автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Повышение эффективности штамповки полых изделий с коническими поверхностями и фланцами за счет совершенствования операции раздачи

005014479

Яновская Елена Александровна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШТАМПОВКИ ПОЛЫХ ИЗДЕЛИЙ С КОНИЧЕСКИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ И ФЛАНЦАМИ ЗА СЧЕТ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ОПЕРАЦИИ РАЗДАЧИ

Специальность: 05.02.09 «Технологии и машины обработки давлением»

1 5 МАР 2012

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2012

005014479

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

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор

Сосенушкин Евгений Николаевич

доктор технических наук, профессор

Яковлев Сергей Сергеевич, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

доктор физико-математических наук, профессор Кадымов Вагид Ахмедович, ФГБОУ ВПО МАМИ

ФГУП «ГНПП «Сплав», г. Тула

V //сС

Защита состоится 3 апреля 2012 года в ¡^ часов на заседании

диссертационного совета Д212.142.01 в ФГБОУ ВПО Московском

государственном технологическом университете «СТАНКИН» по адресу:

127994, Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д.За.

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

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреяедения просим выслать по указанному адресу в диссертационный совет Д212.142.01.

Автореферат разослан 2 марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.142.01/

.А. Волосова

Общая характеристика работы Актуальность работы. Наращивание темпов развития строительной индустрии, машиностроения, добывающей промышленности и ряда других отраслей повышает спрос на изделия трубопроводной арматуры. Разнообразие форм, широкий диапазон размеров и марок применяемых материалов приводит к необходимости при разработке технологии изготовления изделий использовать соответствующие расчетные схемы и математический аппарат для оценки возможностей тех или иных штамповочных операций. В последние годы наметилась устойчивая тенденция использования в качестве заготовок трубного проката при изготовлении полых изделий, что существенно повышает коэффициент использования металла и сводит к минимуму трудоемкость дальнейшей механической обработки в связи с уменьшением припусков. Указанные обстоятельства, а также сведение к минимуму числа переходов повышает конкурентоспособность технологических процессов штамповки полых осесимметричных изделий. Поскольку основной операцией получения фланцев на трубных заготовках является раздача и в технической литературе все еще мало уделяется внимания созданию расчетных моделей этой операции, то работа, направленная на повышение эффективности технологических процессов штамповки полых изделий из трубных заготовок на основе совершенствования математических моделей осесимметричной деформации, является актуальной.

Объектом исследования в данной работе являются технологические процессы штамповки трубных изделий, имеющих фланцы и конические участки, для соединения трубопроводов различного назначения.

Цель работы. Повышение эффективности штамповки полых изделий, например, переходников с фланцами и коническими поверхностями, за счет совершенствования операции раздачи с разработкой математической модели осесимметричной деформации и получением расчетных зависимостей для оценки напряженно-деформированного состояния трубной заготовки.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать математическую модель процесса раздачи полых изделий, имеющих конические участки и фланцы;

- получить основные уравнения и соотношения для анализа операции раздачи, протекающей в условиях плоского напряженного состояния;

- выполнить теоретические и экспериментальные исследования раздачи изделий, имеющих плоские фланцы и конические поверхности;

- установить влияние технологических параметров процесса раздачи, соотношения геометрических параметров заготовки и изделия на кинематику течения и напряженно-деформированное состояние, энергосиловые режимы и предельные возможности операции;

- построить компьютерные и математическую модели потери устойчивости цилиндрических оболочек и получить соотношения, позволяющие определить величину прогиба и критические напряжения и силы, ответственные за потерю устойчивости трубных заготовок;

- экспериментально исследовать варианты возможной потери устойчивости трубной заготовки и разработать рекомендации для их устранения.

Методы исследования. Теоретические исследования процесса раздачи выполнены на основе теории пластичности и теории обработки металлов давлением. Предельные возможности операции раздачи оценены методами безмоментной теории устойчивости цилиндрических оболочек. Системы дифференциальных уравнений решены классическими методами математического анализа. Экспериментальные исследования выполнены с использованием современного деформирующего оборудования и регистрирующей аппаратуры.

Автор защищает:

- установленные зависимости влияния технологических параметров, условий трения на контактных поверхностях, упрочнения на кинематику течения металла, напряженное и деформированное состояние заготовки и предельные возможности операции раздачи;

математическую модель операции раздачи, отличающуюся

универсальностью, так как содержит неявную функцию, описывающую поверхность, которую требуется получить с помощью рассматриваемой операции;

- аналитические уравнения и соотношения для анализа операции раздачи в условиях плоского напряженно-деформированного состояния;

- математическую и компьютерные модели потери устойчивости цилиндрической трубной заготовки;

- результаты теоретического и экспериментального исследований раздачи полых изделий из трубных заготовок.

Научная новизна заключается в:

установленных взаимосвязях величин и характера изменения напряженного и деформированного состояния по очагу деформации и геометрических соотношений заготовки и изделия с учетом условий трения и упрочнения;

- математической модели операции раздачи, обеспечивающей уточненный расчет напряжений и деформаций трубной заготовки в процессе формоизменения с учетом угла поворота оси конического участка по отношению к оси исходной трубной заготовки;

математической и компьютерных моделях прогнозирования возникновения дефектов в виде круговых волн, связанных с потерей устойчивости недеформируемого участка трубы в зависимости от относительной толщины и высоты заготовки и разработанных рекомендациях по устранению возможных дефектов;

- основных уравнениях и соотношениях теоретического анализа операции раздачи для оценки предельных возможностей формоизменения в зависимости от технологических параметров.

Практическая значимость. На основе выполненных теоретических и

экспериментальных исследований разработаны технологические процессы

раздачи и рекомендации по их реализации, позволяющие получить полые

изделия с коническими поверхностями и фланцами из трубных заготовок,

5

достигая максимальных степеней деформаций без искажения формы или разрушения при сокращении количества штамповочных переходов.

Реализация работы. Разработанные технологические процессы штамповки полых изделий с фланцами и коническими поверхностями приняты к использованию ОАО «Научно-производственная фирма по внедрению научных и инженерно-технических инноваций» (ВНИТИ) г. Санкт-Петербург. Результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлениям 150400 «Технологические машины и оборудование» и 150900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств», а также инженеров, обучающихся по специальности 150201.65 «Машины и технологии обработки металлов давлением.

Аппробация работы. Результаты исследований доложены и одобрены на международных научно-технических конференциях «Новые наукоемкие технологии, оборудование и оснастка для обработки материалов давлением» 26 - 28 апреля 2010 г. г. Краматорск (Украина); «Современные металлические материалы и технологии» (СММТ-2011) 22 - 24 июня 2011 г. Санкт-Петербург; на VIII Международном конгрессе «Машины, технологии, материалы» 19-21 сентября 2011 г. Варна, Болгария; на постоянно действующем семинаре кафедры «Системы пластического деформирования» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 7 статьях в рецензируемых изданиях, внесенных в Перечень ВАК России, 10 материалах международных научно-технических конференций и материалах одного патента. Автор выражает глубокую признательность д.т.н., профессору А.Э. Артесу и д.т.н., профессору Р.И. Непершину за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованных источников из 145 наименований, приложения на 51 странице и включает 173 страницы 6

машинописного текста, содержит 62 рисунка и 8 таблиц. Общий объем 225 страниц.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе научно-

технической задачи, сформулирована научная новизна и практическая

значимость, приведены положения, выносимые на защиту и краткое

содержание разделов диссертации.

В первой главе рассмотрено современное состояние теории и технологии

штамповки изделий с фланцами и коническими поверхностями из трубных

заготовок, проведен анализ существующих технологических процессов раздачи,

намечены пути повышения их эффективности.

Значительный вклад в развитие теории пластичности, теории устойчивости

оболочек, методов моделирования и анализа процессов обработки металлов

давлением, а также подходов к проектированию конкурентоспособных

технологических процессов штамповки полых изделий с фланцами и

коническими поверхностями внесли отечественные и зарубежные ученые: Ю.А.

Аверкиев, Ю.А. Алюшин, А.Э. Артес, Ю.М. Арышенский, A.A. Бебрис, Э.

Бэкофен, С.И. Вдовин, A.M. Вольмир, Э. By, В.Д. Головлев, М.И. Горбунов,

Ф.В. Гречников, С .И. Губкин, Г.Я Гун, Г. А. Данилин, Г. Д. Дель, Д. Друкер, В.И.

Ершов, Г. Закс, А.А Ильюшин, Е.И. Исаченков, JIM. Качанов, И.А. Кийко,

М.Ф. Каширин, В.А. Каюшин, В.Д. Кухарь, H.H. Малинин, А.Д. Матвеев, Р.И.

Непершин, А.Г. Овчинников, В.А. Огородников, С.С. Одинг, О.В. Пилипенко,

В .В. Пикуль, Е.А. Попов, Ю.Н. Работнов, И.П. Ренне, В.П. Романовский, Л.И.

Рудман, А.И. Рудской, Е.И. Семенов, Г.А. Смирнов-Аляев, Л.Г. Степанский,

E.H. Сосенушкин, С.П. Тимошенко, А.Д. Томленов, Э Томсен, Е.П. Унксов, Р.

Хилл, JI.A. Шофман, В.Н. Чудин, С.П. Яковлев, С.С. Яковлев и другие.

Исследования этих ученых направлены на усовершенствование методов

анализа процессов пластического формоизменения и устойчивости заготовок,

на разработку новых технологических процессов штамповки полых изделий из

листовых и трубных заготовок, приведены примеры оценки напряженно-

7

деформированного состояния пластических областей различными методами.

Несмотря на большое количество работ, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям процесса раздачи, универсальных математических моделей не существует, поэтому каждый конкретный случай требует своей схематизации и определения технологических параметров, оказывающих влияние на стабильное протекание формоизменяющих операций. Мало внимания уделяется предельным возможностям операции раздачи, связанным с потерей устойчивости трубной заготовки в процессе штамповки. До конца не решен широкий круг вопросов технологического проектирования при подготовке производства полых изделий из трубных заготовок. Поэтому совершенствование операции раздачи и проектирование эффективных технологических процессов изготовления полых деталей с фланцами и коническими поверхностями заданного качества является актуальной научно-технической задачей.

Во второй главе разработана математическая модель, позволяющая провести реконструкцию полей напряжений и деформаций трубных заготовок, находящихся в условиях осесимметричного напряженного состояния. На основе моделей получены зависимости напряжений, действующих в стенке трубной заготовки, от технологических параметров и основные соотношения для деформаций и соответствующих им перемещений. Деформирование элементов пластической области характеризуется изменением линейных размеров, в том числе толщины стенки трубы, и изменением кривизны ее срединной поверхности. Поэтому решение задачи по определению полей напряжений и деформаций для оценки допустимого формоизменения должно осуществляться в соответствии с теорией течения. Однако замкнутые решения в виде аналитических зависимостей возможны только в случае учета ограниченного числа факторов, оказывающих влияние на распределение напряжений и деформаций в заготовке. Развитию этого научного направления посвящены труды Г. Закса, Э. Зибеля, С.И. Губкина, Р.И. Непершина, Е.А.

Попова, В.Н. Чудина, С.П. Яковлева, С.С. Яковлева и многих других исследователей, в основе которых лежит деформационная теория пластичности. Поскольку формообразованию плоского фланца на трубной заготовке предшествует переход (один или несколько) раздачи коническим пуансоном с различными углами конусности и в связи с большой номенклатурой трубных переходов, которые имеют конические участки, то, рассматривая осесимметричное напряженное состояние в цилиндрической системе координат, выделим бесконечно малый объем деформируемой оболочки, расположенный на коническом участке пуансона. В общем случае ось конического участка может располагаться по отношению к оси трубной заготовки под некоторым углом у/. При этом угол наклона фланца к оси

заготовки у = ^ - ц/. Более распространенным является перпендикулярное по

тс

отношению к оси заготовки расположение фланца при У = —.

п

Рис. 1. Напряжения в элементарном объеме конической оболочки с учетом поворота ее оси относительно оси трубной заготовки на заданный угол у (а), геометрические параметры грани /Ц£>,0 выделенного элемента (б).

На рис. 1,а показан элемент объема конической оболочки с углом

а)

б)

У = ~~ ~ у/1 одна из граней которого изображена на рис. 1,6. Формоизменение

конического участка осуществляется неравномерной раздачей.

Составим уравнения равновесия выделенного элемента. В соответствии с расчетной схемой (см. рис. 1,6) проекция сил на касательную к образующей конической поверхности запишется в виде линейного дифференциального уравнения:

^г ~ (ctga - — (ctgcp - ctga))ar, - р ■ as ■ ц = О

SI Р (1)

После интегрирования:

(2)

<Р;

' , ч cosasinej-Ap(cos(0-a))

где Ф¡(р,а,<р)=- . , --.

psma -sm^

Для нахождения постоянной интегрирования воспользуемся граничным условием: p = R, <х, =0; Ар = 0.

Подставив найденное значение постоянной интегрирования в решение, получим аналитическое выражение для расчета меридиональных напряжений, действующих в конической оболочке при неравномерной раздаче:

v,=Rtga-/3-<rs-M-- • <xs • // • g(a,cp,AP,P), (3)

где f(a,(р, Ар, р) = Ф; (р, а, - —^ ; g(a,<p,Ap,p)= 1

Riga ФД р,а,(р)

Второе уравнение равновесия запишем, как проекцию всех действующих сил на нормаль к конической поверхности и, проведя преобразования, получим:

дар < 1 1 1 ,, —il = (----+-)dp.

ир Ар р sin а-Ар (4)

Проинтегрируем уравнение (4) для определения напряжений, действующих по

/i>(sinar-l)

1

толщине конической оболочки: ар=Ср--е "Slna Привлечем ^„„^le 10

условия для определения постоянной интегрирования: °Р ® ПРИ Р ^о , где Яо - радиус заготовки; ф = л0, где So - начальная толщина заготовки Ср = 0.

Для определения неизвестного окружного напряжения а0 привлечем условие пластичности для плоского напряженного состояния:

о-/ -За2

Решим уравнение пластичности относительно ив- св =---.

Подставим значения найденных ранее напряжений:

сге = {/} ■ ¡и(К ■ ■ е/1 -g)±J4 -3/?У(Я ■ ¡8а ■ е/7 - 8)2). (5)

Расчет по полученной математической модели позволил проанализировать величины и характер изменения действующих напряжений при деформировании трубных заготовок из меди марки М1. На рис.2 представлено изменение меридионального напряжения ^ и окружного напряжения с0 в зависимости от технологических факторов. Универсальность разработанной математической модели для оценки напряженного состояния деталей, обладающих осевой симметрией, в том, что она включает неявную функцию, описывающую поверхность, которую необходимо получить с помощью операции раздачи, в данном случае уравнение усеченного конуса.

Деформации определялись из уравнений связи.

(6)

в, = ¿(^ +0>)) = ' (7)

£' = ¿-(<Т' ~\(-СГр +С7в)) = ~б5'(£Г' ~2а$)' (8)

Во всех уравнениях ЗС = Е' = — - модуль пластичности второго рода, где

с.

интенсивность нормальных напряжений определяется: о; = ^а2в -<тдст1 +сг(2.

Для построения полей деформаций, необходимо в уравнения связи

подставить полученные ранее компоненты нормальных напряжении, сг,

12Сг 6&

<7,

1 120'

7(3 р ■ м(К ■ № ■e1,-g) + ^л-ър^ф^а-е* -Е?).

0,06 0.07 0.08 Радоус фланца, м

(9) (10) (П)

0.06 0,07 0,08 Радиус фланца, м

Угол наклона фланца, гряд.

10 20 30 40 Угол наклона фланца, град.

ОД ОД

Коэффициент трения

ОД 0,2 Коэффициент трения

Рис. 2. Меридиональные ел и окружные о9 напряжения в конической оболочке при неравномерной раздаче.

На основе анализа полученных соотношений для линейных деформаций вскрыты их взаимосвязи с технологическими параметрами операции неравномерной раздачи.

г.алчи

05

| ЭОСЫ» |

? ¿3*01 !

| 1 ОМЛ» |

* мим

° 11ЙС-М

/

Угол наклона фягица, >рад.

КО^ФФИЦИОШ ТрйГКИЛ

Рис. 3. Зависимость деформаций по толщине от технологических параметров: а - радиуса фланца; б - угла наклона фланца; в - условий трения.

Из рис. 4 видно, что с увеличением технологических параметров наблюдается незначительное снижение окружных деформаций, уровень которых довольно высок 60%.

Влияние технологических парметров на величину меридиональных напряжений показано на рис. 5. Следует отметить, что знак «минус» указывает на уменьшение высоты трубной заготовки при реализации операции неравномерной раздачи, что не противоречит опытным данным.

б)

¿о.оь зь.оь

Угол наклона фланца, грод.

1.............\

в)

К озффиииемт треиия

Рис. 4. Характер изменения окружных деформаций в зависимости от: а - радиуса фланца; б - угла наклона фланца; в - условий трения.

0!K (У* Ол)! 0.Й4

У

1 I

& -шг-лг

OS №05 гш JO,05 40,05 »¡05

i.....Ш-

L1. Ч

у /

У

Рис. 5. Зависимость меридиональных деформаций от технологических параметров: а - радиуса фланца; б - угла наклона фланца; в - условий трения.

В условиях осесимметричного напряженно-деформированного состояния перейдем к перемещениям в цилиндрической системе координат.

ир -=^Ерс1р\ ид = = —

Воспользовавшись полученными соотношениями для относительных линейных деформаций (9-11) и разложив подынтегральные показательные функции в степенные ряды Маклорена, получим аналитические выражения для оценки перемещений:

12 и йш аътср 2 р 1)

втазтр р1 3„2 , . 1 ^ р1~" .

----— )±(2р + ~/31ц-Щс&-е е (р + \пр--+> —!--)-

созазт^-Арсоз^-йг) 2 2 2р ££п!(1-п)

р-

р 6 рг tin\(2n-\)

cr _ sin (osina

til =—^(3 PKRtga--:----

12 G cosasin^-Apcos^-a)

sm(3sina

cos «sm cos( (p-a) „ sinpsina

(12)

(13)

— + 2pl±-p2//R2tg2a(le Rlga+e т£а) cosasinp-A/7cos((3-«) 2

6Cr J

I cosasinflj-4pcos(9—a)^ . g sinpsina

sin^sincir

-)2 (14)

cos a sin - Ap cos(<p - a) Все степенные ряды, входящие в подынтегральные выражения, очевидно, сходятся, причем сходятся абсолютно. Для доказательства этого факта можно

рассмотреть один из достаточных признаков сходимости степенных рядов -признак Даламбера, а также признак Лейбница для знакочередующихся рядов.

Графики, представленные на рис. 6, показывают характер изменения перемещений по соответствующим координатам. Технологические параметры мало влияют на абсолютные значения перемещений вдоль образующей и находятся в пределах 0,046 мм (рис.6,а,б). Качественная картина однотипна, при увеличении радиуса фланца и угла его наклона величина перемещений возрастает.

о.ооосм^вогюоо 0,000045400000 0,000045200000 3 0.000045000000 0.000044800000 I" 0.000044600000 = 0,000044400000 I 0,0СЮС144?(ХЮ!Ю | 0,000044000000

Г........1........... .......

1. ..ЦГ_Х ,

,....../

/

/ \

...

......... У.....!.......

а)

0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 Радиус фланца, м

Угол иаклона фланца, град.

б)

0,03814782 0,03814/80 Ц О.ОЗв 14778 | 0,03814776 ^ 0,03814774

с 0,03814770 5 0,03814768

0,03814 706

о,оз«£14 /61 ¡' 0,03814762

в)

Рпдиус фланца.

Рис. 6. Влияние технологических параметров на величину перемещений: а,б - вдоль образующей конической оболочки; в - окружные перемещения.

Если посмотреть на характер изменения окружных перемещений, график которых представлен на рис. 6,в, то с ростом радиуса фланца величина перемещений становится меньше. Однако в сравнении с перемещениями по образующей окружные перемещения на 3 порядка больше по абсолютной величине.

Третья глава посвящена разработке математической модели устойчивости заготовок на основании теории упругости с элементами теории пластического течения.

о.ооооюэалъоо

0,00003958^000 О.ООООЗЭОИЗЬОО 0,000039983000 0.003039332500 0,000039982000 0,00003998.« 500 0.00003993] ООП 0,000039780590 ;>,0000399801Х>0 О.ОООО&У/ИЫЮ

0.05

10,05 20,05 30,05 4О,ОБ 50,05

Дифференциальное уравнение устойчивости цилиндрической оболочки при осевом сжатии:

(15)

Ох2 сЬс Яср

где 6М = 1&тхгсЬ, дТ = \&тус!у, Иср - радиус срединной поверхности исходной

£ _£

~2 2

оболочки, Ш - приращение момента внутренних сил при изменении кривизны серединной поверхности оболочки; 6Т - изменение дополнительно возникающей при потере устойчивости окружной силы, вследствие выпучивания серединной поверхности оболочки; <т, - сжимающее напряжение в направлении оси х; 5 - толщина оболочки; а - прогиб срединной

поверхности; - изменение кривизны срединной поверхности оболочки с!х

при выпучивании; напряжения, деформации и их приращения а,=^-(тх\ 4<т. : Ат = : ст. = Ае": ст, = АеГ: Я,. = Ш -'-'

&г = ¿¡7 ;

* 3 у Ъ у ¿е , .

После подстановки известных значений и преобразования получим:

9сг, 12

£&4 Я2^ Л2

■01 = 0 или о"' +а2й)"-Ь2® = 0 (16)

Характеристическое уравнение для данного линейного дифференциального уравнения имеет вид А4 +а2Л2 -Ь2 =0, из которого находим спектр собственных частот дифференциального

оператораЛ2 = + 48Е^2

Корни комплексные и

действительные: 16

9сг,

E,.S2

Фундаментальная система решений в этом случае имеет вид: ее^совЯ,*; втЯ,*.

Общее решение линейного дифференциального уравнения в этом случае

запишется: со =С3с;',г +С4ея'* + С\ омЯ,^ +С2 5тл,.х. Граничные условия: а - О

„ ЭЙ) „ „ Л 3® „ й

при* = 0, — = 0 при* = О,й) = -0о прия = -,— = 0 прид: = —.

дх 2 дх 2

В общем случае

- = Л,С,е- +Л4С4е^' -¿¡С, cosA,^ + Я,С2 sinA,*.

дх

Составив систему линейных уравнений и решая ее методом Жордана-

Гаусса, получаем значения для постоянных:

<р +1 _ ,Я- Я,. 1 _ (р _ 1 С, = -——й)0, + С3=-®0. С4 = — со0.

ц/ Л, Я, у ц/ у/

где функции <р и у/ заданы следующими соотношениями:

Я* я,/) ,

Я.е + Я, sin —-—Я, cos-^ ^ ^ 2 4 2 .

. , . Я.Л , Я,й '

4 2 2

(17)

. Л.Н Я, . Я/i., , , . Л.И , A,h

{е -Sm-^-X-^ ' - Я, sin+Я, cos-—-) *

н/ =-1—-+(е 2-cos—1----sm——)

, , ■ \h , Я,А 2 Я, 2

После подстановки полученных констант в общее решение получим аналитическое выражения для прогиба срединной поверхности трубы:

® = ~fi>0ev +— <у0гЛ-хcos^i-(—(3+ф-|—(18) V/ у/ у/ V "V^

Важными параметрами для прогнозирования возможности потери

устойчивости трубной заготовки в процессе формоизменения раздачей

являются: количество полуволн при потере устойчивости недеформируемого

участка тv =—^=-ф2(1-/и2); осевое сжимающее напряжение, которое не

л ■JRS

должно превышать значения а =— , ; критическая сжимающая сила в

п „ „ „ 2яЕБ2 момент потери устойчивости Рч = 2лВа>т 8 = , .

Влияние таких технологических параметров, как относительная толщина трубной заготовки и ее высота, на количество образующихся полуволн при потере устойчивости цилиндрической оболочки, торцы которой нагружены осевой равномерно распределенной силой, иллюстрирует график, приведенный на рис. 7. Установлен характер изменения значений напряжений п,:р от относительной толщины заготовки, с ростом которой увеличивается и критическое напряжение, причем изменение происходит по линейному закону, как показано на рис. 8. Критическая сила, при которой наступает момент потери устойчивости, также растет при увеличении относительной толщины трубной заготовки, как показывает график на рис. 9. Характер изменения критической силы нелинейный параболический. Рис. 10 иллюстрируют зависимость прогиба, рассчитанного по модели (18), от относительной толщины стенки. Рис. 11 показывает, что в результате потери устойчивости образуется круговая волна, близкая к симметричной форме.

В четвертой главе описаны результаты экспериментальных исследований по апробации разработанных технологических процессов раздачи. Неравномерной раздаче в холодном состоянии подвергались трубные заготовки из сплавов двух марок: меди М1 и алюминиевого сплава Д16.

Геометрические параметры заготовки: внешний диаметр трубы 024 мм,

£

толщина стенки 1,5 мм, при этом относительная толщина — = 0,0625.

Эксперименты проводились на испытательной машине Еи-100 силой ЮООкН. В качестве технологической смазки применялась смесь графита и индустриального масла, коэффициент трения в этих условиях принимался в интервале // = 0,1....0,15.

Исследованиями по осевому сжатию подтверждено положение о том, что

О ..................................................................................'

о 0,4 0,6 у.а

Отмоемте льна» тилщи но

350 —

300 — Ш 250

| ?оо —

| ™ -

£ 1ПГ'

п

О 0,2 0,1 0,0 О,в

Относительная толщина

0.8

0,7

I 0,2 Г"

0,1 -о '

и 0,1 о,д 0,0 о,в

относительная толщина

Рис. 7. Зависимость числа полуволн при потере устойчивости цилиндрической оболочки от относительной

толщины — при разных

высотах заготовок А

Рис.8. Изменение критических напряжений при потере устойчивости цилиндрической оболочки в зависимости от ее

■У

относительной толщины — Я

Рис.9. Изменение критической силы, ответственной за потерю устойчивости

цилиндрической оболочки, в зависимости от относительной

толщины трубной

заготовки

1ю0.07 ——ti.-C.08

относительная толщина

Рис.10. Влияние относительной толщины стенки на величину прогиба трубной заготовки в месте образования круговой волны

Рис. 11. Зависимость прогиба стенки трубной заготовки от высотной координаты

при определенных условиях трубная заготовка теряет устойчивость в виде образования круговой волны в месте передачи технологической силы на недеформируемом участке трубы, а также в виде появления трещин на краевой части раздаваемого участка. Причиной первого вида потери устойчивости является превышение действующими напряжениями величины предела текучести материала заготовки на участке передачи силы. Компьютерное моделирование и эксперименты проводились на заготовках из стали 12Х18Н10Т диаметром 63,5 мм и высотой 15; 25; 40 и 60 мм.

а)

в)

Г '' 1 „

■т V * 1 Ш" мт сия» » т 1 1......:.....|

Р01Л1 б) Р<хМЯ»«сЙЧ)

Г.....-»' I 1..........3. 1 ; Ж

? ; ш йиш ..... ' ■ ЙЙЙ *' , |

б)

в)

Рис.12. Заготовка высотой 15 мм Рис.13. Заготовка высотой 60 мм

а - изменение силы по ходу инструмента; б - интенсивность напряжений; в - перемещения точек поверхности

■■■:.....Ф 5

1: /) V/ / 1 \

ГТ]

о

Рис. 14. Потеря устойчивости разных по высоте трубных заготовок по результатам экспериментов и характер изменения сил от величины хода инструмента

Рис. 12, 13 иллюстрируют некоторые результаты компьютерного эксперимента

для выделенных точек поверхности трубных заготовок.

Рис.15. Трубные переходники с

наклонным фланцем.

Рис.16. Заготовки и полые конические > детали без фланцев: а - конические изделия с удлиненной осью - сопла, сталь 12Х18Н10Т; б коническая деталь с укороченной осью -переходник, сталь 20.

. й * г * Л у ;

а) б) 1 * 5 8

Второй дефект вызван локализацией напряжений на одном или нескольких участках деформируемой части из-за упрочнения металла заготовки и коэффициента раздачи, близкого к предельному значению. Разработаны рекомендации по предупреждению дефектообразования на изделиях, получаемых раздачей трубных заготовок, что обеспечило устойчивое протекание предложенных технологических процессов. Поскольку применяемые сплавы склонны к интенсивному деформационному упрочнению, в технологию необходимо ввести промежуточные разупрочняющие операции. Проведенный отжиг заготовок позволил получить детали с наклонным фланцем без дефектов (рис. 15).

Другой группой изделий являются цилиндрические трубные изделия с фланцами и коническими участками, изготавливаемые из трубных заготовок из стали 20 и 12Х18Н10Т. Для стали 20 в соответствии с имеющимися данными, располагаем численными значениями, необходимых для расчета характеристик:

8 1 I ■

т.

1 у

равномерное относительное удлинение 5 =0,24; коэффициенты деформационного упрочнения и = 0,22; « = 0,403.

Рис. 16 иллюстрирует полые конические изделия, полученные пластическим формоизменением. Проведенный микроструктурный анализ показал, что зерна вытягиваются в направлении преимущественного течения металла, при этом сплошность металла не нарушается даже при больших значениях относительных деформаций.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая существенное значение для машиностроения, заключающаяся в повышении эффективности штамповки полых изделий с коническими поверхностями и фланцами за счет совершенствования операции раздачи.

2. Установлены взаимосвязи величин и характера изменения радиальных и окружных напряжений с условиями трения на контактных поверхностях, с углами наклона фланца и оси конического участка по отношению к оси заготовки, с другими геометрическими характеристиками, в том числе с изменением толщины стенки трубной заготовки, что дает возможность уточнить результаты расчетов напряжений по сравнению с имеющимися методиками.

3. На основе установленных взаимосвязей разработана математическая модель операции раздачи, которая позволяет анализировать не только напряженное и деформированное состояние трубной заготовки, но и рассчитать величины перемещений срединной поверхности при изменении кривизны изделия в процессе пластического формоизменения. Другой особенностью разработанной математической модели раздачи коническим пуансоном является учет возможности поворота осей заготовки и конического участка на заданный угол у, что расширяет область применения модели и делает ее достаточно универсальной.

4. Разработанная на основе безмоментной теории устойчивости оболочек математическая модель, позволяет прогнозировать возможность возникновения дефектов в виде круговых волн, связанных с потерей устойчивости недеформированного участка трубы в зависимости от ее

з

относительной толщины — и высотных размеров. Получена аналитическая

зависимость, характеризующая величину прогиба в момент потери устойчивости цилиндрической трубной заготовки.

5. Экспериментами подтверждена достоверность теоретических положений диссертационной работы, в частности показано, что во избежание возникновения трещин на краевой части раздаваемой трубы в технологический процесс необходимо ввести операцию разупрочняющего отжига при холодной штамповке или применить температурную интенсификацию. С помощью численного эксперимента на разработанных компьютерных моделях установлены критические силы и напряжения, ответственные за потерю устойчивости заготовок разной высоты, прослежено за изменением формы круговой складки на разных этапах деформирования. Установлено, что момент потери устойчивости с образованием круговой волны наступает скачком при напряжениях, значительно больших напряжения текучести.

6. Металлографические исследования позволили установить, что сплошность тонкостенных заготовок не нарушается даже при значительных степенях деформации, что подтверждает необходимое качество изделий.

7. Полученные результаты и рекомендации приняты к внедрению на

ОАО «Научно-производственная фирма по внедрению научных и инженерно-

технических инноваций» (ВНИТИ) г. Санкт-Петербург. Техническая новизна

штамповой оснастки для неравномерной раздачи защищена патентом на

полезную модель. Отдельные результаты исследований использованы в

учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлениям

150400 «Технологические машины и оборудование» и 150900 «Технология,

оборудование и автоматизация машиностроительных производств», а также 24

инженеров, обучающихся по специальности 150201.65 «Машины и технологии обработки металлов давлением».

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях.

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

1. Яновская Е.А. Колебания тел с сосредоточенными массами. - М.: «Вестник МГУ». Математика и механика, 1990.

2. Яновская Е.А. Поперечные колебания струны, нагруженной сосредоточенными массами. - М.: «Вестник МГУ». Математика и механика, 1991.

3. Яновская Е.А. К задаче о колебаниях мембраны, нагруженной сосредоточенными массами. - М.: «Вестник МГУ». Математика и механика, 1991.

4. Яновская Е.А. Математическая модель управления распределением деталей по технологическим группам. /Сосенушкин E.H., Третьякова Е.И., Белокопытов В.В.// Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Выпуск 3. - Тула: Из-во ТулГУ, 2009. - С.47-53.

5. Яновская Е.А. Трубные заготовки: Технологический аспект раздачи и обжима. /Сосенушкин E.H., Артес А.Э., Хачатрян Д.В. // Вестник МГТУ «Станкин». -2010. - №4(12). - С.36-41.

6. Яновская Е.А. Экспериментальные исследования формоизменения стальных труб./ Сосенушкин E.H., Климов В.Н., Кутышкина Е.А.// Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. Научно-технический и производственный журнал. - №6. - 2010. - С.39-43.

7. Яновская Е.А. Штамповка конических и сферических деталей из трубных заготовок. /Сосенушкин E.H., Третьякова Е.И., Сосенушкин А.Е.// Заготовительные производства в машиностроении. -№11. - 2010. - С. 18-21.

Статьи в других изданиях:

8. Yanovskaya Е.А., Nikitin L.V., Hamraev A. Effects of dry friction on the formation of seismic pulses. // Physics of the Earth and Planetaiy Interiors, 50(1988) 26-31. Elsevier Science Publishers B.V., - Amsterdam - Printed in the Netherlands.-C. 21-31.

9. Яновская E.A. Колебания струны с сосредоточенными массами./ Сб. XII юбилейной конференции молодых ученых института машиноведения «Актуальные проблемы машиноведения». - М.: Изд-во АН СССР, Институт машиноведения им А.А. Благонравова, 1989. - С.130.

10. Яновская Е.А. К задаче о колебаниях мембраны, с сосредоточенными массами./ Сб. «Численное моделирование в задачах механики». - М.: Изд-во Моск. университета, 1991. - С. 43-47.

11. Яновская Е.А. Колебания мембраны под действием распределенных нагрузок. /Сб. «Аналитические, численные и экспериментальные методы в механике». - М.: Изд-во Моск. университета, 1995.-С. 66-70.

12. Яновская Е.А. К задаче о малых поперечных колебаниях мембраны под действием распределенных нагрузок. /Сб. IX научной конференции МГТУ «Станкин» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «СТАНКИН» - ИММ РАН» по математическому моделированию и информатике: Программа. Сборник докладов. - М.: «ЯНУС-К», ИЦ ГОУ МГТУ «СТАНКИН», 2006. - С. 66-70.

13. Яновская Е.А. Колебания прямоугольной пластины с сосредоточенными массами. /Тезисы XIV-ой конференции «Математика. Компьютер. Образование», 2007.

14. Яновская Е.А. Колебания прямоугольной пластины под действием сосредоточенных нагрузок. /Фундаментальные физико-математические проблемы и моделирование технико-технологических систем. Выпуск 10. -М.: Из-во «Янус-К», 2007. - С.28-29.

15. Яновская Е.А. Определение напряжений при пластическом деформировании элементов оболочек. /Третьякова Е.И., Сосенушкин Е.Н. /Сборник научных трудов. Обработка материалов давлением. - Краматорск: ДГМА, 2010. - №1 (22) -С. 49-54.

16. Яновская Е.А. Моделирование процессов формоизменения трубных заготовок. /Современные металлические материалы и технологии (СММТ - 2011). Труды IX международной научно-технической конференции. -Санкт-Петербург: Из-во С-Пб. Государственный политехнический научно-исследовательский университет. 22-24 июня 2011. - С. 72-73.

17. Yanovskaya Е.А. The enhancement of axis-symmetrical deformation mathematical model. /Sosenushkin E.N./ 8th International congress «Machines, technologies, materials» 18-21.09. 2011, Varna, Bulgaria.

18. Патент на полезную модель №100928. Пуансон для неравномерной раздачи трубных заготовок./ Авторы: Смолович И.Е., Сосенушкин Е.Н., Хачатрян Д.В., Яновская Е.А. -Бюл.№1, от 10.01.2011.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Яновская Елена Александровна

Повышение эффективности штамповки полых изделий с коническими поверхностями и фланцами за счет совершенствования операции раздачи

Подписано в печать 29.02.2012. Формат60x90 1/16. Бумага 80 г. Усл. печ. л. 1,75. Тираж 110 экз. Заказ 40.

Отпечатано в Издательском центре

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

61 12-5/2078

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «СТАНКИН»

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШТАМПОВКИ ПОЛЫХ ИЗДЕЛИЙ С КОНИЧЕСКИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ И ФЛАНЦАМИ ЗА СЧЁТ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ОПЕРАЦИИ РАЗДАЧИ

Специальность: 05.02.09 «Технологии и машины обработки давлением»

Яновская Елена Александровна

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Сосенушкин Е.Н.

Москва, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

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

1. ОПЕРАЦИЯ РАЗДАЧИ. СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ....................................................................... П

1.1 .Анализ объектов производства и их классификация................ 11

1.2.Теоретический аспект раздачи........................................... 14

1.2.1. Развитие методов теоретического анализа...................... 14

1.2.2. Анализ напряженно-деформированного состояния трубных заготовок....................................................................................................................................20

1.3. Техно логические процессы изготовления трубных изделий раздачей....................................................................... 22

1.4. Предельные состояния трубных заготовок в процессе формоизменения............................................................ 25

1.4.1. Влияние механических свойств металлов на штампуемость . 25

1.4.2. Способы интенсификации процессов штамповки трубных заготовок................................................................. 31

1.5. Вопросы устойчивости осесимметричных оболочек................ 34

1.6. Изменение толщины трубных заготовок при их формоизменении

и локализация деформации................................................ 38

1.7.Постановка задач исследования.......................................... 41

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОПЕРАЦИИ РАЗДАЧИ................. 42

2.1. Анализ осесимметричного напряженно-деформированного

состояния трубной заготовки методом совместного решения дифференциальных уравнений равновесия и условия пластичности Мизеса ....................................................... 42

2.1.1. Поля напряжений при раздаче..................................... 52

2.1.2. Поля деформаций при раздаче..................................... 53

-33. ТЕОРИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ЗАГОТОВОК ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОМ

ФОРМОИЗМЕНЕНИИ........................................................... 64

ЗЛ. Особенности потери устойчивости заготовок при нагружении

осевыми силами............................................................... 64

3.2. Математические модели потери устойчивости заготовок.

Определяющие соотношения............................................... 68

3.2.1. Модели потери устойчивости пластины и стержня при их осадке между параллельными плитами............................. 68

3.2.2. Математическая модель потери устойчивости цилиндрической оболочки, деформируемой осевыми сжимающими нагрузками.................................................. 77

3.3.3. Обсуждение результатов моделирования........................ 98

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ........................ 103

4.1. Проектирование и реализация технологических процессов изготовления полых осесимметричных изделий с фланцами и коническими поверхностями .......................................... 103

4.2. Энергосиловые параметры операции неравномерной раздачи.. 116

4.3. Предельные состояния трубных заготовок, связанные с изменением толщины стенки с локальным разрушением и устойчивостью при пластическом формоизменении............ 122

4.4. Исследование трубных заготовок на потерю устойчивости в виде круговых волн..................................................... 125

4.4.1. Компьютерное моделирование потери устойчивости трубных заготовок................................................................... 125

4.4.2. Экспериментальные исследования устойчивости труб......... 149

4.5. Металлографический анализ заготовок и изделий.............. 153

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.................................................................. 157

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ........................... 159

ПРИЛОЖЕНИЕ..................................................................... 174

ВВЕДЕНИЕ.

В различных отраслях промышленности широкое распространение нашли осесимметричные детали, изготавливаемые способами обработки металлов давлением, к которым предъявляются высокие требования по качеству, точности геометрических размеров, чистоте поверхности, к уровню механических характеристик. Эти требования по экономическим соображениям следует выполнять при минимальном количестве технологических операций.

В большой класс осесимметричных деталей объединяются изделия общемашиностроительного назначения, в том числе и детали трубопроводной арматуры - это полые цилиндрические, конические, сферические изделия без фланцев и с фланцами. Наращивание темпов развития строительной индустрии, машиностроения, добывающей промышленности и ряда других отраслей повышает спрос на эти изделия. Разнообразие форм, широкий диапазон размеров и марок применяемых материалов приводит к необходимости при разработке технологии изготовления изделий использовать соответствующие расчетные схемы и математический аппарат для оценки возможностей тех или иных штамповочных операций. В последние годы наметилась устойчивая тенденция использования в качестве заготовок трубного проката при изготовлении полых изделии, что существенно повышает коэффициент использования металла и сводит к минимуму трудоемкость дальнейшей механической обработки в связи с уменьшением припусков. Указанные обстоятельства, а также сведение к минимуму числа переходов повышает конкурентоспособность технологических процессов штамповки полых осесимметричных изделий. Введение в технологическую практику современных методов математического и компьютерного анализа дает возможность получить точную картину распределения напряжений и деформаций по объему заготовки и определить размеры, форму и изменение

толщины стенки заготовки в любой момент формоизменения трубной заготовки, а также ресурс деформационной способности. Поскольку основной операцией получения фланцев на трубных заготовках, в том числе фланцев, расположенных под заданным углом к оси трубы, является раздача и в технической литературе все еще мало уделяется внимания созданию расчетных моделей этой операции, то работа, направленная на повышение эффективности технологических процессов штамповки полых изделий из трубных заготовок на основе совершенствования операции раздачи, является актуальной.

Объектом исследования в данной работе являются технологические процессы штамповки трубных изделий, имеющих фланцы, для соединения трубопроводов различного назначения.

Цель работы. Повышение эффективности штамповки полых изделий, например, переходников с фланцами и коническими поверхностями, за счет совершенствования операции раздачи с разработкой математической модели осесимметричной деформации и получением расчетных зависимостей для оценки напряженно-деформированного состояния трубной заготовки.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать математическую модель процесса раздачи полых изделий, имеющих конические участки и фланцы;

- получить основные уравнения и соотношения для анализа операции раздачи, протекающей в условиях плоского напряженного состояния;

- выполнить теоретические и экспериментальные исследования раздачи изделий, имеющих плоские фланцы и конические поверхности;

- установить влияние технологических параметров процесса раздачи, соотношения геометрических параметров заготовки и изделия на кинематику течения и напряженно-деформированное состояние, энергосиловые режимы и предельные возможности операции;

- построить компьютерные и математическую модели потери

устойчивости цилиндрических оболочек и получить соотношения, позволяющие определить величину прогиба и критические напряжения и силы, ответственные за потерю устойчивости трубных заготовок;

экспериментально исследовать варианты возможной потери устойчивости трубной заготовки и разработать рекомендации для их устранения.

Методы исследования. Теоретические исследования процесса раздачи выполнены на основе теории пластичности и теории обработки металлов давлением. Предельные возможности операции раздачи оценены методами безмоментной теории устойчивости цилиндрических и конических оболочек. Системы дифференциальных уравнений решены классическими методами математического анализа. Экспериментальные исследования выполнены с использованием современного деформирующего оборудования и регистрирующей аппаратуры.

На защиту выносятся:

- установленные зависимости влияния технологических параметров, условий трения на контактных поверхностях, упрочнения на кинематику течения металла, напряженное и деформированное состояние заготовки и предельные возможности операции раздачи;

математическую модель операции раздачи, отличающуюся универсальностью, так как содержит неявную функцию, описывающую поверхность, которую требуется получить с помощью рассматриваемой операции;

- аналитические уравнения и соотношения для анализа операции раздачи в условиях плоского напряженно-деформированного состояния;

- математическую и компьютерные модели потери устойчивости цилиндрической трубной заготовки;

- результаты теоретического и экспериментального исследований раздачи полых изделий из трубных заготовок.

Научная новизна заключается в:

- установленных взаимосвязях величин и характера изменения напряженного и деформированного состояния по очагу деформации и геометрических соотношений заготовки и изделия с учетом условий трения и упрочнения;

математической модели операции раздачи, обеспечивающей уточненный расчет напряжений и деформаций трубной заготовки в процессе формоизменения с учетом поворота оси заготовки на заданный угол по отношению к оси фланца;

- математической и компьютерных моделях для прогнозирования возникновения дефектов в виде круговых волн, связанных с потерей устойчивости недеформируемого участка трубы в зависимости от относительной толщины и высоты заготовки и разработанных рекомендациях по устранению возможных дефектов;

- основных уравнениях и соотношениях теоретического анализа операции раздачи для оценки предельных возможностей формоизменения в зависимости от технологических параметров.

Практическая значимость. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны технологические процессы раздачи и рекомендации по их реализации, позволяющие получить полые изделия с коническими поверхностями и фланцами из трубных заготовок, достигая максимальных степеней деформаций без искажения формы или разрушения при сокращении количества штамповочных переходов.

Реализация работы. Разработанные технологические процессы штамповки полых изделий с фланцами и коническими поверхностями приняты к использованию ОАО «Научно-производственная фирма по внедрению научных и инженерно-технических инноваций» (ВНИТИ) г. Санкт-Петербург. Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлениям 150400

«Технологические машины и оборудование» и 150900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств», инженеров, обучающихся по специальности 150201.65 «Машины и технологии обработки металлов давлением» и включены в разделы лекционных курсов «Теория обработки металлов давлением», «Конструирование и производство технологической оснастки для обработки материалов давлением», а также использованы в научно-исследовательской работе студентов при выполнении курсовых и дипломных проектов и магистерских диссертаций.

Аппробация работы. Результаты исследований доложены и одобрены на международных научно-технических конференциях «Новые наукоемкие технологии, оборудование и оснастка для обработки материалов давлением» 26 - 28 апреля 2010 г. г. Краматорск (Украина); «Современные металлические материалы и технологии» (СММТ-2011) 22 - 24 июня 2011 г. Санкт-Петербург; на VIII Международном конгрессе «Машины, технологии, материалы» 19-21 сентября 2011 г. Варна, Болгария; на постоянно действующем семинаре кафедры «Системы пластического деформирования» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 7 статьях в рецензируемых изданиях, внесенных в Перечень ВАК России, 10 материалах международных научно-технических конференций и материалах одного патента.

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе научно-технической задачи, сформулирована научная новизна и практическая значимость, приведены положения, выносимые на защиту и краткое содержание разделов диссертации.

В первой главе рассмотрено современное состояние теории и технологии штамповки изделий с фланцами и коническими поверхностями из трубных заготовок, проведен анализ существующих технологических

процессов раздачи, намечены пути повышения их эффективности. Многочисленные исследования отечественных и зарубежных ученых направлены на усовершенствование методов анализа процессов пластического формоизменения и устойчивости заготовок, на разработку новых технологических процессов штамповки полых изделий из листовых и трубных заготовок, приведены примеры оценки напряженно-деформированного состояния пластических областей различными методами.

Несмотря на большое количество работ, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям процесса раздачи, универсальных математических моделей не существует, поэтому каждый конкретный случай требует своей схематизации и определения технологических параметров, оказывающих влияние на стабильное протекание формоизменяющих операций.

Во второй главе разработаны математические модели, позволяющие провести реконструкцию полей напряжений и деформаций трубных заготовок, находящихся в условиях осесимметричного напряженного состояния. На основе моделей получены зависимости напряжений, действующих в стенке трубной заготовки, от технологических параметров и основные соотношения для деформаций и соответствующих им перемещений.

Третья глава посвящена теоретическому анализу вопросов устойчивости заготовок при их пластическом формоизменении. На основе безмоментной теории оболочек получены зависимости, позволяющие прогнозировать величины прогиба в момент потери устойчивости и определить критические силы и напряжения, которые могут вызвать нежелательное формоизменение заготовок в виде круговых волн на не деформируемом участке трубной заготовки. По разработанной модели можно прогнозировать количество полуволн на определенной длине трубной заготовки. Представляет интерес соотношение, полученное в результате решения дифференциального

уравнения равновесия четвертого порядка, для определения величины прогиба в зависимости от высотной координаты, что дает возможность определить геометрию боковой поверхности после потери устойчивости.

В четвертой главе описаны результаты экспериментальных исследований по апробации разработанных технологических процессов раздачи. Неравномерной раздаче в холодном состоянии подвергались трубные заготовки из сплавов цветных металлов двух марок: меди М1 и алюминиевого сплава Д16. Получены качественные детали с наклонным фланцем. Другой группой изделий являются цилиндрические трубные детали с фланцами и коническими участками, изготавливаемые из бесшовных труб из стали 20 и 12Х18Н10Т. Исследовано изменение радиального напряжения на операции раздачи в зависимости от основных технологических параметров. Разработанные компьютерные модели позволили проанализировать условия потери устойчивости трубных заготовок разной высоты, определить характер изменения силовых параметров, перемещений точек поверхности, интенсивность и скорости деформаций различных точек боковой поверхности. В ходе физических экспериментов нашло подтверждение положение о том, что при определенных условиях трубная заготовка теряет устойчивость в виде образования круговых волн в месте передачи технологической силы на недеформируемом участке трубы, а также в виде появления трещин на краевой части раздаваемого участка.

Проведенный микроструктурный анализ показал, что зерна вытягиваются в направлении преимущественного течения металла, при этом сплошность металла не нарушается даже при больших значениях относительных деформаций. Судя по значениям микротвердости по толщине стенки полой детали, возрастающей по мере приближения к контактной поверхности между заготовкой и пуансоном, можно заключить, что в результате формоизменения раздачей возникает неравномерность деформации.

1. ОПЕРАЦИЯ РАЗДАЧИ. СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ.

1.1. Анализ объектов производства и их классификация.

Во многих отраслях промышленности, таких как энергетическое машиностроение, автомобилестроение, строительная индустрия, химическая и нефтегазовая промышл�