методе, позволила установить взаимосвязь активных и реактивных сил при горячем комбинированном выдавливании от геометрических соотношений размеров заготовки и поковки, от изменения относительного диаметра и высоты фланцевой части в процессе деформирования, от условий трения на контактных поверхностях, от температуры нагрева металла и степени его деформации как на заключительной стадии деформирования, так и на протяжении всего процесса формообразования фланцевой части поковки.

6. Полученные аналитические зависимости на основе разработанной математической модели дали возможность определить количественную оценку силы противодавления, необходимой для смыкания разъемных матриц и удержания их в сомкнутом состоянии на протяжении всего процесса деформирования, что позволило обосновать выбор вертикального разъема полуматриц для получения крупногабаритных сложных поковок с увеличенным диаметром фланцевой части (свыше 90 мм).

7. На основа анализа устройств противодавления и опыта их проектирования разработаны рекомендации по выбору рациональных конструкций для реализации технологических процессов штамповки в разъемных матрицах на примере поковок тройник и фланец.

8. Полученные результаты и рекомендации приняты к использованию на ООО «Коммунсельхозтехника» (г. Мценск, Орловской обл.).

Осповпые положения диссертации опубликованы в работах

Статьи в изданиях, входящих в «Перечень периодических изданий, рекомендованных ВАК России для опубликования основных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук»:

1. Бильчук М.В. Разработка и исследование закрытой объемной штамповки поковок сложной формы. // Кузнечно-штамповочное производство. - 2010. - №6. - С.9-13.

2. Бильчук М.В., Артес А.Э., Мельников ИИ. Совершенствование технологических процессов изготовления деталей арматуростроения методами пластического деформирования// Вестник МГТУ «СТАНКИН». Научный рецензируемый журнал. - М.: МГТУ «СТАНКИН»,- 2011. - №1(13). - с. 8-12.

3. Бильчук М.В., Сосенушкин E.H. Прогнозирование образования поверхностных дефектов фланцевой части поковок при горячей объемной штамповке// Вестник МГТУ «СТАНКИН». Научный рецензируемый журнал. - М.: МГТУ «СТАНКИН»,- 2012. - №4(23). -с. 44-48.

4. Бильчук М.В., Артес А.Э., Третьюхин В.В. Применение безоболойной штамповки в разъемных и полузакрытых штампах// Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2012.-том 14. - №4 (5). - с. 1199- 1201.

Статьи в других рецензируемых научных изданиях:

5. Патент № 2478017 Российская Федерация, МПК7: В 21J 9/02; 9/10; 9/12; 9/18. Способ изготовления деталей типа «Стакан с фланцем» / Артес А.Э., Сосенушкин E.H., Третьюхин В В., Бильчук М.В. (РФ); заявитель ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»; опубликован: 27.03.2013 г.

6. Бильчук М.В. Математическое моделирование при разработке ресурсосберегающей технологии штамповки деталей типа фланцев// Обработка металлов давлением: сборник научных трудов XIII Международной научно-технической конференции «Новые наукоемкие технологии, оборудование и оснастка для обработки металлов давлением». - Краматорск: ДГМА, 2010. - №1 (22). - С. 55- 59.

7. Бильчук М.В., Артес А.Э. Разработка инновационной технологии штамповки фланцев на деталях типа тройников// Обработка металлов давлением: сборник научных трудов XV Международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы развития технологий и машин обработки давлением». - Краматорск: ДГМА, 2012. - №2 (31). - С. 120124.

8. Бильчук М.В., Артес А.Э., Третьюхин В.В. Преимущества технологии безоблойной штамповки// Обработка металлов-давлением, 2013. - № 2(35). - с. 76-79.

9. Бильчук М.В. Разработка и исследование технологии штамповки вентильной головки// Студенческая научно-практическая конференция «Автоматизация и информационные технологии». Сб. докладов. - М: МГТУ «СТАНКИН»,- 2008.- С. 17-19.

10. Бильчук М.В. Совершенствование технологии изготовления деталей арматуростроения // Электронное научно - техническое издание «Наука и образование», 2008. - №6. - http://technomag.edu.ru/doc/99358.html

11. Бильчук М.В. Совершенствование технологии изготовления деталей арматуростроения// Пятая юбилейная конференция молодых специалистов «Металлургия XXI века» 2009 год. Сб. тезисов докладов. - М.: АХК ВНИИМЕТМАШ им. акад. А.И. Целикова. -2009.-С.44.

12. Бильчук М.В. Математическое моделирование при разработке технологии безоблойной штамповки деталей типа фланцев// Материалы XII-ой научной конференции МГТУ "СТАНКИН" и "Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ "СТАНКИН" - ИММ РАН" по математическому моделированию и информатике. - М.: МГТУ «Станкин»,- 2009. - С. 208.

13. Бильчук М.В. Исследование комбинированного выдавливания поковок с фланцем// «Студенческая научная весна 2010: машиностроительные технологии» МГТУ им. Н.Э.Баумана. Электронный сборник трудов конференции. — М.: МГТУ им. Н.Э.Баумапа-2010.

14. Бильчук М.В. Применение системы компьютерного моделирования QForm для разработки безоблойной штамповки деталей типа фланцев // Технология производства металлов и вторичных материалов: республиканский научный журнал - Караганда: КГИУ, 2010. — №1 (17). — С. 140-144.

15. Бильчук М.В., Артес А.Э., Третьюхин ВВ., Белокопытов ВВ. Преимущества безоблойной штамповки в полузакрытых штампах // Перспективы инновационного и конкурентоспособного развития кузнечно-прессового машиностроения и кузнечно-штамповочных производств: Сборник докладов и научных статей XI Конгресса «Кузнец-2012». -С.236-242.

Научное издание

Бильчук Мария Викторовна

Повышение эффективности изготовления поковок сложной формы на основе совершенствования процессов горячей объемной штамповки в разъемных матрицах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 24.05.2013 Формат 60х 90 1/16. Бумага 80 г. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 120 экз. Заказ 113.

Отпечатано в Издательском центре ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» 127055, Москва, Вадковский пер., За Тел.: 8(499) 973-31-93

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

На правах рукописи

04201359235

БИЛЬЧУК МАРИЯ ВИКТОРОВНА

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОКОВОК СЛОЖНОЙ ФОРМЫ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ГОРЯЧЕЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ В РАЗЪЕМНЫХ МАТРИЦАХ

Специальность: 05.02.09 - «Технологии и машины обработки давлением»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Сосенушкин Евгений Николаевич

Москва, 2013

Оглавление

Введение....................................................................................................................4

Глава 1. Современное состояние вопроса и задачи исследований...................10

1.1. Ресурсосберегающие технологии горячей объемной штамповки..........10

1.2. Температурная интенсификация процессов объемной штамповки........16

1.3. Дефекты, возникающие при объемной штамповке.....................................23

1.4. Методы исследования процессов объемной штамповки............................27

1.4.1. Инженерные методы оценки НДС очага деформаций.............................27

1.4.2.Энергетические методы расчета НДС и силовых параметров.................30

1.5. Цель исследования и постановка задач......................................................33

Глава 2. Разработка технологии безоблойной штамповки деталей типа тройников с увеличенным диаметром фланцевой части...................................34

2.1. Описание разработанной технологии штамповки детали тройник с увеличенным диаметром фланца..........................................................................34

2.2. Теоретический анализ силовых параметров технологического процесса 39

2.2. Сравнительный анализ изменения технологической силы процесса деформирования по математическим и компьютерным моделям....................48

Выводы к главе 2....................................................................................................52

Глава 3. Теоретический анализ температурных параметров технологических процессов.................................................................................................................53

3.1. Модель теплообмена в системе «поковка-инструмент» при штамповке.. 53

3.2. Определение предельной степени пластичности......................................59

Выводы к главе 3....................................................................................................69

Глава 4. Экспериментальное исследование разработанной технологии........70

4.1. Экспериментальная штамповка корпусных деталей по предложенной технологии...............................................................................................................70

4.2. Экспериментальное исследование силовых параметров...........................74

4.2.1. Регрессионный анализ................................................................................74

4.3.2. Методика определения сил штамповки....................................................75

4.4.3. Обработка результатов экспериментальной штамповки вентильной головки и золотника...............................................................................................77

Общие выводы........................................................................................................80

Литература..............................................................................................................82

Приложение № 1.....................................................................................................93

Результаты расчета силовых параметров при штамповке корпусной детали тройник на 1-ом переходе......................................................................................93

Приложение № 2.....................................................................................................96

Результаты расчета силовых параметров при штамповке корпусной детали тройник на 2-ом переходе......................................................................................96

Приложение № 3.....................................................................................................99

Результаты расчета силовых параметров при штамповке.................................99

вентильной головки................................................................................................99

Приложение № 4...................................................................................................103

Результаты расчета силовых параметров при штамповке...............................103

золотника...............................................................................................................103

Приложение № 5...................................................................................................107

Результаты расчета тепловыделения при штамповке вентильной головки и золотника...............................................................................................................107

Приложение № 6...................................................................................................108

Результаты расчета предельной степени пластичности при штамповке вентильной головки и золотника........................................................................108

Приложение № 7...................................................................................................109

Результаты расчета распределения температуры в поковке золотник в процессе пластического деформирования.........................................................109

Приложение № 8...................................................................................................113

Экспериментальная штамповка вентильной головки и золотника как представителей деталей типа фланцев...............................................................113

Приложение № 9...................................................................................................115

Приложение №10.................................................................................................116

Введение

Актуальность работы. В отечественной промышленности распространены детали типа фланцев и тройников, в частности, в арматуростроении, нефтедобывающей и газодобывающей промышленности, строительной индустрии. Отрасль арматуростроения на сегодняшний день вполне продвинута и конкурентоспособна, однако актуален вопрос повышения эффективности производства и снижения себестоимости подобных изделий.

На сегодняшний день освоен ряд технологий горячей объемной штамповки поковок фланцевого типа. Традиционным методом их изготовления является облойная штамповка в открытых штампах. Среди главных преимуществ этого метода можно выделить высокую производительность и возможность получения относительно точных поковок простой формы. Однако у рассмотренного метода есть ряд недостатков:

увеличенный расход металла, из-за наличия облоя и больших припусков и напусков, снижающих коэффициент использования металла. Облой является технологической необходимостью, т.к. он обеспечивает заполнение полости штампа, но потери металла при штамповке могут достигать 25% и более. Наличие облоя увеличивает силу деформирования и требует дополнительного оборудования для проведения операции обрезки;

потребность в сравнительно больших технологических силах, из-за воздействия инструмента на всю площадь заготовки и наличия облоя требует завышенные мощности нагревательного и штамповочного оборудования;

производство деталей сложной формы (типа крестовин зубчатых колес, сплошных и полых ступиц с периферийными элементами в виде ребер, отростков, выступов и др.) средствами облойной штамповки становится особенно затратным из-за высокой трудоемкости последующей механической обработки.

Повысить эффективность изготовления деталей типа фланцев и тройников, а также устранить вышеуказанные недостатки позволяет технология

безоблойной штамповки, основанная на методе комбинированного выдавливания в разъемных матрицах. Предложенная технология позволяет повысить коэффициент использования металла с 0,25-0,70 до 0,5-0,85, или на 20-60%, т.е. перевод на штамповку в разъемных матрицах одной тонны деталей дает экономию металла от 0,25 до 0,5 т.

При переходе на штамповку в разъемных матрицах производительность труда в среднем увеличивается на 25% за счет сокращения числа переходов штамповки с двух-четырех до одного-двух. Предложенный процесс штамповки, в отличие от облойной, может быть легко автоматизирован, так как выполняется за минимальное число переходов и обеспечивает хорошее центрирование и фиксацию заготовок в ручье. Расположение волокон в теле детали, в силу близости форм поковки и готовой детали, благоприятное. Важным преимуществом процесса является возможность предотвращения пористости деталей (за счет исключения выхода внутренних, загрязненных примесями, слоев заготовки на поверхность детали) и возможность получения монолитной крупногабаритной детали, исключающей последующие операции сварки и дополнительной механической обработки.

Однако, несмотря на большую эффективность, способ безоблойной штамповки долгое время не мог быть внедрен в широкое промышленное применение. Это объяснялось недостаточным техническим уровнем штамповочного производства, отсутствием специализированного оборудования, отсутствием как эмпирических, так и теоретически обоснованных формул для расчета температурных и силовых режимов безоблойной штамповки по переходам и т.п.

Объектом производства, имеющим фланец, для которого разрабатывался технологический процесс в настоящей работе, является тройник. Цель работы: Повышение эффективности изготовления сложнопрофильных деталей методами закрытой объемной штамповки за счет уменьшения

коэффициента использования металла на основе применения штампов с разъемными матрицами.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- выявить влияние кинематики течения металла и температурного фактора при комбинированном выдавливании на возникновение дефектов;

- разработать компьютерные модели предложенных технологических процессов горячей штамповки;

- создать математические модели на основе предложенных схем деформирования с получением основных соотношений для расчета энергосиловых параметров;

- разработать рекомендации по проектированию устройств противодавления и конструирования штамповой оснастки, имеющей матрицы с горизонтальным и вертикальным разъемами;

- разработать новые технологии горячего комбинированного выдавливания поковок с развитыми фланцами.

Методы исследования. Компьютерное моделирование конечно-элементным методом применялось для оценки напряженно - деформированного состояния заготовки при сложном течении металла, установления возможных дефектов формообразования и внесения в конструкцию рабочего инструмента корректив для их устранения, а так же для оценки распределения температур в поковке. Математическое моделирование энергосиловых параметров процессов проводилось энергетическим методом. Распределение температуры в поковке определялось решением дифференциального уравнения Фурье при принятых допущениях и граничных условиях. Метод теплового баланса применялся для определения его составляющих в системе «заготовка-инструмент». Достоверность результатов подтверждается соответствием результатов компьютерного и математического моделирования с экспериментом, а также возможностью практического использования результатов работы в промышленности.

- в выявлении влияния геометрических параметров полости штампа, в частности, угла наклона конической части пуансона и радиусов скругления, на кинематику течения металла и заполняемость гравюр полуматриц при комбинированном выдавливании поковок сложной формы с разделением очагов деформации, анализ которых позволил изготавливать детали с увеличенным диаметром фланцевой части без потери устойчивости за меньшее число переходов на одной позиции пресса, а так же избежать дефектов в виде зажимов и недоштамповки;

- в выявлении взаимосвязи и характера изменения величин технологической силы деформирования и силы противодавления при горячем комбинированном выдавливании от геометрических соотношений размеров заготовки и поковки, от изменения относительного диаметра и высоты фланцевой части в процессе деформирования, от условий трения на контактных поверхностях, от температуры нагрева металла и степени его деформации;

- в компьютерных моделях, представляющих собой ЗД модели поковок реальных размеров, позволяющих оценить энергосиловые параметры разработанных технологических процессов горячей штамповки в разъемных матрицах, смоделировать кинематику течения металла и определить вектор направления скорости его течения, проанализировать температурные поля заготовки за цикл обработки, спрогнозировать образование поверхностных дефектов, в частности, в виде трещин на боковой поверхности фланца;

в математических моделях, основанных на энергетическом методе, и в основных аналитических соотношениях, позволяющих количественно определить необходимые активные и реактивные силы на заключительном этапе деформирования, а так же проанализировать характер их изменения на стадии формообразования фланцевой части.

Практическая значимость работы заключается:

- в разработке ресурсосберегающих технологических процессов безоблойной штамповки сложнопрофильных поковок с увеличенными размерами фланцевой части за ограниченное количество переходов, что повышает производительность при увеличении коэффициента использования металла за счет сокращения припусков и штамповочных уклонов, снижающего затраты на последующую механическую обработку, при снижении энергозатрат за счет уменьшения технологических сил и использования прессов с меньшей номинальной силой;

- в рекомендациях по разработке технологических процессов и конструированию штамповой оснастки при комбинированном выдавливании фланцевых поковок с диаметром фланцевой части до 70 мм и свыше 90 мм;

- в рекомендациях по конструированию специального устройства противодавления, встраиваемого в штамп с разъемными матрицами, позволяющего универсальным прессам работать в режиме прессов двойного действия при штамповке поковок близких типоразмеров, схожей номенклатуры.

Реализация работы. Полученные результаты и рекомендации приняты к использованию ООО «Коммунсельхозтехника» (г. Мценск, Орловской обл.). Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждались:

- на научно - практической конференции студентов и аспирантов «Автоматизация и информационные технологии» 2007 года (ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»), 2008 года (почетная грамота), 2009 года (диплом);

- на всероссийской научно - технической конференции «Студенческая научная весна 2008: машиностроительные технологии» (МГТУ им. Н.Э. Баумана), (диплом лауреата 2й степени); 2010 г. (диплом лауреата 1й степени);

- на XII научной конференции МГТУ «СТАНКИН» и «учебного центра математического моделирования МГТУ «СТАНКИН» - ИММ РАН» по математическому моделированию и информатике в 2009 года;

- на XIII Международной научно-технической конференции «Новые наукоемкие технологии, оборудование и оснастка для обработки металлов давлением» (ДГМА, Краматорск, 2010 г.);

- на XV Международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы развития технологий и машин обработки металлов давлением» (ДГМА, Краматорск, 2012 г.);

- принимали участие в конкурсах:

1) в Открытом конкурсе 2007 и 2008 годах на лучшую научную работу студентов ВУЗов по естественным, техническим и гуманитарным наукам (грамоты);

2) на соискание премии имени академика А.И. Целикова за лучшую научную студенческую работу в области металлургического машиностроения (ВНИИМЕТМАШ - 2008 г.) (диплом III степени);

3) на IX всероссийской выставке Научно - Технического Творчества Молодежи (НТТМ 2009 г.) (грант II степени Правительства РФ). Публикации: основные положения диссертации отражены в 15

публикациях, включая 4 в рецензируемых научно-технических журналах из перечня ВАК, 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 101 наименования и приложений. Работа содержит 94 страницы машинописного текста, 51 рисунок, 28 таблиц. Общий объем работы составляет 116 страниц.

сокращать не только материальные и энергетические ресурсы, но так же существенно уменьшить трудоемкость, приближая размеры и форму заготовок к формам готовых деталей, и, по возможности, автоматизировать весь процесс технологической подготовки и изготовления деталей. Качество и себестоимость машиностроительного производства в значительной мере определяется эффективностью заготовительного производства и, в частности, технологическими процессами горячей объемной штамповки (ГОШ). Технологии ГОШ, предназначенные для формообразования при производстве готового изделия, во многом формируют механические свойства детали, обеспечивают рациональное использование металлов и энергоресурсов [7,47,48,56,68,77,82,92]. Одной из таких технологий является штамповка в разъемных матрицах, что имеет прямое отношение к изготовлению часто применяемым в различных отраслях машиностроения деталей типа фланцев, имеющих различные конфигурации.

1.1. Ресурсосберегающие технологии горячей объемной штамповки

В кузнечных цехах изготавливается большое количество поковок для деталей типа полых фланцев различной конструкции и назначения. Специфические требования, предъявляемые к качеству поковок (точность, макроструктура, механические свойства металла, шероховатость поверхности и т.п.), технологические особенности обработки поковок резанием, серийность и технический уровень кузнечного производства определяют варианты технологических процессов штамповки этих поковок.

В условиях серийного и м�