автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Разработка металлосберегающих технологий вытяжки-отбортовки осесимметричных деталей с отверстием в дне на основе анализа закономерностей деформации при наличии управляющих факторов

Титов Антон Юрьевич

4858514

РАЗРАБОТКА МЕТАЛЛОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ВЫТЯЖКИ-ОТБОРТОВКИ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ С ОТВЕРСТИЕМ В ДНЕ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ НАЛИЧИИ УПРАВЛЯЮЩИХ ФАКТОРОВ

Специальность 05.02.09 Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-ЗНОЯ 2011

Нижний Новгород - 2011

4858514

Работа выполнена в Ульяновском государственном техническом университете на кафедре «Материаловедение и обработка металлов давлением»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Филимонов Вячеслав Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Пачурин Герман Васильевич

кандидат технических наук, доцент Королев Петр Михайлович

Ведущая организация: Ульяновский научно-технологический

центр - филиал ФГУП ВИАМ - Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов, г.Ульяновск

Защита диссертации состоится «23» ноября 2011 г. в 14 часов на заседании совета Д 212.165.09 в Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ГСП - 41, ул. Минина, д. 24, ауд. 1258

Телефон для справок: (8314)36-83-46,36-23-91.

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим папраБЛлТЬ вышеуказанному адрссу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «17» октября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

канд. техн. наук, доцент Б.В.Устинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Основной тенденцией современного машиностроения является применение металлосберегающих технологий, обеспечивающих высокое качество продукции при изготовлении деталей, в частности листовой штамповкой. В номенклатуре изделий, получаемых листовой штамповкой, значительную долю составляют детали типа тел вращения с отверстием в донной части. Традиционно такие детали изготавливаются вытяжкой с последующей пробивкой отверстия. При этом коэффициент использования металла составляет 0,5-0,75; особенно он мал при изготовлении деталей с относительно большим отверстием типа ободков, колец, оправ, сепараторов подшипников и т.п.

Повысить производительность (за счет сокращения числа переходов) и существенно увеличить коэффициент использования металла можно путем совмещения операций вытяжки и отбортовки (вытяжка-отбортовка). Деталь изготавливается из плоской заготовки (или полуфабриката, полученного вытяжкой или формовкой), с предварительно пробитым отверстием, размеры которого меньше размеров отверстия в дне готовой детали. Формообразование детали в этом случае осуществляется не только за счет течения металла с периферийной части заготовки (за счет вытяжки), но и интенсивного деформирования внутренней ее части, примыкающей к отверстию, т.е. за счет неполной отбортовки.

Несмотря на очевидные преимущества процесса вытяжки-отбортовки, он не получил широкого распространения в листоштамповочном производстве ввиду того, что при деформировании периферийная часть заготовки и внутренняя часть, примыкающая к отверстию, упрочняются с разной степенью и процесс не отличается стабильностью. Недостаточная изученность особенностей формоизменения заготовки при вытяжке-отбортовке в зависимости от условий осуществления процесса, возникновение различных дефектов заготовок при формообразовании, отсутствие данных о предельных деформациях и коэффициентах вытяжки-отбортовки, отсутствие научно-обоснованных рекомендаций и методик проектирования - все это сдерживает применение вытяжки-отбортовки в промышленности. Создание методики расчета и проектирования процессов вытяжки, совмещенной с отбортовкой, на основе научно обоснован-

ШТУ Пр'К^Т^Я ПОЧСППМ З^Д^ЧбЙ, СТОЯЩЕЙ П^рОД СОВрС"

менным производством.

Работа посвящена выработке технических решений, направленных на ме-таллосбережение и повышение качества осесимметричных деталей с отверстием в дне, изготавливаемых вытяжкой отбортовкой с учетом управляющих факторов на основе теоретических и экспериментальных исследований, что подтверждает актуальность выбранной темы.

Цель работы: Повышение эффективности изготовления осесимметричных деталей с отверстием в дне вытяжкой-отбортовкой с учетом управляющих факторов.

Объектом исследования являлись процессы вытяжки-отбортовки и средства их реализации. Предметом исследования было повышение эффективности изготовления осесимметричных деталей с отверстием в дне вытяжкой-

отбортовкой с учетом управляющих факторов, направленное на металлосбере-жение, снижение трудоемкости и повышение качества.

Методологической и теоретической основой для разработки служили работы отечественных и зарубежных исследователей в предметной области: Ю.А. Аверкиева и А.Ю. Аверкиева, Ю.М. Арышенского, Ф.В. Гречникова, В.И. Ершова, В.А. Жаркова, 3. Марчиньяка, А.Д. Матвеева, Г.А. Матвеева, А.Г. Овчинникова, Е.А. Попова, JI.A. Шофмана, С.П. Яковлева и С.С. Яковлева и других ученых.

Информационной базой работы служили монографии, учебники, справочники, описания патентов, информационные ресурсы Интернет и публикации в отечественных и зарубежных журналах.

Методы исследования: 1) методы теории ОМД (инженерный метод и метод баланса работ); 2) металлографические методы и измерение твердости; 3) методы измерений линейных и угловых характеристик; 4) метод полнофакторного эксперимента и статистического анализа (обработку данных проводили в пакете StatGraphics Centurion).

Задачи исследований: 1) разработать математическую модель процесса вытяжки-отбортовки с учетом упрочнения материала и управляющих факторов процесса, позволяющую на основе анализа параметров напряженно-деформированного состояния не только прогнозировать характер формоизменения заготовки, но и управлять процессом деформирования; 2) исследовать экспериментально процесс вытяжки-отбортовки с целью установления влияния основных технологических параметров на характер деформирования, выявления предельных возможностей процесса и оценки достоверности математических моделей; 3) на основе экспериментальных и теоретических данных разработать методику проектирования технологий вытяжки-отбортовки с учетом управляющих факторов, а также прикладную программу расчета основных технологических параметров процесса; 4) разработать технические решения, воплощенные в технологическое оснащение и направленные на интенсификацию процесса деформирования и металлосбережение; 5) разработать и внедрить в производство металлосберегающие технологические процессы штамповки деталей на основе вытяжки-отбортовки с учетом управляющих факторов.

Автор защищает полученные результаты работы, определенные задачами 1-5, сформулированными выше.

Лично автором и с его участием разработаны: классификатор осесим-метричных деталей (60 %), математические модели вытяжки-отбортовки с учетом управляющих факторов (70 %), регрессионная модель вытяжки-отбортовки (80 %), методика и алгоритм расчета и проектирования технологии (80 %). На основе проведенных экспериментальных исследований выработаны рекомендации по назначению оптимальных технологических режимов, предложены технические решения, направленные на металлосбережение и повышение качества продукции; а также технические решения по конструкции штампов и вспомогательных устройств, на которые получены шесть охранных документов патентного ведомства РФ (доля участия соискателя - 30-35 %).

Соискателем лично разработано технологическое оснащение, проведен авторский надзор за его изготовлением, проведены экспериментальные исследования и выполнена обработка результатов, изготовлены образцы и проведены их испытания; при непосредственном участии соискателя внедрены процессы и технологическое оснащение на ОАО «Утес» (г. Ульяновск). Лично автором разработана в среде Ве1рЫ-5 и внедрена на ОАО «УАЗ» программа расчета процессов вытяжки-отбортовки. Творческий вклад автора в опубликованных работах приведен в заключении УлГТУ (организации, где выполнена работа).

Научная новизна работы заключается в разработке математических моделей процесса вытяжки-отбортовки при наличии управляющих факторов, позволяющих определять преимущественный вид деформирования, рассчитывать предельные возможности формообразования и назначать рациональные режимы формообразования, рассчитывать размеры исходной заготовки. Разработанные шесть основных и вспомогательных устройств, позволяющие расширить технологические возможности процесса вьггяжки-отбортовки, обладают новизной и защищены патентами РФ на полезную модель.

Практическая значимость заключается в разработке и практическом применении алгоритма и программы расчета параметров металлосберегающих процессов вытяжки-отбортовки. Практическая ценность работы подтверждается промышленным внедрением технологии изготовления деталей «Каскад», «Обод», «Сепаратор» (повышающей коэффициент использования металла на 7-13% и качество деталей) на промышленных предприятиях РФ с суммарным годовым экономическим эффектом 377 тыс. рублей.

Достоверность результатов обеспечена применением альтернативных методов исследования: теоретических и экспериментальных. Экспериментальные исследования подтвердили достоверность применяемых теоретических моделей с точностью от 5 до 15 %, что представляется удовлетворительным для практических целей.

Публикации и апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы в 23 печатных работах, в том числе 6 патентах на полезную модель, а также 1 статья в рецензируемом журнале, рекомендованным ВАК. Ма-

трпцапп пкрроп-мимн Ат^ппЛкйапппгш* ч пКтли'Алггпгч, иа 'Г\'Г7П П/1 Г7 \ ц I У

vu.kii.vu.um.rivw •• №. ...... ...у..^ ..и^«^.«.! .....

«Современные ПрОоЛсмЫ МаШйНОСТрОсНйЯ И ТраНСПОрТа» (г. УЛЬЯНОВСК, 2003 г.), ежегодных НТК УлГТУ (2003-2010), зональных НТК «Молодежь Поволжья науке будущего» (г. Ульяновск, 2003 г.) и «Актуальные вопросы промышленности и прикладных наук» (г. Ульяновск, 2004 г.), всероссийской НТК «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении» (г. Бийск, 2003 г.), «Молодежном инновационном форуме» (г. Ульяновск, 2009 г.), всероссийской НТК «Студенческая научная весна 2011: Машиностроительные технологии» (г. Москва, МГТУ), кафедре «Материаловедение и ОМД» Ульяновского государственного технического университета. Научные работы соискателя были удостоены дипломов и грамот университета в 2009 и 2011 гг. по результатам конкурсов на лучшую научную работу.

Структура и объем диссертации. Работа, состоящая из четырех разделов и изложенная на 148 страницах (основной текст), включает 115 рисунков, 37 таблиц, 126 источников литературы и приложения.

Работа выполнена в Ульяновском государственном техническом университете (кафедра «Материаловедение и ОМД») в соответствии с тематическим планом кафедры и по договору Д10-195/20-УП от 20.10.2006 на создание научно-технической продукции «Интенсификация формообразования заготовок» с ООО НИЦ «МИТОМ» (г. Ульяновск), а также по договорам с ОАО «Утес» (г. Ульяновск) и ОАО «Волжский подшипниковый завод».

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю и коллегам за оказанную помощь и поддержку в процессе подготовки работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность задач, указана цель работы, а также приведены общие сведения по диссертационной работе.

В первом разделе на основе изучения монографий, учебников, справочников, описаний патентов, информационных ресурсов Интернет и статей в отечественных и зарубежных журналах выявлено состояние вопроса в предметной области. Проведенный анализ классификации осесимметричных деталей выявил нецелесообразность включения в них деталей со ступенчатой стенкой, при этом форма донной части детали должна обеспечивать интенсификацию процесса деформирования за счет управляющих факторов. На основе изучения промышленного применения осесимметричных деталей с отверстием в дне показано, что наиболее подходящим объектом для применения металосберегаю-щих операций вытяжки-отбортовки являются цилиндрические и конические детали массового производства типа корпусов и ободков бытовых и промышленных приборов (барометров, манометров, термометров), сепараторов подшипников качения, а также элементов осветительной арматуры. Показано, что внедрение металлосберегающих технологий на 30 % деталей номенклатуры подшипников, позволяющих снизить норму расхода металла на их сепараторы в среднем до 10 %, позволит получить экономию в размере 14-18 млн. рублей в год, что более, чем на порядок превышает затраты на разработку и внедрение технологии вытяжки-отбортовки в промышленность. Установлено, что среди формующих операций наиболее материалосберегающей операцией является вытяжка-отбортовка, а наиболее часто употребляемыми в промышленности материалами являются низкоуглеродистые стали класса 08. Изученные вопросы технологичности изготовления осесимметричных деталей позволили установить требования к элементам деталей рассматриваемой номенклатуры.

Рассмотрение теоретических работ в предметной области выявило отсутствие математических моделей процессов вытяжки-отбортовки, учитывающих упрочнение заготовки, торцовое поджатие, соответствующие ему силы прижима и контрприжима, а также ряд других управляющих факторов. Это сдерживает внедрение процессов вытяжки-отбортовки в промышленность.

Анализ известных способов изготовления осесимметричных деталей с отверстием в донной части показывает их недостаточную эффективность в отношении достижения предельных размерных соотношений (ДБ/ 80; <У<1о; <УОвыт) и металлосбережения, что требует разработки новых способов, совмещающих

вытяжку и отбортовку. Имеющиеся в первоисточниках сведения относятся к частным случаям и недостаточны для разработки рекомендаций по выбору оптимальной геометрии заготовок и технологической оснастки, рациональных технологических режимов деформирования, оптимальных параметров управляющих факторов при вытяжке-отбортовке. Отсутствуют данные по оценке характера влияния основных параметров процесса (силы прижима и контрприжима, силы торцового поджатая, толщины материала, диаметров заготовки и отверстия, радиусов скругления матрицы и пуансона, угла конусности детали и др.) на величину предельного формоизменения при вытяжке-отбортовке с учетом управляющих факторов. Анализ процессов формообразования осесимметричных деталей с отверстием в дне на основе ряда патентов позволил выявить их недостатки и достоинства. Последние приняты в рассмотрение при создании нового технологического оснащения и алгоритма разработки технологии.

Исследование вопросов применяемого для вытяжки-отбортовки оборудования показало, что разнообразие производимого в настоящее время оборудования позволяет выбрать подходящее листоштамповочное оборудование, позволяющее обеспечить эффективное управление технологическим процессом для достижения планируемого уровня эффективности.

Изучение патентной и технической литературы по теме позволило выявить проблемы, определить эффективные способы изготовления деталей, наиболее применимые материалы, оборудование и номенклатуру деталей для исследования, сформулировать задачи работы.

Во втором разделе на основе разработанного классификатора осесимметричных деталей с отверстием в дне уточнена номенклатура деталей для исследования, сформулированы допущения для теоретического анализа процессов формообразования, приведены расчетные схемы и основные соотношения теории пластичности для их использования при теоретическом анализе.

При исследовании схемы, предусматривающей использование конической оправки для создания торцового поджатая (рис. 1), применяли инженерный метод, базирующийся на использовании уравнения равновесия:

¿■о г

р.

d-р

- + СГ

1+J

м-Р

эту

Og - cosy

(1)

где сУр, ае - напряжения в меридиональном (радиальном) и широтном направлениях соответственно, МПа; р - текущее значение радиуса, мм; 8 - толщина заготовки, мм; ц - коэффициент трения; у- угол образующей инструмента по отношению к оси симметрии заготовки, рад.

Условие пластичности, с учетом допущений для данного случая представляется в виде:

<ге =<т5(2)

Рис. 1. Схема вытяжки-отбортовки со встречной оправкой: 1 - матрица; 2 - полый пуансон; 3 - коническая оправка 7

где а8 - предел текучести материала, МПа; П - модуль упрочнения, МПа; - интенсивность деформаций.

Предварительный анализ соотношений силовых параметров на кромке от-

верстия показал, что при торцовом поджатии и™

,+35„

\2-tgi

-, превышаю-

щем 0,16 ст5, возникает изгиб заготовки и ее прилегание к конической оправке.

Для этого случая совместное решение уравнений (1) и (2) с нулевыми условиями на контуре отверстия позволило получить следующее решение для радиального напряжения части заготовки в зазоре между матрицей и пуансоном:

•(1 + ц-с/£у)-

( \ г 1 от «V5

V / п) ' г*+5/2

ехр(ц'р),

(3)

1,0

0,8

1 0,6

ь

0.4

с

0,2

/\ \±_ /\ \_2_ V.

30

45

50

60

где геометрические параметры соответствуют обозначениям рис. 1.

Влияние радиуса отверстия на уровень радиальных напряжений в соответствии с решением (3) показано на рис. 2, а глубины формовки (угла (3) и коэффициента отбортовки £ = гот/(гг-г„)-на рис. 3.

Согласно модели (3), на контуре отверстия радиальные напряжения отсутствуют, а при приближении к значению радиуса внутренней выемки пуансона они растут, причем, по мере увеличения различия между радиусом отверстия и радиусом выемки пуансона их значения увеличиваются с тенденцией достижения предела текучести, что хорошо иллюстрируется рис. 3, на котором показаны предельные значения относительных радиальных напряжений и технологически допустимые области, обозначенные стрелками и заштрихованными зонами. При этом предельные коэффициенты отбортовки, в зависимости от этапа деформирования, задаваемого значением р, с точностью до 7-11 % коррелируют с рекомендуемыми значениями коэффициентов отбортовки по В.П. Романовскому. В предельном случае решение (3) совпадает с

Рис. 2. Зависимость относительного радиального напряжения от радиуса отверстия: 1, 2, 3 - г™- = 30, 40 и 50 мм соответственно

0,8

О 0.6 -Л О

0.4

0,2

N I 1 км! Щ • ШУУЛ 3 I //////А '///У//.

Щ. \ п у

\ ¿¿"■Л- Хчч?^

Г1 Г* > '.Л V к

0,3 0,4 0,5 0,6

0.7

0,8 0,9 1,0

Рис. 3. Зависимость относительного радиального напряжения от коэффициента отбортовки: 1, 2, 3 - (3 = 10, 30 и 50° соответственно

классическим решением Е.И. Попова для отбортовки. Взаимосвязь параметра нагружения 3 и напряжения в стенке заготовки может использоваться в качестве модели управления процессом вытяжки-отбортовки в специальных технологических машинах с сервоприводами исполнительных механизмов, охваченных системой ЧПУ.

Несмотря на простоту схемы раздачи отверстия с помощью конического пуансона, она имеет свои недостатки: 1. Перегиб на скруглении внутренней кромки пуансона; 2. Дополнительное упрочнение кромки отверстия; 3. Скос торца отверстия; 4. Остаточные депланации дна после деформирования.

Одним из путей устранения этих недостатков является применение эластичной среды (рис. 4).

Для этого случая уравнение равновесия и условие пластичности соответственно имеют вид:

- = О,

¿Р Р а -0„ =-(ст., +П-е,).

В условии (5) интенсивность деформаций и входящие в ее величины задаются таким образом:

п _ п В й 2-7х2-ЗС + 1 е, = £>р-В, О = —, В =

Я*

М

Рис. 4. Расчетная схема процесса вытяж-ки-отбортовки с применением эластичной среды

где х - соотношение радиального и тангенциального напряжений.

Совместное решение уравнений (4) и (5) с граничным условием аР(р = Яо) = а0 , а также учетом изгиба-разгиба заготовки, сил трения и действия контрприжима приводит к следующему максимальному радиальному напряжению для дна заготовки, в котором обозначение силовых и геометрических параметров соответствует рис. 4:

г „ ____1

а,

,Рс

ч

П . ГЧ

. О Л _гг

"О)

Г61

Анализ решения (6) показывает, что уменьшение коэффициента трения в два раза приводит к уменьшению предельного коэффициента отбортовки на 8-10 %. Уменьшение коэффициента трения может быть достигнуто за счет уменьшения сродства материала заготовки и технологического оснащения, улучшения чистоты обработки поверхности инструмента, применения надлежащих смазок. При использовании эластичных материалов в качестве рабочей поверхности контрприжима, контактное трение в модели (6) необходимо учитывать по-другому: вместо удвоения коэффициента трения в последнем члене модели следует складывать коэффициенты трения, относящиеся к нижней и верхней поверхности донной части заготовки.

Уменьшение радиуса скругления пуансона примерно в два раза ведет к повышению уровня радиальных напряжений и повышению предельного коэффициента отбортовки на 7-11 %. Уменьшение радиусов скругления пуансона хотя и нежелательно, однако бывает необходимо в случаях, когда в конструкции детали не учтены требования технологичности, или же когда такие радиусы продиктованы особыми требованиями к детали. Однако применение торцового поджатия отчасти компенсирует негативный эффект от уменьшения радиуса скругления пуансона.

Рис. 5 показывает, что приложение торцового поджатия до уровня 25% от предела текучести существенно снижает предельный коэффициент отбортовки: (с 0,67 до 0,48). Это наиболее действенный инструмент интенсификации процесса отбортовки.

Предотвращение изгиба (депланаций) заготовки при торцовом поджатии предполагает применение контрприжима. Эта вынужденная мера уменьшает технологические возможности отбортовки, что хорошо видно на рис. 6. С ростом силы прижима уменьшается коэффициент отбортовки: увеличение силы прижима с

1 кН до

2 кН приводит к увеличению коэффициента отбортовки на 4 %. Одним из путей снижения силы контрприжима является применение тарельчатой оправки,

ОиССПсЧйВйЮЩёЙ НОрМИрОванный зазор под заготовку между оправкой и донной частью пуансона.

Решение модельной задачи о деформировании донной части заготовки сжимающими напряжениями сто на контуре отверстия и растягивающими вблизи кромки скругления пуансона Стф позволило получить трансцендентное уравнение

Рис. 5. Зависимость относительного радиального напряжения от величины торцового поджатия: 1, 2, 3,4 - со = 20; 40; 50 и 60 МПа соответственно

0.6

> 0.4

0.2

N Ч Д

1 1 1 ! ! Ч\| 1 1 \ 1 1 чх 3

$0=1 мм П=200 МПа

" Ц=0,2 ао=40 МПа К„-60 мм

г„=3 мм

МН

0.4

0.5

0.6

0.7 к.-

0.8

0.9

Рис. 6. Зависимость относительного радиального напряжения от величины силы контрприжима: 1, 2, 3, 4 - С>пр = 4,0; 3,0; 2,0; 1,0 кН соответственно

На рис. 7 показан дрейф нейтральной окружности радиальных напряжений в зависимости от величины торцовых нагрузок. Здесь принято С, = (оф+оо)/(2о5). К сожалению, зависимость (8) не позволяет указать какое из напряжений в показателе экспоненты оказывает большее влияние на дрейф нейтральной окружности при деформировании. Но можно определить совместное действие этих напряжений, приводящее к выходу нейтральной окружности на участок скругления пуансона (см. стрелки на рис. 7).

Для определения радиальных напряжений фланцевой части заготовки решали уравнение (4) совместно с условием пластичности

(9)

Рис. 7. Зависимость радиуса нейтральной окруж-носи от фактора торцовых нагрузок: 1,2,3,4 - Яо = 20, 30, 40 и 50 мм соответственно

Граничное условие при р = кт для данного случая имеет вид:

„ С £> \ -

\ ' V 7 I -

ПГп

Полученные максимальные напряжения с учетом изгиба-разгиба заготовки на скруглении матрицы (получено методом баланса работ при наличии упрочнения заготовки), сил трения на ребре матрицы и действия силы прижима (Оп^) представляются в виде:

<х„ = С-1п

Ят

+ вп\

-1 +

£7, + Л

2 г„ + 5"„

2 г

л-Кф А

где Кф - внутренний радиус плоского кольцевого участка заготовки, мм; а - угол наклона боковой стенки заготовки. Здесь С = П-В + а

для определения дрейфа нейтральной окружности рн:

-В-П- 1п

Оценка в среде Ма1ЬСАЭ2001Рго величин второго и третьего члена в правой части уравнения (7) показывает, что в области практических значений входящих параметров они не превышают 1,67 МПа, что в сравнении с первым членом составляет менее 1%. Поэтому из уравнения (7) получаем радиус нейтральной окружности:

(8)

55

0,94

0,92

0,90

0,88

0,86

0,84

\ 3

\ г ____

180

195

200

На рис. 8 представлена зависимость относительного радиального напряжения от модуля упрочнения и силы прижима, показывающая, что давление прижима является важным управляющим фактором. Также показано, что на уровень радиальных напряжений существенно влияет коэффициент трения, а также радиус скругления матрицы: с уменьшением радиуса скругления матрицы с 5 до 3 мм предельный коэффициент вытяжки (кв = Кф/Ят) изменяется с 0,58 до 0,66.

Модели для расчета радиальных напряжений от деформирования фланца (11) и радиальных напряжений от деформирования донной части (6) позволяют определять вид преимущественного деформирования на основе их сравнения. Для этого введен показатель преимущественного деформирования в виде:

£ = (12)

185 190 П, МП а —

Рис. 8. Зависимость относительного радиального напряжения от модуля упрочнения и силы прижима: 1, 2, 3 -0„ф = 30,42 и 54 кН соответственно

а также индикаторная функция преимущественного деформирования:

\ +, если £ > 0 (деформация , если £ < 0 (деформация

(13)

Рис. 9. Значения показателя преимущественного деформирования от коэффициентов вытяжки и отбортовки: 1,2,3 — Кот = 0,5; 0,6 и 0,7 соответственно

дна ), фланца ).

Показатель преимущественного деформирования (12) количественно характеризует соотношение радиальных напряжений во фланцевой и донной части заготовки (рис 9); и то время как индикаторная функция (13) позволяет только прогнозировать преимущественный вид процесса.

В практическом плане расчетная процедура строится следующим образом. Для заданных геометрических параметров детали, подлежащей изготовлению, на основе свойств материала заготовки и предельного коэффициента непол-

ной отбортовки для предполагаемой технологии (способа изготовления) определяют радиус отверстия, а затем - диаметр заготовки с учетом операции вы-тяжки-отбортовки, в этом случае обеспечивается максимальный коэффициент использования материала.

Осуществление вытяжки-отбортовки требует равенства величин радиальных напряжений от деформирования фланцевой и донной частей заготовки. Управление преимущественным видом процесса может осуществляться изменением давления прижима, торцового поджатая и диаметра отверстия в заготовке, величины которых позволяют определить математические модели (6, 11). В ряде случаев такое управление может достигаться специальной конструкцией технологического оснащения.

В третьем разделе представлены результаты экспериментальных исследований вытяжки-отбортовки на широко распространенных в листовой штамповке материалах сталей 08 - 08кп, 08Ю, 08пс толщиной 0,6 - 2,5мм.

Экспериментальные исследования проводили в лабораторных условиях УлГТУ на однокривошипном прессе простого действия КВ-2324, в производственных условиях ОАО «Утес» г. Ульяновск с использованием пресса К-2132, а так же на ОАО «Волжский подшипниковый завод» (ГПЗ-15), г. Волжский, на многопозиционном прессе Эрфурт-320. Для исследований формообразования вытяжки-отбортовки был изготовлен экспериментальный штамп, матрицы и пуансоны различных типоразмеров (рис. 10).

Рис. 10. Рабочие детали штампа различных типоразмеров

Для установления свойств исходного материала сертификатам на его поставку и для определения параметров упрочнения проводили исследования на одноосное растяжение. Полученные механические характеристики материалов отличались не более чем на 3...5% от заявленных значений в сертификатах. Параметры упрочнения для последующего их использования в программе расчета технологических параметров получали методом наименьших квадратов.

Экспериментальные исследования по влиянию основных факторов вытяжки-отбортовки осесимметричных заготовок с отверстием в дне на процесс формообразования проводили на стали 08кп толщиной Бо = 0,9; 1,8; 2,5 мм,

диаметр пуансона 67,1 мм, диаметр заготовки 140,2 мм. Варьировались следующие параметры: давление прижима 1, 2 и 3 МПа; радиус скругления кромки пуансона 3, 6 и 9 мм; диаметр отверстия 20, 25 и 30 мм; давление торцового поджатая 7,6; 15,3 и 22,9 МПа. Сочетание факторов при проведении опытов, использовали во всех возможных комбинациях. Заготовки (по три образца на каждый опыт) подвергали поэтапной вытяжке на глубину Н = 31,2 мм с шагом 5,2 мм. После каждого очередного деформирования заготовки измеряли выходные параметры: Эф - диаметр фланца, Sk - толщина заготовки на кромке отверстия, dk - диаметр отверстия, и вычисляли деформации фланца£D=(E)o - D<j,)/Do и отверстия Б d =(dK - do)/d0.

Анализ результатов показывает, что формообразование боковой поверхности образцов идет одновременно за счет фланцевой и внутренней части заготовки. Установлено, что с увеличением толщины заготовки с 0,9 до 2,5 мм и радиуса скругления кромки пуансона с 3 до 9 мм увеличиваются окружные деформации внутренней части заготовки на 12 и 8,3% соответственно. С увеличением давления прижима от 1,0 до3,0 МПа увеличивается относительное утонение кромковой части отверстия на 6,6%, а увеличение давления торцового поджатия с 7,6 до 22,9 МПа уменьшает относительное утонение на 2,6%. При этом значительно увеличиваются окружные деформации: до 18% (рис. 11,а) и до 25% (рис. 11 ,б) соответственно.

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

/

/ /

1 //

з У 2 //

П ПА О ПО (I 19 ПН

(1 15

а) б)

Рис. 11. Влияние прижима и торцового поджатия на деформации отверстия и фланца £в при вытяжке-отбортовке: а) кривые 1, 2, 3 - ч„Р = 1,0; 2,0 и 3,0 МПа соответственно; б) кривые 1,2, 3, 4 — qтп = 0; 7,6; 15,3 и 22,9 МПа соответственно

Это позволяет значительно уменьшить размеры исходной заготовки и тем самым сократить на 6-13 % расход металла при использовании вытяжки-отбортовки взамен вытяжки с последующей пробивкой отверстия. Таким образом, давление прижима и давление торцового поджатия могут использоваться в качестве управляющих факторов при вытяжке-отбортовке.

Для определения предельного деформирования была изготовлена специальная экспериментальная оснастка. В качестве образцов использовались заготовки с размерами, исключающими течение металла из фланцевой части, тол-

щиной S0=0,5;0,6; 0,8; 0,9; 1,0; 1,2; 1,8; 2,0; 2,5 мм из сталей 08кп, 08сп, 08Ю. Диаметры вытяжки D„ = 40; 60; 67,1; 80; 110, 150 мм, диаметр отверстия в исходных заготовках составлял от 10 до 100 мм в зависимости от диаметра вытяжки. На первом этапе эксперимента производилась предварительная оценка предельного формоизменения путем последовательной операции вытяжки с увеличением высоты вытягиваемой полости на 1 мм до появления трещин на внутренней части отверстия кольцевой заготовки. Затем проводилось окончательное определение предельного деформирования при установленной на первом этапе высоте Н. Каждый опыт повторялся не менее трех раз. Одновременно регистрировались дефекты заготовок, подвергнутых деформированию (рис. 12).

Рис. 12. Дефекты заготовок: а - гофрообразование при недостаточной силе прижима; б - отрыв дна при чрезмерных радиальных напряжениях; в - трещинообразование по кромке отверстия при превышении предельного коэффициента отбортовки

Статистическая обработка полученных результатов проводилась при использовании программы Statgraphics Centurion. По результатам регрессионного анализа получено уравнение и построены графики зависимостей Кп от So/do, и <VDBbtr, r„/S0 (рис. 13) для группы сталей 08. Регрессионная зависимость имеет вид:

~ 0,441

Полученная зависимость характеризует предельные параметры процесса, поэтому для их практического применения коэффициент поедельного деформирования к„ необходимо увеличить на 5 - 10 %.

Анализ полученных графических зависимостей позволил установить;

- при увеличении относительной толщины материала So/do от 0,01 до 0,09 коэффициент предельного деформирования уменьшается на 1525% (например, для rn/S0 = 1 и do/Dn = 0,5 коэффициент уменьшается от 0,76 до 0,61);

- при увеличении относительного диаметра пробиваемого отвер-

is } zl -0,0905 ( А Л 0 -0,1468 ( \ !JL -0,0227

Л) KDnJ а,

(14)

Рис. 13. График зависимости К„ от do/D„ и So/do при rn/S0=l.

стия dc/Dn от 0,2 до 0,9 коэффициент предельного деформирования уменьшается на 20-37% (например, для rn/S0 = 1 и So/do = 0,05 коэффициент уменьшается от 0,81 до 0,59);

- при увеличении относительного радиуса скругления кромки пуансона rn/S0 от 0,1 до 0,9 коэффициент предельного деформирования уменьшается на 4-6% (например, для S0/d0 = 0,05 и do/Dn = 0,5 коэффициент уменьшается от 0,675 до 0,642).

Для экспериментального исследования характера распределения деформаций использовали экспериментально - аналитический метод координатных делительных сеток (рис. 14). Деформирование проводили поэтапно с шагом высоты отбортовки 4 мм. Измерения относили к пяти точкам, расположенным радиально в донной части заготовки для стадии, предшествующей разрушению, и стадии разрушения. На плоских участках проводили сканирование сетки и ее измерение с помощью программы Grafbla 3. Контрольные замеры параметров сетки проводили на микроскопе МИМ-8. Толщину заготовки измеряли толщиномером с точностью до 0,01 мм.

0,45 0.40 0,35 0,30 0.25 0,20 0,15 0,10 0,05 0

Рис. 14. Исходная заготовка, образец, доведенный до разрушения, и суперпозиция исходной и деформированной сетки (слева направо)

Обработку результатов проводили по стандартной методике. Компоненты тензора деформаций и интенсивность деформаций рассчитывали в пакете МаАСАБ. Почучрнные значения деформаций удовлетворяли условию несжимаемости. Графики интенсивности деформации для двух стадий деформирования по элементам даны на рис. 15, откуда видно, что исчерпание ресурса наступает при эквивалентной деформации порядка 40...45%. С точки зрения эксплуатации деталей опасной зо-

]

Рис. 15. Интенсивность деформаций по дну деформированной заготовки части (нижний графш - стадия, предшествующая разрушению, верхни? график - стадия разрушения заготовки

ной разрушения является кромка зоны, примыкающей к отверстию.

124,1НУ

127,ОНУ

133,1НУ

142,6НУ

|Ш,4НУ

Рис. 16. Образец детали после предельного деформирования: структура и твердость характерных участков

Структуру и твердость деформированных на предельных и рабочих режимах, принятых для типового технологического процесса, образцов изучали на приготовленных по стандартной методике шлифах продольного сечения детали. Протравленные образцы изучали на микроскопе МИМ-8, а измерение твердости по Виккерсу проводили на приборе ПМТ-ЗМ с точностью до 1,5 %. Данные исследования предприняты с целью оценки характеристик деталей с точки зрения их эксплуатационной пригодности и надежности. Значения твердости металла образца согласуются с изменением структуры металла (рис. 16). Наблюдается некоторая разнородность свойств металла, которая может оказывать негативное влияние на эксплуатационные свойства деталей, работающих в условиях динамического нагру-жения. Для деталей, работающих в условиях статического на-гружения или без значительной нагрузки (как в нашем случае) такая разнородность свойств металла не является существенной.

Сравнение приведенных экспериментальных результатов с данными теоретических моделей показал их удов-лстворитсльную сходимость (расхождения не превышают 5-15 %). В качестве примера на рис. 17 представлено сравнение данных по интегральному показателю (силе деформирования), где расхождение не превышает 5 %.

В четвертом разделе на основе теоретических и экспериментальных моделей и логической схемы процесса вытяжки-отбортовки осесимметричных деталей разработан алгоритм проектирования технологии с учетом управляющих факторов (рис. 18), а также программа в среде Ое1рМ-5 (рис. 19), реализующая указанный алгоритм.

С использованием разработанного программного модуля осуществлены расчеты и разработка технологии (табл. 1) в соответствии с договорами для

110,0

97,5

85,0

Он

72,5

60,0

1 > г"" У .

г /г и "\_2 3 Л У /у

28,0 30,4

32,8 35,2 ММ -

37,6

40,0

Рис 17 "Зависимость силы от конечного диаметра отверстия: кривые 1,2- сила прижима; кривые 3, 4 - сила торцового поджатия (сплошные линии -расчет по моделям, пунктирные - эксперимент)

Расчет йо, Ьв, И,

Расчет параметров предварительной вытяжки

■ВЫТг

ВЪГГ,

Расчет С>„р, <3,

■Нет—

/ Ввод исходных данных

Деталь с (тверстие!

Начало программы

Расчет параметров заготовки Омг, ёо

Расчет Б,, Д8/80

Расчет параметров вытяжки

Расчет

Расчет параметров вытяжки-

отбортовки с

пробивкой ИЛИ многопереходкая вытяжка

►^Конец программьу*-

Рис. 18. Алгоритм проектирования технологических процессов

Расчет силовых

параметров вытяжки-отбортовки

предприятий ОАО «Утес» (г.Ульяновск) (детали «Каскад» №2112-1139073, Обод 9П8-636.032 и Обод 9П8-636.036, см. акт внедрения в прил. к работе); ОАО «Волжский подшипниковый завод» (г. Волжский) (деталей «Сепаратор подшипника качения» восьми типоразмеров).

Реализация технологических процессов вытяжки-отбортовки требует применения адаптированного под данный процесс технологического оснащения. Автором работы предложено шесть устройств, защищенных патентами, для осуществления технологии и интенсификации процесса формообразования осе-симметричных деталей, а также способ комбинированного изготовления и уп-

Результаты---------------------------------------

Данный пет детали относится к группе 21 классификатора деталей типа тел вращения с отверстием е донной части

- Параметры предварительной вытяжки--г Параметры еытяжки-огбортоЕки —

- высота предварительной вытяжки Нвьгг = 12 мм; • высота вытяжки-отйорговки Нд = 21.8 мм;

- диаметр Фланца Оф -115.4 мм; ■ диаметр вьляжки^тбсртовки Од *103.2 мм;

■ радиус округления кро**и матрицы Им ■ 3,5 мм; ■ ршиус округления кромки матрицы Ям э 3.5 мм;

- радиус округления кромки пуансона Нл » 3,5 мм. - радиус скругления кромки пуансона Яп » 3,5 мм

■ сила прижима Опр » 9,1 кН; • усилие операции еыгяжкшэтбортовки Р * 32,4 кН,

рочнения рабочих поверхностей штампов. Четыре из этих устройств представлены на рис. 20.

¿¿ава".....

Рис. 19. Панель интерфейса программы расчета параметров процесса

Рис. 20. Схемы устройств для вытяжки-отбортовки, предложенные автором

Геометрические характеристики изготовленных деталей (рис. 21) удовлетворяли требованиям чертежей. Технология изготовления деталей вытяжкой-отбортовкой (табл. 1) внедрена на указанных выше промышленных предприятиях с экономически-н эффектом 577 тыс. руб.

Таблица 1

Металлосберегающие технологические процессы на основе вытяжки-отбортовки

Результаты работы также использованы в учебном процессе на кафедре «Материаловедение и ОМД» УлГТУ при выполнении курсовых и дипломных работ по листовой штамповке и при разработке интерактивных методов обучения и создании учеб- Рис. 21. Деталь «Каскад» (слева); деталь «Сепара-но-методических пособий тор подшипника качения» (справа) по дисциплине «Технология листовой штамповки».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное народнохозяйственное значение для отрасли машиностроения и состоящая в повышении эффективности изготовления осесимметричных деталей с отверстием в донной части вытяжкой-отбортовкой на основе разработанных устройств для формообразования и установленных научно обоснованных параметров технологических процессов пластического деформирования листовых заготовок с отверстиями, обеспечивающих снижение металлоемкости и повышение качества деталей.

В процессе выполнения работы получены новые основные результаты и сделаны следующие выводы:

1. Анализ применения в промышленности осесимметричных деталей с отверстием в донной части показал, что их целесообразно изготавливать вытяжкой отбортовкой, позволяющей на 6-13 % снижать расход металла. Изучение патентной и технической литературы по теме позволило выявить проблемы, определить эффективные способы изготовления деталей, наиболее приме----=---- ----------- - .iT----- .-..-.....-.,. „ ..... . —................. >..■>.. . . т1ТТЛ НЛЛТТапЛоиПНЯ

Ш1МЫС материалы, П ftiJJMÇnwiQlïpv А*- 1 CUiWi LUI il г.v.4............... ....

сформулировать задачи работы.

2. Математическое моделирование процессов с учетом упрочнения металла на основе разработанного конструкторско-технологического классификатора позволило установить, что при торцовом поджатии конической оправкой уровень радиальных напряжений существенно зависит от толщины заготовки и от радиуса отверстия, в то время как влияние угла образующей оправки несущественно. Показано, что предельный коэффициент отбортовки увеличивается с глубиной формовки, а при торцевом поджатии, превышающем 0,16 <т5, возникает изгиб заготовки. Показано, что при использовании эластичной среды для раздачи и контрприжима на уровень относительных радиальных напряжений можно влиять варьированием таких факторов как коэффициент трения, сила прижима, торцовое поджатие и радиус скругления пуансона. Показано влияние каждого

из указанных факторов на предельные коэффициенты отбортовки. Установлено, что при действии сжимающих напряжений торцового поджатая и растягивающих радиальных напряжений на границе наружного контура кольцевой зоны дрейф нейтрального слоя напряжений зависит не только от текущей конфигурации дна, но и от суммы действующих внешних радиальных напряжений. Найденное инженерным методом решение задачи деформирования фланца с учетом упрочнения показывает его зависимость от геометрии инструмента и заготовки, а также условий трения и силы прижима. Введенная индикаторная функция преимущественного деформирования позволяет прогнозировать развитие процесса формообразования в зависимости от сочетания управляющих факторов.

3. В результате экспериментальных исследований установлено, что при уменьшении толщины заготовки от 2,5 до 0,9 мм уровень радиальных напряжений донной части заготовки увеличивается на 9,5 % с уменьшением утонения на 2,3 %, а увеличение радиуса скругления кромки пуансона от 3 до 9 мм приводит к утонению заготовки на 3-4 % при увеличении конечного диаметра отверстия до 2,5 %, что указывает на малую действенность данного фактора. Выявлено, что с увеличением диаметра отверстия на 30 % (до 30 мм) деформация фланцевой части заготовки прекращается, а отбортовка становится доминирующим видом деформации, приводящим утонение кромки отверстия к 25 %-му уровню, сопровождающемуся трещинообразованием. Показано, что увеличение давления прижима до 3,0 МПа позволяет увеличить конечный диаметр отверстия до 18 %. Построенная регрессионная модель, связывающая коэффициент предельного деформирования с параметрами заготовки и инструмента, адекватна при 95 %-ом уровне вероятности и позволяет определять предельно допустимый диаметр пробиваемого отверстия. Установлено, что с увеличением относительной толщины материала So/d<, от 0,01 до 0,09 коэффициент предельного деформирования уменьшается на 15-25 %, а при увеличении относительного диаметра пробиваемого отверстия d</Dn от ОД до 0,9 коэффициент предельного деформирования уменьшается на 20-37 %, в то время как увеличение относительного радиуса скругления кромки пуансона уменьшает коэффициент предельного деформирования на 4-6 %. Установлено, что давление торцового поджатая уменьшает коэффициент предельного деформирования на 25 %. Показано, что расхождение экспериментальных данных и данных теоретических моделей лежит в пределах от 5 до 15 % для различных параметров процесса, что свидетельствует о приемлемости моделей для разработки ресурсосберегающих технологий вытяжки-отбортовки.

4. На основе теоретических и экспериментальных моделей и логической схемы процесса вытяжки-отбортовки осесимметричных деталей разработан ал- > горитм проектирования технологии с учетом управляющих факторов, а также программа в среде Delphi-5, реализующая указанный алгоритм.

5. Разработанные автором технические решения, направленные на интенсификацию процесса деформирования и металлосбережение и защищенные шестью патентами на полезную модель, использованы при разработке технологии и изготовлении штамповой оснастки для производства деталей «Каскад», «Обод» и «Сепаратор».

6. Разработаны и внедрены металлосберегающие технологические процессы изготовления деталей «Каскад», «Обод» и «Сепаратор» с учетом управляющих факторов на ОАО «Утес» (г. Ульяновск) и ОАО «ВПЗ» (г. Волжский) с экономическим эффектом 377 тыс. руб. Результаты работы также использованы в учебном процессе на кафедре «Материаловедение и ОМД» УлГТУ при выполнении курсовых и дипломных работ по листовой штамповке и при разработке интерактивных методов обучения и создании виртуальных учебно-методических пособий по дисциплине «Технология листовой штамповки».

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Титов А.Ю., Мурасов А.Ш., Никитенко В.М., Титов Ю.А. Прогрессивные технологии штамповки деталей с отверстием в донной части с использованием вытяжки отбортовки // Заготовительные производства в машиностроении. Москва, Машиностроение, 2007. - С. 32 - 34.

В других изданиях:

2. Титов А.Ю., Титов Ю.А. Классификатор осесимметричных листовых деталей с отверстием в донной части // Вестник УлГТУ, 2007, №4, - С. 52 - 53.

3. Титов А.Ю., Филимонов В.И. Теоретическая модель вытяжки-отбортовки с радиальной раздачей отверстия. // Современные проблемы проектирования, производства и эксплуатации радиотехнических систем. Сборник трудов. Восьмой выпуск. - Ульяновск: УлГТУ, 2011. - 257 с. - С. 241 - 246.

4. Титов А.Ю., Титов Ю.А. Способы управления процессом вытяжки - отбортовки // УлГТУ НТК «Вузовская наука в современных условиях», Ульяновск, 2008. - С 42.

5. Титов А.Ю., Круглов П.Ю. Исследование процесса вытяжки, совмещенной с от-бортовкой, при получении цилиндрических деталей с отверстием в дне // Четвертая Всероссийская НТК «Студенческая весна 2011: Машиностроительные технологии» / МГТУ им. Н.Э Баумана. -М.: МГТУ, 2011. - С. 34 - 38.

6. Титов А.Ю., Титов Ю.А. Адаптируемость существующего оборудования к процессам вытяжки-отбортовки // УлГТУ ЗНТК "Актуальные вопросы промышленности и прикладных наук", Ульяновск, 2004. - С. 245 - 247.

7. Титов А.Ю., Титов Ю.А. Вытяжка-отбортовка деталей типа «Сепаратор» с технологическими отверстиями в дне // УлГТУ НТК "Современные проблемы машиностроения и транспорта", Ульяновск, 2003. С.65-66.

8. Титов А.Ю., Титов Ю.А. К вопросу определения диаметра отверстия, пробиваемого в плоской заготовке перед вытяжкой-отбортовкой деталей типа тел вращения // НТК УлГТУ "Современные проблемы машиностроения и транспорта", Ульяновск: УлГТУ, 2003. -С. 58-61.

9. Титов А.Ю., Титов Ю.А. Способы интенсификации процессов вытяжки-отбортовки полых осесимметричных деталей с отверстием в донной части // УлГТУ «Тезисы докладов 45-й научно-технической конференции», Ульяновск, 2011. С.54 - 55.

10. Титов А.Ю., Титов Ю.А. Влияние параметров процесса вытяжки-отбортовки на расположение граничных кривых. Некоторые закономерности приграничных областей неустановившегося процесса // УлГТУ НТК "Современные проблемы машиностроения и транспорта", Ульяновск, 2003. С.63 - 65.

11. Титов А.Ю., Титов Ю.А. Использование многопозиционных прессов для изготовления двух деталей с малым производственным циклом // УлГТУ НТК «Вузовская наука в современных условиях». - Ульяновск, 2009. - С 26.

12. Титов А.Ю., Титов Ю.А., Кокорин В.Н. Ресурсосберегающие технологии изготовления деталей типа «сепаратор» подшипников качения // УлГТУ XXXVIII НТК "Вузовская наука в современных условиях", часть 1,2004. - С. 31.

13. Титов А.Ю., Титов Ю.А. Ресурсосберегающие технологии изготовления деталей типа «сепаратор» подшипников качения // УлГТУ «Молодежный инновационный форум», Ульяновск, 2009. С 158.

14. Титов А.Ю., Титов Ю.А. Расположение граничных кривых и некоторые закономерности приграничных областей процесса вытяжки-отбортовки. // Материалы Всероссийской НПК "Ресурсосберегающие технологии в машиностроении". -Бийск: АлтГТУ, 2003. - С. 239 - 242.

15. Титов А.Ю., Титов ЮЛ., Кокорин В.Н. Способ комбинированного изготовления и упрочнения рабочих поверхностей штампов // Вестник УлГТУ, №1,2007. - С. 39 - 41.

16. Титов А.Ю., Титов Ю.А. Интерактивные методы обучения в области машиностроения на примере дисциплин «ТКОШ и ТЛШ» // Студенческая НТК УлГТУ «Студент - науке будущего». - Ульяновск: Изд-во УлГТУ, 2004. - С. 5.

17. Титов А.Ю., Титов Ю.А. Использование 3DS шах пакета в разработке виртуальных учебно-методических пособий. // Студенческая НТК УлГТУ "Студент -науке будущего". - Ульяновск: Изд-во УлГТУ, 2005. - С. 6.

Патенты:

18. Патент РФ на полезную модель № 107979. МПК В 21 D 37/02. Устройство для отборшвки / Титов А.Ю., Титов Ю.А.. - Опубл. 10.09.2011. Бюл. № 25

19. Патент РФ на полезную модель № 107083, МПК В 21 D 37/08, В 21 D 22/22, В 21 D 19/00. Штамп для изготовления полых изделий вытяжкой и отбортовкой / Ю.А. Титов, В. И. Филимонов, В.Н. Кокорин, С.Ю. Поляков, АЛО. Титов. -Опубл. 10.08.2011. Бюл. № 22.

20. Патент РФ на полезную модель №107980. МПК В 21 D 37/02, В 21 D 37/10. Устройство для изготовления полых изделий отбортовкой из листовых заготовок/ Титов А.Ю., Титов Ю.А. - Опубл. 10.09.2011. Бюл. № 25.

21. Патент РФ на полезную модель № 64117. МПК В 21 D 43/04. Устройство к мнсгопозиционном'" ппесс" для подачи ленточного материала с использованием

. __________ ______ ' т_____ А т/л г\ .е------ XJt> Tr~Y>» ю А Отубл 27.

шахмашши раслрох. > шюв a.jv., ijuouuuu ч.^., шиш ""î"•*■ *•■•

06.2007. Бюл. №18.

22. Патент РФ на полезную модель № 67897. МПК В 21 D 43/10. Устройство для поворота неосесимметричных заготовок. / Титов А.Ю., Байкалов К.О., Титов ЮЛ. -Опубл. 10.11.2007. Бюл. №31.

23. Патент РФ на полезную модель № 94181. МПК В 21 D 43/13. Устройство для подачи плоских заготовок в область штампа и выгрузки готовых деталей или полуфабрикатов. / Титов А.Ю., Титов ЮЛ. - Опубл. 20.05.2010. Бюл. №14.

Подписано в печать 30.09.2011. Формат 60x84 '/16.

Усл. печ. л. 1,39. Тираж 100 экз. Заказ 981__

Типография УлГТУ. 432027, г. Ульяновск, ул. Сев.Венец, д. 32.

61 12-5/1239

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования УЛЬЯНОВСКИ Й ГОСУДАРСТВЕН НЫ Й ТЕХНИЧЕСКИЙ У НИ ВЕРСИТЕТ

На правахрукрписи

ТИТОВ АНТОН ЮРЬЕВИЧ

УДК 621.983.044

РАЗРАБОТКА МЕТАЛЛОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ

ВЫТЯЖКИ-ОТБОРТОВКИОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ С ОТВЕРСТИЕМ В ДНЕ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ НАЛИЧИИ УПРАВЛЯЮЩИХ ФАКТОРОВ

Специальность 05.02.09-Технологии и машины

обработки давлением

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель :

доктор технических наук, профессор В.И. Филимонов

Нижний Новгород - 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ и символов..........................4

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................................5

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ С ОТВЕРСТИЕМ В ДНЕ........................................................................................................................10

1.1. Классификация и применение осесимметричных деталей с отверстием в дне................................................................................................................10

1.2. Основные технологические процессы производства осесимметричных деталей с отверстием в донной части, резервы экономии материалов и применяемые материалы....................17

1.3. Технологичность и требования к деталям, полученным вы-тяжкой-отбортовкой......................................................................................................21

1.3.1. Технологичность и требования к деталям, полученным вытяжкой............21

1.3.2. Технологичность и требования к выполнению отбортовки....................................22

1.4. Анализ теоретических исследований отбортовки, вытяжки и вытяжки, совмещенной с отбортовкой........................................................24

1.5. Схемы и способы производства полых деталей, интенсифицирующие их формообразование....................................................................32

1.6. Оборудование для производства осесимметричных деталей с

отверстием в донной части.......................................................42

Выводы и задачи исследования..........................................................................46

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО -ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ ВЫТЯЖКЕ, СОВМЕЩЕННОЙ С ОТБОРТОВКОЙ ПРИ НАЛИЧИИ УПРАВЛЯЮЩИХ ФАКТОРОВ............................................................................................49

2.1. Классификация осесимметричных деталей и определение видов деталей для исследований............................................................................49

2.2. Исходные уравнения теории пластичности для анализа процессов вытяжки-отбортовки................................................................................51

2.3. Основные допущения и расчётная схема процесса..........................54

2.3.1. Допущения............................................................................................................................................................................55

2.3.2. Расчётная схема..........................................................................................................................................................56

2.4. Раздача отверстия коническим пуансоном - оправкой................58

2.4.1. Начальный этап контакта заготовки и пуансона-оправки..................................58

2.4.2. Этап деформирования, связанный с прилеганием заготовки к оправке... 60

2.5. Анализ деформирования донной части заготовки............... 66

2.5.1. Деформационные параметры..................................................................................................67

2.5.2. Действующая сила формообразования дна....................................................................................68

2.5.3. Напряжения в дне при действии управляющих факторов..........................................69

2.5.4. Дрейф нейтральной окружности и влияние торцового нагружения на предельный коэффициент неполной отбортовки................................................................75

2.6. Анализ деформирования фланцевой части заготовки......................77

2.6.1. Силовые факторы......................................................................................................................................................77

2.6.2. Напряжённо-деформированное состояние фланца............................................................78

2.7. Динамика процесса вытяжки-отбортовки и соотношение радиальных напряжений фланца и дна................................................................81

Выводы........................................................................................................................................84

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ КОЛЬЦЕВЫХ ЗАГОТОВОК ВЫТЯЖКОЙ СОВМЕЩЕННОЙ С НЕПОЛНОЙ ОТБОРТОВКОЙ......................................86

3.1. Материалы экспериментальных исследований......................................86

3.1.1. Механические свойства и химический состав........................................................................87

3.1.2. Механические испытания на растяжение....................................................................................87

3.1.3. Результаты испытаний....................................................................................................................................88

3.2. Исследование технологической схемы вытяжки, совмещенной с неполной отбортовкой.........................................89

3.2.1. Влияние толщины материала...........................................................................91

3.2.2. Влияние радиуса скругления кромки пуансона........................................................................94

3.2.3. Влияние диаметра отверстия..................................................................................................................97

3.3.4. Влияние удельной силы прижима............................................................................................................99

3.2.5. Влияние силы торцового поджатия......................................................................................................102

3.2.6. Силовые параметры процесса. Адекватность математической модели 105

3.3. Определение предельного деформирования............................................109

3.3.1. Экспериментальные исследования предельного деформирования........................109

3.3.2. Исследование предельного деформирования при торцовом поджатии... 115

3.3.3. Проверка адекватности модели..................................................................................................................116

3.4 Исследование деформаций методом делительных сеток................117

3.5 Исследование микроструктуры и твёрдости образцов....................120

Выводы........................................................................................................................................123

4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................................125

4.1. Методика разработки металлосберегающих технологических

процессов..................................................................................................................................125

4.1.1. Основные этапы разработки технологических процессов..........................................125

4.1.2. Алгоритм проектирования металлосберегающих технологий..............................126

4.1.3. Программа расчета основных технологических параметров вытяжки-отбортовки..............................................................................................................................................................................128

4.2 Разработка металлосберегающих технологических процессов

и внедрение результатов исследований..........................................................131

4.3. Конструкторско-технологические решения осуществления процесса вытяжки, совмещенной с отбортовкой..................................133

4.3.1. Новые устройства для вытяжки, совмещенной с отбортовкой........................133

4.3.2. Штампы для изготовления деталей «Каскад» и «Сепаратор»..............................140

4.4. Использование результатов работы в учебном процессе................142

4.4. Экономические расчеты..............................................................................................142

Выводы......................................................................................................................................145

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ..................................................................145

ЛИТЕРАТУРА..............................................................................................................................................149

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................................................................................................160

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И СИМВОЛОВ

Э0 - диаметр заготовки, мм;

Бб - диаметр отбортовки по средней линии, мм;

Бм, Бп - диаметр матрицы и пуансона соответственно, мм;

Бф - диаметр фланца, мм;

с1о, с1к - исходный и конечный диаметр отверстия соответственно, мм; Е - модуль упругости, МПа.

Н, Ъ. - высота детали и отбортовки соответственно, мм; П - модуль упрочнения, МПа.

к0, кв - коэффициенты отбортовки и вытяжки соответственно;

кп - предельный коэффициент вытяжки-отбортовки;

Р, Рв - сила деформирования и силы вытяжки соответственно, кН;

(2, q - сила действия прижима и контрприжима соответственно, кН;

II - коэффициент нормальной анизотропии;

11б - радиус отбортовки по средней линии, мм;

Ят - текущий радиус отверстия, мм;

гм, гп - радиус закругления кромки матрицы и пуансона, мм; Бо - толщина заготовки, мм;

8ф , 8тт - толщина фланца и минимальная толщина в опасном сечении, мм; ос - угол обхвата заготовкой инструмента, град.; 5 - относительное удлинение, %;

8Р - радиальная и окружная деформация соответственно, %; с„ - деформация по толщине материала, %; у - угол конусности пуансона, град.; \1 - коэффициент трения;

р - текущий радиус точки заготовки в данный момент деформирования, мм;

ав - временное сопротивление разрыву, Мпа;

стт или сз ((Т02) - предел текучести (условный) металла, МПа;

стр, ае - радиальное и тангенциальное напряжение соответственно, МПа;

ст; и 81 - интенсивность напряжений и деформаций, МПа;

- относительное сужение поперечного сечения образца при растяжении в момент образования шейки, %;

ВВЕДЕНИЕ

Основной тенденцией современного машиностроения является применение металлосберегающих технологий, обеспечивающих высокое качество продукции при изготовлении деталей, в частности листовой штамповкой. В номенклатуре изделий, получаемых листовой штамповкой, значительную долю составляют детали типа тел вращения с отверстием в донной части. Традиционно такие детали изготавливаются вытяжкой с последующей пробивкой отверстия. При этом коэффициент использования металла составляет 0,5 - 0,75; особенно он мал при изготовлении деталей с относительно большим отверстием типа ободков, колец, оправ, сепараторов подшипников и т.п.

Повысить производительность (за счёт сокращения числа переходов) и существенно увеличить коэффициент использования металла можно путем совмещения операций вытяжки и отбортовки (вытяжка-отбортовка). Деталь изготавливается из плоской заготовки (или полуфабриката, полученного вытяжкой или формовкой), с предварительно пробитым отверстием, размеры которого меньше размеров отверстия в дне готовой детали. Формообразование детали в этом случае осуществляется не только за счет течения металла с периферийной части заготовки (за счет вытяжки), но и интенсивного деформирования внутренней ее части, примыкающей к отверстию, т.е. за счет неполной отбортовки.

Несмотря на очевидные преимущества процесса вытяжки-отбортовки, он не получил широкого распространения в листоштамповочном производстве ввиду того, что при деформировании периферийная часть заготовки и внутренняя часть, примыкающая к отверстию, упрочняются с разной степенью и процесс не отличается стабильностью. Недостаточная изученность особенностей формоизменения заготовки при вытяжке-отбортовке в зависимости от условий осуществления процесса, возникновение различных дефектов заготовок при формообразовании, отсутствие данных о предельных деформациях и коэффициентах вытяжки-отбортовки, отсутствие научно-

обоснованных рекомендаций и методик проектирования - все это сдерживает применение вытяжки-отбортовки в промышленности. Создание методики расчёта и проектирования процессов вытяжки, совмещенной с отбортовкой, на основе научно обоснованных моделей формоизменения является важной задачей, стоящей перед современным производством.

Работа посвящена выработке технических решений, направленных на металлосбережение и повышение качества осесимметричных деталей с отверстием в дне, изготавливаемых вытажкой - отбортовкой с учётом управляющих факторов на основе теоретических и экспериментальных исследований, что подтверждает актуальность выбранной темы.

Цель работы: Повышение эффективности изготовления осесимметричных деталей с отверстием в дне вытяжкой-отбортовкой с учётом управляющих факторов.

Объектом исследования являлись процессы вытяжки-отбортовки и средства их реализации. Предметом исследования было повышение эффективности изготовления осесимметричных деталей с отверстием в дне вытяжкой-отбортовкой с учётом управляющих факторов, направленное на металлосбережение, снижение трудоёмкости и повышение качества.

Методологической и теоретической основой для разработки служили работы отечественных и зарубежных исследователей в предметной области: Ю.А. Аверкиева и А.Ю. Аверкиева, Ю.М. Арышенского, Ф.В. Гречникова, В.И. Ершова, В.А. Жаркова, 3. Марчиньяка, А.Д. Матвеева, Г.А. Матвеева, А.Г. Овчинникова, Е.А. Попова, Л.А. Шофмана, С.П. Яковлева и С.С. Яковлева и других ученых.

Информационной базой работы служили монографии, учебники, справочники, описания патентов, информационные ресурсы Интернет и публикации в отечественных и зарубежных журналах.

Методы исследования: 1) методы теории ОМД; 2) металлографические методы и измерение твёрдости; 3) методы измерений линейных и угловых

характеристик; 4) метод полно-факторного эксперимента и статистического анализа (обработку данных проводили в пакете StatGraphics Centurion).

Лично автором и с его участием разработаны: классификатор осесимметричных деталей (60%), математические модели вытяжки-отбортовки с учётом управляющих факторов (70%), регрессионная модель вытяжки-отбортовки (80 %), методика и алгоритм расчёта и проектирования технологии (80%). На основе проведенных соискателем экспериментальных исследований выработаны рекомендации по назначению оптимальных технологических режимов, предложены технические решения, направленные на металлосбережение и повышение качества продукции; а также технические решения по конструкции штампов и вспомогательных устройств, на которые получены шесть охранных документов патентного ведомства РФ (доля участия соискателя - 30 - 35 %).

Соискателем лично разработано технологическое оснащение, проведен авторский надзор за его изготовлением, проведены экспериментальные исследования, изготовлены образцы и проведены их испытания; при непосредственном участии соискателя внедрены процессы и технологическое оснащение на ОАО «Утёс» (г. Ульяновск). Лично автором разработана в среде Delphi-5, опробирована и внедрена на ОАО «УАЗ» программа расчёта процессов вытяжки-отбортовки. Творческий вклад автора в опубликованных работах приведен в заключении УлГТУ (организации, где выполнена работа).

Научная новизна работы заключается в разработке математических моделей процесса вытяжки-отбортовки при наличии управляющих факторов, позволяющих определять преимущественный вид деформирования, рассчитывать предельные возможности формообразования и назначать рациональные режимы формообразования и рассчитывать размеры исходной заготовки. Раз-работаные шесть основных и вспомогательных устройств, позволяющие расширить технологические возможности процесса вытяжки - отбортовки, обладают новизной и защищены патентами РФ на полезную модель.

Практическая значимость заключается в разработке и практическом применении алгоритма и программы расчёта параметров металлосберегающих процессов вытяжки-отбортовки. Практическая ценность работы подтверждается промышленным внедрением технологии изготовления деталей «Каскад», «Обод», «Сепаратор» (повышающей коэффициент использования металла на 7 -г- 13% и качество деталей) на промышленных предприятиях РФ с суммарным годовым экономическим эффектом 377 тыс. рублей.

Достоверность результатов обеспечена применением альтернативных методов исследования: теоретических и экспериментальных. Экспериментальные исследования подтвердили достоверность применяемых теоретических моделей с точностью от 5 до 15 %, что представляется удовлетворительным для практических целей.

Автор защищает полученные результаты работы, определённые задачами, сформулированными в конце разд. 1.

Основные результаты диссертации опубликованы в 23 печатных работах, в том числе 6 патентах на полезную модель, а также 1 статье в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Международной НТК «Современные проблемы машиностроения и транспорта» (г. Ульяновск, 2003 г.), ежегодных НТК Ул-ГТУ (2003 -2010), зональных НТК «Молодежь Поволжья науке будущего» (г. Ульяновск, 2003 г.) и «Актуальные вопросы промышленности и прикладных наук» (г. Ульяновск, 2004 г.), всероссийской НТК «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении» (г. Бийск, 2003 г.), «Молодежном инновационном форуме» (г. Ульяновск, 2009 г.), всероссийской НТК «Студенческая научная весна 2011: Машиностроительные технологии» (г. Москва, МГТУ), кафедре «Материаловедение и ОМД» Ульяновского государственного технического университета. Научные работы соискателя были удостоены дипломов и грамот университета в 2009 и 2011 гг. по результатам конкурсов на лучшую научную работу.

Работа, изложенная на 148 страницах (основной текст), включает 115 рисунков, 37 таблиц, 126 источников литературы и приложения.

Работа выполнена в Ульяновском государственном техническом университете (кафедра «Материаловедение и ОМД») в соответствии с тематическим планом кафедры и по договору Д10-195/20-УП от 20.10.2006 на