автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка технологии валковой штамповки полых осесимметричных изделий с буртом

ВВЕДЕНИЕ.

1 Обзор современных методов и технологий изготовления осесимметричных изделий с буртом.

1.1 Технологические процессы с глобальным нагружением заготовки.

1.2 Технологические процессы с локальным и комплексным нагружением заготовки.

1.2.1 Применение валковой штамповки для изготовления осесимметричных деталей большого диаметра.

1.2.2 Применение валковой штамповки для изготовления осесимметричных деталей малого диаметра.

1.3 Выводы по первому разделу.

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВАЛКОВОЙ ШТАМПОВКИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ АНАЛИТИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ.

2.1 Условия экспериментальных исследований.

2.2 Методика экспериментальных исследований.

2.3 Экспериментальная оснастка.

2.4 Основные технологические параметры процесса валковой штамповки.

2.5 Влияние расположения бурта на процесс валковой штамповки полых деталей.

2.6 Влияние высоты бурта на его диаметр и объем.

2.7 Этапы формообразования бурта.

2.8 Анализ возможных дефектов и вероятных причин их возникновения.

2.8.1 Неправильное формообразование верхней части детали №1.

2.8.2 Образование полости бочкообразной формы вблизи торца пуансона, №2.

2.8.2 Образование осевого заусенца в донной части изделия, №3.

2.8.3 Различие толщины стенок втулочной части детали №4.

2.8.4 Образование поднутрения, №5.

2.8.5 Коробление дна детали и ее подрезание роликом, №6.

2.8.6 Растрескивание бурта при его недостаточном диаметре и/или избыточной высоте, №6.

2.8.7 Образование кольца на нижней поверхности детали, №7.

2.9 Выводы и результаты исследования по разделу 2.

3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА.

3.1 Методика теоретического исследования.

3.2 Зависимость для прогнозирования конечного значения диаметра и объема нижнего бурта при получении деталей методом валковой штамповки.

3.3 Силовой анализ процесса ВШ деталей с буртом.

3.4 Влияние величины бурта на схему напряжений при ВШ деталей с нижним расположением бурта.

3.5 Влияние формы торца пуансона на наибольший диаметр полости вблизи торца пуансона.

3.6 Выводы по разделу 3.

4. ПРИМЕР РАСЧЕТА И НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ

ИЗДЕЛИЙ С БУРТОМ В СРЕДНЕЙ ЧАСТИ.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

В современной промышленности широко используются полые осесим-метричные изделия с буртом (вкладыши подшипников скольжения, штуцеры, муфты, закладные детали и т.д.). Для изготовления подобных изделий используются традиционные технологии: литье, токарная обработка, горячая и холодная штамповка, обратное выдавливание и тп.

Повышение качества изделий, уменьшение затрат на производство и повышение конкурентоспособности на мировом рынке стимулирует разработку принципиально новых технологий и оборудования.

Например, одним из направлений получения подобных изделий являются методы, основанные на локальном деформировании, такие, как вальцовка, поперечно-клиновая прокатка, обкатка деталей из труб и листовых материалов, ротационное выдавливание, сферодвижная штамповка, торцевая раскатка, непрерывно-последовательная высадка и др. Вследствие локальности характера деформирования уменьшается технологическая сила совершения операции, что обеспечивает значительное снижение металлоемкости оборудования, повышение стойкости инструмента, увеличение коэффициента использования материала.

Принципиально новым развитием этих методов является технология, основанная на комплексном локальном нагружении заготовки, сочетающая в едином процессе операции объемной штамповки и локальное деформирование неприводными роликами или приводными валками. Новый способ деформирования, получивший название "валковая штамповка" (ВШ)1, позволяет получать сплошные и полые детали, применяемые в приборо- и машиностроении, с меньшими допусками под последующую обработку, требуемым качеством и меньшей технологической силой, чем для традиционных методов объемной штамповки.

1 Голепков, В.А. Технологические процессы обработки металлов давлением с локальным нагружеиием заготовки [Текст]/ Голенков В.А., Радченко С.Ю. - М.: Машиностроение, 1997. - 226с.

Важным условием понимания процесса ВШ является установление и исследование взаимосвязи параметров обкатки и прошивки, их влияние на процесс деформирования, конечный результат формоизменения заготовки и качество изготовления изделий.

Наличие общих сведений о процессе получения полых изделий с буртом, а также отсутствие научно-обоснованной методики расчета и выбора конструктивно-технологических параметров, определение критических режимов обработки сдерживает использование ВШ в производстве.

Поэтому, разработка и исследование технологических параметров процесса ВШ полых осесимметричных изделий с буртом является весьма актуальной темой.

Актуальность темы подтверждается соответствием ее "Критическим технологиям федерального уровня", утвержденным приказом Пр-578 президента Российской Федерации от 30 марта 2002 г. по направлениям: "Энергосбережение" и "Модульные технологии производства массовой металлопродукции с новым уровнем свойств".

Поэтому, целью представленной работы является исследование технологии валковой штамповки (ВШ) полых изделий с буртом и разработка научнообоснованой методики по ее проектированию, что позволит повысить качество процессов ВШ.

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

1. Разработать методику, оснастку, провести экспериментальные исследования процесса ВШ полых изделий с буртом и установить влияние основных технологических параметров на формообразование бурта; провести классификацию возможных дефектов полых изделий с буртом получаемых ВШ.

2. Разработать математическую модель ВШ полых изделий с буртом, учитывающую объемный характер напряженно-деформированного состояния очага деформации на основе уравнения течения Прандтля-Рейса с использованием производной Яумана и провести ее исследование. При этом определить зависимость предельного значения диаметра и объема бурта от технологических параметров процесса (диаметра и высоты заготовки, диаметра пуансона, высоты бурта и относительной скорости перемещения пуансона), провести энергосиловой анализ процесса ВШ.

3. Разработать научно обоснованную методику расчета и выбора технологических параметров ВШ полых изделий с буртом; разработать новую технологию ВШ полых изделий с буртом в средней части.

Методы исследования:

В работе использован комплексный метод исследований, включающий проведение предварительных экспериментов и на их основе теоретического анализа с экспериментальной проверкой предложенных технических решений в лабораторных условиях. Все исследования проводились по единой методике, что дало возможность получения сопоставимых результатов.

Экспериментальные исследования проводились на специально сконструированной оснастке в лабораториях ОрелГТУ с применением общепринятых методов планирования эксперимента и статистической обработки результатов экспериментов.

Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния и характера пластического течения металла заготовки при валковой штамповке проводились на основе численного решения задачи методом конечных элементов. Решение последней осуществлялось с использованием ППП "DEFORM-3D", реализующего анализ упруго-пластической модели на основе общих уравнений пластического течения Лагранжа с использованием производной Яумана.

Достоверность результатов, полученных в ходе экспериментальных исследований, подтверждается применением научно обоснованной методики планирования эксперимента и обработки полученных данных, поверенного лабораторного оборудования и контрольно-измерительных приборов.

Достоверность результатов теоретических исследований подтверждается также обоснованным использованием фундаментальных зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи математического моделирования, применением современных математических методов и средств вычислительной техники. Качественные и количественные результаты согласуются с данными экспериментальных исследований, проведенных в широком диапазоне технологических режимов ВШ полых изделий с буртом.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное народнохозяйственное значение и состоящая в разработке новых технологических процессов изготовления полых осесимметричных деталей с нижним расположением бурта ВШ с минимальной нагрузкой пуансоне при высокой производительности и методике их проектирования.

В результате исследований были сделаны следующие выводы. В процессе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты и сделаны выводы:

1. Проведен анализ существующих технологий получения полых изделий с буртом, в результате которого установлено, что применение валковой штамповки позволяет увеличить коэффициент использования материала и снизить нагрузку на инструменте по сравнению с известными методами.

2. Разработана методика, оснастка и проведены экспериментальные исследования процесса валковой штамповки полых изделий с буртом и определено влияние основных технологических параметров процесса на качество получаемых изделий. Анализ результатов исследования показал следующее:

- установлено, что заполнение бурта при его расположении в нижней части изделия является более полным, а объем максимальным по сравнению с расположением бурта в средней и верхней части, кроме того, при такой схеме не требуется применение дополнительных устройств и усложнения конструкции установки;

- установлено, что с уменьшением угла конусности пуансона от 180° до 120° объем металла, вытесняемый в бурт изменяется мало, а при дальнейшем уменьшении угла конусности происходит резкое уменьшение объема металла, вытесняемого в бурт; установлено, что угол конусности пуансона 150±5° наиболее предпочтителен, т.к. объем остаточной пленки под пуансоном будет наименьший при максимальном объеме бурта без существенного роста технологической силы на конечной стадии процесса;

- проведена классификация дефектов изделий и установлены технологические параметры, исключающие их возникновение.

3. Впервые разработана математическая модель валковой штамповки полых изделий с буртом, учитывающая объемный характер напряженно деформированного состояния очага деформации, циклическое нагружение и контактное взаимодействие с инструментом, построенная на основе уравнения течения Прандтля - Рейсса с использованием производной Яумана и проведено ее теоретическое исследование, в результате которого:

- определены зависимости предельного значения диаметра и объема бурта от технологических параметров процесса (диаметра и высоты заготовки, диаметра пуансона, высоты бурта и относительной скорости перемещения пуансона);

- проведен энергосиловой анализ валковой штамповки полых изделий с буртом и разработана методика расчета силовых параметров процесса;

4. Разработана и апробирована научно-обоснованная методика выбора конструктивно-технологических параметров валковой штамповки полых изделий с буртом.

5. Разработана новая технология валковой штамповки полых изделий с буртом в средней и нижней части расширяющая технологические возможности процесса.

1. Сторожев, М.В. Теория обработки металлов давлением Текст./ М.В. Сторожев, Е.А. Попов М.: Машиностроение, 1977. - 278 е., ил.

2. Джонсон, У. Теория пластичности для инженеров. Пер. с англ. Текст./ У. Джонсон, П.Б. Меллор Пер. А.Г. Овчинников М.: Машиностроение, 1979. - 567 е., ил.

3. Попов, О.В. Изготовление цельноштампованных тонкостенных деталей переменного сечения Текст. М.: Машиностроение, 1974. - 402 е., ил.

4. Томленов, А.Д. Теория пластического деформирования металлов Текст.- М.: Металлургия, 1972. 408 е., ил.

5. Охрименко, Я.М. Технология кузнечно-штамповочного производства Текст. М.: Машиностроение, 1976. - 560 е., ил.

6. Охрименко, Я.М. Теория процессов ковки Текст./ Я.М. Охрименко, В.А. Тюрин М.: Высшая школа, 1977. - 295 е., ил.

7. Семенов, Е.И. Ковка и объемная штамповка Текст. М.: Высшая школа, 1972.-352 с, ил.

8. Ковка и объемная штамповка Текст.: Справочник в 2-х т. / Под ред. М.В. Сторожева М.: Машиностроение, 1968. - 2 т. - ил.

9. Брюханов, A.M. Ковка и объемная штамповка Текст. М.: Машиностроение, 1975. - 480 е., ил.

10. Ковка и штамповка Текст.: Справочник в 4-х т. / Под ред. Е.И. Семенова М.: Машиностроение, 1987. - 592 е., ил.

11. Зарубин, B.C. Механика процессов ковки и штамповки Текст./ B.C. Зарубин, А.Г Овчинников.- МГТУ. 1992. 64 е., ил.

12. Мансуров, A.M. Технология горячей штамповки Текст. М.: Машиностроение, 1971. - 415 е., ил.

13. Романовский, В.П. Справочник по холодной штамповке Текст. -Л.: Машиностроение, 1979. 520 е., ил.

14. Холодная объемная штамповка Текст.: Справочник / Под ред. Г.А. Навроцкого М.: Машиностроение, 1973. - 496 с, ил.

15. Теория ковки и штамповки Текст.: уч. пособие / Под ред. Е.П. Ун• ксова, А.Г. Овчинникова. -TVL: Машиностроение, 1992. 720 с, ил.

16. Прогрессивные технологические процессы холодной штамповки Текст.: уч. пособие / Под ред. А.Г. Овчинникова М.: Машиностроение, 1985.- 184 е., ил.

17. Фаворский, В.Е. Холодная штамповка выдавливанием Текст. М.: Машиностроение, 1966. - 300с.

18. Навроцкий, Г.А. Кузнечно-штамповочные автоматы Текст. М.: Машиностроение, 1965. - 250с., ил.• 19. Овчинников, А.Г. Основы теории штамповки выдавливанием на прессах Текст. М.: Машиностроение, 1983. - 200 е., ил.

19. Дмитриев, A.M. Перспективные формоизменяющие операции и оборудование для производства осесимметричных деталей из железных порошков Текст. // Вестник МГТУ. М.: Машиностроение, 1991. - № 1. - С. 60-71.

20. Барк, Дж. Порошковая металлургия материалов специального на• значения Текст./ Дж. Барк, В. Вейс М.: Металлургия, 1972. - 335 е., ил.

21. Дмитриев, А.М Формование высокоплотных полых цилиндрических деталей из железного порошка на универсальных гидропрессах Текст.//

22. Исследование в области теории, технологии и оборудования штамповочного производства/ A.M. Дмитриев, СХ.И. Огаджанян В сб. науч. тр. ТулГУ. -Тула, 1996.-С. 102-106.

23. Дмитриев, A.M. Производство деталей из железных порошков Текст./ Вестник МГТУ. М.: Машиностроение, 1993. - № 4. - С. 33-40.

24. Грановский, СП. Новые процессы и станы для прокатки изделий ввинтовых калибрах Текст. М.: Металлургия, 1980. - 116с., ил.

25. Специальные прокатные станы Текст. / Под ред. А.И. Целиковаф М.: Металлургия, 1971. 336 е., ил.

26. Тетерин, П.К. Теория поперечно-винтовой прокатки Текст. М.: Металлургия, 1971. - 368 е., ил.о

27. Зотов, В.Ф. Прокатка металла Текст./ В.Ф. Зотов, В.Ф. Каширин,• В.А. Петров М.: Машиностроение, 1979. - 256 е., ил.

28. Грудев, А.П. Теория прокатки Текст. М.: Металлургия, 1988. -240 е., ил.

29. Димидов, Б.Б. Технология прокатного производства Текст./ Б.Б. Димидов, Н.В. Литовченко М.: Металлургия, 1979. - 488 с, ил.

30. Елкин, Н.М. Технология холодной раскатки точных заготовок Текст./ Кузнечно-штамповочное производство. 1995. - № 1. - С. 20-22.

31. Утяшев, Ф.З. Раскатка колец из высокожаропрочных никелевых• сплавов в условиях сверхпластичности Текст./ Ф.З. Утяшев, Р.Г. Баймурзин, В.А. Плехов // Кузнечно-штамповочное производство, 1999. - №7. - С. 14 -17.

32. Могильный, И.И. Ротационная вытяжка оболочковых деталей на станах Текст. М.: Машиностроение, 1983. - 190 е., ил.

33. Юдин, Л.Г. Ротационная вытяжка цилиндрических оболочек Текст./ Л.Г. Юдин, С.П. Яковлев М.: Машиностроение, 1984. - 128 е., ил.

34. Голенков, В. А. О новом способе штамповки локальном деформировании в роликовых матрицах Текст./ В. А. Голенков, Б.А. Егоров // Прогрессивная технология в машиностроении и приборостроении: Сб. науч. техн. работ НТО Машпром. Орел, 1982.- С. 118 -121.

35. Голенков, В. А. Совершенствование технологии непрерывно-последовательной высадки с применением роликового формообразующего инструмента Текст./ В. А. Голенков, С. Ю. Радченко // Кузнечно-штамповочное производство, 1995. - №10.-С. 15- 17.

36. Радченко, С. Ю. Совершенствование технологии и оборудованиядля непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий Текст.: Дис. канд. техн. наук: 05.03.05: защищена 09.11.93: утв. 14.01.94/

37. Радченко Сергей Юрьевич. М., 1993. - 165 е., ил. - 09830027961.

38. А. с. 1074646 СССР, МКИЗ В 21 J 5/08; В 21 Н 8/00. Устройство для штамповки с обкаткой Текст./ В.Я. Осадчий, В.Г. Зимовец, В.А. Голенков, Б.А. Егоров (СССР). № 34754007/25-27; Заявл. 23.07.82; Опубл. 23.02.84, Бюл. №7. - 3 е., ил.

39. А. с. 1622072-СССР, МКИЗ В 21 К 1/68. Способ изготовления ступенчатых деталей Текст./ В.А. Голенков, Ю.П. Лукьянчиков Е.Г. Афанасьев и др. (СССР). -№4365557/27; Заявл. 18.01.88; Опубл. 23.01.91, Бюл. №3. 4 е., ил.

40. А. с. 1304243 СССР, МКИЗ В 21 К 21/08. Способ изготовления изделий со ступенчатой наружной поверхностью Текст./ В.А. Голенков, С.В. Котин, С.И. Красников (СССР). № 3769205/25-27; Заявл. 21.04.84.

41. Пат. 2070468 РФ, МКИЗ В 21 К 21/08. Способ изготовления полыхдеталей Текст./ В.А. Голенков, С.Ю. Радченко, О.В. Дорофеев, (РФ). № 95102597/08; Заявл. 23.02.95; Опубл. 20:12.96, Бюл. № 35. - 2 е., ил.

42. Пат. 2102178 РФ, МКИЗ В 21 К 21/08, В 21 Н 1/18. Способ изготов-^ ления полых осесимметричных изделий Текст./ В.А. Голенков, С.Ю. Радченко, О. В. Дорофеев, К.И. Капырин (РФ). № 95119033/02; Заявлено 09.11.95; Опубл. 20.01.98, Бюл. №2.-3 е., ил.

43. А. с. 1600118 СССР, МКИЗ В21 К21/08. Способ изготовления по-Ш лых деталей Текст./ В.А. Голенков, Ю.П. Лукьянчиков, А.Н. Тройнич и др.

44. СССР). № 4367897/25-27; Заявлено 18.01.88.

45. Спиридонов, А.А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов Текст. М.: Машиностроение, 1981. - 184 е., ил.

46. Капырин, К. И. Разработка процесса изготовления высоких стаканов методом валковой штамповки Текст.: Дис. . канд. техн. наук: 05.03.05: защищена 09.11.2004: утв. 14.01.2004/ Капырин Константин Игоревич - М., 1993. - 185 е., ил. - 09830027961

47. Пат. 2089323 РФ, МКИЗ В 21 J 5/08, 13/02. Роликовая матрица для штамповки с обкаткой к штампу с приводным пуансоном Текст./ Голенков В. А., Радченко С. Ю., Дорофеев О. В. (РФ). № 93018206/02; Заявл. 08.04.93; Опубл. 10.09.97, Бюл № 25. - Зс., ил.

48. Голенков, В.А. Разработка новых технологических процессов штамповки с локальным деформированием заготовки и методов их проектирования Текст.: Дис. . док. техн. наук: 05.03.05: Защищена 22.01.97: утв. 11.04.97: М., 1997.-271 е., ил. - 007801

49. Голенков, В.А. Изготовление осесимметричных изделий валковой штамповкой Текст./ В.А. Голенков, С.Ю. Радченко, О.В. Дорофеев // Куз-нечно-штамповочное производство, 1995. - № 11. - С. 20 - 23.

50. Зенкевич О., Конечные элементы и аппроксимация Текст./ Зенкевич О., Морган К.: Пер. с англ. М.: Мир, 1986. - 318 е., ил.

51. Фёдоров, Т.В. Построение модели с переменной дискретизацией при расчете МКЭ Текст./ Радченко С.Ю., Фёдоров Т.В. // Международная научно-техническая конференция: сб. тез. докл. Белгород: Изд-во Бел-ГТАСМ, 2001. - 4.2. - 356 с.