автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка процессов получения длинномерных цилиндрических заготовок пластической осадкой

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Пластическая осадка как задача теории обработки металлов давлением.,.

1.2. Упрочнение валов, восстановление изношенных по диаметру длинномерных деталей и формообразование ступенчатых цилиндрических поковок - области расширения применения пластической осадки.

1.3. Методы реализации пластической осадки длинномерных заготовок в промышленных условиях.

Выводы и задачи исследования.

2. ПЛАСТИЧЕСКАЯ ОСАДКА ДЛИННОМЕРНЫХ ЦИЛИНДРОВ.

2.1. Осадка длинномерных цилиндров с применением поддерживающих элементов.

2.2. Расчет основных геометрических параметров поддерживающих элементов.

2.3. Экспериментальное обоснование возможности осадки длинномерной заготовки.

Выводы.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ СЖАТИЯ НА ПРОЧНОСТЬ ВАЛОВ.

3.1. Решение задачи о пластическом кручении цилиндрической заготовки после ее растяжения (или сжатия) до накопленной деформации

3.2. Определение характеристик деформационной анизотропии

Р и(р.

3.3. Опытное обоснование возможности повышения несущей способности валов пластическим деформированием.

Выводы.

4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ОСАДКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ.

4.1. Конструкция штампа для пластической осадки длинномерных заготовок.

4.2. Штамп для изготовления цилиндрических поковок ступенчатой формы.

4.3. Штамп для восстановления цилиндрических деталей.

Выводы.

Актуальность темы. Задача о пластической осадке цилиндрических заготовок является одной из важнейших в теории обработки металлов давлением. К настоящему времени проведено почти полное исследование технологических возможностей процесса осадки только лишь коротких заготовок с отношением их высоты Н^ к диаметру СС§ = / < 3. Однако на практике нередко возникают задачи пластической осадки и длинномерных заготовок с ОС > 3. Решение их позволило бы значительно расширить технологические возможности данного вида обработки металлов давлением: интенсивно применять процесс осадки с целью увеличения диаметра длинномерных поковок, улучшения процесса высадки головок большого размера стержневых деталей, формообразования ступенчатых длинномерных деталей типа валов, осей, пальцев и др. пластической осадкой.

С точки зрения технологичности этот вид деформирования можно было бы успешно применять также и для упрочнения валов, изготавливаемых из термически не упрочняемых металлов, например, нержавеющих сталей аустенитного класса. Однако, для осуществления осадки длинномерных заготовок требуются разработка соответствующей штамповой оснастки и обоснование при этом возможности повышения несущей способности валов деформацией сжатия.

Некоторые длинномерные детали типа направляющих стоек штампов, центрирующих штырей литейных форм и др. требуют ремонта после недопустимого их износа, что является актуальным в связи с необходимостью экономии дорогостоящих металлов и энергоресурсов. Очевидно, что наряду с традиционными методами восстановления указанных деталей (наплавка металла, осаждение хрома на изношенную поверхность и др.) можно увеличивать диаметры изношенных поверхностей и пластической осадкой. Но к настоящему времени в промышленности пока еще не созданы соответствую4 щие технологические оснастки для осуществления этого процесса применительно к длинномерным цилиндрическим деталям.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является обоснование возможности осуществления пластической осадки длинномерных цилиндрических заготовок в условиях одноосного напряженного состояния и повышения несущей способности валов деформацией сжатия, а также разработка конструкций технологической оснастки для формообразования ступенчатых деталей, ремонта длинномерных деталей с целью расширения технологических возможностей процесса осадки.

Для достижения поставленной щели исследований решаются следующие задачи.

1. Исследование процесса пластической осадки длинномерных цилиндров с поддерживающими элементами.

2. Исследование возможности повышения несущей способности валов пластической осадкой.

3. Разработка способов и конструкций технологической оснастки для обработки длинномерных деталей пластической осадкой.

Методы исследования. Теоретическое обоснование возможности реализации пластической осадки длинномерных заготовок в условиях одноосного напряженного состояния получено методами теории упругости и пластичности, а повышения несущей способности валов деформацией сжатия - на основе критерия Г.Бакхауза об анизотропном упрочнении начально-изотропных тел. Структурное исследование разработанных штампов производилось методами теории машин и механизмов. Экспериментальные исследования проведены на специально созданном устройстве с применением современных методов тензометрии и обработкой результатов на ЭВМ.

Научная новизна. Дано теоретическое и опытное обоснование возможности осуществления пластической осадки длинномерных цилиндрических заготовок в условиях линейного напряженного состояния. На основе модели 5 начально-изотропного тела с анизотропным упрочнением решена задача о повышении несущей способности валов деформацией сжатия, получившая экспериментальное обоснование. Разработаны конструкции штампов для формообразования ступенчатых деталей простейшего типа, восстановления длинномерных цилиндрических деталей, а также для осуществления осадки заготовок до больших степеней деформации. Получены опытные данные, позволяющие сделать заключение о возможности применения разработанных конструкций штампов в промышленных условиях, с целью расширения технологических возможностей процесса осадки.

Практическая ценность. Обоснована возможность осуществления пластической осадки длинномерных цилиндрических заготовок в условиях одноосного напряженного состояния.

На основе теоретических и экспериментальных исследований доказана возможность повышения несущей способности валов деформацией сжатия.

На уровне изобретений разработаны различные конструкции штампов для осадки гладких цилиндрических заготовок, формообразования и восстановления ступенчатых деталей простейших форм, позволяющих расширить технологические возможности процесса осадки.

На защиту выносятся следующие положения:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований возможности пластической осадки длинномерных цилиндрических заготовок в условиях, близких к одноосному напряженному состоянию;

- теоретическое решение задачи о повышении несущей способности валов пластической осадкой и его опытное обоснование;

- конструкция штампа для изготовления поковок ступенчатых деталей осадкой;

- обоснование возможности восстановления ступенчатых длинномерных цилиндрических деталей пластической осадкой. 6

Реализация полученных результатов. Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы использованы при разработке штампа для восстановления круглых штырей модельных плит для Курского завода тракторных запчастей (КЗТЗ) и технологий высадки головок на болтах для Воронежского механического завода (ВМЗ).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на двух республиканских научно-технических конференциях (Винница, 1990 - 91 г.г.), на 3 - ей Международной научной конференции (Санкт-Петербург, 1995) и на ежегодных научно-технических конференциях Воронежского государственного технического университета (Воронеж, 1990 - 1998 г.г.).

Публикации. По результатам исследований издана одна научная монография и десять печатных работ, в том числе получены на изобретения одно авторское свидетельство и два патента. 7

Основные результаты исследования опубликованы в работах [39-41, 51-53,55-60].

149

1. Бриджмен П. Исследование больших пластических деформаций и разрыва. - М.: Изд-во иностр. лит., 1955. - 444 с.

2. Томсен Э., Янг Ч., Кобояши Ш. Механика пластических деформаций при обработке металлов давлением. М.: Машиностроение, 1969. — 503 с.

3. Кроха В.А. Упрочнение металлов при холодной пластической деформации/Справочник. М.: Машиностроение, 1980. - 155 с.

4. Охрименко Я.М., Тюрин В.А. Теория процессов ковки. М.: Высшая школа, 1977. - 295 с.

5. Шофман JI.A. Теория и расчеты процессов холодной штамповки. -М.: Машиностроение, 1964. 375 с.

6. Унксов Е.П. Инженерная теория пластичности. М.: Машгиз, 1959.328 с.

7. Огородников В.А. Оценка деформируемости металлов при обработке давлением. Киев, "Вища школа", 1983. - 175 с.

8. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1977. - 647 с.

9. Уваров А.И., Малышев К.А., Мирмелынтейн В.А., Устюгов П.А. Механические свойства аустенитной стали 40Х4Г18Ф при пластической деформации и старении// Металловедение и термическая обработка металлов. -1971.-№10.-С. 34-38.

10. Хван Д.В., Колусенко Ю.В., Хвостенко A.B. Исследование влияния истории деформирования на механические свойства материалов// Межвузов, сб. "Гидродинамика лопаточных машин и общая механика". Воронеж. -1976. - С. 124-127.

11. Кузьменков О.И. О новом направлении в технологии восстановления деталей машин// Вестник машиностроения. 1989. - №1. - С. 45—47.

12. Молодык Н.В., Зенкин A.C. Восстановление деталей машин. М.: Машиностроение, 1989. -234 с.150

13. Бакхауз Г. Анизотропия упрочнения. Теория в сопоставлении с экспериментом//Изв. АН СССР, МТТ. 1976. - № 6. - С. 120-129.

14. Джонсон У., Меллор П. Теория пластичности для инженеров. М.: Машиностроение, 1979. - 567 с.

15. Грайфер А.Х. Об устойчивости заготовок при осадке и высадке// Кузнечно-штамповочное производство. 1970. - № 11. - С. 11-13.

16. Овчинников А.Г., Грайфер А.Х. Влияние конфигурации формовочного перехода на устойчивость заготовок при высадке// Кузнечно-штамповочное производство. 1974. - № 12. - С. 3-5.

17. Соколовской В.В. Теория пластичности. М. - Л.: Гостехиздат, 1950.-396 с.

18. Шевченко К.Н. Основы математических методов в теории обработки металлов давлением. М.: Высшая школа, 1970. - 351 с.

19. Тарновский И.Я., Поздеев A.A. и др. Теория обработки металлов давлением. М.: Металлургиздат, 1963. - 672 с.

20. Зибель Э. Обработка металлов в пластическом состоянии. ОНТИ, 1934.-350 с.

21. БиллигмаН И. Высадка и другие методы объемной штамповки. М.: Машгиз, 1960. - 467 с.

22. Томленов А.Д. Теория пластического деформирования металлов. М.: Металлургия, 1972. 410 с.

23. Дель Г.Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости. М.: Машиностроение, 1971. - 199с.

24. Полевой С.Н., Евдокимов В.Д. Упрочнение металлов. Справочник. -М.: Машиностроение, 1986. 320 с.

25. Лахтин Ю.М., Кальнер В.Д. и др. Влияние предварительной холодной деформации на цементацию стали// Металловедение и термическая обработка металлов. 1971. - № 12. - С. 22-26.151

26. Людвик П. Основы технологической механики// Расчеты на прочность. М.: Машиностроение, 1970. - Вып. 15. - С. 130-166.

27. ГОСТ 3564-80. Металлы. Методы испытания на кручение. М.: Изд-во стандартов, 1981. -45 с.

28. Холодная и объемная штамповка. Справочник/ Под ред. Г.А.Навроцкого. М.: Машиностноение, 1973. - 496 с.

29. Бабенко В.А., Бойцов В.В., Волик Ю.П. Объемная штамповка. Атлас схем и типовых конструкций штампов. М.: Машиностроение, 1982. -104 с.

30. A.c. 1020177 СССР МКИ В21 J13/08; В21 J13/02. Устройство для высадки и осадки заготовок// В.М.Колесников, В.В.Евстифеев и др. (СССР). -Зс.:ил.

31. Деордиев Н.Т. Обработка деталей редуцированием. М.: Машгиз, 1960.- 155 с.

32. Дзугутов М.Я. Пластическая деформация высоколегированных сталей и сплавов. М.: Металлургия, 1992. - 480 с.

33. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1967. -403 с.

34. Вольмир A.C. Устойчивость деформируемых систем. М., Физмат-гиз, 1967.-984 с.

35. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1987. - 512 с

36. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1976. - 608 с.

37. Дель Г.Д. Технологическая механика. М., Машиностроение, 1978. - 174 с.

38. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. М.: Изд-во стандартов, 1985. - 56 с.

39. Хван Д.В., Пешков Е.В. Штамп для осадки длинномерных заготовок// Кузнечно-штамповочное производство. 1993. - № 2. - С. 27—29.152

40. Хван Д.В., Пешков E.B. Сжатие длинномерных заготовок// Теоретические и прикладные проблемы развития наукоемких и малоотходных технологий обработки металлов давлением. Респуб. научн.-техн. конф.: Тез. докл. - Винница, 1991. - С. 171-172.

41. Хван Д.В., Пешков Е.В., Максимов А.И. Упрочнение валов пластической осадкой// Социально-экономические аспекты и ресурсосбережение на автомобильном транспорте. Респуб. научн.-техн. конф.: Тез. докл. - Винница, 1992. - С. 69.

42. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. М.: Машиностроение, 1980, т. 1. - 728 с.

43. ГОСТ 25.503-80. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие. М.: Изд-во стандартов, 1981. — 55 с.

44. Левитас В.И. Большие упруго-пластические деформации материалов при высоком давлении. Киев: Наукова думка, 1987. - 232 с.

45. Хван Д.В., Розенберг O.A., Цеханов Ю.А. Исследование деформационной анизотропии металлов при немонотонном пластическом деформировании в условиях линейного напряженного состояния// Проблемы прочности. 1990. -№ 12.-С. 53-56.

46. Хван Д.В. Технологические испытания металлов. — Воронеж: Изд-во Вор. ун-та, 1992. 152 с.

47. Талыпов Г.Б. Исследование эффекта Баушингера.// Изв. АН СССР. Механика и машиностроение. 1964. - № 6. - С.131-137.

48. Качанов JIM. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1963. - 465с.

49. Хван Д.В., Железняков Ю.А. Однообразцовый способ исследования эффекта Баушингера// Прикладные задачи механики сплошных сред. Воронеж: Изд-во Вор. ун-та, 1991. - С. 61-62.153

50. A.c. 1411624 СССР GOl № 3/08. Устройство для испытаний на пластическое сжатие длинномерных образцов/ Д.В.Хван и др. (СССР). 3 е.: ил.

51. A.c. 1726167 СССР МКИ G01 № 3/08. Устройство для пластического сжатия длинномерных деталей/ Д.В.Хван, В.Б.Бочаров, Д.Х.Мангушев, Е.В.Пешков (СССР). 4 е.: ил.

52. Пат. 1814960 RU МКИ В21 J13/02. Устройство для штамповки ступенчатых валов// Д.В.Хван, Е.В.Пешков и др. (РФ). 4 е.: ил.

53. Хван Д.В., Пешков Е.В. Изготовление длинномерных ступенчатых поковок пластической осадкой//Кузнечно-штамповочное производство. -1995.-№3,-С. 17-18.

54. Политехнический словарь. Изд-во "Советская энциклопедия", 1977. 608 с.

55. Хван Д.В., Пешков Е.В., Бочаров В.Б. Восстановление длинномерных цилиндрических деталей// Пути совершенствования экологического обеспечения работы автомобильного транспорта. Респуб. научн.-техн. конф.: Тез. докл. - Винница, 1990. - С. 49.

56. Пат. 2053087 RU МКИ В23 J6/00. Устройство для высадки утолщений на цилиндрических деталях// Д.В.Хван, Е.В.Пешков и др. (РФ). 4 е.: ил.

57. Хван Д.В., Пешков Е.В. Применение процессов осадки в восстановлении длинномерных деталей// Кузнечно-штамповочное производство.1993.-№9.-С. 23.

58. Хван Д.В., Пешков Е.В., Максимов А.И. Повышение несущей способности валов пластическим деформированием// Проблемы прочности.1994.-№6. -С. 86-92.

59. Хван Д.В., Пешков Е.В. Решение задач немонотонного пластического деформирования// Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте. III Междунар. конф.: Тез. докл. - СПб, 1995. - С. 148-149.154

60. Хван Д.В., Воропаев A.A., Пешков Е.В. Технологические задачи пластического кручения. М., 1999. - 203 с. - Деп. в ВИНИТИ 13.10.99, № 3063-В99.

61. Taylor G.I. and Quinney Н. "The Latent Energy Rmaining in Metal after Cold Working", Proc. Rou. Soc. (London) 1933-1934, 143. P. 307-326.

62. Zuzhowski Risrard. Zmiany granicy plastycrnosci przy skreeaniu wstep-nie oclksztalconych probek. "Pr. Nauk Inst. Materalornaw. I mech. Techn. Pwr." 1972, № 9. S. 17-27.

63. Backhauz G. Zur. Fliebgrenze beiallgemeiner Verfestigung. -"Zeitschrift für angewandte Mathematik und Mechanik", Band 48, Heft 2. S. 99108.157о внедрении конструкторской^разраоотки.1. АКТ1999 г."1. УТВЕРЖДАЮ (Шный инженерлхоруков Н.В.

64. Проведены испытания на сжатие с целью исследования кинематики процесса формообразования утолщений на длинномерных цилиндрических заготовках.

65. Разработана конструкция штампа и составлена техническая документация на его изготовление.

66. Выполнены испытания изготовленного на заводе штампа с целью его внедрения в производство.

67. Экономический эффект от внедрения указанного штампа в цехах подготовительного производства Воронежского механического завода составил 56300 (пятьдесят шесть тысяч триста) рублей.от ВГТУ:от ВМЗ:

68. Завкафедрой «Прикладная механика», профессор

69. Научный руководитель Учебного центра, профессор .1. Е.В.Пешков