автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка научных основ процесса гидромеханической вытяжки

г г- -

1 I I

ОД

На правах рукописи

МИХАЙЛОВ ЮРИЙ ОЛЕГОВИЧ

УДК 621.983

РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ ПРОЦЕССА ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ВЫТЯЖКИ

Специальность: 05.16.05 - Обработка металлов давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ижевск - 1998

Работа выполнена в Ижевском государственном техническом унт ситсте.

Научный консультант - Заслуженный деятель науки и техники УР

доктор технических наук, профессор КАЗАЧЕНОК В.И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Леванов А.Н., доктор технических наук, профессор Колмогоров ГЛ., доктор технических наук, профессор Власов О.Г.

Ведущая организация: ГПО "Боткинский завод", г.Воткинск

Защита состоится -С/'АР/У*/' 1998 г. в ту 'часов на зас<

нии диссертационного совета ДР-064.35.14 Ижевского государственн технического университета по адресу: 426069, г.Ижевск, ул.Студенческа!

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ижевского г< дарственного технического университета.

Автореферат разослан /Ш*^ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор (

Л.Т.Крекшш

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Одним из основных способов производства точных заготовок посредством обработки металлов давлением является процесс вытяжки из 1сходной листовой заготовки. Однако традиционные технологические тропессы вытяжки в жестких штампах или не обеспечивают нужного ка-1ества и высокой точности изделий, или связаны с необходимостью вы-толнения большого числа переходов, что повышает трудозатраты и расхо-ц>1 па штамповую оснастку. Известны также трудности штамповки изде-шй из материалов, склонных к схватыванию, когда приходится использо-¡ать различные защитные покрытия, часто не обеспечивающие полного )азделения металла заготовок и инструмента. Многооперационность провеса вытяжки связана также с недостаточной точностью вытягиваемых гздслий, имеющих значительную продольную разнотолщинность, разнотонность, конусность наружной поверхности. На практике при штамповке »тветственных деталей, как правило, стремятся избежать указанных дефек-■ов за счет применения слесарной и механической обработки.

Условия протекания того или иного процесса обработки металлов (авлением и его параметры определяются в конечном итоге видом напряженного состояния, зависящим от схемы приложения деформирующих сил I контактного трения.

Напряженным состоянием можно управлять, прежде всего, путем из-1енешм схемы приложения деформирующих сил. Для этого необходимо, :ак правило, видоизменять кинематику машин или применять специальные ¡ггампы, отдельные элементы которых получают принудительные перемещения для создания дополнительной нагрузки на заготовку или изменения арактера распределения контактных напряжений. В то же время опыт по-

казывает, что существенного изменения напряженного состояния, а также и распределения деформаций в объеме заготовки можно достичь, регулируя контактное трение.

Трудами отечественных ученых С.И. Губкина, И.М. Павлова, В.П. Северденко, Е.И. Исаченкова, В.Л.Колмогорова, Г.Л. Колмогорова, И.Л. Перлина, Л.В. Прозорова, С.Я. Вейлера, В.И. Лихтмана, А.П. Грудева, А.Н.Леванова, Е.М.Макушка, В.И. Казачепка и др., а также зарубежных -Ф.Э. Боудена, Д. Тейбора и др. сформулирована определенная точка зрения на механизм и физико-химическую природу трения при пластическом деформировании, показана существенная роль трения в процессах обработки металлов давлением.

Полнота использования способности материала к пластическому формоизменению, в том числе в процессах штамповки деталей из листа, качество штампуемых деталей, стойкость инструмента, а также производительность в значительной степени определяются внешним трением между обрабатываемым материалом и инструментом.

Наиболее ощутимый эффект в снижении сил трения можно получить, создавая режим жидкостного трения. Экранирование контактных поверхностей смазочной пленкой с низким сопротивлением сдвигу, определяемым физико-механическими свойствами смазок, позволяет свести к минимуму величину внешнего трения и тем самым полнее использовать пластические свойства деформируемого металла, значительно снизить усилие формоизменения и повысить стойкость инструмента.

В зависимости от схемы приложения деформирующих сил и схемы деформации режим жидкостного трения может быть создан либо за счет гидродинамического эффекта смазки, т.е. способности вязкой или вязко-пластической среды создавать так называемый "смазочный клин", выдерживающий значительные давления, либо в результате принудительной по-

дачи смазки в зону очага деформации. На принципе подачи смазки под давлением основан процесс гидромеханической вытяжки (ГМВ). При ГВМ происходит значительное выравнивание деформаций в объеме заготовки, что позволяет увеличивать предельные степени деформации. При наличии жидкостного трения по матрице повышается стойкость инструмента и точность штампованных заготовок (особенно уменьшается продольная разнотолщинность). К преимуществам процессов штамповки с жидкостным трением следует отнести также возможность их осуществления в универсальных штампах на обычном оборудовании. Использование противодавления и жидкостного трения в процессах вытяжки позволяет повысить допустимые степени деформации за переход, сократить число штамповочных, термических, вспомогательных операций и повысить качество вытягиваемых изделий.

Расширение области применения ГМВ может быть осуществлено на основе научно обоснованных рекомендаций по проектированию технологии вытяжки в режиме жидкостного трения, оптимизации параметров инструмента и усилия прижима заготовки применительно к материалам, наиболее часто используемым в промышленности.

Решение этой научно-технической проблемы составляет предмет настоящей диссертации.

Работа написана на основе исследований, проведенных автором в течение ряда лет, а также в результате обобщения и систематизации отечественного и зарубежного опыта по ГМВ.

Работа выполнялась в соответствии с координационным планом НИР ВУЗов в области машиностроения (Госбюджетная тема № 54-1) отраслевыми и региональными научно-техническими программами.

Цель работы: разработка новых способов, методик расчета пара-

метров и проектирования технологических процессов гидромеханической вытяжки, системы автоматизированного проектирования технологических процессов ГМВ, выявление взаимосвязи параметров качества и энергосиловых параметров с режимами процесса вытяжки и на их основе назначение научно обоснованных технологических рекомендаций, обеспечивающих повышение эффективности производства и формирование заданных характеристик качества изделий.

Автор защищает результаты теоретического исследования по определению напряженно-деформированного состояния плосконапряженного изотропно-упрочняющегося материала заготовки на первом и последующих переходах ГМВ; результаты аналитического исследования по определению предельных коэффициентов формоизменения, утонения в опасном сечении заготовки и силового режима процесса; результаты экспериментального исследования силового режима, параметров точности, шероховатости и структуры материала заготовки; результаты исследования эмпирических зависимостей в виде уравнений регрессии для определения давления прижима и утонения в опасном сечении материала заготовки; алгоритмы и программное обеспечение для автоматизированного расчета технологических параметров процесса; конструкции штамповой оснастки и установки для процессов ГМВ; разработанные технологические процессы на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна состоит в разработке математических моделей процесса ГМВ для гагосконапряженного изотропно-упрочняющегося материала заготовки на первом и последующем переходах вытяжки деталей цилиндрической и конической формы. В результате теоретических исследований установлены закономерности изменения силовых и деформацион-

дых параметров, предельных степеней формоизменения при ГМВ на первом и последующих переходах. На базе математической статистики и планирования эксперимента получены уравнения регрессии для определения усилия прижима, утонения в опасном сечении при ГМВ деталей цилиндрической и конической форм, получаемых за один или несколько штамповочных переходов. Произведена оценка точности, шероховатости поверхности и микроструктуры материала заготовок, получаемых при использовании новой технологии. Разработана система автоматизированного про-гктирования технологических процессов листовой штамповки.

Методы исследования. Теоретические исследования процесса ГМВ выполнены на базе совместного решения уравнений равновесия и условия пластичности по безмоментной теории для плосконапряженного изотропно-упрочняющегося материала заготовки. Анализ полученных зависимостей для схем ГМВ реализован с использованием персональных ЭВМ. При проведении экспериментальных исследований использованы современные испытательные машины, регистрирующая аппаратура, а экспериментальные зависимости получены с использованием теории подобия, планирования многофакторного эксперимента и математической статистики.

Практическая ценность и реализация работы. В результате теоретических и экспериментальных исследований предложены методики расчета технологических процессов ГМВ деталей цилиндрической и конической формы. Разработана система автоматизированного проектирования технологии процессов листовой штамповки, обеспечивающая получение деталей с наименьшей трудоемкостью и высокими характеристиками качества.

На базе результатов теоретических и экспериментальных исследований новых технологических процессов ГМВ изданы три отраслевых стан-

дарта. Результаты работы внедрены на предприятиях оборонного комплекса с долевым экономическим эффектом более 1 млн. рублей в ценах 1991 года.

Материалы научных исследований включены в разделы лекционных курсов "САПР технологии и оборудования кузнечно-штамповочного производства", "Прогрессивные процессы обработки металлов давлением", а также использованы при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях, семинарах и совещаниях:

- на 4 семинарах в МДНТП, 1975 - 1992 гг.;

- на всесоюзных научно-технических конференциях в Ижевске (1978 г.), Киеве (1978 г.), Москве (1979 г.), Гомеле (1977 г.), Рыбинске (1982 г.), Ленинграде (1982 г.), Челябинске (1983 г.);

- на научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов (г.Ижевск, НИТИ "Прогресс", 1978 - 1980 гг.);

- на отраслевом совещании "Состояние и основные направления повышения стойкости штампового инструмента" (г.Ижевск, 1978 г.);

- на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников ИжГТУ, 1977 - 1997 гг.

Экспонаты по работе демонстрировались на ВДНХ СССР и на Всероссийских выставках в городах Тольятти, Ижевске и Уфе.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 35 печатных работах, в том числе в трех отраслевых стандартах и в двух монографиях (в соавторстве), в описании к 10 авторским свидетельствам на изобретения и в 17 отчетах по НИР.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из

введения, 6 глав, основных выводов, списка литературы и 3 приложений. Диссертация изложена на 301 странице машинописного текста, содержит 97 рисунков, 23 таблицы и 158 наименований библиографического списка. Общий объем работы - 352 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе проблемы, ее научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе проведен анализ листоштамповочного производства деталей и изделий оборонной техники. Приведены сведения по существующим технологическим процессам получения тонких осесиммет-ричных заготовок и деталей специздслий, рассмотрены пути интенсификации процесса, поставлена цель и определены задачи исследования.

Для оценки уровня технологии деталей, изготавливаемых в отрасли из листового проката, с учетом конструктивных особенностей и предъявляемых требований проведен анализ номенклатуры деталей изделий типа 9М. Анализ показал, что наибольшее количество деталей изготавливается из материалов, имеющих отношение сг02/сгл в пределах. 0,42 - 0,49 (алюминиевые сплавы и жаропрочные стали) и 0,65 - 0,70 (стали типа ЗОХГСА, ВП30, СП28Ш). Допустимое утонение у большинства деталей не более 15 - 20%. Предельные отклонения внутренних диаметров определяются допусками Н11 - H12 квалитетов. В связи с тем, что детали работают в тяжелых условиях (высокие температуры, давления, агрессивная среда), жесткие технические требования к ним предъявляются по точности, равно-прочности, структуре металла и качеству поверхности (шероховатость основных поверхностей задается на уровне параметра R а = 2,5 ...1,25 мкм и

ниже).

Существующая технология изготовления таких деталей базируется на сочетании формообразующих операций (вытяжка в жестких штампах, ротационное выдавливание), промежуточных химико-термических операций, операций нанесения и удаления покрытий, смазки, а также операций механической обработки и слесарной доводки с применением универсального оборудования.

Однако используемая технология не всегда позволяет обеспечить выполнение всех конструктивных требований, предъявляемых к деталям этого класса, изготовление которых имеет ряд существенных недостатков: низкая степень деформации за переход и связанная с этим многоопераци-онность, плохое качество поверхности, низкая стойкость штампового инструмента. Одним из путей интенсификации технологии, повышения качества и снижения брака деталей является использование процесса гидромеханической вытяжки. Процесс ГМВ является перспективным в отрасли. Этот процесс обеспечивает получение больших степеней деформации за счет исключения вредного влияния сил трения на участках соприкосновения заготовки с матрицей и использования их активного действия на участках контакта заготовки с пуансоном. В этом случае можно получить детали с повышенной точностью размеров и чистотой поверхности, а также с меньшим утонением стенки детали.

Кроме того, ГМВ обеспечивает возможность получения деталей сложной формы за одну операцию вытяжки как из обычных материалов, применяемых для штамповки, так и из высокопрочных металлов и сплавов, обладающих низкими показателями пластичности. При этом, вследствие полного или частичного разделения рабочих поверхностей матрицы и заготовки жидкостью, стойкость штампового инструмента практически не ограничена.

Однако в настоящее время в научно-технической литературе нет систематизированных и достаточно обоснованных сведений о напряженно-цеформированном состоянии при ГМВ, обоснований предельных коэффициентов вытяжки деталей из высоколегированных сталей, о величине оптимальных усилий прижима и характере его изменения по ходу процесса. Отсутствуют данные об оценке точности и качества поверхности получаемых деталей. Особенно мало данных и рекомендаций по вытяжке деталей сфероцилиндрической и конической формы и при многопереходной вытяжке спецдеталей.

Отсутствие систематизированных методик расчета технологических операций, базирующейся на математических моделях процесса деформирования заготовки, значительно снижает эффективность использования ГМВ и удлиняет срок технологической подготовки производства.

Таким образом, для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- с учетом реальных условий нагружения определить напряженное состояние заготовки на первом переходе вытяжки деталей цилиндрической и конической формы, а также напряженное состояние заготовки при последующих переходах вытяжки с прижимом и без прижима отожженного и неотожженного полуфабрикатов, аналитически определить усилия вытяжки деталей цилиндрической и конической формы на первом переходе и при последующих переходах формоизменения;

- определить предельную степень формоизменения на первом и последующих переходах в зависимости от основных факторов, определяющих процесс ГМВ;

- исследовать механизм формирования утонения штампуемых изделий, получить аналитические и экспериментальные зависимости утонения в опасном сечении заготовки от основных технологических факторов;

- получить экспериментальные зависимости для определения опти мального давления прижима на первом и последующих переходах;

- провести исследования по оценке точности внутреннего диаметра микроструктуры и шероховатости поверхности полуфабрикатов и деталей получаемых по новой технологии;

- разработать конструкции штамповой оснастки и установок для реа лизации процесса ГМВ по выбранной схеме формоизменения;

- на основании аналитических и статистических выражений по опре делению технологических параметров первого и последующих переходо] ГМВ разработать нормативно-справочную информацию для САПР про цессов листовой штамповки.

Во второй главе работы проведен анализ напряженного состояни; материала заготовки для первого и последующих переходов вытяжки. Н: первом переходе рассмотрены случаи вытяжки деталей цилиндрической I конической формы.

Анализ напряженного состояния на первом переходе вытяжки вы подняли, используя метод, основанный на совместном решении прибли женных уравнений равновесия с условием пластичности.

Решая уравнения равновесия для участка фланца заготовки и закрут ления кромки матрицы совместно с уравнением пластичности (рис.1), по лучили выражение для максимальных растягивающих напряжений.

г \

1п

" 2

2 г„,

+

Но

тф,

к1 -

- Ж 1п

К Я

Рис. 1. Схема напряженного состояния заготовки при ГМВ

где Я„ - текущее значение наружного радиуса фланца; Я„ - радиус пуансона;

- исходная толщина заготовки; К0 - радиус фланца в месте перехода в радиус закругления матрицы; <2 - усилие прижима; /-коэффициент трения; ав- предел прочности материала;

у/ш - относительное сужение площади поперечного сечения образца к моменту образования шейки.

Для того, чтобы пользоваться формулой (1), необходимо определить гизг - радиус изгиба заготовки на участке скругления матрицы. Заготовка деформируется жидкостью при высоком давлении, гшг может значительно отличаться от гы скругления матрицы. Значение гтг зависит от многих факторов процесса (усилия прижима, свойств материала заготовки, ее толщины) и меняется по ходу вытяжки. Уравнение, учитывающее эти особенности процесса, имеет вид

/

/

(2)

Уравнения (1) и (2) могут быть использованы для определения напряжений в заготовке и усилия вытяжки.

Аналогичные уравнения были получены для случая вытяжки конических деталей.

Для определения утонения в опасном сечении при вытяжке цилиндрических и конических деталей анализировалось напряженно-деформированное состояние заготовки на участке контакта материала заготовки с радиусом скругления пуансона. Решая уравнение равновесия для этого участка очага деформации совместно с условием пластичности получили выражение для определения растягивающих напряжений

, К

+ ст. 1X1-=-. (3)

Используя уравнение связи, дающее соотношение между напряжениями и приращениями деформации, получим известное уравнение для определения толщины заготовки на участке контакта заготовки с радиусом закругления пуансона

5У=5„

(4)

Для определения утонения стенки в опасном сечении при вытяжке цилиндрических и конических деталей нестационарный процесс деформирования разбивали на интервалы, внутри которых считаем нагружение простым. Каждому интервалу соответствует определенный угол контакта заготовки с пуансоном (),, где у - номер интервала, который изменяется в ж

пределах 0 <—. Тогда уравнения, определяющие изменение толщины

заготовки, могут быть преобразованы к виду в функции изменения угла в. На рис. 2 показано утонение стенки заготовки при вытяжке цилиндрических деталей в зависимости от основных технологических факторов.

Рис. 2. Утонение стенки заготовки в зависимости от коэффициента вытяжки, давления прижима и угла охвата радиуса скругления пуансона: сгв=900 МПа; 80=0,7 мм; \|/ш=0,2

Для последующих переходов вытяжки (рис. 3) проведен анализ напряженного состояния полуфабриката для двух схем формоизменения - с прижимом и без прижима заготовки.

Рассмотрены случаи деформирования из отожженного и нео-тожженного полуфабрикатов. Для случая вытяжки без прижима определены условия потери устойчивости полуфабриката, определяющие область применения этой схемы деформирования. Для всех рассмотренных вариантов деформирования получены выражения для определения меридиональных растягивающих и тангенциальных сжимающих напряжений, предельных коэффициентов формоизменения и усилия процесса.

При вытяжке без прижима наиболее значимыми факторами, влияющими на величину ^тах, являются коэффициент вытяжки т2 (степень деформации) и механические характеристики деформируемого материала.

Область вытяжки без прижима найдена из выражения

позволяющего определять критическое отношение исходной толщины заготовки 50 к диаметру полуфабриката Д/, при котором не происходит потеря устойчивости. В этом выражении: &втах - максимальное значение тан-

-_ Я

генциальных напряжений; Р - , где Я - текущее значение координаты

края полуфабриката в момент касания его с конической частью вытяжной

0,15

матрицы; с - коэффициент, определяемый из уравнения с- 2,80+--—;

(1 -т2)

Е,/л- модуль упругости и коэффициент Пуассона штампуемого материала.

г

(5)

Рис. 3. Схема напряженного состояния элемента на коническом участке очага деформации при вытяжке с прижимом

Решая уравнение равновесия совместно с условием пластичности для отожженного и неотожженного полуфабриката получили выражения для максимальных растягивающих напряжений на коническом участке очага деформации.

Найденные формулы имеют вид

(1-е) [2(1- V*) № -1 1 №

аЧ1-чОг[ а [ои ,а+1

А -к

50 • эт. а

2У ^ 1а ^ ^

^^ а +1 ^ (а +1)2

, а-чО-Ур

(1-а)(2гЛ +50)|

(б)

для отожженных и

1 -а ' ст#--

к

Л ^КА-^ ] Л в'У + в2 (1-дХ2''. + Й+1

для неотожженных полуфабрикатов, где а = /1-с\%а\ п = Щ\

(7)

-эта

А2 - ^та-Яз (Х-Бта)-/^2 'йпа; В2 = 2ЛД •8та-.К22(1-япа) + /г12-8та;

сгв - предел прочности штампуемого материала; у/ш - относительное уменьшение площади поперечного сечения об' разца в момент образования шейки при растяжении; " Нц - высота протянутой части детали.

В выражениях (6), (7) величина М- сложная функция, определяемая в зависимости от давления прижима цпр , коэффициентов вытяжки на первом и втором переходах т] и т2, механических характеристик деформируемого материала ав и у/ш , коэффициента трения по прижиму /1, геометрии

инструмента - ¿-С1 и относительной толщины полуфабриката —.

-Ц

Общее усилие гидромеханической вытяжки, по величине которого выбирают оборудование, определяется суммой трех величин

Рв=Рд + Рпр+Ртр, (8)

где Рд- усилие, необходимое для деформации заготовки;

Рпр - усилие, затрачиваемое на вытеснение смазки из полости матрицы через вытяжной зазор (усилие противодавления);

Ртр - усилие, расходуемое на преодоление сил жидкостного трения на калибрующем пояске матрицы.

Тогда при вытяжке цилиндрических деталей уравнение (8) можно записать в виде

( с

1 + - 2

2гЛ Ч

' Vv (9)

При вытяжке конических деталей уравнение имеет вид

„ „ . ( Кл +htga\

Ре = 2n{Ra + h tg а) • cos а + - • S0ap. (Ю)

V )

Третья глава посвящена экспериментальной проверке основных теоретических положений и определению оптимального усилия прижима. Как показано во второй главе, величину предельного коэффициента фор-

моизменения нужно определять с учетом оптимального значения давления прижима. Оптимальным qnp считали минимальное давление прижима, обеспечивающее вытяжку без гофрообразования. В процессе исследований первого перехода в качестве варьируемых факторов принимали коэффициент вытяжки, определяемый как отношение диаметра детали к диаметру

заготовки С2 ~ ) для цилиндрических деталей и отношение меньшего з

диаметра детали к диаметру заготовки (т = " ) для конических деталей.

■^з

Исследовалось также влияние относительной толщины материала заготовки, его механических характеристик и угла конусности пуансона.

Учитывая результаты опытов и зная характер и степень влияния определяющих факторов на оптимальное давление прижима, используя метод теории размерности и подобия, получили следующие формулы для его определения:

для вытяжки цилиндрических деталей из плоской заготовки

(11)

— 100

где

т, =-

А

для вытяжки конических деталей

; 0,093(0,1 +^сф-н^-100\т-а3, .

где т - коэффициент вытяжки;

сгв - предел прочности материала; а - угол конусности детали.

Для получения математической модели, определяющей оптимальное давление прижима при последующих переходах, был проведен полный факторный эксперимент типа 24 . Вычисление коэффициентов модели, ее дисперсионный анализ и проверка на адекватность производилась по известной методике. Состояние заготовки при последующих переходах учитывалось проведением факторного эксперимента раздельно для отожженного и неотожженного полуфабрикатов.

При реализации экспериментов получены следующие уравнения регрессии:

при вытяжке отожженного полуфабриката

У = 4.2 - 0.7 IX - 23Хг + 0.69Х, + 0.24Х, • X, -

(13)

-0.31Х2 Хъ -039Х1-Х2 -Х3 - 1.2Х,-Х2,

при вытяжке неотожженных полуфабрикатов

У. = 4.8 - 0.79Х - 2.5Х. + 0.63Х, -1Л8Х, ■ X, -

Ч.р

-027Х2 ■ Х3 - 0.4 Щ • Х2 ■ Хэ, где Х\... X¡,- кодированные значения следующих факторов:

Х\ - коэффициент вытяжки т2 на втором переходе;

а

Хг - относительная толщина полуфабриката -¡г- ■ 100;

Хг - механические свойства материала - етв;

Ха - коэффициент вытяжки на первом переходе т\.

Анализ полученных уравнений позволил сделать вывод, что относительная толщина полуфабриката, коэффициент вытяжки на втором переходе и механические характеристики материала полуфабриката - три наиболее значимых фактора, оказывающих влияние на давление прижима. Из полученных уравнение (13), (14) определялась область использования вытяжки без прижима отожженного и неотожженного полуфабрикатов. Для

вытяжки отожженного полуфабриката из условия цпр - 0 получено выражение

ткр =

4.2 - 2.3.Х, + 0.69Х, - 0.3 IX, • Х- Л

0.71 - 0.2АХ, + 0.39Х2 • Х3 + \.1Х2)

• 0.1 + 0.7.

(15)

С целью проверки достоверности аналитических зависимостей, полученных во второй главе работы, была проведена серия опытов, в которых фиксировалось усилие вытяжки по ходу процесса. В ходе экспериментов проведена проверка формул (9), (10). Сопоставление опытных и расчетных данных показывает, что во всех случаях опытаые усилия больше расчетных, однако, разница в их значениях не превосходит 10 - 18%.

Хорошую сходимость показали значения, полученные по формуле (5), и опытные данные - уравнение (15), определяющие область вытяжки без прижима при последующих переходах.

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования технологических параметров новой технологии.

Опытную штамповку проводили на установке, смонтированной на кривошипном прессе К117Е усилием 1 мН и на универсальном штамповом блоке, установленном на прессе двойного действия К480 (усилие вытяжного ползуна 630 кН, число ходов в мин. - 24, ход внутреннего ползуна 420 мм). Для измерения усилия вытяжки и перемещения пуансона штамп оснащен тензометрическими регистраторами.

Исследовалось влияние новой технологии на утонение получаемых деталей. Анализ априорной информации, а также результаты теоретического исследования позволили установить, что на начальном этапе вытяжки цилиндрических деталей на процесс изменения толщины заготовки существенно влияют следующие факторы: исходная толщина заготовки, степень вытяжки, радиусы скругления кромок пуансона и матрицы, а также

давление прижима. Для получения математической модели утонения цилиндрической детали был реализован план эксперимента в виде полуреплики от полного факторного эксперимента 25.

Каждому опыту соответствовали значения толщины образца в опасном сечении ^ для трех материалов - стали 10, латуни Л63 и сплава АМгЗМ. Матрица планирования реализовывалась для каждого материала отдельно.

Полученные уравнения регрессии в кодированных значениях факторов имеют вид:

для стали 10

5 = 0,771 + 0,112Х, - 0,125Х2 + 0,012Х3 + 0,011Х4 - 0,009Х5 -

-0ДЮ4.ВД + 0.012ВД, - 0,005Х,Х3 + 0,005Х2Х3 -

-0,007Х2Х5 - 0,005Х3Х4 -+- 0,006Х3Х5 + 0,004Х4Х5;

для латуни Л63

5 = 0,745 + 0,08X1 - 0,105Х, + 0,007Х3 + 0,004Х4 + +0,007Х1Х2 - 0,004Х2Х4 + 0,004Х2Х5 - 0,003Х3Х5;

для сплава АмгЗМ

5 = 0,754 + 0,0 1Х4 - 0,026Х2 4- 0,018Х3 + 0,007Х„ --0,015X^4 + 0,006Х2Х3 +0,011Х2Х5 - 0,012Х3Х3.

Изучение влияния технологических факторов на утонение конических деталей так же осуществлялось с использованием метода планирования эксперимента. Полученное уравнение регрессии имеет вид

Уг< = 0,1839 - 0,0094Х1 - 0,0376Х2 + 0,0101Х3 - 0,0154Х4, (19) где Х\ - угол конусности пуансона, а";

¿шт

Хг - коэффициент вытяжки, т = ;

Б

Хг - относительная толщина заготовки, -уг • Ю0;

Ал4 - предел прочности материала, ав , мПа. ■.•■.. : < ••

(16)

(17)

(18)

Исследовали также влияние новой технологии на утонение получаемых деталей при последующих переходах вытяжки. В результате реализации экспериментов по плану НА5 получены две адекватные модели для определения максимального утонения при гидромеханической вытяжке отожженного и неотожженного полуфабрикатов. При вытяжке отожженного полуфабриката максимальное утонение определяется уравнением

УЕ> = 15,69 - 1,78Х, - 3,22А', + 0,66Х4 + 3,15Х,2 - 9,61Х22 +

+4,79Х3 + 5,77X1 - 7,36Х2 + 0,50^X, - 2,06Х2Х3 - 0,86Х2Х5 (20)

+0,55Х3Х4 - 1,29Х3Х5 - 1,02Х4Х5,

при вытяжке неотожженного полуфабриката - уравнением

(21)

У8> = 18,63 - 2,05Х1 - 4,83Х3 + 0,65Х5 + 3,35X1 - 12,15Х] + 5,1Х^ + +6,85X4 - 7,6Х52 + 0,тх,х, - 1,07Х2Х3 - 1,54Х3Х5 - 0,75Х4Х5,

где Х\ - радиус пуансона Я„, мм;

Х2 - предел прочности материала ав, мПа;

Х3 - коэффициент вытяжки т2;

Ха - коэффициент вытяжки на первом переходе тг;

Х5 - относительная толщина полуфабриката — • ЮО.

¿Л

При использовании приведенных уравнений регрессии значения факторов следует подставлять в кодированном масштабе.

Для оптимального выбора коэффициентов Х3 , Х4, Х$ при вытяжке заготовок деталей из стали типа ЗОХГСА (ВПЗО, СП28 и т.д.) уравнение (20) преобразовано к виду

Уе_ = 5,95 + 0,66Х4 - 5,28Х3 - 0,86Х3 + 4,79Х32 + 5,77Х\ --7,36Х52 + 0,55Х3Х„ - 1,29Х3Х3 - 1,02Х4Х,. (22)

При внедрении новой технологии при изготовлении деталей из стали ЗОХГСА и 12Х18НЮТ использовались уравнения регрессии (20) и (21) дня оценки ожидаемого утонения и выбора технологических параметров. Сопоставление значений утонения деталей, рассчитанных по уравнениям регрессии, с действительным утонением, полученным в процессе вытяжки, показало удовлетворительную сходимость результатов.

В работе проведена оценка влияния новой технологии на точность внутреннего диаметра, микроструктуру и шероховатость поверхности получаемых деталей.

Для оценки точности внутреннего диаметра была сделана выборка деталей, полученных по новой технологии за один переход и несколько переходов ГМВ. При однопереходной технологии точность изготовления внутреннего диаметра деталей одного типоразмера в 6 раз выше у деталей, полученных гидромеханической вытяжкой. Отклонение от круглости у этих же деталей в 5 раз меньше, чем у деталей, полученных обычной вытяжкой. Точность внутреннего диаметра деталей, изготовленных гидромеханической вытяжкой за один переход, соответствует Н9 - Н12 квалитетам, отклонение профиля продольного сечения деталей соответствует 10-й степени точности формы согласно ГОСТ 24643-81.

Точность внутреннего диаметра деталей, полученных многопереходной гидромеханической вытяжкой, определяется допусками квалитетов Н11 - Н12 при вытяжке отожженного и Н12 - Н13 при вытяжке нео-тожженного полуфабрикатов.

Произведено сравнение микроструктуры заготовок деталей, полученных по старой технологии и с применением гидромеханической вытяжки. Микроструктуру заготовок оценивали после последней формоизменяющей операции. Материал - сталь ЗОХГСА. Из сравнения микроструктур показано, что технологический процесс с применением ГМВ обеспечи-

вает получение более мелкозернистой структуры металла заготовок, имеющих многопереходную технологию с большим числом операций термообработки.

Экспериментальное исследование влияния новой технологии на шероховатость показало, что применение гидромеханической вытяжки обеспечивает получение поверхности вытягиваемой заготовки на уровне параметра^ = 1,25 мкм.

С целью проверки достоверности аналитических зависимостей, определяющих утонение в опасном сечении при вытяжке цилиндрических и конических деталей, было проведено сравнение расчетных и экспериментальных значений, полученных по уравнениям (3), (4) и по уравнениям регрессии (16)^(21). Сравнение показало, что с достаточной для практики точностью можно пользоваться полученными аналитическими выражениями. В исследуемом диапазоне технологических факторов расхождение результатов теории и эксперимента не превышает 16 %.

В пятой главе даны рекомендации по разработке технологического процесса, проектированию штамповой оснастки и выбору оборудования.

Для реализации новой технологии приводятся конструкции штамповой оснастки для первого и последующих переходов ГМВ. Разработанные штампы не требуют специального оборудования и могут устанавливаться на универсальные пресса простого и двойного действия. Конструкции штампов обеспечивают автоматическое заполнение полости матрицы рабочей жидкостью. В качестве рабочей жидкости используются водно-масляные эмульсии, индустриальные масла.

Детали штампов изготавливаются из тех же материалов, что и при обычной вытяжке, и при качественном исполнении обеспечивают стойкость в 4 - 5 раз выше стойкости штампов обычной вытяжки.

На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны и внедрены технологические процессы ГМВ различных деталей на 12 предприятиях оборонного комплекса и трех отраслевых институтах. Практическая ценность проведенных работ подтверждена внедрением данных методик, технологических процессов и САПР на предприятиях с реальным экономическим эффектом в 1,1 млн. рублей в ценах 1991 года.

В шестой главе приведены результаты по разработке автоматизированной системы проектирования процессов листовой штамповки. САПР реализована для персональных компьютеров ЮМ РС/ 486 и совместимых с ними, под управлением ОС НС DOS / MS DOS версии 3.1 и выше. Язык программирования - "Турбо-Паскаль 5,5".

Структурная схема САПР процессов листовой штамповки показана на рис.4. Для осуществления функций связи между отдельными подсистемами САПР разработана специальная подсистема стыковки. Эту функцию, как показано на схеме, выполняет подсистема формирования исходных данных, которая осуществляет переработку данных, выдаваемых предыдущими подсистемами и подготовку данных для работы подсистем технологического проектирования. Ее источниками являются массивы чертежей деталей и нормативно-справочная информация (НСИ).

Подсистема технологического проектирования содержит ряд пакетов прикладных программ (ППП) под названием "Технолог" и предназначена для проектирования технологических процессов листовой штамповки (раскрой, вырубка, вытяжка, вытяжка с утонением стенки и т.п.). Например, на рис.5 приведен алгоритм, расчета технологических параметрга ГМВ цилиндрических деталей. Эта подсистема является центральным и ведущим звеном САПР и, наряду с разработкой технологических процессов готовит необходимые данные на расчет специальной технологической

Рис. 4. Структурная схема САПР процессов листовой штамповки

начала

X

Расчет площади детали и диаметра Загогпобки и суммарною каэфср. выгшки

выбор коэффициентов &ЫТЯКК.11 из 1С-ло&ия^разрушения, ¿¡дапустипого утопе-' Пия лсуппар. когерер.

расчет допустимого Ьиапетра и ёысоты детали для т-го перехода Выттки.

Расчет технологических парапет -роб <-га перекода Бытягкки

/ввод исходных данных

(3>-

Расчет допустимого диаметра и$ысогы детали 2-га перехода быгял-ки

назначение припуска на обрезку

I

выт.

Расчет технологи • Че.с<их параметров 1-го, 2-го переходов Вытягкк и

13

Расчет допустипого диаметра и Высоты де тали 2-го перекода ёьпякки

Расчет технологических парапет роё {-го, 1-го 1- го

переходоь ёытял-ки

г~

Выход из алго-' ритма

Рис. 5. Блок-схема алгоритма автоматизированной системы проектирования технологии изготовления заготовок и деталей гидромеханической вытяжкой

оснастки.

В подсистеме расчета специальной технологической оснастки решаются задачи определения размеров рабочих частей пуансона и матрицы с учетом припусков на готовую деталь.

И, наконец, подсистема "Документ" обеспечивает оформление результатов проектирования в виде распечатки расчетных данных технологического процесса и эскизов исходной заготовки, штампуемых переходов, карты раскроя.

Разработанная система автоматизированного проектирования технологических процессов листовой штамповки, в том числе процессов ГМВ, позволяет без экспериментальной отработки на основе чертежа детали и заданных характеристик качества полностью рассчитать все технологические параметры процесса гидромеханической вытяжки, выбрать необходимое оборудование и задать исполнительные размеры инструмента.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе приведено решение актуальной научно-технической проблемы, имеющей важное научно-производственное значение и состоящей в разработке научных основ процесса ГМВ для плосконапряженного изотропно-упрочняющегося материала заготовки на первом и последующих переходах вытяжки деталей цилиндрической и конической формы, методик исследования и расчета технологических параметров, системы автоматизированного проектирования технологических процессов, выявлении взаимосвязи параметров качества и энергосиловых параметров с режимами процесса вытяжки и на их основе - в назначении научно обоснованных технологических рекомендаций, обеспечивающих повышение эффектив-

ности производства и формирование заданных характеристик качества изделий.

В процессе теоретического и экспериментального исследований достигнуты следующие результаты:

1. Проанализирована номенклатура тонких осесиммегричных деталей изделий оборонной техники, получаемых по технологии с применением традиционных процессов вытяжки и имеющих жесткие требования по точности, равнопрочности и качеству поверхности. Показано, что одним из путей, решающих эту проблему, является использование процесса гидромеханической вытяжки (ГМВ).

2. Выполнен теоретический анализ напряженно-деформированного состояния заготовки на первом и последующих переходах ГМВ, получены аналитические зависимости для определения технологических параметров процесса - усилия штамповки, предельного коэффициента формоизменения и максимального утонения. Определена область вытяжки без прижима.

3. Установлено, что основными параметрами, влияющими на предельный коэффициент вытяжки, являются механические характеристики материала заготовки и давление прижима в процессе вытяжки. Показано, что применение процесса гидромеханической вытяжки наиболее эффективно при изготовлении деталей с большой относительной толщиной из высокопрочных материалов.

4. С целью определения утонения в опасном сечении стенки полуфабриката проведено теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния заготовки на начальном этапе ГМВ. Аналитически исследован процесс утонения при вытяжке цилиндрических и конических деталей в зависимости от основных технологических факторов - коэффициента вытяжки, давления прижима, механических характеристик материала и т.д.

5. С помощью аппарата математического планирования эксперимента и статистики получены уравнения регрессии, позволяющие определять давление прижима и максимальное утонение стенки на первом и последующих переходах ГМВ деталей цилиндрической и конической формы.

6. Произведена оценка точности получаемых деталей и шероховатости их поверхности. Установлено, что использование новой технологии обеспечивает точность внутреннего диаметра заготовок на уровне допусков квалитетов Н11, Н12 при точности изготовления пуансона /г 10 и шероховатость поверхности на уровне параметра Яа = 1,25 мкм.

7. Показано, что применение гидромеханической вытяжки при изготовлении деталей из стали типа ЗОХГСА и ВПЗО позволяет получить более мелкозернистую структуру металла, обеспечивающую увеличение прочностных свойств деталей.

8. Сравнение теоретических расчетных данных с экспериментальными показало их хорошую сходимость. Расхождение при проверке силовых параметров процесса не превышало 18%, при проверке максимального утонения - 14 - 16%, что позволяет сделать вывод о применимости данных методик для практического использования.

9. На основании полученных результатов теоретического и экспериментального исследования новой технологии разработаны нормативно-справочная информация и методики расчета технологических процессов, которые использованы при разработке САПР процессов листовой штамповки.

10. На базе полученных результатов и данных исследований изданы три отраслевых стандарта:

а) ОСТ "Детали тонкостенные полые";

б) ОСТ "Формовка' осесимметричных листовых деталей сложной формы методом гидромеханической вытяжки";

в) ОСТ "Технологичность деталей листовой штамповки" (раздел "Гидромеханическая вытяжка").

11. Результаты исследования внедрены при изготовлении деталей и полуфабрикатов на предприятиях оборонного комплекса с реальным экономическим эффектом 1,1 млн. рублей в ценах 1991 года.

12. Материалы диссертации используются в учебном процессе в курсах "САПР технологических процессов и оборудование КШП", "Прогрессивные процессы ОМД" и в курсе "Листовая штамповка".

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Перевозчиков С.Г., Михайлов Ю.О. Исследование усилий при гидромеханической вытяжке цилиндрических изделий // Исследование машин и технологии обработки металлов давлением. - Ижевск: ИМИ, 1977. -Вып. 2. - С. 31 -35.

2. Чаузов А.С., Казаченок В.И., Михайлов Ю.О. и др. Гидромеханическая вытяжка конических изделий // Производственно-технический бюллетень. - 1977.-№ 9. - С. 18 - 19.

3. Казаченок В.И., Перевозчиков С.Г., Михайлов Ю.О. и др. Определение общего усилия и усилия прижима при гидромеханической вытяжке конических изделий // Производственно-технический бюллетень. - 1977. -№ 11.-С. 22-23.

4. Казаченок В.И., Перевозчиков С.Г., Михайлов Ю.О. Щтамповка-вытяжка сферических деталей из стали ЗОХГСА // Производственно-технический бюллетень. - 1978. - № 5. - С. 6 - 7.

5. Казаченок В.И., Михайлов Ю.О., Бородин А.В. и др. Гидравлическая многопереходная вытяжка деталей из стали ЗОХГСА // Производственно-технический бюллетень. - 1978. - № 10. - С. 19 - 21.

6. Казаченок В.И., Михайлов Ю.О., Перевозчиков С.Г. Исследование последующих переходов гидромеханической вытяжки цилиндрических деталей// Кузнечно-штамповочное производство. - 1979. - № 9. - С. 14- 15.

7. Казаченок В.И., Михайлов Ю.О., Перевозчиков С.Г. Опыт внедрения глубокой гидромеханической вытяжки // Издательство предприятия п/я А-1668. - 1979. -№ 12. - С. 43 - 44.

8. Казаченок В.И., Михайлов Ю.О., Перевозчиков С.Г. Технологические возможности и опыт внедрения глубокой гидромеханической вытяжки // Штамповка в мелкосерийном производстве: Материалы Всесоюзного семинара. - Москва, 1979. - С. 129 - 132.

9. Казаченок В.И., Михайлов Ю.О., Перевозчиков С.Г. Эффективность гидромеханической вытяжки глубоких деталей // Издательство предприятия п/я А-1668. - 1979. -№ 7. - С. 51 - 54.

10. Казаченок В.И., Михайлов Ю.О., Перевозчиков С.Г. и др. Опыт внедрения глубокой гидромеханической вытяжки // Кузнечно-штамповочное производство. - 1981. - № 10. - С. 15-16.

11. Казаченок В.И., Михайлов Ю.О., Сабрикова Т.В. Гидромеханическая вытяжка цилиндрических и конических деталей // Прогрессивная технология и автоматизация технологических процессов в машиностроении и приборостроении: Материалы Всесоюзной конференции. - Ленинград, 1982.-С. 116-117.

12. Михайлов Ю.О., Казаченок В.И. Технологические возможности гидромеханической вытяжки // Повышение производительности и эффективности использования технологического оборудования: Тезисы докл. зональной науч.-практ. конференции. - Рыбинск, 1982. - С.25 - 26.

13. Михайлов Ю.О., Кудинов Л.А., Герасимова М.Н. Гидромеханическая вытяжка деталей сложной формы // Передовой производственный опыт. - 1982. -№ 2. - С. 14 - 15.

14. Михайлов Ю.О., Перевозчиков С.Г. Особенности гидромеханической вытяжки деталей сложной формы // Производственно-технический бюллетень. - 1983. -№ 1. - С. 11 - 13.

15. Казаченок В.И., Михайлов Ю.О., Сабрикова Т.В. Влияние условий трения на технологические возможности гидромеханической вытяжки // Трение и смазка в машинах: Тезисы докл. Всесоюзн. научн. конф. - Челябинск, 1983. - С. 225 - 226.

16. Михайлов Ю.О., Исмагилов И.М., Троицкий В.И. Штамп для гидромеханической вытяжки // Машиностроитель-1985.- № 1. - С. 27 - 28.

17. Казаченок В.И., Михайлов Ю.О. Технологичность деталей листовой штамповки (раздел 7.7: Гидравлическая вытяжка) // ОСТ 513-85. -Москва, 1985.

18. Михайлов Ю.О., Сабрикова Т.В. Опыт внедрения конических деталей с использованием комплексных технологических процессов // Издательство предприятия п/я А-1668. - 1986. -№ 1. - С. 21 - 22.

19. Михайлов Ю.О., Казаченок В.И. Исследование последующих деталей из отожженного полуфабриката // Обработка металлов давлением: Межвуз. сб. - Свердловск, 1986. - Вып. 10. - С.121-125.

20. Казаченок В.И., Михайлов Ю.О., Кудинов JI.A. и др. Формовка осесимметричных листовых деталей сложной формы методом гидромеханической вытяжки II ОСТ 84-2248-86. - Москва, 1986.

21. Михайлов Ю.О., Сабрикова Т.В. Комплексная технология штамповки конических деталей // Прогрессивные технологические процессы, механизация и автоматизация ручных и трудоемких работ: Тезисы Республиканской научно-технической конференции. - Ижевск, 1986. - С. 26 - 27.

22. Михайлов Ю.О., Морозов С.А., Сандров В.А. и др. Гидромеханическая вытяжка деталей светотехнической аппаратуры // Технология авиационного приборо-агрегатного строения. - 1988. - № 4. - С.5 - 6.

23. Казачонок В.И., Михайлов Ю.О., Сабрикова Т.В. Гидромеханическая вытяжка. - М.: ЦНИИ Информация, 1988. - 126 с.

24. Глава I. Гидромеханическая вытяжка / Казаченок В.И., Михайлов Ю.О., Сабрикова Т.В. // Интенсификация процессов обработки металлов давлением / Под ред. В.И.Казаченка. - Ижевск: Удмуртия, 1989. - 112 с.

25. Михайлов Ю.О. и др. Детали тонкостенные полые. Требования к типовому технологическому процессу гидромеханической вытяжки // ОСТ 3-6806-94. - М.: ЦНИИ "Комплекс". - 1994. - 67 с.

26. A.c. 721175 СССР, МКИ В 21D 22/20. Штамп для вытяжки с противодавлением I В.И.Казаченок, Ю.О.Михайлов, А.С.Чаузов, С.Г.Перевозчиков (СССР). - 2571506/25-27; Заявл. 24.01.78; Опубл. 25.03.80, бюл. № 10.

27. A.c. 749497 СССР, МКИ В 21D 22/24. Способ изготовления полых изделий / В.И.Казаченок, Ю.О.Михайлов, С.Г.Перевозчиков, А.Л.Жаров (СССР). - 2572112/25-27; Заявл. 27.01.78; Опубл. 28.07.80, бюл. № 27.

28. A.c. 1038010 СССР, МКИ В 21D 22/20. Штамп для вытяжки с противодавлением / С.Г.Перевозчиков, Ю.О.Михайлов, В.И.Казаченок (СССР). - 3434936/25-27; Заявл. 06.05.82; Опубл. 30.08.83, бюл. № 32.

29. A.c. 1069902 СССР, МКИ В 21D 22/00. Способ изготовления конических изделий мпогопсреходной формовкой / В.И.Казаченок, Т.В.Сабрикова, Ю.О.Михайлов, В.И.Троицкий (СССР). - 3447724/25-27; Заявл. 03.06.82; Опубл. 30.01.84, бюл. № 4.

30. A.c. 1177003 СССР, МКИ В 21 D 22/20. Штамп для вытяжки с противодавлением / С.Г.Перевозчиков, Ю.О.Михайлов (СССР). -358081/25-27; Заявл. 10.02.83; Опубл. 17.04.85, бюл. № 17.

31. A.c. 1186324 СССР, МКИ В 21D 22/20. Способ вытяжки полых изделий и штамп для его реализации / В.И.Казаченок, В.Е.Смирнов, Ю.О.Михайлов (СССР). - 3588040/25-27; Заявл. 06.05.83; Опубл. 23.10.85,

бюл. № 39.

32. A.c. 1219209 СССР, МКИ В 21D 41/02. Способ изготовления конических изделий многопереходной формовкой / В.И.Казаченок, Ю.О.Михайлов, Т.В.Сабрикова, Л.А.Кудинов, М.Н.Герасимова (СССР). -3833926/25-27; Заявл. 02.01.85; Опубл. 23.03.86, бюл. № 11.

33. A.c. 1433562 СССР, МКИ В 21D 22/20. Способ глубокой вытяжки полых изделий / С.Г.Перевозчиков, Ю.О.Михайлов (СССР). - 4229795/2527; Заявл. 13.04.87; Опубл. 30.10.88, бюл. № 40.

34. A.c. 1447483 СССР, МКИ В 21D 24/00. Штамп для вытяжки / С.Г.Перевозчиков, В.Е.Гамаюнов, Ю.О.Михайлов (СССР). - 4141125/31-27; Заявл. 31.10.86; Опубл. 30.12.88, бюл. № 48.

35. A.c. 1574320 СССР, МКИ В 21D 22/20. Устройство для вытяжки / В.И.Казаченок, Ю.О.Михайлов, С.Г.Перевозчиков, С.А.Морозов и др. (СССР). - 4415656/31-27; Заявл. 26.04.88; Опубл. 30.06.90, бюл. № 24.

V ^ (1 ЬЗ 9$ ~~

Ижевский государственный технический

/Михайлов Юрий Олегович

УДК 621.983

РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ ПРОЦЕССА ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ВЫТЯЖКИ

Специальность: 05.16.05 - Обработка металлов давлением

Научный консультант - Заслуженный деятель

науки и техники УР, д.т.н., проф. Казаченок В.И.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Ижевск 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ ....................................................................8

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ................................И

1.1. Анализ листоштамповочного производства деталей и изделий оборонной техники..................11

1.2. Управление трением как средство интенсификации процессов штамповки вытяжкой.........................27

1.2.1. Вытяжка жидкостной или эластичной

матрицей......................................................32

1.2.2. Гидромеханическая вытяжка...........................36

1.2.3. Напряженное состояние заготовки в процессе гидромеханической вытяжки............................43

1.3. Цель и задачи исследования...............................47

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ВЫТЯЖКИ (ГМВ).....53

2.1. Постановка задачи............................................53

2.2. Условия формирования режима жидкостного трения. Контактные напряжения при вытяжке.......56

2.3. Напряженное состояние заготовки на первом переходе вытяжки............................................65

2.3.1. Вытяжка цилиндрических деталей....................65

2.3.2. Вытяжка конических деталей...........................71

2.4. Напряженно-деформированное состояние

заготовки на начальном этапе гидромеханической

вытяжки..........................................................77

2.4.1. Изменение толщины заготовки на начальном этапе гидромеханической вытяжки цилиндрических деталей..................................77

2.4.2. Утонение стенки заготовки на участке радиуса скругления пуансона при гидромеханической вытяжке конических деталей...........................89

2.5. Напряженное состояние заготовки на втором и

последующих переходах вытяжки.......................96

2.5.1. Вытяжка без прижима из отожженного полуфабриката.............................................99

2.5.2. Вытяжка без прижима из неотожженного полуфабриката............................................102

2.5.3. Определение условий потери устойчивости при последующих переходах вытяжки без прижима.....................................................106

2.5.4. Исследование напряженного состояния при вытяжке с прижимом....................................112

2.5.4.1. Вытяжка с прижимом из отожженного полуфабриката..........................................112

2.5.4.2. Вытяжка с прижимом из неотожженного полуфабриката..........................................114

2.5.5. Определение толщины смазочного слоя на коническом участке заготовки........................116

2.6. Определение предельных коэффициентов вытяжки

и оптимизация технологических параметров........117

2.6.1. Предельные коэффициенты формоизменения

на первом переходе вытяжки.........................117

2.6.2. Определение предельных коэффициентов вытяжки на последующих переходах..............122

2.7. Усилие штамповки на первом и последующих

переходах вытяжки........................................131

ВЫВОДЫ.....................................................134

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ВЫТЯЖКИ...................................................136

3.1. Экспериментальные установки, штампы, применяемое оборудование и материалы.............136

3.2. Методика определения оптимального усилия прижима на первом переходе вытяжки................143

3.3. Определение удельного усилия прижима для последующих переходов вытяжки......................147

3.4. Изменение геометрии заготовки по ходу процесса деформирования. Исследование силового режима

процесса........................................................156

ВЫВОДЫ......................................................166

ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ,

ИЗГОТАВЛИВАЕМЫХ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ВЫТЯЖКОЙ..................................................167

4.1. Исследование образования разнотолщинности

при ГМВ........................................................167

4.1.1. Определение максимального утонения на

первом переходе вытяжки цилиндрических деталей......................................................167

4.1.2. Определение максимального утонения на первом переходе вытяжки конических

деталей......................................................182

4.1.3. Исследование образования разнотолщинности на последующих переходах гидромеханической вытяжки....................................................185

4.2. Исследование точности деталей, получаемых гидромеханической вытяжкой............................191

4.2.1. Точность деталей, получаемых за один

переход ГМВ ..............................................191

4.2.2. Точность деталей, получаемых многопереходной вытяжкой...........................197

4.3. Микроструктура материала деталей при гидромеханической вытяжке.............................206

4.4. Оценка шероховатости поверхности деталей,

почаемых гидромеханической вытяжкой..............210

ВЫВОДЫ.....................................................214

ГЛАВА 5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАЗРАБОТКЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА, ПРОЕКТИРОВАНИЮ ШТАМПОВОЙ ОСНАСТКИ И ВЫБОРУ ОБОРУДОВАНИЯ........................215

5.1. Требования к материалам и заготовкам...............215

5.2. Разработка технологических процессов..............216

5.2.1. Расчет режимов и параметров гидромеханической

вытяжки цилиндрических деталей....................216

5.2.2. Расчет режимов и параметров гидромеханической

вытяжки конических деталей..........................216

5.3. Требования к средствам технологического оснащения.....................................................224

5.3.1. Оборудование для гидромеханической

вытяжки.....................................................224

5.3.2. Требования к штамповой оснастке...................224

5.4. Конструкции штампов......................................226

5.4.1. Штампы для первого перехода гидромеханической вытяжки..........................226

5.4.2. Конструкции штампов для последующих переходов гидромеханической вытяжки...........232

5.5. Эксплуатация штампов....................................241

5.6. Примеры технологических процессов.................244

ВЫВОДЫ.....................................................259

ГЛАВА 6. САПР ПРОЦЕССОВ ЛИСТОВОЙ

ШТАМПОВКИ...............................................264

6.1. Структурная схема САПР процессов листовой штамповки.....................................................264

6.2. Пакет прикладных программ (ППП) расчета технологий процесса вытяжки..........................266

6.2.1. Подсистема автоматизированного проектирования технологии вытяжки деталей цилиндрической формы.......................................................268

6.2.2. Подсистема автоматизированного проектирования технологии вытяжки деталей конической формы.......................................269

6.2.3. Подсистема автоматизированного

проектирования технологии вытяжки

типовой детали с утонением стенки..................270

6.3. ППП интерактивной конструкторской системы......271

6.3.1. Подсистема геометрического моделирования......272

6.3.2. Подсистема расчета координат центра

давления деталей..........................................274

6.3.3. Подсистема расчета усилия штамповки

при вырубке и пробивке.................................275

6.3.4. Подсистема расчета площади произвольной плоской детали.............................................275

6.3.5. Подсистема расчета развертки гнутого сечения произвольной формы.....................................276

6.3.6. Подсистема расчета площади заготовки при вытяжке осесимметричных деталей..................276

6.4. ППП оптимального раскроя детали.....................277

ВЫВОДЫ......................................................279

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ........................280

ЛИТЕРАТУРА..............................................................284

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................302

ВВЕДЕНИЕ

Обработка металлов давлением является одним из основных и наиболее перспективных способов производства заготовок и деталей в изделиях оборонной техники. Особая роль при этом отводится совершенствованию существующих, созданию и внедрению новых технологических процессов обработки металлов давлением, позволяющих расширить производство точных заготовок и деталей, требующих минимальной механической обработки или полностью исключающих ее, а также заготовок с высокими механическими и служебными свойствами.

Одним из основных способов производства точных заготовок посредством обработки металлов давлением является процесс вытяжки из исходной листовой заготовки. Однако традиционные технологические процессы вытяжки в жестких штампах или не обеспечивают

и и У

нужного качества и высокой точности изделии, или связаны с необходимостью выполнения большого числа переходов, что повышает трудозатраты и расходы на штамповую оснастку.

Велика отрицательная роль сил трения при вытяжке в жестких штампах. Силы трения повышают деформирующие усилия и растягивающие напряжения в стенке вытягиваемого изделия, что при локализации деформации утонения в опасной зоне приводит к уменьшению предельной степени деформации за переход. Известны также

трудности штамповки изделий из материалов, склонных к схватыванию, когда приходится использовать различные защитные покрытия, часто не обеспечивающие полного разделения металла заготовок и инструмента. Многооперационность процесса вытяжки связана также с недостаточной точностью вытягиваемых изделий, имеющих значительную продольную разнотолщинность, разностенность, конусность наружной поверхности. На практике при штамповке ответственных деталей, как правило, стремятся избежать указанных дефектов за счет применения слесарной и механической обработки.

Одним из новых и интенсифицированных процессов вытяжки является гидромеханическая вытяжка (ГМВ), основанная на создании жидкостного трения между заготовкой и матрицей. При ГМВ происходит значительное выравнивание деформаций в объеме заготовки, что позволяет увеличивать предельные степени деформации. При наличии жидкостного трения по матрице повышается стойкость инструмента и точность штампованных заготовок (особенно уменьшается продольная разнотолщинность). К преимуществам процессов штамповки с жидкостным трением следует отнести также возможность их осуществления в универсальных штампах на обычном оборудовании. Использование противодавления и жидкостного трения в процессах вытяжки позволяет повысить допустимые степени деформации за переход, сократить число штамповочных, термических, вспомогательных операций и повысить качество вытягиваемых изделий.

Расширение области применения ГМВ может быть осуществлено на основе научно обоснованных рекомендаций по проектированию технологии вытяжки в режиме жидкостного трения, оптимизации па-

раметров инструмента и усилия прижима заготовки применительно к материалам, наиболее часто используемым в промышленности. Для эффективного использования рекомендаций и методик расчета параметров ГМВ, сокращения сроков технологической подготовки, уменьшения ее трудоемкости и стоимости должна быть реализована система автоматизированного проектирования технологических процессов листовой штамповки.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ листоштамповочного производства деталей и

о У I»

изделии оборонной техники

В изделиях оборонной техники имеется широкая номенклатура глубоких, полых, тонкостенных осесимметричных деталей различного назначения. В зависимости от типа и назначения изделия и условий боевого применения габаритные размеры, отношение высоты к диаметру, толщина стенки детали изменяются в широких пределах. От тех же условий зависит и выбор материала. Общая номенклатура листоштамповочных деталей составляла на период 1991 года более 400 тысяч наименований, из них на долю массового производства приходилось до 5%, серийного - до 30-35% и мелкосерийного - до 60%. По объему годового выпуска деталей на долю массового производства приходилось 60%, серийного - 30%, мелкосерийного - 10% [46].

Одним из основных и наиболее перспективных способов производства точных заготовок и деталей с использованием пластического деформирования металлов является листовая штамповка и, в частности, вытяжка из исходной листовой заготовки. Этот технологический процесс позволяет создавать максимально облегченные конструкции деталей, обеспечивая заданную прочность и жесткость при минимальных металло-, трудо- и энергозатратах. Поэтому номенкла-

тура листоштампованных деталей постоянно росла и, например, до 1991 года ее прирост составлял 9% [46].

Трудоемкость операций листовой штамповки в общей структуре трудоемкости изготовления спецдеталей невелика и составляет до 10% для крупносерийного и массового производства и до 3% для се-

и и п и

рииного и мелкосерийного. В технологических процессах листовои штамповки основную часть трудоемкости составляют операции механической обработки, слесарной доводки и прочие. Перечисленные операции широко применяются при изготовлении спецдеталей из высоколегированных сталей типа 30ХГСА, ВП28, ВПЗО, СП28Ш, алюминиевых сплавов типа А95, АМгбБМ, АМг5М и жаропрочных сталей 09Х16Н4Б, 1218Н10Т и др.

Связано это с тем, что к таким деталям предъявляются высокие технические требования по точности, равнопрочности, структуре материала и качеству поверхности. Особый интерес представляют детали типа полых оболочек, стаканов, обтекателей, сфер, обечаек. Составляя менее 8% от общей номенклатуры деталей мелкосерийного производства, они имеют 20% общей трудоемкости изготовления. Например, в изделии 9М111 748 деталей изготавливается из листа, из них 21 деталь имеет наиболее высокие требования по эксплуатационным параметрам. Трудоемкость этих деталей составляет 20,7% от общей трудоемкости металлообработки.

Для оценки уровня технологии деталей, изготавливаемых в отрасли из листового проката, с учетом конструктивных особенностей и предъявляемых требований проведен анализ номенклатуры деталей изделий типа 9М (9М111, 9М112, 9М113, 9М114, 9М115), АК630, АК230.

Типичные представители групп этих деталей с указанием размеров, материала и последовательности выполнения формоизменяющих операций показаны в таблице 1.1. Как видно из таблицы, форма и

и _

размеры деталей, а также материалы, из которых они изготовлены, весьма разнообразны. Детали и материалы должны удовлетворять следующим требованиям, то есть должны иметь:

- наименьший вес при заданной прочности и жесткости;

- высокие физико-механические свойства, стойкость против коррозии и т.п.;

- минимальную стоимость и хорошую обрабатываемость.

В связи с тем, что детали работают в тяжелых условиях (высокие температуры, давления, агрессивная среда), жесткие технические требования к ним предъявляются по точности, равнопроч-ности, структуре металла и качеству поверхности (шероховатость основных поверхностей задается на уровне параметра На = 2,5... 1,25 мкм и ниже). Наибольшее количество деталей изготавливают из материалов, имеющих соотношение <?о,2/ак в пределах 0,42-^0,49 (алюминиевые сплавы и жаропрочные стали) и 0,63-М),70 (стали типа ЗОХГСА, ВПЗО, СП28Ш). Допустимое утонение у большинства деталей не более 15-20%. Предельные отклонения внутренних диаметров определяются допусками Н11-Н12.

Существующая технология изготовления таких деталей базируется на сочетании формообразующих операций (вытяжка в жестких штампах, ротационное выдавливание), промежуточных химико-термических операций, операций нанесения и удаления покрытий, смазки, а также операций механической обработки и слесарной доводки с применением универсального оборудования. Однако исполь-

Типовые детали, изготавливаемые в отрасли

Таблица 1.1

№ группы

Типы деталей

Форма и основные размеры деталей

Материал заготовки

Количество и последовательность формоизменяющих _операций_

Цилиндрические и сфероцилиндрические детали с постоянной толщиной стенки

«V»

«а.-

•в

~95

Сталь ЗОХГСА ГОСТ 11268-75 лист, толщина 1,2 мм

Семь операций вытяжки

Сталь 12Х18Н10Т

ГОСТ 5632-72 лист, толщина 1 мм

Четыре операции вытяжки, одна операция ротационного выдавливания

Сталь ЗОХГСНВФА-Ш ТУ 14-1-1369-75 лист, толщина 2 мм

Четыре операции вытяжки, одна операция ротационного выдавливания

II Цилиндрические с постоянной, переменной толщиной стенки и выступами на наружной поверхности

1 1 ** I 1 ч» •о.

! Г ( т ¡Ж

1 М5Ш

НО и

Сталь 2ВХЗСНМВРА-Ш ТУ 14-1-109-71 лист, толщина 3,5 мм

Сталь 28ХЗСНМВРА-Ш

ТУ 14-1-109-71 лист, толщина 5 мм

Семь операций вытяжки, семь операций ротационного выдавливания

Две операции вытяжки, четыре операция ротационного выдавливания

Комбинированной форШ мы с постоянной и переменной толщиной стенки

Сталь 28ХЗСНМВФА-Ш

ТУ 14-1-1369-75 лист, толщина 2 мм

Сталь 10 ГОСТ 1050-74 лист, толщина 1 мм

Сталь 10 ГОСТ 1050-74

Шесть операций вытяжки, одна операция ротационного выдавливания

Одиннадцать операций вытяжки, одна операция вытяжки с утонением

Полугорячее выдавливание, механическая обработка

зуемая технология не всегда позволяет обеспечить выполнение всех требований, предъявляемых к деталям этого класса, изготовление которых требует, как правило, многопереходных процессов.

Многопереходность глубокой вытяжки обусловлена тем, что даже в условиях идеальной вытяжки, то есть при отсутствии трения, предельное значение коэффициента вытяжки не может быть меньше 0,37 [66, 76, 77]. При таких условиях за одну операцию вытяжки возможно получение заготовки с относительной высотой H/D± не более 1,30-^1,35 , где D1 - диаметр полуфабриката. В реальных же условиях производства за один переход вытяжки полу