автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Повышение качества и определение силовых параметров при правке деталей давлением

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Разновидности правки.

1.2. Исследования процессов гибки, гибки с последующей разгибкой и правки растяжением.

1.3. Исследование правки давлением.

1.4. Эффект Баушингера.

1.5. Технология правки давлением, совмещенной с закалкой.

1.6. Цель и задачи диссертации.

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ПРАВКИ ДАВЛЕНИЕМ.

2.1. Правка деталей, не имеющих остаточных напряжений.

2.1.1. Правка деталей, в поверхностных слоях которых при распрямлении возникают пластические деформации.

2.1.2. Правка деталей, при распрямлении которых возникают упругие деформации по всему сечению.

2.2. Правка деталей, подвергнутых предварительному изгибу.

2.3. Правка, совмещенная с термообработкой.

2.3.1. Анализ факторов, влияющих на деформацию зубчатых колес при закалке.

2.3.2. Допущения, принятые при теоретическом исследовании.

2.3.3. Тепловая задача.

2.3.3.1 Формулировка и решение задачи.

2.3.3.2 Температурные зависимости модуля упругости, параметров кривой течения и коэффициента линейного расширения.

2.3.4. Механизм правки деталей сжатием между плоскими плитами.

2.3.5. Алгоритм расчета изгибающего момента пластины, подвергнутой правке, совмещенной с термообработкой.

2.3.6. Экспериментальная проверка математической модели правки давлением.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА БАУШИНГЕРА.

3.1. Эффект Баушингера при деформации в холодном состоянии.

3.1.1. Методика исследования.

3.1.2. Обсуждение результатов.

3.2. Эффект Баушингера при повышенных температурах.

3.2.1. Методика исследования.

3.2.2. Обсуждение результатов.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРАВКИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС, СОВМЕЩЕННОЙ С ТЕРМООБРАБОТКОЙ.

4.1. Методика расчета усилия правки.

4.2. Влияние правки совмещенной с закалкой на радиальное биение зубчатых колес.

4.3. Конструкция инструмента для правки, совмещенной с закалкой зубчатых колес большого диаметра.

4.4. Оптимизация определения усилия правки при закалке лопаток турбин.

Хотя правка является вспомогательной операцией обработки металлов давлением, она играет важную роль в технологии машиностроения, повышая точность деталей и обеспечивая их взаимозаменяемость. Она применяется в тех случаях, когда штампуемая деталь искривлена в результате предшествующей обработки, транспортировки или небрежного хранения.

Существуют несколько видов правки: распрямлением искривленных деталей с некоторым перегибом в обратном направлении на величину последующего пружинения, растяжением деталей удлиненной формы в продольном направлении, давлением в поперечном направлении. Последняя разновидность наиболее часто применяется в крупносерийном и массовом машиностроительном производстве, и ей посвящена настоящая работа.

Важнейшим параметром правки давлением, определяющим точность деталей, является величина удельного усилия деформации. Обычно она выбирается по весьма грубым практическим рекомендациям, не учитывающим свойства обрабатываемого металла, толщину детали и другие факторы.

Иногда такой подход не приводит к достижению желаемой точности деталей, в других случаях выбирается оборудование завышенной мощности. Не всегда обеспечивается точность в пределах допуска деталей, подвергаемых закалке в штампах, т.е. закалке, совмещенной с правкой, осуществляемых на специализированном оборудовании. Все это объясняется отсутствием расчетных методик, позволяющих определить потребное давление правки в зависимости от требуемой точности, материала и размеров детали, температуры термообработки и других параметров процесса.

Хотя механизм уменьшения искривлений деталей тонкого сечения в настоящее время, в общих чертах, известен, благодаря работе И.А.Норицына и др. [28], задача определения усилия правки давлением остается актуальной.

При решении задачи об усилии правки авторами упомянутой работы принята схема холодной упруго-пластической деформации с линейным упрочнением, что является весьма грубым допущением для процессов, осуществляющихся при малых значениях пластической деформации, к каковым относится правка давлением, не говоря уже о правке, совмещенной с термообработкой, а окончательные расчетные зависимости получены только для деталей из неупрочняющихся материалов.

Не рассмотрены процессы правки листовых и других тонких деталей, которые получили искривления в результате изгиба, т.е. деталей, имеющих в поперечном направлении остаточные напряжения. Анализ таких процессов невозможен без учета эффекта Баушингера.

Учет эффекта Баушингера необходим также при анализе правки давлением, совмещенной с термообработкой, однако он практически не изучен для случаев деформации при повышенных температурах.

Цель настоящей работы - совершенствование процесса правки давлением деталей тонкого сечения на основе исследования малых упруго-пластических деформаций с переменой знака и создания расчетных методик определения усилия поперечного сжатия.

В первой главе дан обзор литературы, посвященной правке давлением, а также связанным с ней исследованиям гибки. Поскольку анализ некоторых процессов правки требует учета эффекта Баушингера, в обзоре представлен и этот вопрос. В конце главы сформулированы цель и задачи настоящей работы.

Во второй главе описан механизм уменьшения искривлений тонких деталей при приложении поперечных сжимающих напряжений, исследованы деформации и напряжения, возникающие при этом, и разработана математическая модель процессов правки деталей, свободных от остаточных напряжений, деталей, получивших искривления в результате предварительного изгиба, и правки, совмещенной с термообработкой. При этом решена одномерная задача определения температуры детали при термообработке в экстремальных условиях, т.е. для наиболее неблагоприятных условий охлаждения. На основе модели получены графики зависимости остаточной кривизны деталей от удельного усилия правки.

В третьей главе представлены исследования эффекта Баушингера как в условиях холодной деформации, так и при повышенной температуре. Разработана новая оригинальная, защищенная авторским свидетельством, методика изучения эффекта Баушингера. Показано, что для исследованной стали при сравнительно небольшой деформации на первом этапе эффект Баушингера полностью снимает упрочнение, полученное металлом на этом этапе.

В четвертой главе предложена полуэмпирическая методика определения усилия правки давлением, совмещенной с термообработкой, изложены рекомендации по совершенствованию технологического процесса закалки деталей типа зубчатых колес, приведены новая конструкция штампа для правки и рекомендации по выбору оборудования. Разработанный технологический процесс принят к внедрению, а рекомендации по улучшению технологии, программа расчета на ЭВМ остаточной кривизны при правке, совмещенной с термообработкой и экспериментально-аналитическая методика выбора оборудования для закалки, совмещенной с правкой давлением внедрены в производство.

Таким образом, автор защищает:

• математическую модель правки давлением деталей тонкого сечения из металла, деформирующегося по схеме упруго-пластического тела со степенным законом упрочнения при комнатной температуре и упруго-вязко-пластического тела при горячей деформации с учетом эффекта Баушингера;

• решение одномерной задачи о тепловом состоянии тонкой пластины, охлаждаемой с двух сторон при неодинаковых граничных условиях;

• методику и результаты исследования эффекта Баушингера на стали 45 при комнатной и повышенной температуре;

• экспериментально-аналитическую методику выбора оборудования для закалки, совмещенной с правкой давлением;

• новый техпроцесс закалки, совмещенной с правкой давлением, на прессах повышенной мощности, и конструкцию оснастки.

Работа выполнена на кафедре «Кузовостроение и обработка давлением» Московского государственного технического университета

МАМИ» и Кишиневском тракторном заводе.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Процесс правки давлением деталей тонкого сечения протекает в две стадии:

1) распрямление деталей, имеющих исходные искривления;

2) приложение дополнительной нагрузки, сопровождающееся изменением эпюры нормальных напряжений, действующих в перпендикулярном нагрузке направлении.

В связи с этим целесообразно кратко рассмотреть результаты исследований как различных видов правки, так и гибки, а также эффекта Баушингера, поскольку в некоторых зонах очага деформации при этих процессах имеет место смена знака деформации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В результате анализа литературных источников и производственного опыта, теоретических исследований малых упруго-пластических деформаций с переменой знака, разработки новых экспериментальных методик и проведения экспериментальных работ, разработки технологических процессов и оснастки и производственных исследований решена актуальная научно-техническая задача: совершенствование процесса правки давлением деталей тонкого сечения, в том числе правки, совмещенной с термообработкой, выразившееся в повышении точности получаемых деталей и применении уточненных методик расчета деформирующего усилия.

2. Анализ литературных источников и производственных данных показывает, что процессы гибки, особенно при малых значениях кривизны, правки обратным перегибом и правки растяжением достаточно хорошо изучены как в теоретическом плане, так и экспериментально, в том числе и применительно к упрочняемому металлу. Однако работы, посвященные комбинированному нагружению (растяжение с кручением, поперечный изгиб) выполнены без учета условия пластичности. Правка давлением требует дополнительных исследований в отношении учета упрочнения, остаточных напряжений и эффекта Баушингера, для определения которого необходимо уточнение экспериментальных методик, особенно при повышенных температурах деформации.

3. Теоретический анализ напряженно-деформированного состояния при правке давлением, констатирующий наличие комбинированного нагружения (изгиб совместно со сжатием в поперечном направлении) и проведенный в связи с этим на базе условия пластичности Мизеса как для упрочняемого металла, свободного от остаточных напряжений, так и для деталей, получивших искривления в результате предшествующего изгиба, позволил установить, что остаточные искривления сохраняются при давлениях, значительно (в 1,5 - 2 раза) превышающих предел текучести материала детали. Остаточная кривизна уменьшается с увеличением давления практически по линейной зависимости. Обнаружены новые закономерности изменения остаточной кривизны от исходной: с увеличением исходной кривизны она монотонно возрастает.

4. Разработана методика экспериментального исследования остаточной кривизны и проведены эксперименты, подтвердившие пригодность полученных аналитических зависимостей для практических расчетов. Расхождение теоретических и экспериментальных величин не превышает 15%.

5. Предложены теоретическая методика, алгоритм и программа расчета на ЭВМ температуры пластины в момент охлаждения при термообработке, совмещенной с правкой давлением, и остаточной кривизны, а также упрощенная экспериментально-аналитическая методика определения необходимого давления закалочного агрегата.

6. Усовершенствована существующая методика изучения эффекта Баушингера при деформации металлов в холодном состоянии и предложена новая, защищенная авторским свидетельством, для испытаний в условиях повышенных температур. Установлено, что для исследованного металла (сталь 45) эффект Баушингера сохраняется на протяжении всей кривой упрочнения, а численное его значение приблизительно равно упрочнению на первом этапе нагружения, что позволяет в расчетах игнорировать накопленную до перемены знака деформацию.

7. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать рекомендации по выбору деформирующего усилия при правке деталей давлением, в том числе и при правке, совмещенной с закалкой, что на Кишиневском тракторном заводе практически позволило устранить брак по короблению зубчатых колес при термообработке. Экономический эффект от внедрения рекомендаций составил 23,3 тыс. руб. в ценах 1989- 1990 года.

8. В результате внедрения методики расчета усилия правки и программы расчета на ЭВМ на заводе «Салют» в 1998 году, существующий парк оборудования используется более рационально, улучшен коэффициент загрузки оборудования и снижены накладные расходы, связанные с работой оборудования. Ожидаемый экономический эффект от использования предложенной методики при производстве лопаток газовых турбин на заводе «Салют» 200 тыс. руб.

1. Андрейченко В.А. Исследование процесса пружинения при гибке листовых заготовок с видоизменением схемы напряженного состояния. Дисс. канд. техн. наук, М., МАМИ, 1976. 119 с.

2. Баркая В.Ф., Рокотян С.Б., Рузанов Ф.И. Формоизменение листового материала. М.: Металлургия 1976. - 264 с.

3. Белл Д. Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел. Ч. 1. Перевод с английского. М.: Наука. 1984. - 596 с.

4. Белл Д. Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел. Ч. 2. Перевод с английского. М.: Наука. 1984. - 432 с.

5. Богатов A.A., Козлов Г.Д., Колмогоров В.Л. Пластичность металлов при знакопеременной деформации., Известия вузов, Черная металлургия, 1978. №2, с 62 65.

6. Бояршинов М.Г., Гитман М.Б. Комплекс программ для исследования процессов знакопеременного изгиба, Краевые задачи, Пермь, 1988, С. 6- 10.

7. Бриджмен П. Исследования больших пластичных деформаций и разрыва. Влияние высокого гидростатического давления на свойства материалов. Пер. с англ. под ред. Верещагина А.И. М., изд. Иностранная литература, 1955. 444 с.

8. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. М., Металлургия 1989. -456 с.

9. Ю.Герасимов В.Я. Особенности проявления эффекта Баушингера при пластических формообразующих операциях//Известия АН СССР. Металлургия. 1985. - №6. - С. 131 - 134.

10. П.Гуров В. А. Разработка научных основ построения элементов торможения технологического припуска в вытяжных штампах, обеспечивающих экономию металла и повышение качества деталей. Дисс. .канд. техн. наук. М.: МАМИ. - 1990. - 127 с.

11. Елисеев В.В., Томилов Ф.Х., Елисеев В.М. Экспериментальное исследование эффекта Баушингера при повышенных температурах.// Известия вузов. Черная металлургия. 1979, № 4

12. З.Ершов В.И. Круговой изгиб идеально пластичного листа//Известия вузов. Машиностроение. 1975. - №5. - С. 150 - 153.14.3вороно Б.П. Чистый пластический изгиб и выпрямление широкой полосы // Кузнечно-штамповочное производство. 1966. - №1. С. 15 - 18.

13. Зубцов М.Е. Листовая штамповка. Л.: Машиностроение. - 1980. -431 с.

14. Калпин Ю.Г., Андрейченко В.А., Рябов В.А. Правка зубчатых колес при закалке // Материалы научно-техн. и научно-методич. конф., посвященных 50-летию Моск. автомеханического ин-та., М., МАМИ, 1989.-ч. II, С. 210.

15. Калпин Ю.Г., Рябов В.А., Андрейченко В.А. Способ испытания цилиндрических образцов на растяжение-сжатие. Авторское свидетельство СССР № 356511, кл. G01N3/00, 23.12.92. Бюл. № 47

16. Кобяков В.А., Перфилов В.И. Применение ЭВМ для расчета параметров плоского деформированного состояния металлов в процессах обработки давлением. М., МАМИ, 1978. - 29 с.

17. Ковка и штамповка // Справочник. Т. 4. Листовая штамповка. М.: Машиностроение. 1987. - 544 с.

18. Колмогоров В.Л. Некоторые актуальные задачи теории обработки металлов давлением. М., ВИЛС, 1979. 122 с.

19. Коттрелл А.Х. Дислокации и пластические течения в кристаллах. М., Металлургиздат, 1958. 288 с.

20. Лыков A.B. Теория теплопроводности., М., Высшая школа, 1967

21. Лысов М.И. Теория и расчет процессов изготовления деталей методами гибки. М., Машиностроение, 1966. 236 с.

22. Макклинток Ф., Аргон А. Деформация и разрушение материалов М.-изд. «Мир» - 1970.- С. 152 - 163.

23. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение. - 1975. - 399 с.

24. Матвеев А.Д. , Шпунькин Н.Ф., Типалин С.А. Пластический изгиб листа из неоднородного металла // Вопросы исследования прочности деталей машин / сб. научн. трудов каф. «Прикл. механика» под ред. акад. Холина H.H., вып. 5, М., МГАПИ, 1998. С. 32-38

25. Мошнин E.H. Гибка, обтяжка и правка на прессах. М., Машгиз. -1959.-360 с.

26. Норицын H.A., Калпин Ю.Г., Бойченко А.И. Определение удельных усилий при правке листовых заготовок в штампах // Вестник машиностроения. 1967. - №3. - С. 63 - 66.

27. Отчет № 847/ст. 1036-80 По результатам стендовых испытаний бортовой передачи с шестернями из стали 25ХГТ в режиме трактора

28. Т-90С. Задание 4-79 т. 1/3 СОЮЗТРАКТОРОПРОМ, СКБ-2Т, Кишинев,1980.-20 с.

29. Пастернак Н.И. Исследование холодной и горячей правки металла. М.: Машгиз, 1953.- 100 с.

30. Попов Е.А. О теории изгиба широкой полосы // Вестник машиностроения. 1963. - №10. - С. 58 - 60.

31. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки. М.: Машиностроение. - 1977. - 278 с.

32. Прудников М.И. Изгибающий момент при пластическом изгибе листа // Кузнечно-штамповочное производство. 1961. - №4. - С. 32 - 35

33. Пустынцев E.H., Рябов В.А. Деформирование зубчатых колес при закалке // Материалы научно-техн. и научно-методич. конф., посвященных 50-летию Моск. автомеханического ин-та., М., МАМИ, 1989,- ч. III, С. 260.

34. Пучков И.В., Темис Ю.М. Аналитическое описание кривых циклического упругопластического деформирования конструкционных материалов. Проблемы прочности, 1988., №3

35. Рахштадт А.Г. Пружинные сплавы: свойства и термическая обработка. М., Металлургия, 1965. 362 с.

36. Ренне И.П. Деформация при пластическом изгибе//Заводская лаборатория. 1949. - №11. С. 1364 - 1369.

37. Рябов В.А., Андрейченко В.А. Исследование эффекта Баушингера при комнатной и повышенной температуре. // депонир. ст. в информ. сб. «Экономика угольной промышленности» , М., изд. ННЦ ГП-ИГД им. А.А.Скочинского , 1998. №1- 13 с.

38. Рябов В.А., Андрейченко В.А. Напряженно- деформированное состояние в тонкой пластине, подвергнутой гибке и поперечному сжатию. // депонир. ст. в информ. сб. «Экономика угольной промышленности» , М., изд. ННЦ ГП-ИГД им. А.А.Скочинского, 1998. №1- 14 с.

39. Сахненко B.JI. Холодная гибка и правка деталей. Киев, Машгиз. -1951,- 139 с.

40. Смирнов-Аляев Г. А. Сопротивление материалов пластическому деформированию. Л.: Машиностроение. - 1978. - 368 с.

41. Третьяков A.B., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. М., Металлургия, 1973. 224 с.

42. Томсен Е. Кривые напряжение деформация для технически чистой меди после многопереходного волочения и прессования // Теоретические основы научных исследований. Пер. с англ. - 1983. -Т.105.-№3.-С. 35 -39.

43. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. Ч. 1. М.: машиностроение. 1974. - 472 с.

44. Хван Д.В., Железняков Ю.А. Однообразцовый способ исследования эффекта Баушингера/ТПрикладные задачи механики сплошной среды. -Воронеж. 1988. - С. 61 - 62.

45. Хилл Р. Математическая теория пластичности. М.: ГИТТЛ. 1956. -407 с.

46. Ширшов A.A. Исследование пластического изгиба листа с учетом упрочнения // Известия вузов. Машиностроение. 1965. - №2.1. С. 65 173.

47. Энергетическая модель обратимых и необратимых деформаций/ Ю.А. Алюшин, С.А. Еленев, С.А. Кузнецов и др. М.Машиностроение, 1995. 128 с.

48. Яковлев С.С., Арефьев В.М. Пластический изгиб полосы из анизотропного материала, разносопротивляющегося растяжению и сжатию//известия вузов. Машиностроение. 1988. - №4. - С. 3 - 6.

49. Bauschinger J., Mitteilung Mechanisch. Techn. Labor. K. Techn. Hohschule München, 13, Heft 5, 31 (1886)

50. Deak G., докторская диссертация, MIT, Cambridge, Mass., 1961

51. Hockett J.E., Sherby O.D. Large Strain Deformation of Policrystalline Metals at Low Homologous Temperature//J. Mech. Phys. Solids. Vol. 23. -1975. -P. 87.54.0rowan E., в сборнике: Internal Stresses and Fatigue in Metals, General

52. Motors Symposium, Elsevier, Amsterdam, 1959, p. 59. 55.Sachs G., Shoji H., Z. Physik, 45, 776 (1927). 56.Woolley R.L., Phil. Mag., Ser 7, 44, 597 (1953)