автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка методов определения энергосиловых параметров и установление кинематики течения ротационного выдавливания тонкостенных труб на трехвалковых станах с целью совершенствования технологического процесса и улучшения качества изделий

На правах рукописи

МустафаСУЛИМАН

РГ6 од

- 3 ЯН9 2009

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГОСИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ И УСТАНОВЛЕНИЕ КИНЕМАТИКИ ТЕЧЕНИЯ РОТАЦИОННОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ТРУБ НА ГРЕХВАЛКОВЫХ СТАНАХ С ЦЕЛЬЮ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА

Специальность 05.03.05 -- Процессы и машины обработки давлением

ИЗДЕЛИИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва

2000

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана на кафедре " Технологии обработки давлением".

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ Овчинников АЛ".

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Семенов И. Е.

кандидат технических наук, дотмят Маркин П. В

Ведущее предприятие - ОАО "НИИТАВТОПРОМ".

Зашита диссертации состоится 11- 2000 г. в //

LГТ>

часов на

заседаний диссертационного совета К 053.15.13 в Московском государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана по адресу:

107005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5., зал заседания ученого совета. Телефон для справок 267-09-63

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета

Автореферат разослан

2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.т.н.. доцент

Подписано к печати 15.06.2000г. За:с./24Объем 1.0 и. л. Тир. 100 Типография ¡vil ГУ им. Н Э. Баумана

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современная промышленность широко использует оболочки в виде тонкостенных трубчатых деталей, к которым предъявляют высокие требования по качеству, точности размеров, уровню механических характеристик и шероховатости поверхности.

Один из способов обработки металлов давлением для изготовления тонкостенных трубчатых оболочек деталей нашел процесс ротационного выдавливания (РВ) на трехвалковых станах. Этот процесс характеризуется локализацией очага пластической деформации и занимает значительное место при производстве деталей типа тел вращения.

На протекание процесса ротационного выдавливания тонкостенных оболочек влияют многие факторы, которые можно разделить на технологические и конструкторские. Эти факторы М017Т оказать существенное влияние на результаты процесса ротационного выдавливания (точности размеров, силовые и деформационные параметры).

В работах, относящихся к исследованию РВ, редко встречаются теоретические и экспериментальные, в которых рассматривают взаимодействие трех роликов и их влияние на результаты .

В связи с этим проведение теоретического анализа и экспериментальных исследований процесса РВ тонкостенных труб на трехвалковых станах с учетом влияния различных факторен (технологические и конструкторские) и их взаимодействия, представляет актуальную научно-техническую задачу, решение которой позволит существенно улучшить технологический процесс ротационного выдавливания и качество изготавливаемых изделий.

Цель работы: решение научно - технической задачи, состоящей в теоретическом и экспериментальном исследовании процесса ГС тонкостенных трубчатых оболочек с утонением при использовании трехвалковых станов и разработке методики определения (выбора) конструкторско - технологических факторов, обеспечивающих ротационное выдавливание труб с заданными эксплуатационными характеристиками.

Для достижения поставленной цели необходимо решить'следующие задачи:

• разработать методику определения энергосиловых параметре» ротационного выдавливания тонкостенных труб;

• установить влияние конструкторско - технологических факторов и я качество изготавливаемых труб ротационным выдавливанием на трехвалковых станах.

установить влияние степени утонения металла стенки заготовки на механические характеристики изделия;

установить характер течения металла и определить рациональные степени (глубины) обжатия первым и последующими роликами.

Научная новизна: , .

получены основные уравнения и необходимые соотношения для анализа скоростей течение металла в очаге пластический деформации (в продольном, радиальном и окружном направлениях); *

• предложена методика экспериментального определения характера течения металла в процессе РВ тонкостенных труб;

• установлено влияние факторов процесса РВ (межосевое расстояние между роликами, осевая подача, скорость вращения оправки и размеры роликов и оправки) на параметры процесса;

• установлены характеристики очага пластической, деформации и определены факторы, • влияющие на них в зависимости от технологических режимов обработки и .основных параметре! деформирующего инструмента. ,

Автор защищает:

• основные уравнения и соотношения,;необходимые для исследования процесса течения металла в процессе ротационного выдавливания тонкостенных трубчатых оболочек с утонением на трехвалковы» станах;

• определение влияния различных факторов процесса РВ на качестве изготавливаемых изделий;

• математический анализ влияния факторов процесса РВ на основанш результатов экспериментальных исследований;

• методику определения течения металла с учетом влияния каждогс ролика; ; -

• методику определения энергосиловых параметров.

Методы исследования. Теоретическое исследование выполнено для разработанной расчетной модели процесса на основе инженерного метод; с использованием положений теории верхней оценки.

Экспериментальные исследования проведены с использование* современных испытательных устройств, машин и регистрирующе{ аппаратуры.

В результате определены механические характеристик! деформируемого металла и влияние технологических и конструкторски? факторов при использовании трехвалковых станов и процесса! предварительных и планированных экспериментов для разных материале! и деформирующих инструментов..

Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием основных допущений и ограничений теоретических исследований - метода верхней оценки энергосиловых параметров, корректностью постановки, применением известных математических методов статистики при планировании экспериментов и обработке их результатов, оценкой адекватности расчетных моделей реальным процессом; сходимостью данных расчета и эксперимента.

Практическая значимость н реализация работы. На основе теоретических исследозаний предложена методика расчета глубины обжатия заготовки, деформирующих сил и энергосиловых параметров привода. Результаты экспериментальных исследований позволяют оценить качество изготавливаемых изделий и режимов обработки на стадии проектирования без проведения каких-либо наладочных работ.

Использование результатов исследований позволит ускорить сроки подготовки производства и улучшить качество изделий (точность размеров, шероховатость поверхности и механические характеристики).

Результаты исследований использованы в учебном процессе (курсовое проектирование и лабораторные работы), будут на машиностроительных предприятиях в Сирии и металлургических заводах России.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на научных семинарах кафедры «Технологии обработки давлением» Московского государственного технического университета (МГТУ) им. Н. Э. Баумана.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликованы 3 печатные работы.

Структура и объема диссертации: диссертация состоит из общей характеристики работы, трех глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Работа выполнена на 192 страницах машинописного текста/ содержит 120 рисунков, 17 таблиц и список литературы из 22 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной рабош, ее научная новизна и изложены основные положения, выносимые иазащшу.

В первой главе дан обзор научных публикаций, посвященных вопросу изготовления тонкостенных трубчатых деталей ротационным выдавливанием на трехвалковых станах, а также анализ современного сос тояния теории и технологии процессов РВ осесимметрнчных тел.

Ьольшой вклад в развитие теории и практики деформирования труб рошционным выдавливанием дан в работах: А. И. Целикова, И. И. Казакевича, В. В. Смирнова, В. Avitzur, W. Johnson, М. Hayama, S. Kobayashi, S. Kalpakgioglu, Ч. Янга, Э. Томсона, Ш. Кобаяши, А.Г. Овчинникова, Н.И. Могильного, П.К. Тетерина, Л.Г. Юдина, В.Н. Королева, Я.Л Ваткина, Ю.М. Матвеева, С.И. Борисова, И.Н. Потапова, I'I.II. Полухина, и др.

На основании обзора литературных данных сформулированы цель и задачи исследования.

Цель работы - исследовать технологический процесс РВ тонкостенных осесимметрнчных оболочек на трёхроликовой ротационной машине и разработать методику расчета энергосиловых параметров с учётом технолог ических и конструкторских факторов, обеспечивающих заданные точность размеров и качество поверхности, а также управляющих ведением процесса.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выявить влияние конструкторских факторов: радиуса скругления фебня деформирующего ролика, его переднего и заднего углов, а также расстояний между деформирующими роликами вдоль оси оправки на точность размеров и качество поверхности изготовленных тонкостенных оболочек.

2. Установить влияние глубины обжатия каждым роликом за 1 оборот оправки, подачи ролика вдоль оси, частоты вращения оправки на характер течения, точность размеров и качество поверхности.

3. Установить влияние технологических факторов на величину потребляемой мощности (силы тока), что бы использовать в качестве параметра, управляющего процессом РВ.

4. Установить зависимость между величиной обжатия каждым роликом за I оборот оправки и осуществляемой деформацией, а также упрочнением.

5. Разработать методику проектирования технологического процесса РВ с учётом результатов решения вышепоставленных задач.

6. Найти кинематически возможные поля скоростей течения и деформации в ОПД, интенсивности кинематически возможного поля скоростей деформации.

7. Определить верхнюю оценку удельной деформирующей силы каждым роликом и мощности, необходимых для ведения' процесса РВ тонкостенных труб на трехвалковых станах, а также глубину обжатия первым и последующими роликами.

Вторая глава посвящена теоретическому анализу процесса РВ с утонением полых заготовок на трехвалковых станах и определению энергосиловых параметров процесса. При этом были исследованы и определены форма и размеры очага пластической деформации (ОПД), шероховатость поверхности изделия, исследовано течение металла при обжатии заготовки первым и последующими роликами, исследованы скорости течения металла в ОПД и определены энергосиловые параметры процесса РВ.

При исследовании "пятна контакта" рассмотрено влиянии таких факторов процесса РВ как конструкторские (форма и размеры деформирующего инструмента: - радиус скругления гребня Я, (мм);, передний и задний углы а°, Р°; наружный диаметр ролика и оправки Ор и Боп, мм) и технологические (относительная осевая подача / =У5/п0П (мм/об), где V, (мм/мин) - осевая подача оправки вдоль оси, поп (об/мин) -частота вращения заготовки иле оправки; глубина обжатия каждым роликом б (мм/ролик); межосевое расстояние между роликами (мм-мм); наружный диаметр и толщина заготовки 00„ Б0 (мм).

На рис. 1 и 2 представлена форма "пятна контакта", ее длина /„., и ширина Ьоч.

__

2 г„|--^-:| + 1

'оз

/„^•^гссовО- , л ), (1)

где гр- радиус ролика,/=У/По „ (мм/об) — относительная осевая подача, 5-глубина обжатия, г03- наружный диаметр заготовки, V, - осевая подача (мм/мин) и п^п -частота вращения оправки (об/мин).

Ширину ОПД разбивали на две зоны деформации Ь0Ч| и Ь0,2 (рис. 3). При определении ширины ОПД Ьоч пренебрегали образованием наплыва и влиянием упругой деформации металла.

В результате исследований первой зоны получено выражение

о

(

' .о

г ^ ? •'' -е- "■

[ ■ * : Л-й..

: ' ; у

: б¡-вид СбОКу I

Ч. 1

Уз V,

!. (—¡Г'

А-А

I

(О-

II,г, '

7° --I ' I ;!

I

К')

а-вид спереди ^

в-вид сверху

Рис, I. Проекции ОПД относительно оси оправки.

"I • .

11 I "

1 М

I

I

: Ч

г

г„ [ '>I Г»

Рис. 2. Фома ОПД.

Рис. 3. Ширина очагг пластической деформации

' 1 лрчмая - прям»« 1 (Ь|-»И)

тЪ-сЛ.

ь 12)

°оч| с- '

51П0(

где Я - радиус скругления ролика.

В результате исследований установлены влияние второй зоны.ОПД эочг на шероховатость поверхности изделия и возможность существования «которых ее форм (см. рис. 4.). При увеличении радиуса скругления эоликов,

относительной ------«

зсевои подачи и -лубины обжатия 1роисходит увеличение ширины 'пятна контакта". При увеличении терзднего или

;аднего угла ролика иирина "пятна сонтакта" уменьшается. Шероховатость юверхности }

изделия :ущественно зависит от

параметров третьего ролика. При возрастании р и / н уменьшении К шероховатость увеличивается.

При осуществлении процесса РВ необходимо установить условие збсспечения равновесия деформирующих сил трех роликов т.е. 1г1=Н2=Гз. Это достигаются- обеспечением равенства объемов деформируемого металла каждым роликом, т.е. УР|=Ур2=Урз в зависимости от обжатия гтервым роликом 6] (мм). Найдены обжатия каждым роликом.

С-

т

г:

| 2 прямая

] • Дуг» | (Ь;-Ь.)

3. д>!а-пряма«

(Ьг - Ь,

1 1. Д>1р -луга

! (Ь,-м

Рис. 4. Формы шероховатость поверхности

Гг^т-Й!;

г, =

Г, -

ъ-

гг -г2

1+-" 1 * 1 1 л

г2 .

1 +

1 ■

2 ^

к,-г*2)

1+

Г, -Г,

1 +

(3)

81=известно, Ьт=г\-гг, 5з=г2-гз, где п, г2, гг -радиусы заготовки после обжатия первым, вторым, и третьим роликом соответственно.

Анализ результатов показал, что необходимо уменьшение глубины обжатия вторым и третьим роликами й2 и 6} для определенного значения 5|, т.е. б1>б2>6з. Оказалось, что чем больше толщина стенки заготовки

г

тем меньше се влияние на течение металла между роликами, т.е уменьшается разница величин 5|, 5г, 63

Для исследовании формообразования оболочковых изделий с обеспечением выдвигаемых конструкторами требований необходимс изучить: - кинематику течения металла и энергосиловые параметры t условиях РВ; - контактное взаимодействие заготовки и рабочегс инструмента (роликов); - влияние формы и размеров рабочей инструмента, обеспечивающих оптимальные условия контактноп взаимодействия для устойчивого протекания процесса и влияни( технологических режимов обработки.

Для решения поставленной задачи перейдём к анализ; кинематического и деформационного состояний заготовки в очап пластической деформации Наиболее приемлемым и общедостугшык является метод верхней оценки деформирующей силы, разработан н: основании теоремы. Математическая запись этой теоремы.

\qVadF<

г

(4

<7, \Y\dV - £ ¡(К' + у; к + \{xv; + Yv; +ZV;)dF

у V3 ,.1,2. I ft

где q - действительная удельная сила деформирования

приложенная со стороны рабочего инструмента; V0- заданная скорост течения частиц деформируемой заготовки на контактной поверхности Fv- часть поверхности заготовки, на которой заданы скорости течени частиц металла; as = const - напряжение текучести; q ¡- кинематическ: возможная скорость деформации (деформация) заготовки; V - объё! деформируемой части заготовки; V\ ■ и V'j • кинемтгически возможны скорости течения на границах разрыва сдвиговых скоростей течения;/ площадь поверхности разрыва сдвиговых скоростей течения; - факто трения на контактных поверхностях заготовки и инструмента; X, Y, Z составляющие заданных сил на поверхности заготовки; Fp - част поверхности заготовки, на которой заданы силы.

«Пятно контакта» инструмента и заготовки (очага пластическо деформации) представим в виде эллипса.

При установлении скоростей течения частиц заготовки в радиально направлении на «пятне контакта» ОПД, установлено, что скорост обжатия заготовки на контактной поверхности распределена п поверхности контакта неравномерно.

Кинематическая возможная скорость течения частиц заготовки ц очаг пластической деформации в радиальном направлении описывается

»

V* = ^Уокр

* р О)

1+-

0-

р-'о

(5)

^ р у 04 оп

Кинематически возможная скорость течения Уг*в направлении оси Z,

, ^ М--]"*,, г-^л

V. --= V.

окр

1 + Га

V гг,

(г.,-О

V

ьн

(6)

Затем были найдены кинематически возможные скорости деформации и их интенсивности.

При этом теоретически впервые установлено существование угловых скоростей деформации на пятне контакта и определены г/о, что подтверждено экспериментально.

Удельная деформирующая сила, определена следующим выражением.

ч/2-л-

\ ш

/ .161

г2 Г г* г

3 + 3—--6— +2-у 1п—-Г г гг.

«Ч о» Р1 у

3 62

4Тз

4-1п—+ 4 —

''о,

г\ ,г ^

? -3-— с, г...

' 2 г2.

9

7 2,

3-'

16 з.г) 16 г;, г„

\

- ь

+ ->(7)

1- ' г

Зависимость qlcss от отношения диаметров оправки и заготовки (гш,/г03) свидетельствует о наличии минимума удельной силы (см. рис.5)

Сравнения результатов расчета мощности при теоретических и экспериментальных исследований показало хорошую сходимост ь - 3,75 и 4,05 к\У.

В третьей' главе

приведены исследований. При

методика и результаты этом рассмотрено влияние

экспериментальных конструкторских и технологических факторов процесса РВ: межосевое расстояние роликов L|-L2> мм; осевая подача оправки Vs, мм/мин; частота вращения заготовки поп, относительная осевая подача/ глубина обжатия каждым роликом S, наружные диаметры ролика и заготовки DP и D0J) радиус скругления кромок ролика R, передний и задний углы ролика а° и ß° (рис. 6).

Предварительные эксперименты проводили при варьировании одного из перечисленных факторов и постоянстве остальных.

Эксперименты проводили на двух группах роликов с наружным диаметром Dp=240mm. Первая группа размеры: R|=6mm, R2=4mm, Rj=2mm; a°i2 3=30°,' ß°i -> з=5°. Вторая - R,=8mm, R2=6mm, R3=4mm; aOi2 3=30°, ß°,.2.3=5°.

r... paiux l tfeffaib , T ,i * " оправка ра^икЗ ролик 2

Рис. 6. Факторы и параметры процесса РВ тремя роликами.

План эксперимента приведен в таблице 1, в состав которой входят факторы и их переменные и постоянные величины.

В качестве регистрируемых параметров использовали: силу тока главного двигателя I (А); наружный диаметр изделия Dok(mm) и величину наплыва Doh (мм). Результаты на рис, 7.

Результаты предварительных экспериментов исследований показали, что при увеличении У, возрастают сила тока I и наружный диаметр изделия DM. На образование наплыва влияние V, не замечено.

При изменении частоты вращения оправки rvn (об/мин) происходит уменьшение силы тока I и наружного диаметра изделия D0H; влияния на наплыв D^ заметно больше при малых значениях межосепого расстояния между роликами L|-L2, а Dot, уменьшается при возрастании п0„. ю

Таблица I

Исследуемые факторы и их значения _

Осевое рас£тоянне между роликами L|-L: (мм) Осевая подача V<(mm''mmh) Скорость вращения оправки Пс (об/мин) Глубина бжатия каждым роликом 5 (мм/ролик) . Характерней-ики двух групп роликов R, а°, ß°

3-1 40, 55. 70, 85 100 0.9 R]=8, 6 R2=6, 4 Rj -4, 2 СС°,.2,3=30" Р°ш=5в .

4-2 5-3 60 70,90, 10, 130 0.9

60 100 0.7, 0.8,0.9, 1.0

iMä

107.8

107,6

107,4

i й il 5

20 40 60 80 VJ0

Рис. 7. Влияние факторов на параметры процесса РВ.

Относительно влияния глубины обжатия роликом 6 на I, D0„ и D0t, отмечи'о, что чем Сап nie 5 (мм/ролик), тем больше I и Doh, и меньше D0K.

Охечено ьесьма существенное шшянис мг:хосевого расстоянии между роликами L,-L: на параметры процесса РВ. При увеличении L.-Lj, возрастает I, а при одновременном увеличении значений других факторов V., п„„, о и LrLi происходит заметное уменьшение наружного диаметра изделия D0„. При ¡мпростании L|-L2 увеличиваются значения D„h.

Д."!-а учсгз влизния различных факторов процесса РВ применена мноп>уакторнйх cxf-ма планирования эксперимента, согласно которой эффект влияния, каждого фактора' оценивается по результатам всех опытов.

В качестве варьируемых факторов приняты: отношение диаметра ролика к диаметру заготовки Г^Му,; глубина обжатия Каждым роликом 5 (мм); оеевяя подача V, (мм/мин); передний угол ролика а°; радиус округления кромок роликов R,(mm); межосевое расстояние роликов Li-Lj.

Выходными Параметрами являлись: сила тока главного двигателя I, (А); твердость изделия после деформирования (НВ); наружный диаметр изделий D0„ (мм); диаметр заготовки в зоне образовании наплыва Dot, (мм); внутренний диаметр изделия d,„, (мм) и растягивающие напряжения о„ (Н/мм2).

Установлено, что наибольшее влияние на D0h, D0H оказывает фактор Dp/D0,. Величина diH в рамках предложенной модели оказывается зависимой от величины Dp/D0]. На твердость и силу тока I оказывают влияние все выбранные факторы. Увеличение Dp/D03, осевой подачи V„ межосевого расстояния L1-L2 приводит к росту значений твердости НВ. А увеличение 5, а° и R приводит к снижению показателей НВ.

Для определения характеристик металла до и после деформации были проведень! испытания на твердость в разных стадиях деформирования (заготовка, первая и вторая стадия). Измерение твердости проводили на внешней поверхности образцов и в сечении стенки трубы.

Результаты экспериментов показали повышение показателей твердости металла заготовки при утонении стенки. Результаты замеров твердости по сечению образцов показали, что максимальные значения твердость имела место в слоях металла, находящихся со стороны наружной поверхности изделия. В средних слоях стенки наблюдались минимальные значения твердости, а в поверхностях, близких к внутренней поверхности трубы происходило опять резкое повешение значений.

Испытания образцов на растяжение, проведенные для разных стадий деформирования показали, что с уменьшением толщины стенки заготовок увеличиваются значения растягивающих напряжений, а интенсивность возрастания а, достигает примерно 20...40% при е%»75%.

Вопрос течения материала при пластическом деформировании металла в процессе ротационного выдавливания тонкостенных трубчатых заготовок на трехвалковых станах, когда в качестве деформирующих инструментов используются ролики, имеющие скругленный гребень, является одним из наиболее сложных вопросов.

Эти трудности возникают из-за характера движения очага пластической деформацйи ("пятна контакта") относительно поверхности.

Учитывая закон течения металла в направлении наименьшего сопротивления, можно говорить, что в условиях процесса РВ возникает возможность течения металла как в продольном, так и в радиальном и окружном направлениях. Кроме того, существует возможность течения металла в зоне, прилежащей к ОДД. Следовательно, происходит увеличение наплыва, которое является нежелательным вследствие его отрицательного влияния на размеры "пятна контакта" и на большинство параметров процесса РВ: на точность и шероховатость поверхности изделия.

Вследствие выше сказанного возникает необходимость исследования роцесса течения металла при обработке металлов ротационным ыдавливанием. Это позволит оценить и решить вопросы течения.

Характер течения металла определяли путем закрепления образца с еткой в стенке заготовки (трубы). После осуществления деформирования о формоизменению образцов оценивали параметры течения металла в роцессе РВ.

Проведенные эксперименты позволили определить характер течения [еталла: образование наплыва, формоизменение деталей в результате [роцесса скручивания и определить поле скоростей течения металла в азных сечениях трубы.

При проведении экспериментов были выбраны необходимые ораметры и факторы процесса РВ: наружный диаметр роликов )р1=Ор2-Врз=150 мм; радиус скругления кромок роликов 11|=6, [3=2 мм; передний угол а°г-20о,а°2=а^=30; задний угол Р°[=Р02=Р°з=50; лубина обжатия первым роликом 81=1,2 мм, вторым 52=0,9 мм и третьим 13=0,8 мм; относительная осевая подача [=\Уп„„=0,8 мм/об; межосевое 1асстояние между роликами Ь1=5мм и Ь2=3мм.

В качестве заготовки при проведении экспериментов использовали онкостенную трубу, в которой изготовлен паз для закрепления образцов с [внесенной сеткой.

Результаты изменения формы образцов после деформации показаны т рис. 8 и на рис. 9.

-1—

11 юн. 2 |

юна 3 ч>>

I

У

Рис.8. Форма изменения образцов после обжатия.

Рис. 9. Образцы экспериментов течения металла.

Изменение формы образцов происходило следующим образом. Наружная поверхность образца имела деформацию в касательном направлении (по окружности), в зоне ОПД наблюдалось скручивание заготовки в противоположном направлении по отношению к вращению оправки, а в изделии наблюдалось скручивание согласно направлению вращения оправки.

Форма изменения линий сетки является критерием для оценки течения металла, при этом можно наблюдать течения металла в продольном и радиальном направлениях.

Для подтверждения этих результатов осуществляли экспериментальные исследование макроструктуры металла, в ходе которых удалось подтвердить, что волокнистость дает возможность оценивать интенсивность процесса и предположить характер течения. Результаты макроструктуры металла согласовались с результатами экспериментов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ:

1. На основании исследований решена актуальная научно -технологическая задача, состоящая в разработке методики определения энергосиловых параметров процесса ротационного выдавливания тонкостенных труб на трехвалковых станах, и дана оценка влияния конструторско-технологических факторов на качество изготавливаемых изделий, внедрение этих результатов в производство повышает конкурентную способность продукции .на рынке сбыта.

2. Уточнены форма и размеры ОПД в процессе РВ, длина 10ч, ширина Ьэт и толщина (ги- гоп) и их зависимость от углов ролик а° и р°, радиуса и

крушения роликов R, относительной осевой подачи Дмм/'об) и глубины бжатия б(мм).

3. Установлены по результатами теоретических исследовании' озможности образования четырех форм шероховатости в зависимости от качений R,/, и Р°. С увеличением угла р° и относительной осевой подачи [мм/об) возрастает шероховатость поверхности R„, а при увеличении L(mm) значительно уменьшается. а°, диаметр ролика DP, и заготовки D0, ie оказывают влияние на шероховатость.

Третий ролик является последним деформирующим инструментом, лияющим на качество поверхности изделии. Для обеспечения высокого ачества поверхности необходимо использовать ролики с большом едиусом скругления R> 4 мм и с относительной подачей / менее 0,5. ш/об.

4. Установлена необходимость уменьшения обжатия вторым 82 и ретьим бз роликами при определенных значениях ôi: чем больше олщина стенки заготовки S,„ тем меньше различие величин 5|, 62, 5з, но ледует выбрать обжатия ôi> ôi> 5j. -

5.. На основе предварительного и планированного многофакторного ксперимента построены модели. Установлено - наибольшее влияние на )ои и на образование наплыва D,)h оказывает отношение Dp/D0J. Величина [,„ в рамках предложенной модели оказывается зависимой от величины )p/Dm, сила тока I главного двигателя и твердости по шкале НВ, зависит it всех факторов. Повышение прочности ст, вызвано увеличением таких юказателей как LrL;, Dr/Don S и R. Все остальные величины снижают юказатели прочности.

6. Установлены количественные оценки повышения твердости аготовки от степени утонения.стенки (е%). Максимальные значения вердости по сечением образцов, наблюдаются D стороне от наружной юверхности изделия. В средних слоях стенки наблюдаются минимальные юказатели твердости, а в близких к внутренней поверхности трубы опять >езкое позышение.

С увеличением степени утонения, возрастают, растягивающие тнряАения, а интенсив' .'-сть возрастания а, достигает примерно 20...40% |рис%~75%. ''■'''

7. Результаты экспериментального исследования течения металла юказали, что на наружной поверхности образцов деформация а гасатсльном направлении противоположна Направлению вращения шранки. а в юне ОПД заметно скручивание в противоположном оправлении но 01 ношению к вращению оправки, но в изделии отмечено олько скручивание в направлении вращения оправки, что согласуется с ¡аиными теории.

8. Установлены кинематические возможные скорости течени металла в условиях РВ, что позволило найти кинематические возможны скорости деформации и интенсивность скоростей деформации. < использованием этих данных найдена верхняя оценка деформирующе: силы при обжатии первым роликом.

9. Предложена методика определения мощности электропривод трех валкового стала.

10. На основе анализа удельной деформирующей силы, необходимо: да» РВ, показана возможность рационального выбора переднего угл ролика, обеспечивающего возможность обработки толстостенных труб.

Публикации.

1. М. Сулнман, Г. Мусса, Н.В. Коробова. Экспериментально исследование точности размеров изготавливаемых тонкостенных оболоче в зависимости от технологических и конструкторских факторов пр холодном ротационном выдавливании на трёхвалковых машина // Кузнечно-штамповочное производство. - 2000,- №7.- С. 7-9.

2. М. Сулимая, Г. Мусса, Н.В. Коробова. Экспериментально исследование точности размеров изготавливаемых тонкостенных оболоче при холодном ротационном выдавливании (РВ) на трехвалковы ротационных станах.(принята к опубликованию в журнале "Кузнечнс штамповочное производство".

3. А. Г. Овчинников, М. Сулиман, Г. Мусса. Теоретически исследования определения очага пластической деформации в процесс ротационного выдавливания тонкостенных оболочек на трехвалковы станах. Принята в качестве доклада на 3-ей научной техническо конференции механика и новые технологии, проводимой научном совето !по механике деформируемого твердого тела при президиуме НА Уткриины и Севастопольским государственным технологически 'yiiifuepcirrcTOM, а севастопль, 12-15 сентября 2000.

Основные обозначения.

Общая характеристика работы.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РОТАЦИОННОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ (ОБЖАТИЯ) ЗАГОТОВОК НА ТРЕХВАЛКОВЫХ СТАНАХ В ПРОЦЕССЕ

ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБ.

1.1. Общие сведения.].

1.2. Особенности ротационного выдавливания.

1.2.1. Основные положения и терминология.

1.2.2. Факторы, влияющие на характер процесса пластического деформирования в условиях РВ цилиндрических изделий.

Выводы по первой главе.

Постановка цели и задач исследований.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РВ ПОЛЫХ ЗАГОТОВОК НА ТРЕХВАЛКОВЫХ СТАНАХ.

2.1. Анализ сущности ротационного выдавливания.

2.2. Постановка задач теоретических исследований.

2.3. Определение формы и размеров очага пластической деформации в процессе РВ трубчатых изделий (цилиндрической формы) на трёхвалковых станах.

2.3.1. Определение длины - 1оч очага пластической деформации.

2.3.2. Определение ширины - Ьоч очага пластической деформации.

2.3.2.1. Определение ширины - Ьоч) (ширина ОПД первая зона).

2.3.2.2. Определение размеров второй зоны в продольном направлении очага пластической деформации - Ьоч2 и ее влияние на шероховатость поверхности изделия.

2.4. Выводы по результатам исследования очага пластической деформации (ОПД).

2.5. Общая характеристика напряженно-деформированного состояния заготовки в условиях прямого и обратного РВ.

2.6. Исследование глубины обжатия заготовки предыдущим роликом на подачу для последующих при ротационном выдавливании труб на трехвалковых станах.

2.6.1. Общие соображения.

2.6.2. Методики определения приращения значений подач (f2 ) перед вторым и (f3 )третьим роликами.

2.7. Расчет удельных деформирующих сил, скручивающего момента и мощности привода.

Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРОЦЕССА РВ.ЮЗ

3.1. Задачи экспериментальных исследований.\

3.2. Методика проведения экспериментальных исследований.

3.2.1. Материалы и образцы для проведения исследований.Ю

3.2.2. Экспериментальная оснастка - рабочий инструмент.Ю

3.2.3. Оборудование и измерительные инструменты.

3.3. Предварительные эксперименты.

3.3.1. Проведение предварительных экспериментов.

3.3.2. Анализ результатов. Влияние факторов - Vs поп, 5 на точность размеров, шероховатость поверхности, величину наплыва и др. в процессе РВ.

3.3.3. Обсуждение результатов.

Актуальность работы. Современная промышленность широко использует оболочки в виде тонкостенных трубчатых деталей, к которым предъявляют высокие требования по качеству - точности размеров, уровню механических характеристик и шероховатости поверхности.

Один из способов обработки металлов давлением для изготовления тонкостенных трубчатых оболочек деталей нашел процесс ротационного выдавливания (РВ) на трехвалковых станах. Этот процесс характеризуется локализацией очага пластической деформации и занимает значительное место при производстве деталей типа тел вращения.

На протекание процесса ротационного выдавливания тонкостенных оболочек влияют многие факторы, которые можно разделить на технологические и конструкторские. Эти факторы могут оказать существенное влияние на результаты процесса ротационного выдавливания (точности размеров, силовые и деформационные параметры).

В работах, относящихся к исследованию РВ, редко встречаются теоретические и экспериментальные, в которых рассматривают взаимодействие трех роликов и их влияние на результаты .

В связи с этим проведение теоретического анализа и экспериментальных исследований процесса РВ тонкостенных труб на трехвалковых станах с учетом влияния различных факторов (технологические и конструкторские) и их взаимодействия, представляет актуальную научно-техническую задачу, решение которой позволит существенно улучить условия применения процесса ротационного выдавливания.

Цель работы; решение научно - технической задачи, состоящей в теоретическом и экспериментальном исследовании процесса РВ тонкостенных трубчатых оболочек с утонением при использовании трехвалковых станов и также разработка методики определения (выбора) конструкторско - технологических факторов, обеспечивающих ротационное выдавливание труб с заданными эксплуатационными характеристиками.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• разработка методики определения энергосиловых параметров ротационного выдавливания тонкостенных труб.

• установить влияние конструкторско - технологических факторов на качество изготавливаемых труб ротационным выдавливанием на трехвалко-вых станах.

• установить влияние степени утонения металла стенки заготовки на механические характеристики изделия;

• установить характер течения металла и определить рациональные степени (глубины) обжатия первым и последующими роликами.

Научная новизна:

• получены основные уравнения и необходимые соотношения для анализа скоростей течения металла в очаге пластический деформации (в продольном, радиальном и окружном направлениях);

• предложена методика экспериментального определения характера течения металла в процессе РВ тонкостенных труб;

• в результате экспериментальных исследовании установлены влияние факторов процесса РВ (межосевое расстояние между роликами, осевая подача, скорость вращения оправки и размеры роликов и оправки);

• установлены характеристика очага пластической деформации и определены факторы, влияющие на нее в зависимости от технологических режимов обработки и основных параметров деформирующего инструмента.

Автор защищает:

• основные уравнения и соотношения, необходимые для исследования процесса течения металла в процессе ротационного выдавливании тонкостенных трубчатых оболочек с утонением на трехвалковых станах;

• определение влияния различных факторов процесса РВ на качество изготавливаемых изделий;

• математический анализ влияния факторов процесса РВ на основании результатов экспериментальных исследований;

• методику определения течения металла с учетом влияния каждого ролика;

• методику определения энергосиловых параметров.

Методы исследования. Исследование процесса РВ осуществлялось с использованием теоретических и экспериментальных методов. Теоретическое исследование выполнено для разработанной расчетной модели процесса на основе инженерного метода с использованием положений теории верхней оценки.

Экспериментальные исследования проводины с использованием современных испытательных устройств, машины и регистрирующей аппаратуры.

В результате проведения экспериментальных исследований получены механические характеристики деформируемого металла и определено влияние технологических и конструкторских факторов процесса ротационного выдавливания трубчатых оболочек при использовании трехвалковых станов при проведении предварительных и планированных экспериментов из разных видов материалов и деформирующих инструментов.

Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием основных допущений и ограничений теоретических исследований - метода верхней оценки энергосиловых параметров, корректностью постановки, применением известных математических методов статистики при планировании экспериментов и обработке их результатов, оценкой адекватности расчетных моделей реальным процессом; сходимостью данных расчета и эксперимента.

Практическая значимость и реализация работы. На основе теоретических исследований предложена методика расчета деформирующих сил, размеров глубины обжатия заготовки и определения энергосиловых параметров привода. Результаты экспериментальных исследований позволяют оценить качество изготавливаемых изделий и режимов обработки на стадии проектирования без проведения каких-либо наладочных работ.

Использование результатов исследований позволит ускорить сроки подготовки производства и улучшить качество изделий (точность размеров, шероховатость поверхности и механические характеристики).

Результаты исследований будут использовать на машиностроительных предприятиях в Сирии и металлургических заводах России.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на научных семинарах кафедры «Технологии обработки давлением» Московского государственного технического университета МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Публикации. Экспериментальное исследования точности размеров изготавливаемых тонкостенных оболочек в зависимости от технологических и конструкторских факторов при холодном ротационном выдавливании (РВ) на трехвалковых машинах // Кузнечно-штамповочное производство. - 2000.-№7,- С. 7.9.

Структура и объема диссертации: диссертация состоит из общей характеристики работы, трех глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Работа выполнена на 192 страницах машинописного текста, содержит 120 рисунков, 17 таблиц и список литературы из 22 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. На основании теоретических и экспериментальных исследований решена научно технологическая задача, состоящая в разработке методики определения энергосиловых параметров процесса ротационного выдавливания тонкостенных труб на трехвалковых станах , и оценка влияния конструторско-технологических факторов на качество изготавливаемых изделий, внедрение этих результатов в производство повышает конкурентную способность продукции на рынке сбыта.

2. В зависимости от проведенных исследований определены форма и размеры очага пластической деформации (ОПД) в процессе РВ, длина 1оч, ширина Ьоч и толщина (г03- гоп). 1оч зависит от переднего угла ролик а0, радиуса скругления роликов Я, и относительной осевой подачи /(мм/об). Ширина ОПД (Ьоч) зависит от Я, /, 5 и углов ролика(а° и Р°). Наружный диаметр ролика и заготовки не оказывают влияния на Ьоч.

3. Результаты теоретических исследовании показывают, что форма шероховатости поверхности изделия зависит от нескольких факторов. Установлены возможности образования четырех форм шероховатости в зависимости от значений II,/ и р°. С увеличением заднего угла ролика р° и относительной осевой подачи /(мм/об) возрастает шероховатость поверхности Яа, а при увеличении радиуса скругления ролика 11(мм) значительно уменьшается, а0, и 003 не оказывают влияний.

При этом поскольку третий ролик представляет собой последним и окончательным деформирующим инструментом влияющим на качестве поверхности изделии, поэтому для обеспечения требовании на качество поверхности рекомендуется выбор характеристики третьего ролика (II, а0, Р°), и также режиме или факторы влияющие на качество поверхности в частности относительной осевое подачи /(мм/об). Для высоких качество поверхности можно использовать ролики имеющие большого радиуса скругления Я, (Я более чем 4мм) и относительную подачу / (менее 0,5 мм/об).

4. При анализе результатов исследований влияния обжатия заготовки предыдущим роликом на подачу для последующих (межроликами течения металла) установлено, что уменьшение глубины обжатия вторым и третьим роликами 82 и 53 для определенных значений 81. Также установлено, что чем больше толщина стенки заготовки 803, тем меньше различие величин 5Ь 82,

5з.

В этом случае для обеспечения равенства сил деформации на трех роликах рекомендуется использовать значения глубины обжатия 8[> 82> 83.

5. Разработана методика и проведены предварительные экспериментальные исследования по определению влияния следующих факторов: ЬГЬ2, У5, поп, и 8 на параметры (силы тока главного двигателя I, наружный и внутренний диаметры изделия Бои, ¿¡„, и диаметр наплыва Б0ь)-Установлено существенное влияние факторов на результаты и для разных материалов. Лучшие результаты получены при применении одинаковых величин межосевого расстояния между роликами Ц и Ь2.

Величинах Ц и Ь2 рекомендуются определить по формулам.

52+8ъ £ + Ьх = ь2 -- , или ьх - ь2 =■

2-1%в ' 1 2 2■tg0, где и Ь2 - расстояния между первым и вторым, и вторым и третьим роликами, мм;

8 - сумма глубины обжатия тремя роликами, (8=81+82+83) мм; где 8Ь 82 и 83 - глубина обжатия первым, вторым и третьим роликом. При этом необходимо отметить, что величину угла 9° выбирают при условиях в" <а2 и 0° <а°3 (значениях в пределах 15°-20°).

6. Для учета взаимовлияния различных факторов проведен многофакторный эксперимент (планирование) и построены модели для каждого параметра. В результате исследований установлено - наибольшее влияние на Оои и на образование наплыва оказывает отношение диаметров ролика и заготовки ВРЮШ. Величина в рамках предложенной модели оказывается зависимой от величины Вр/В03. Сила тока I (А) главного двигателя зависит от всех выбранных факторов. На изменение твердости оказывают влияние все факторы. Так увеличение отношения диаметра ролика и диаметра заготовки ВрЯ)0з, осевой подачи У5, межосевого расстояния (ЬГЬ2) приводит к увеличению твердости НВ. А увеличение 5, а0, Я к снижению НВ. Повышение прочности ав вызвано увеличением таких показателей как ЬГЬ2 и Ор/В03 8 и Я. Все остальные величины снижают показатели прочности.

7. На основании экспериментальных исследований характеристик используемого металла до и после деформации (испытания на твердости на поверхности и в сечениях образцов и на растяжение) установлено повышение твердости заготовки в зависимости от степени утонения стенки £%=(80-81)/80. Интенсивность увеличения твердости возрастает с увеличением £%. Максимальные значения твердости по сечением образцов, наблюдаются в слоях металла, находящихся в стороне от наружной поверхности изделия. В средних слоях стенки наблюдаются минимальные показатели твердости, а в близких к внутренней поверхности трубы опять резкое повышение.

Результаты испытаний на растяжение показывают, что с уменьшением толщины стенки заготовок (увеличения степени утонения) увеличиваются значения растягивающих напряжений, а интенсивность возрастания ав достигает примерно 20+40% при е%^75%.

8. Для выявлении формоизменения и характера течения металла в процессе РВ проведены серии экспериментальных исследований при использовании образцов с нанесенными линиями сетки. Результаты исследований позволяют нам создать общее представление о характере течения металла в процессе РВ.

Показано, что на наружной поверхности образцов деформация в касательном направлении противоположна направлению вращения оправки, а в зоне ОПД заметно скручивание в противоположном направлении по отношению к вращению оправки, но в изделии отмечено только скручивание в направлении вращения оправки.

Экспериментальные исследование макроструктуры показали деформирование металла в соответствии с формой профиля наружной поверхности инструментов (ролики и оправка).

9. Установлены кинематические возможные скорости течения металла в условиях РВ, что позволило найти кинематические возможные скорости деформации и интенсивность скоростей деформации. С использованием этих данных найдено выражение верхней оценки деформирующей силы при обжатии первым роликом.

Учитывая равенство деформирующих сил при РВ на трехвалковых станах и известном упрочнении материала дана методика определения обжатия вторым б2 и третьим оз роликами.

10. Предложена методика определения мощности электропривода трехвалкового стана.

11. На основе анализа удельной деформирующей силы, необходимой для РВ показана возможность рационального выбора переднего угла ролика, обеспечивающего возможность обработки толстостенных труб.

1. Гридитор М.А. Давильные работы и ротационное выдавливание М.: Машиностроение, 1971. - 239с.

2. Алексеев H.H. Разработка методики проектирования технологического процесса ротационной вытяжки с утонением тонкостенных цилиндрических оболочек в шариковой матрице: Автореферат дисс. канд. техн. наук. - Москва, 1985. - 16с.

3. Семигреева И.Н. Научные основы проектирования технологического процесса вытяжки с утонением деталей в наклонных вращающихся матрицах: Автореферат дисс. канд. техн. наук. - Москва, 1988. - 15с.

4. Степанов В.Ф., Суздальцев И.Ю., Соколов Ю.А. Установка для ротационного выдавливания наклонной матрицей // Кузнечно-штамповочное производство. 1991.- №9. - С. 23 -24.

5. Бочаров Ю.А., Ренне И.П., Беллов П.И. Структурно-морфологическая классификация оборудования для ротационной вытяжки // Кузнечно-штамповочное производство. 1987. - №9. - С. 29-33.

6. Кренделев JI.A., Миронов В.В. Технология и оборудование для ротационной вытяжки оссесиметричных деталей // Вестник машиностроения. 1990. - №5. - С. 10-12.

7. Faulhaber J. (Boko- FRG). Spinning and flow forming technology // Sheet metal industries. 1986. - V. 63, №12. - P. 714-716.

8. Тетерин П.К. Теория поперечной и винтовой прокатки. М.: Металлургия, 1983.-270с.

9. Козлов Ю.И., Лотарев Ю.Е. Деформации сварных заготовок при изготовлении оболочкообразных днищ ротационной вытяжкой

10. Кузнечно-штамповочное производство. 1988. - №5. - С. 19-20.

11. Николаев В.А. Контактные давления в очаге деформации при прокатке в валках с рельефной поверхностью // Изв. Вузов. Чёрная металлургия. -1991. -№1.- С. 29-32.

12. Могильный Н.И. Ротационная вытяжка оболочковых деталей на станках.- М.: Машиностроение, 1983. 192с.

13. Томсон Э., Янг Ч., Кобаяши Механика пластических деформаций при обработке металлов. М.: Машиностроение, 1969. - 509с.

14. Могильный Н.И. Теория и методы проектирования технологии, оборудования и оснащения для автоматизированной ротационной вытяжки: Дисс. док. техн. наук. Варшиловград, 1987. - 466 с.

15. Могильный Н.И. Определение сил, крутящих моментов и мощности при ротационной вытяжке // Кузнечно-штамповочное производство. 1992. -№3. - С. 25 -29.

16. Развитие напряженного состояния в заготовке при винтовой прокатке в трёхволковом стане / А.Н. Никулин, Ю.И. Рыбин, А.Н. Скорняков, В.В. Стрелецкий // Металлы. 1994. - №4.- С. 53-58 .

17. Никулин А.Н. Оценка тангенциальных сдвигающих напряжений при винтовой прокатке // Металлы. 1992. - №3.- С. 73-77.

18. Никулин А.Н. Анализ развития растягивающих напряжений в поверхностном слое заготовки при винтовой прокатке // Металлы. 1996.- №3.-С. 63-71.

19. Овчинников А.Г., Володин Н.И. Вдавливание вращающегося пуансона с цилиндрическим торцем // Изв. Вузов. Машиностроение. 1985.- №5. -С. 116-121.

20. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение, 1980. -304с.

21. Попов М.В., Обух-Швец И.М., Юрченко Ю.Ф. Технология пластичности и свойства металла холодно деформированных труб. М.: Машиностроение, 1992. - 320с.

22. Левин Е.И., Королев М.А. Расчёт геометрических и силовых параметров поперечно-винтовой прокатки // Вестник машиностроения. 1986. - №6. -С. 53-55.