Прессование с раздачей в режиме полугорячей штамповки

Дао Тиен Той

Технологии и машины обработки давлением

автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Прессование с раздачей в режиме полугорячей штамповки

кандидата технических наук: Дао Тиен Той
город: Тула
год: 2013
специальность ВАК РФ: 05.02.09

Диссертация по машиностроению и машиноведению на тему «Прессование с раздачей в режиме полугорячей штамповки»

Автореферат диссертации по теме "Прессование с раздачей в режиме полугорячей штамповки"

005051465

На правах рукописи

ДАО ТИЕН ТОЙ

ПРЕССОВАНИЕ С РАЗДАЧЕЙ В РЕЖИМЕ ПОЛУГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКИ

Специальность 05.02.09 Технологии и машины обработки давлением

Автореферат

на соискание ученой степени кандидата технических наук

4 АПР 2013

Тула 2013

005051465

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Журавлев Геннадий Модестович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Талалаев Алексей Кириллович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», заведующий кафедрой «Технология полиграфического производства и защита информации»;

Травин Вадим Юрьевич, кандидат технических наук, ОАО «НПО «Сплав», зам. гл. конструктора

ФГБОУ ВПО «Государственный университет ■ учебно-научно- производственный комплекс» (г. Орел)

Защита диссертации состоится «9 » апреля 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.01 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300012, г. Тула, пр. Ленина, 92 9-101)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан « 7 » марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Черняев Алексей Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из основных тенденций развития современного машиностроения является разработка и внедрение новых технологий, повышающих качество изделий, снижающих трудоемкость, материалоемкость, себестоимость их изготовления. Особенно это актуально для изделий, к которым предъявляются высокие требования как по точности конструктивных элементов, так и по высоким эксплуатационным характеристикам. К таким изделиям относятся корпусные осесимметричные изделия с толстым дном и тонкой стенкой, нашедшие широкое применение в различных отраслях промышленности и часто изготавливаемые методами обработки давлением. Обработка металлов давлением (ОМД) является одним из самых металлосберегающих производств, так как отходы при штамповке значительно ниже, чем при других способах производства. Однако использование при объемной штамповке прутковых заготовок приводит иногда к трудностям их получения в условиях массового производства.

В настоящее время используются новые подходы к технологии изготовления деталей в результате применения перспективных методов обработки металлов давлением, к которым относится неполная горячая (полугорячая) обработка металлов и сплавов. Применение полугорячего деформирования, в частности прессования с раздачей, повышает деформационную способность металла и дает возможность изменять в процессе обработки диаметральные размеры, позволяя использовать заготовки с оптимальным соотношением высоты и диаметра. Кроме того, полугорячее деформирование позволяет не только изготавливать детали необходимой формы и размеров, но и за счет правильного выбора термомеханических режимов (температуры, степени и скорости деформации, скорости охлаждения) получать требуемые эксплуатационные свойства. Анализ полугорячего деформирования с точки зрения практической реализации показывает, что процесс представляет собой сумму сложных взаимосвязанных термомеханических воздействий: нагрев заготовки, пластическую деформацию и охлаждение после деформации, требующих построение сложных взаимосвязанных термомеханических моделей, не нашедших еще достаточно широкого применения в ОМД при разработке технологических процессов.

В связи с этим возникает актуальная научная задача по разработке рекомендаций, направленных на технологическое обеспечение процесса полугорячего прессования с раздачей как комплексного взаимосвязанного исследования пластического формоизменения и расчета температуры деформируемого материала с целью формирования требуемых эксплуатационных свойств.

Цель работы. Повышение эффективности изготовления цилиндрических деталей методом полугорячего прессования с раздачей путем разработки теоретически обоснованных режимов технологических процессов, обеспечивающих формирование требуемых эксплуатационных свойств, а также сокращение трудоемкости и материалоемкости.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи исследований:

1. Сформулировать определяющие соотношения и уравнения

осесимметричного пластического течения материала для анализа операций полугорячего прессования с раздачей с учетом влияния неоднородности температуры и охлаждения.

2. Определить характер изменения температуры в заготовке в процессе осесимметричного полугорячего прессования с раздачей, который дает возможность учета его влияния на формирование эксплуатационных свойств в деталях.

3. Провести экспериментальные исследования и получить математические зависимости механических характеристик стали 18ЮА от температуры для режима полугорячей штамповки.

4. Выполнить теоретический анализ операции полугорячего прессования с раздачей цилиндрических деталей.

5. Установить влияние технологических параметров, температуры и скорости охлаждения на силовые режимы, напряженно-деформированное состояние и формирование механических свойств в деталях в процессе полугорячего прессования с раздачей

6. Разработать пакет прикладных программ для расчета технологических параметров операций полугорячего прессования цилиндрических деталей.

7. Дать рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления цилиндрических деталей с заданными эксплуатационными свойствами.

Объект исследования. Технологические процессы прессования с раздачей в режиме полу горячей штамповки.

Предмет исследования. Прессование с раздачей цилиндрических деталей в режиме полугорячей штамповки.

Методы исследования. Исследования операции прессования с раздачей цилиндрических деталей в режиме полугорячей штамповки выполнены с использованием основных положений теории пластичности и базируются на использовании законов осесимметричного течения вязкопластической среды и элементов теории теплопроводности. Расчет силовых параметров процесса осуществлен численно методом локальных вариаций с учетом температурной неоднородности механических свойств материала в зоне деформации. Анализ напряженного и деформированного состояний и температурных воздействий осуществлен аналитически решением соответствующих уравнений.

Автор защищает:

- основные уравнения и соотношения осесимметричного пластического течения материала для анализа операций полугорячего прессования с раздачей цилиндрических деталей с учетом влияния неоднородности температуры и охлаждения;

- экспериментально определенные математические зависимости влияния температуры на механические свойства материала для режима полугорячей штамповки;

- результаты теоретических исследований полугорячего прессования с раздачей;

ния с раздачей цилиндрических заготовок и формирование заданных эксплуатационных свойств;

- пакет прикладных программ для ЭВМ по расчету технологических параметров операции полугорячего прессования с раздачей с учетом влияния температуры и скорости охлаждения;

- разработанные рекомендации по проектированию технологии изготовления корпусных деталей на базе операций полугорячего прессования с раздачей, обеспечивающей формирование требуемых эксплуатационных свойств.

Научная новизна. Установление закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния, температуры на основе решения комплексной термомеханической задачи, позволяющей прогнозировать формирование механических свойств, получаемых заготовкой в процессах полугорячего прессования с раздачей.

Практическая значимость. На основе выполненных исследований разработаны рекомендации и создан пакет прикладных программ для ЭВМ по расчету технологических режимов операций полугорячего прессования с раздачей для цилиндрических деталей, обеспечивающих интенсификацию технологических процессов, прогнозирование эксплуатационных свойств, сокращение сроков подготовки производства новых деталей.

Реализация работы. Отдельные результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе при подготовке специалистов и магистров по специальности 170104 Высокоэнергетические устройства автоматических систем и включены в разделы лекционных курсов «Технологическая механика», «Современные методы подготовки производства», а также применяются в научно-исследовательской работе студентов и при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых "Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов" (Тула, 2012), на ежегодной магистерской научно-технической конференции Тульского государственного университета (Тула, 2008, 2009), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2010-2012).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 5 печатных работ, в том числе 4 работы в изданиях, входящих в Перечень рецензируемых научных журналов ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 135 наименований, приложения и включает 102 страницы машинописного текста, 29 рисунков и 4 таблицы. Общий объем — 108 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе научной задачи, сформулированы цель работы, положения, выносимые на защиту, научная новизна, методы исследования, практическая ценность, приводятся данные о реализации работы, публикациях, структуре и объеме диссертационной работы, краткое содержание разделов диссертации.

B.JI. Колмогорова, В.Г. Кононенко, С.С. Кутателадзе, В.Д. Кухаря, A.B. Лыкова, Е.М. Макушка, Н.Н Малинина, А.Д. Матвеева, П.П. Мосолова, В.П. Мясникова, Р.И. Непершина, В. Новацкого, Овчинникова, В.А. Огороднико-ва, Е.А. Попова, И.П. Ренне, Е.И. Семенова, Г.А. Смирнова-Аляева, Л.Г. Сте-панского, ИЛ. Тарковского, С.П. Тимошенко, А.Д. Томленова, Е.П. Унскова,

C.П. Яковлева, Дж. Белла, Дж. Гудьера и др. В работах этих ученых разработаны методы анализа объемного полугорячего деформирования. Однако анализ литературных данных указывает на недостаточное изучение вопроса по решению связанной термомеханической задачи, учитывающей влияние деформационных режимов и температуры на формирование требуемых эксплуатационных свойств.

На основе проведенного обзора поставлена научная задача по разработке рекомендаций, направленных на технологическое обеспечение процесса полугорячего прессования с раздачей как комплексного взаимосвязанного исследования пластического формоизменения и расчета температуры деформируемого материала с целью формирования требуемых эксплуатационных свойств.

Во втором разделе выписаны основные соотношения и уравнения, используемые при теоретическом анализе пластического формоизменения осе-симметричных деталей при полугорячей деформации, и проведен расчет процесса полугорячего прессования с раздачей.

Пластическое течение должно удовлетворять дифференциальным уравнениям равновесия сплошной среды в напряжениях:

dcsr dz -с9

г да, + —- & ■ — 0,

а также условию несжимаемости:

ди и .

— + —+ — = 0, дг г 8z

где и и со - скорости перемещения материала соответственно вдоль осей г и

Напряженное состояние в любой точке сплошной среды определяется симметричным тензором напряжений Г" О

(3)

<зг О

<3т

Скорость деформации в любой точке сплошной среды определяется тензором скоростей деформаций

Ее

.I *

Его компоненты определяются следующим образом до

дг

и . да . 9и д® г & а: &

Формула интенсивности скорости деформации сдвига имеет вид

(4)

(5)

(6)

Деформация каждой точки сплошной среды характеризуется тензором деформаций вида

тг =

о £0

гУ/т

(7)

Его компоненты определяются выражениями

дБг

_ дБ,. дБ. Уг1 ~ & + &

(8)

95, Ее = —, е- = —-дг г ' дг

При исследовании процессов обработки металлов давлением, протекающих при повышенных температурах необходимо учитывать влияние вязкости, поэтому используют вязкопластическую модель поведения материала. При этом уравнение состояния имеет вид

сг(=ст5+3цё,, (9)

где а, - предел текучести; ц - коэффициент вязкости; а,- - интенсивность напряжений; ё, - интенсивность скорости деформации, ё; = Я/3.

Мощность пластической деформации (диссипация) запишется в виде

1 2

а у х ё(у = тл х Н + — ц х Н ,

(Ю)

где а у- компонент тензора напряжений; £,у - компонент тензора скоростей;

- предел текучести сдвига, т^ =а3/4з .

Соотношение между напряжениями и скоростями деформации при осе-симметричном течении вязкопластической среды определяется выражением

(И)

где К - коэффициент, пропорциональный мощности пластической деформации.

Для осесимметричного напряженного состояния сплошной среды используем условие текучести Губера - Мизеса:

(аг-ав)г + {<тв-а:)2+(*:-*г? + 6^=2^. (12)

Используя основные соотношения энергетического уравнения, которое характеризует состояние материала при данных условиях обработки, и метод баланса мощностей запишем функционал, представляющий собой разность мощностей внутренних и внешних сил, действующих на систему:

ш —IV =0

"внутр. "внешн.

Функционал в форме, непосредственно используемой для расчета имеет

вид

1 = + =0. (14)

где т,- предел текучести сдвига; р- коэффициент вязкости; Я - интенсивность скорости деформации сдвига; х - вектор поверхностных сил; у0 - вектор скорости движения инструмента (скорости деформирования); Г - площадь поверхности воздействия внешних сил.

Составленный функционал решается методом локальных вариаций. Метод заключается в варьировании с достаточно мальм шагом заданного произвольного кинематически возможного поля скоростей перемещения и нахождения соответствующих каждому варьируемому значению поля скоростей значений мощности и выбору среди них минимального. Расчетная схема процесса прессования с раздачей представлена на рис. 1.

Рис. 1. Расчетная схема пластической деформации Для численного решения задач методом локальных вариаций разработана программа, позволяющая определять значение полной мощности деформации: 0^=31598,45 Вт, используя которую определим технологиче-

скую силу />=157992,26 Н и удельную силу <?= 1397,66 МПа и действитель

ное поле составляющих скоростей перемещения по оси г в м/с (Рис.2).

¡11 |» [? [а |л ^Г |д |

НЕ

тт

0X13

о;в

0X23 а 083 1X3 :JC5 ox'i С.035 lie отл слз ая

од 02 0Д7 "ЛИ 0tZ)

ОХ' 0/S5

олг оя?

<Ш 0X06

ОЯП 11Э 32» О 00» ОДа 0.»«

¡ога

Ш 036 034

|5аГ

г»'.....ioa

' jjj- '

¡0555

IM3 оУт 0213 :0

" !дю......оли воз! -|з.......о

"15.......¿¿в 'о lb" !о

Рис. 2. Действительное поле составляющих скоростей перемещения вдоль оси г Результаты решения справедливы при условии, что среда в зоне деформации однородна. Однако известно, что механические свойства материала зависят от температуры, которая в зоне деформации различна. В связи с этим в третьем разделе проведены экспериментальные исследования влияния температуры на механические свойства материала.

В третьем разделе приведены результаты экспериментального определения значения и изменения предела текучести и коэффициента вязкости в зависимости температуры. Испытания проводились на гидравлической машине Р—20 по стандартной методике с учетом вида напряженного состояния по ГОСТ 25.530-97 Испытания на сжатие при повышенных температурах и скоростях деформирования У=10...60 мм/мин. Использовались цилиндрические образцы из стали 18ЮА с торцевыми выточками. Схема установки для испытания на сжатие при повышенных температурах представлена на рис. 3.

К проведению испытания были измерены и размечены образцы для определения их начальной площади поперечного сечения Р0. Для замера температуры были установлены два первичных термопреобразователя (термопары). Испытание проведены для 6 разных значений температуры в интервале 700...800 °С с шагом 20 °С.

Рис. 3. Приспособление для испытания на сжатие при повышенных температурах: 1- нижний боек; 2 - образец; 3 - верхний боек; 4 - плунжер; 5 - сепаратор; 6 - плита верхняя; 7 - втулки; 8 - термопара; 9 - электропечь; 10 - колонки; 11 - плита нижняя; 12 - месдоза. На основании полученных результатов построены зависимости предела текучести сдвига г, и коэффициента вязкости ц от температуры рис. 4 и 5.

700 720 740 760 780 ТС

Рис. 4. Значение тл в зависимости от температуры

Рис. 5. Значение ц в зависимости от температуры

Используя полином Лагранжа, получаем уравнения изменения предела текучести и коэффициента вязкости от температуры в виде

О2)2 -84(Г/Ю2)+ 560; д = 0,15(Г/1 О3)2 -0,315(Г/Ю3)+ 0,915 -

Проведенные экспериментальные исследования позволили получить зависимости влияния температуры, скорости деформирования и вида напряженного состояния на предел текучести сдвига и коэффициент вязкости для стали 18ЮА. Установлено, что в исследуемых интервалах изменения указанных факторов температура существенно влияют на коэффициент вязкости и предел текучести сдвига. Скорость деформирования и вид напряженного состояния оказывают меньшее влияние. В связи с этим учитывать их влияние при исследовании процессов полугорячей деформации малоуглеродистой стали нецелесообразно.

Полученные математические выражения зависимости предела текучести сдвига и коэффициента вязкости от температуры можно использовать при теоретическом исследовании процессов полугорячей деформации малоуглеродистой стали.

В четвертом разделе осуществлен анализ напряженно-деформированного состояния процесса прессования с раздачей при условии, что среда в зоне деформации неоднородна, т. е. что механические свойства материала зависят от температуры, и рассмотрено влияние охлаждения на формирование эксплуатационных свойств. С этой целью поведен расчет температурного поля заготовки в момент пластической деформации с использованием классической теории теплопроводности. При транспортировке нагретых заготовок от нагревательного устройства в зону обработки они охлаждаются за счет излучения и конвекции. В то же время происходит переход тепла от более горячей части заготовки к более холодной вследствие теплопроводности, определяемой по закону Фурье. Уравнение теплопроводности в цилиндрической системе координат имеет вид

дТ (дгТ 1 дТ д2Т

— = а\ —г +--н--г

dt I дгг г дг 3Z-

(15)

где Т - температура в рассматриваемой точки; я — коэффициент температуропроводности; г и г — координаты рассматриваемой точки.

Решая уравнение теплопроводности (15) совместно с краевыми условиями, получим уравнение для расчета температурного поля в процессе охлаждения, которое имеет вид

ьк2 3 3 ( ГЛ ( г г О -1 (16)

г = г0+б'+—Е 2 ^«ЛЛ и«^ Ниту1—о—ттт—'

лГЛ™ и

где Г0 - начальная температура; Ь - скорость охлаждения; г - время; Я - радиус заготовки; А„= 2/ц„/!(ци); Ци = (2т-1)ти/2 - корни функции Бесселя; /г

функция Бесселя первого рода первого порядка; А„, = (-1)"'+1 * 2/ц„; ^ = > Го - число Фурье.

Расчет охлаждения температуры для различных точек тела при передаче в зону обработки показал, что для небольших заготовок, когда время передачи мало, существенного изменения температуры не происходит.

При адиабатических условиях пластического течения приращение температуры металла пропорционально накопленной пластической деформации:

(17)

где - предел текучести; с = 691 Дж/(кгтрад); с - удельная теплоемкость металла; р- плотность металла; р=7599 кг/м3; Я- интенсивность скорости деформации в узловой точке; („- время протекания процесса.

Для расчета значений приращения температуры была составлена программа на ЭВМ. В результате проведенного расчета получаем значения приращения температуры дал узловых точек в пластической областа. В зонах интенсивной деформации приращение температуры составляет 300.. .350 и

На основании проведенных расчетов температурного поля заготовки в момент начала пластического формоизменения и приращения температуры в результате пластического формоизменения определяем температурное поле в зоне деформации: Г#и=гн+ДГ/2;

где Тн - температурное поле зоны деформации в начале пластического формоизменения; ДТ - приращение температуры в результате пластического формоизменения.

Полученное температурное поле зоны пластической деформации (^ис. Ь) использовано для уточнения расчета пластической деформации.

.....]ГН»"Т' .......ГТТ™1

и и '«а и и и. Ц '«И

»«^"г« Ш !тй~ ¡лм'*» «Г« '*

-„',' -и VI чг да «V Ь« "М ш*"кГ к, и "«

ШпШ рг Ш* та* :

Л '«ЙгТгаЫда. Н« «а " а»" я* >* **..

¿а ид.....'НЙ "»

.....¡лГ та "га........гаУ'Нто'Гшзшч' =яп

л» ™ ™ ад м Ц ^

Рис. 6. Температурное поле в зоне пластической деформации Далее минимизация функционала проводилась с учетом изменения предела текучести и коэффициента вязкости в зоне деформации в зависимости от температуры.

В результате получаем значение полной мощности деформации ^ш1=27598,54 Вт, используя которое определяем технологическую силу Р = 137992,71 Н и удельную силу 9=1220,74 МПа и действительные поля составляющих скоростей перемещения по оси г.

Сравнение полученных результатов показывает, что мощность пластической деформации уменьшилась на 12,66 %, произошла и некоторая корректировка действительного поля составляющей скорости перемещения по оси г. Это говорит о необходимости учета неоднородности температуры в процессах полугорячей деформации.

Используя полученное поле составляющих скоростей перемещения по оси г и основные соотношения и уравнения осесимметричного пластического течения, определяем поля распределения компонент тензора скоростей деформации, интенсивность скоростей деформации сдвига Н и интенсивность скорости деформации, поля распределения перемещений, компоненты тензора деформаций, значение интенсивности деформации, компоненты тензора напряжений.

Полученная система дифференциальных уравнений для анализа осесимметричного пластического течения процессов полугорячего прессования с раздачей и использование точных методов решения, позволяют проводить оценку силовых режимов с полным анализом напряженно-деформированного состояния. Обычно на этом исследования заканчиваются. Однако после пластического формоизменения детали остывают и их эксплуатация и контроль осуществляются при нормальной температуре.

Процесса охлаждения существенно влияет на формирование эксплуатационных свойств деталей. Поэтому целесообразно рассмотреть процесс охлаждения. Решалась квазистатическая задача по охлаждению зоны деформации, представляющей собой сплошной цилиндр. Принятая система уравнений в перемещениях и граничные условия на поверхности позволяют методом разделения переменных определить составляющие вектора перемещения в любой точке охлаждаемого тела:

(18)

■V, =ос,(7о +Ы)г+ 1Р„,„/0(1<лл)5т(Я.(„_') + £/г.

пт ~ 1

По закону Гука вычислим напряжения через перемещения

(19)

а, =(*.„+ 2ц0 + + Х0 ^ . уГ ;

сг

сг сг г

=('-0 + +

сг сг дг

(д.Ч, ДУ2

Подставляя в уравнение (18) различные значения координат г, г и времени г, определяли составляющие вектора перемещения в любой точке охлаждаемого цилиндра в любой момент времени, а по уравнениям (19) соответствующие им компоненты тензора напряжений. Значения компонент тензора напряжений в момент полного охлаждения являются остаточными и характе-

ризуют механические свойства детали. Распределение интенсивности напряжений в зоне деформации представлено на рис. 7.

" Расчет напряжений позволяет

определить эксплуатационные характеристики (твердость), используя для этого полученные значения интенсивности напряжений и приведенную в работе Деля Г.Д. зависимость а, - Я - е,. Для процесса

прессования с раздачей полуфабри-Рис. 7. Распределение интенсивности катов из ^^ 18Юд тверд0сть НУ напряжений в зоне деформации со скоро- _ ^

стью охлаждения 3 град/с.

Пятый раздел посвящен разработке расчетной методики и проектированию высокоэффективных технологических процессов изготовления деталей с формированием требуемых свойств. Использование разработанной методики дает возможность прогнозировать силовые и деформационные характеристики, эксплуатационные свойства и устанавливать предельные степени деформирования при разработке новых технологических процессов изготовления деталей с заданными эксплуатационными свойствами на базе операций полугорячего прессования с раздачей при рациональном выборе режимов обработки.

1. Рубка

■а'

о/

<П

Пресс ПВ 100/800 Д,™ =1000 кН

5. Прессование с раздачей

Р0.5

/ Ш С;

иа 01 —Н

Пресс ВР-41 РПои. = 1200 кН

2. Калибровка

\012.5 _ 0!3~ Пресс КБ8338 />„„„ =6300 кН

6. Травление

+ Травить при 40-70 °С в р-ре 5-20% Н2804 + Промывка + Обезвоживание + Сушка

М-АФ-1 Производительность 1600+ 100 шт./мин

3. Подготовка поверхности заготовки под прессование с раздаче( -Ютчистка в НгЭО-! +Промывка +Смазка

Агрегат 1-АТ-1 Производительность 1800 ±100 пп./мин

; 1гч к« 55**

\09lT

Ч-1 тзш.

Линия М-ЛГ-2 Производительность 200±20нгг./мин

4. Нагрев заготовок

до температуры 760. 800 °С

КИН1-150/8 Производительность 15 шт./мин

8. Обезжиривание

+ Обезжиривание в тринатрий фосфата при 1=40-70°С + Промывка +Обезвоживание + Сушка

Линия 1-АОС-1М 2 Производительность 1600 шт./мин

9. Травление

+ Травить при 40-70 °С в в р-ре 5-20% Н2504 + Промывка + Обезвоживание + Сушка при 1=180-280°С М-АФ-1

Производительность 1600+ 100 штУмин

10. Вторая вытяжка

Линия М-ЛГ-2 Производительность 200 ±20 шт./мин

11. Отжиг

I зона(810+20)°С

II зона (780+20) °С

Электропечь ОКБ-355 Производительность 750 - 1050 нгг./мин

Рис. 8. Технологический процесс изготовления охотничьей гильзы

Следует выделить отличительные особенности предлагаемой методики расчета:

1. Расчет размеров ведется без учета окалинообразования, в связи с ее незначительностью и минимальными припусками на механическую обработку.

2. При расчете заготовки учитывалось изменение диаметрального размера в результате полугорячего прессования с раздачей.

3. Определение силовых параметров, напряженно-деформированного состояния ведется вариационным методом с учетом температурной неоднородности механических свойств.

Данная методика иллюстрируется на типовом примере изготовления стальной охотничьей гильзы. На рис. 8. показаны переходы предлагаемого технологического процесса с использованием операций полугорячего прессования с раздачей.

На основании изложенного можно сделать вывод о том, что внедрение подобных технологий и методик расчета в производство способно дать существенный экономический эффект.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе решена актуальная научная задача, имеющая важное хозяйственное значение для отраслей машиностроения и состоящая в повышении эффективности изготовления цилиндрических деталей методом полугорячего прессования с раздачей путем разработки научно обоснованных режимов технологических процессов, обеспечивающих формирование требуемых эксплуатационных свойств, а также сокращение трудоемкости и материалоемкости.

В результате теоретического и экспериментального исследований процесса полугорячего прессования с раздачей цилиндрических деталей получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Сформулированы определяющие соотношения и уравнения осесим-метричного пластического течения материала для анализа операций полугорячего прессования с раздачей, позволяющие определять напряженно-деформированное состояние, мощность и работу пластической деформации, и прогнозировать формируемые механические свойства деталей.

2. Определен характер изменения температуры в заготовке в процессе осесимметричного полугорячего прессования с раздачей, который дает возможность учитывать его влияние на формирование эксплуатационных свойств.

3. Проведены экспериментальные исследования и получены математические зависимости механических характеристик (предела текучести, коэффициента вязкости) стали 18ЮА от температуры.

4. Выполнен теоретический анализ операции полугорячего прессования с раздачей цилиндрических деталей, определены силовой режим, произведен полный анализ напряжено-деформированного состояния. Полученные результаты вычислений показывают, что предложенный метод, основанный на вариационном принципе и учитывающий изменение температуры в заготовке в процессе обработки, позволяет определять не только

деформированное и напряженное состояния, но и прогнозировать формирование эксплуатационных свойств получаемых деталей.

5. Установлено, что процесс полугорячего прессования с раздачей малоуглеродистых сталей можно проводить:

- в температурном интервале 740...780 °С. При этой температуре пластические свойства повышаются, а окалинообразование еще минимально, что дает возможность проводить расчет технологических операций без его учета;

- со степенями деформации у/ = 0,6...0,7. Удельная сила при этом q « 1400 МПа меньше рекомендуемых предельно допустимых значений;

- с получением диаметра детали в 1,33 раза больше диаметра заготовки. Это позволяет значительно увеличить высоту заготовки примерно в 1,7 раза и дает возможность использовать заготовки с соотношением высоты к диаметру #/£>=1,27, то есть H/D> 1, а при применении, например, операции обратного выдавливания заготовка имеет отношение Я/£>= 0,55. Заготовки с соотношением высоты к диаметру H/D> 1 можно получать в обычных штампах, не используя специальные штампы, например, с дифференцированным зажимом, что значительно сокращает трудоемкость производства и повышает производительность.

6. Проведен анализ процессов пластического формоизменения с определением силовых параметров, с учетом локальных неоднородностей распределения температуры. Сравнение полученных результатов показывает, что мощность пластической деформации уменьшилась на 12,66 %, произошла и некоторая корректировка действительного поля, составляющей скорости перемещения по оси г. Это говорит о необходимости учета неоднородности температуры в процессах полугорячей деформации.

Формирование получаемых механических свойств, происходит в основном в процессе охлаждения. На основании проведенных расчетов, охлаждения зоны пластической деформации полуфабриката, полученного полугорячим прессованием с раздачей на воздухе со скоростью Ь= 3 град/с, получено распределение интенсивности напряжений и соответствующее им значение твердости, которое показало, что для малоуглеродистой стали охлаждение на воздухе при температуре полугорячей обработки дает твердость HV = 130... 145, соответствующую твердости рекристаллизационного отжига. Это дает возможность исключить операцию рекристаллизационного отжига из технологии, сократив таким образом трудоемкость производства деталей.

7. Разработан пакет прикладных программ для расчета технологических параметров и изменения температуры в заготовке в процессах полугорячего прессования цилиндрических деталей. Использование пакета прикладных программ дает возможность уменьшить время проведения технологических расчетов и сократить сроки освоения выпуска продукции.

8. Даны рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления цилиндрических деталей с заданными эксплуатационными свойствами, и разработан технологический процесс изготовления стальной охотничьей гильзы. Технико-экономическая эффективность предлагаемого технологического процесса связана с применением прутковой заготовки при

оптимальном соотношении высоты и диаметра. При этом коэффициент использования материала повышается с 0,6 до 0,9 и снижается трудоемкость ее получения рубкой прутка на 15... 20 %. Применение полу горячей деформации в производстве деталей из малоуглеродистой стали позволяет исключить из технологического процесса рекристаллизационный отжиг после пластической деформации, что также сокращает трудоемкость. В целом трудоемкость изготовления охотничьей гильзы уменьшается на 30% по сравнению с существующей технологией, сроки подготовки производства в сокращаются 1,4 раза.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Дао Тиен Той, Журавлев Г.М. Испытание материала на сжатие при повышенных температурах // Известия ТулГУ. Технические науки. -Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. - Вып. 2. - Ч. 1. - С. 66-72.

2. Дао Тиен Той, Журавлев Г.М. Изготовление отхотничьей гильзы прессованием с раздачей в режиме полугорячей штамповке. // Известия ТулГУ. Технические науки. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. - Вып. 4. -С. 150-157.

3. Дао Тиен Той, Журавлев Г.М. Расчет силовых параметров полугорячего прессования с раздачей // Известия ТулГУ. Технические науки. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. - Вып. 6. - Ч. 2. -С. 291-300.

4. Дао Тиен Той, Журавлев Г.М. Расчет температурного поля в зоне пластической деформации // Известия ТулГУ. Технические науки. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. - Вып. 2. -С. 221-227.

5. Дао Тиен Той. Формирование механических свойств в зоне деформации после охлаждения // Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов: Материалы докладов Всероссийской НТК студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. - С. 11-15.

Изд.лиц.ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 6.03.2013 Формат бумаги 60x84 Vis- Бумага офсетная. Усл.печ. л. 0,9 Уч.изд. л. 0,8 Тираж 100 экз. Заказ 007 Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, проспЛенина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 95.

Текст работы Дао Тиен Той, диссертация по теме Технологии и машины обработки давлением

ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

04201355598

ДАО ТИЕН ТОЙ

На правах рукописи

ПРЕССОВАНИЕ С РАЗДАЧЕЙ В РЕЖИМЕ ПОЛУГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКИ

Специальность 05.02.09 Технологии и машины обработки

давлением

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Г.М. Журавлев

Тула 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ОБЪЕМНОЙ......................................12

ПОЛУГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ..............................................................................12

1.1. Классификация схем объемной штамповки................................................16

1.2 Теоретические методы анализа процессов пластического.........................20

полугорячего формоизменения............................................................................20

1.3. Экспериментальные методы анализа процессов пластического

формоизменения....................................................................................................24

1.4 Основные выводы и постановка задач исследований................................28

2. ПОЛУГОРЯЧЕЕ ПРЕССОВАНИЕ С РАЗДАЧЕЙ...............................................30

ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ...........................................................................30

2.1. Основные соотношения и уравнения осесимметричного..........................31

течения вязкопластических сред..........................................................................31

2.2. Постановка задачи и выбор метода анализа процесса................................34

осесимметричной полугорячей штамповки........................................................34

2.3. Вариационный подход к расчету мощности пластической.......................37

деформации в процессах полугорячей штамповки............................................37

2. 4. Основные результаты и выводы..................................................................46

3. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК..............................47

СТАЛИ 18ЮА ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ......................................47

3.1. Испытания материала на сжатие при повышенных температурах...........47

3.2. Определение условного предела текучести и построение кривых упрочнения для стали 18ЮА................................................................................50

3.3. Определение коэффициента вязкости в зависимости от...........................54

температуры для стали 18ЮА..............................................................................54

3.4. Основные результаты и выводы...................................................................56

4. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ПОЛУГОРЯЧЕГО ПРЕССОВАНИЯ С РАЗДАЧЕЙ.....57

4.1. Расчет температурного поля в зоне пластической деформации................57

4.2. Влияние неоднородности механических свойств на пластическое

формоизменение....................................................................................................63

4.3. Определение напряженно-деформированного состояния..........................64

полугорячего прессования с раздачей.................................................................64

4.4. Формирование механических свойств в зоне деформации........................71

после охлаждения..................................................................................................71

4.5. Основные результаты и выводы...................................................................77

5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. .79

5.1. Методика проектирования технологических процессов на базе операции полугорячего прессования с раздачей.................................................................79

5.2. Исходными данными для проектирования технологического..................82

процесса изготовления стальной охотничьей гильзы........................................82

5.3. Расчет технологического процесса...............................................................83

5.4. Предлагаемый технологический процесс изготовления стальной............90

охотничьей гильзы с использованием операции прессованием с раздачей....90

5.5. Использование результатов исследований в учебном процессе...............92

5.6. Основные результаты и выводы...................................................................93

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................................94

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ.........................................................98

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.........................................................................................................107

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.........................................................................................................129

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных тенденций развития современного машиностроения является разработка и внедрение новых технологий, повышающих качество изделий, снижающих трудоемкость, материалоемкость, себестоимость их изготовления. Особенно это актуально для изделий, к которым предъявляются высокие требования, как по точности конструктивных элементов, так и по высоким эксплуатационным характеристикам. К таким изделиям относятся корпусные осесимметричные изделия с толстым дном и тонкой стенкой, нашедшие широкое применение в различных отраслях промышленности и часто изготавливаемые методами обработки давлением. Обработка металлов давлением (ОМД) является одним из самых металлосберегающих производств, так как отходы при штамповке значительно ниже, чем при других способах производства. Однако использование при объемной штамповке прутковых заготовок приводит иногда к трудностям их получения в условиях массового производства. В техническом вооружении промышленности процессы ОМД играют весьма существенную роль, так как операции ОМД позволяет получать заготовки или детали необходимых форм, размеров и требуемых эксплуатационных свойств, что дает возможность рассматривать обработку давлением как составной элемент технологии производства различной продукции. Кроме того, обработка давлением является одним из самых металлосберегающих производств, так как отходы при производстве поковок и штамповок значительно ниже, чем при других способах производства. В целом эти отходы не присущи технологии объемной штамповке и большее или меньшее их количество характеризует лишь степень достигнутого технического совершенства данного производства поковок. Однако использование при объемной штамповке прутковых заготовок приводит иногда к трудностям их получения в условиях массового производства.

В настоящее время используются новые подходы к технологии изготовления за счет применения перспективных методов обработки металлов давле-

нием, к которым относится неполная горячая (полугорячая) обработка металлов и сплавов. Полугорячая штамповка позволяет значительно повысить деформационную способность металла, снизить удельную нагрузку на инструмент и, что еще более важно, за счет определенного подбора термомеханических режимов таких, как температура нагрева, степень и скорость деформации, скорость охлаждения после деформации получать детали с требуемыми эксплуатационными свойствами.

Применение полугорячего прессования с раздачей, повышая деформационную способность металла, дает возможность изменять в процессе обработки диаметральные размеры, позволяя использовать заготовки с оптимальным соотношением высоты и диаметра. Анализ полугорячей деформирования с точки зрения практической реализации показывает, что процесс представляет собой сумму сложных взаимосвязанных термомеханических воздействий: нагрев заготовки, пластическую деформацию и охлаждение после деформации, требующих построение сложных взаимосвязанных термомеханических моделей. Однако исследования пластического формоизменения, расчета температуры деформируемого тела и определения механических свойств в результате охлаждения, не нашло еще достаточно широкого применения в обработке давлением при разработке юхнологических процессов.

В связи с этим возникает актуальная научная задача по разработке рекомендаций, направленных на технологическое обеспечение процесса полугорячего прессования с раздачей, как комплексного взаимосвязанного исследования пластического формоизменения и расчета температуры деформируемого материала с целью формирования требуемых эксплуатационных свойств.

Цель работы. Повышение эффективности изготовления цилиндрических деталей методом полугорячего прессования с раздачей путем разработки теоретически обоснованных режимов технологических процессов, обеспечивающих формирование требуемых эксплуатационных свойств, сокращение трудоемкости и материалоемкости.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи исследований:

1. Сформулировать определяющие соотношения и уравнения осесимметрич-ного пластического течения материала для анализа операций полугорячего прессования с раздачей с учетом влияния неоднородности температуры и охлаждения.

2. Определить характер изменения температуры в заготовке в процессе осе-симметричного полугорячего прессования с раздачей, который дает возможность учета его влияния на формирование эксплуатационных свойств в деталях.

4. Выполнить теоретический анализ операции полугорячего прессования с раздачей цилиндрических деталей.

7. Дать рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления цилиндрических деталей с использованием операции полугорячего прессования с раздачей с заданными эксплуатационными свойствами.

Объект исследования. Технологические процессы прессования с раздачей в режиме полугорячей штамповки.

Предмет исследования. Прессование с раздачей цилиндрических деталей в режиме полугорячей штамповки.

Методы исследования. Исследования операции прессования с раздачей цилиндрических деталей в режиме полугорячей штамповки выполнены с использо-

ванием основных положений теории пластичности и базируются на использовании законов осесимметричного течения вязкопластической среды и элементов теории теплопроводности. Расчет силовых параметров процесса осуществлен численно методом локальных вариаций с учетом температурной неоднородности механических свойств материала в зоне деформации. Анализ напряженного и деформированного состояния и температурных воздействий осуществлен аналитически решением соответствующих уравнений. Автор защищает:

- результаты теоретических исследований полугорячего прессования с раздачей;

- установленные количественные зависимости влияния технологических параметров, температуры и скорости охлаждения на силовые режимы и напряженно-деформированное состояние процесса полугорячего прессования с раздачей цилиндрических заготовок и формирование заданных эксплуатационных свойств;

- разработанные рекомендации по проектированию технологии изготовления корпусных деталей па базе операций полугорячего прессования с раздачей, обеспечивающей формирование требуемых эксплуатационных свойств.

Научная новизна: Установление закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния, температуры на основе решения комплексной

термомеханической задачи, позволяющей прогнозировать формирование механических свойств, получаемых заготовкой в процессах полугорячего прессования с раздачей.

Реализация работы. Отдельные результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе при подготовке специалистов и магистров по специальности 170104 «Высокоэнергетические устройства автоматических систем» и включены в разделы лекционных курсов «Технологическая механика», «Современные методы подготовки производства», а также применяются в научно-исследовательской работе студентов и при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 98

наименовании, 2 приложения и включает 97 страницы машинописного текста, 31 рисунков и 4 таблицы. Общий объем - 130 страниц.

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе научной задачи, сформулированы цели работы, положения, выносимые на защиту, научная новизна, методы исследования, практическая ценность, приводятся данные о реализации работы, публикациях, структуре и объеме диссертационной работы, краткое содержание разделов диссертации.

В первом разделе рассмотрено современное состояние теории и технологии объемной деформации конструкционных материалов, проведен анализ существующих технологических процессов изготовления пространственных деталей полугорячей объемной штамповкой, которая обеспечивает получение деталей с высокой точностью размеров и формированием заданных эксплуатационных свойств. Исследованию процессов полугорячей объемной штамповке посвящены многие работы отечественных и зарубежных ученых: Ю.А. Алюши-на, A.A. Богатова, P.A. Васина, С.И. Губкина, Г.А. Гуна, Г.Д. Деля, A.M. Дмитриева, A.A. Илыошина, Е.И. Исаченко, Ю.Г. Калпина, Л.М. Качанова, B.JI. Колмогорова, В.Г. Конопенко, С.С. Кутателадзе, В.Д. Кухаря, A.B. Лыкова, Е.М. Макушка, Н.Н Малинина, А.Д. Матвеева, П.П. Мосолова, В.П. Мясникова, Р.И. Непершина, В. Новацкого, Овчинникова, В.А. Огородникова, Е.А. Попова, И.П. Ренне, Е.И. Семенова, Г.А. Смирнова-Аляева, Л.Г. Степанского, И.Я. Тарковского, С.П. Тимошенко, А.Д. Томленова, Е.П. Унксова, С.П. Яковлева, Дж. Белла, Дж. Гудьера и других [14, 26, 27, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 67, 69, 77, 78, 87, 88, 89, 92, 97, 98]. В работах этих ученых разработаны методы анализа объемного полугорячего деформирования. Однако анализ литературных данных указывает на недостаточное изучение вопроса по решению связанной термомеханической задачи, учитывающей влияние деформационных режимов и температуры на формирование требуемых эксплуатационных свойств.

На основе проведенного обзора поставлена научная задача по разработке рекомендаций, направленных на технологическое обеспечение процесса полу-

горячего прессования с раздачей, как комплексного взаимосвязанного исследования пластического формоизменения и расчета температуры деформируемого материала с целью формирования требуемых эксплуатационных свойств.

Во втором разделе выписаны основные соотношения и уравнения, используемые при теоретическом анализе пластического формоизменения осесиммет-ричных деталей при полугорячей деформации. Используя основные соотношения энергетического уравнения, которое характеризует состояние материала при данных условиях обработки и метод баланса мощностей записан функционал, представляющий собой разность мощностей внутренних и внешних сил, действующих на систему. Составленный функционал решается методом локальных вариаций, с определением мощности пластической деформации и нахождением действительного поля, составляющей скорости перемещения вдоль оси г при постоянных значениях коэффициента вязкости и предела текучести сдвига в пластической области.

В третьем разделе, Приведены результаты экспериментального определения значения и изменения предела текучести и коэффициента вязкости в зависимости температуры.

Четвертый раздел осуществлен расчет процесса прессования с раздачей при условии, что среда в зоне деформации неоднородна, т. е. механические свой�

Похожие работы

Машиностроение и машиноведение
05.02.00