автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Ротационная ковка полых цилиндрических заготовок

Напрявах руюписи Голышев Игорь Владимирович

РОТАЦИОННАЯ КОВКА ПОЛЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК

Специальность 05 031)5 Технологам и машины обработки давлением

Ав то реферат

диссертации на соисканиеученой степени кандидата технических нгук

□ОЗ171318

Тула2008

003171318

Работа выполненана кафедре «Теоретическая механика» в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Нгучный рую водитель

доктор технических наук,профессор Кухарь Владимир Денисович

Официальные оппоненты.

доктор технических нау к, профессор Яковлев Сер гей Сер геевич

кандидат технических нау к, доцент Бул ьн ев Вл адимир Ал ександро вич

Ведущая организация'

ОАО «Тульский оружейный завод»

Защита состоится« 30»июня2008 г в Ючас на заседании диссертационного совета Д 21227101 при ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300600, г Тула,ГСП,просп им Ленина,д 92,4-203).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета

Авгорефератразоспан «29» мая2008 г

Учсньй секретарь диссертационно го совета

А Б. Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКАРАБОТЫ

Актуальность работы. Основной задачей развитая машиностроения является вывод его на принципиально новые ресурсосберегающие технологии, обеспечивающие повышение производительности труда, экономию материальных и энергетических ресурсов и охрану офужающей среды В значительной степени решению этих задач способствует внедрение в промышленность прогрессивных технологий ротационной ковки

Ротационная ювка представляет собой одну из разновидностей обработки металлов давлением и сводится к изменению формы заготовки в соответствии с требуемым видом изделия путем периодического обжатия рабочими органами (бойками), совершающими относительно оси заготовки в совокупности радиальное, вращательное и(или) осевое движение Заготовка может быть целая, полая цилиндрическая, конусная, квадратнаяи др

Вследствие локальности деформирования на порадо к снижается технологическое усилие, что обеспечивает значительное снижение металлоемкости оборудования, повышение стойиэсти инструмента Радиальное обжатие дает возможность формоизменения материалов без разрушения до зндаителытых степеней деформации при высокой точности полученных изделий, сюдя до минимума пост едующую обработо/ резан ьем

В промышленности широю применяется ротационная ювка полых цилиндрических заготовок. Однако определение основных технологических параметров процесса ротационной ковки трубчатых заготовок является весьма сложной задачей Поэтому в производстве довольно велик объем экспериментальных и доводочных раэот, а реализуемые режимы обработки далеки от оптимальных Проведение экспериментальных исследований достаточно дорого и исследования процесса ротационной ковки носят прикладной производственный характер, связанный с выдачей рекомендаций по ведению процесса ковки при получении конкретного изделия

Актуальным является необходимость дальнейшего развития теоретических исследований для разработки научно-обоснованных методик проектирования технологических процесоов ротационной ювки полых цилиндрических заготовок с целью их интенсификации при снижении энергоемкости и трудозатрат,что вцеломпредставляетбольшойпракшческий интерес

Цель работы состоит в повышении эффективности процессов ротационной ювки полых цилиндрических заготовок посредством научно-обоснованного проектирования режимов их проведения на базе созданных математических моделей, позволяющих оценить силовые режимы, кинематику течения материала, шероховатость поверхности получаемых изделий в зависимости от геометрии заготовки и инструмента и условий трения на границах контакта

Для достижения указанной цели в работе были поставлены следующие задачи исследований:

1. Разработать математическую модель процесса ротационной ювки по-льк цилиндрических заготовок как без оправки, так и на оправке крутого и фигурного поперечного сечения

2 Провеет теоретические и экспериментальные исследования напряженного и деформированного состояний полых цилиндрических заготовок, силовых режимов и предельных границ устойчивого деформирования (с точки зрения возможности разрушения) в зависимости от геометрических размеров заготовки, схемы деформирования и технологических параметров этих процессов

3. Установить влияние геометрии заготовки и технологических параметров ротационной ювки нагладюй оправке крутого и фихурного поперечного сечения на шероховатость внутренней поверхности цилиндрического изделия

4 Получить зависимости, определяющие количество технологических переходов, необходимых для получения каналов прямоугольно го сечения в цилиндрической заготовке в процессе ротационной ювки наоправке.

3. Выявить рациональные режимы проведения опфации ротационной ковки заготовки нфезного ствол а охотничьего карабинаТОЗ-122

Автор защищает:

- математическую модель ротационной ювки польк цилиндрических за-готоюкбез оправки,

- математические модели ротационной ковки полых цилиндрических за-готовокнаоправке круглого и фигурного поперечного сечения,

- результаты теоретических и экспериментальных исследований напряженного и деформированного состояния заготовки и силовых режимов для данных процессов и при различных схемах натру жени я,

- зависимости, устанавливающие влияние технологических параметров, геометрии заготовки и инструмента, а такжеусловий трения на границе контакта нау величение толщины стенки полой цилиндрической заготовки в процессе ротационной ювки без оправки

- зависимость шероховатости внутренней поверхности полой цилиндрической заготовки от технологических параметров ротационной ювки на гладкой оправке.

- результаты исследований по определению минимально необходимого количества переходов для изготовления заготовок волноводов СВЧ ротационной ювюй наоправке прямоугольного сечения

- результаты исследований по определению рациональных технологических параметров операции ротационной ювки заготовки нарезного ствола охотничьего карабинаТОЗ-122.

I

Научная новизна состоит в разработке математической модели процесса ротационной ювки полых цилиндрических заготовок, в изучении особенностей пластического формоизменения в процессе штамповки, в полученных зависимостях силовых и деформационных параметров процессов от технологических факторов и схем обработки

Методы исследования. Поставленная цель реализована на основе деформационной теории пластичности и метода конечных элементов. Численные эксперименты проводились с использованием ЭВМ. При обработке результатов численных эксперимента в применялись методы математической статистики

Практическая ценность и реализация работы:

1 Разработанные математические модели процесса ротационной нэвки являются основой программного обеспечения, которое может быть использовано для расчетов параметров штамповки полых цилиндрических заготою к различной геометрии внутреннего канала

2 Разработанная математическая модель процесса ротационной ювки была использована для определения рационалшых технологических параметров операции ротационной кэвки заготовки нарезного ствола охотничьего ка-рабинаТОЗ-122 на ОАО «Тульский оружейный завод»

3 Отдельные материалы исследования использованы в учебном процессе для студентов специальности 150201 Машиныи технология обработки металлов давлением

Апробация. Результаты исследования доложены на следующих конференциях

- Международной научно-технической конференции МК-06ММФ «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии», посвященной 50-летию Липецкого государственного технического университета(Липецк,2006 г)

- Научно-практической конференции профессорско-преподавательского составаТулГУ(Тула,2003-2006 гг)

Публикации. Материалы проведенных исследований представлены в 5 ргботах Из них 4 рекомендованы ВАК

Автор выражает глубоьую благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору В Д Кухарю и доктору технических наук, доценту АН Пасько за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечаниям рекомендации

Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 137 страниц машинописного текста состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы из 104 источниюв Содержит 82 рисунков и 11 таблиц

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность поставленной в работе задачи, ее научная новизна и практическая ценность проведенных теоретических и экспериментальных исследований, а также кратко раскрыто содержание разделовдиссертационной работы

В первом разделе работы изложено современное состояние ротационной ковки полых цилиндрических зато тою к, представлены различные способы обработки и даны примеры изделий, получаемых ротационной ювиэй

В приведенном обзоре существующих способов обр^отки полых цилиндрических заготовок ротационной нэвюй показано, что полые заготовки могут быть обработаныбезоправоки на оправках как бойками сложной конфигурации, копирующей юнтур изделия, с длиной, равной длине обрабатываемого участка, так и бойками небольшой длины с одним калибрующим участюм, изменяющими свое положение относительно оси заготовки при обжами в соответствии с заданной программой

Показано, что применение численных методов теоретического анализа процессов пластического формоизменения в настоящее время наиболее перспективно Дано обоснование выбора метода конечных элементов для анализа процессов ротационной иэвки полых цилиндрических заготовок. Обоснована постановка задач исследований

Во втором разделе диссертации представлен вариант конечно-элементного анализа процессов пластического формоизменения, основанный на вариационном принципе Лагранжа и деформационной теории пластичности. Применение метода пошагового нагружения • позволило, решая задачу в приращениях перемещений, деформаций и напряжений, перейти к линейной системе уравнений вида1

¿АР = *£(К А«) О о

где Дм - вектор приращений перемещений, АР - вектор приращения внешних сил, К— матрица жесткости.

Вычисление матрицы жестко ста производилось, считая на каждом шаге решения в качестве исходной сетки полученную на предыдущем шаге, аоценку деформированного состояния - путём суммирования приращений интенсивно-стей деформаций

Напряжения определялись через узловые перемещения с помощыо линейного закона, выражаемого матрицей жесткости

Приведены результаты исследования напряженно-деформированного состояния и силовых режимов процессов ротационной ювки полых цилиндрических загото во кбез оправки

Для исследования процесса была разработана модель представляющая половину меридионального сечения осесимметричной заготовки. При исполь-

зовании МКЭ данная модельразбиваласьнарад связанных между собой структурных элементов, представляющих в цепом юнечно-элементаую сетку

При решении задачи на систему требовалось» ал о жить ряд ограничений, отражающих картану теченияматериалавпроцесседеформации.(рис1)

Рис1 Расчетная схема процесса ротационной ювки трубчатой заготовки без оправки 1 -боек,2-заготовка, и-направлениеперемещения

1 Элементы границы АВ М01ут свободно пфемещаться в радиальном направлении внутрьи о сею м направлении вверх, так как они представляют собой внутреннюю стен »у трубчатой заготовки

2 Элементы отрезка АС мохут сюбодно перемещаться в осевом и радиальном направлении внутрь, ввиду того, что они представляют собой свободный конец трубчатой заготовки .

3 Граница СР представляет собой внешнюю стенку трубчатой заготовки и пфемещениезлементовнаней обусловлено пфемещением бойка

4. Элементы отрезка ВР неподвижны, так как ВИ место крепления заготовки

Рассматривалосьдва варианта ведения процесса

1 Ротационная ковка длинным бойком - это процесс деформирования всей области ювки бойками с длиной, равной длине обжимаемого участка заготовки (рис2)

2 Ротационная ковка коротким бойком - этот вариант предусматривает поэтапное деформирование заготовки бойками, длина которых меньше длины обжимаемого участка заготовкиХрисЗ)

2

Г

Рис2. Положение элемента в 1 -6 врасчетной схеме ротационной ковки без оправки длинным бойюм

/

и

V

1-ый этап нагружения

перемещение бойка

2-ой этап нагружения

РисЗ.ПоложениеэлементовЗ и4 врасчетной схемеротационной ковки безоправки короткимбойюм

Исследовался процесс ротационной ювки заготоюкиз стали РА50 Исходными данными для расчета послужили следующие геометрические параметры диаметр заготовки 20 мм, длина заготовки 50 мм, толщина стенки 3 мм,угол конуса бойка 12°.

Механические свойства материала - модуль Юнга - Е=200 ГПа, модуль упрочнения- Н=800 МП а, предел упругости <тг=300 МП а, коэффициент Пуао-

сона

Результаты исследования напряженного состояния элементов в процессе ротационной ювки длинным бойнэмпредсгавленынарис4 - 6. Дляоценки на-

пряженного сосгочния были рассмотрены 6 областей заготовки, выделенные элементами 1-6(рис 2)

о

СТмПа

та -100 ио •200 250 300

О 20 40 60 80 100 120 Шаг МО

Рис4 Компоненты напряжений в элементах 1^3,4

СТмш250 200

150

100

J0

0

■S0

100

•150

200

О 20 40 60 80 100 120 щаг 140

О.МПа

-100

•200

300

-400

■500

-600

0 20 40 60 50 100 120 щаг 140

Рис6 Компоненты напряжений вэлементеб

Результаты исследования напряженного состояния элементов заготовки в процессе ротационной ювки коротким бойюм представлены нарис7 - 8 Для оценки напряженного состояния были рассмотрены две области заготовки, выделенные элементами 3 и 4 (рисЗ)

Рис5 Компоненты напряжений в элементе 5

Рис7 Компоненты напряжений вэлементеЗ при пошаговой ковке

сг, Ч ' V- XV ...

[ "V л Ч '

) 50 100 14 200 230 Э( 1-ый этап 1 Р03ф 1 2-ой этап нагружения 1 | нагружения 0 350 Шаг 400 разгрузка 1

Рис.8 Компоненты напряжений в элементе4 при пошагоюй ковке

Рис.9.Силапроцессаротационной кивки. а)ротационная ковка длиннымбонюм, б)ротационная из вка короткимбой-юм(аппроксимированный график)

На рис 11 представлен график изменения интенсивности деформаций по длине обрабатываемого участка заготовки Ь для рассматриваемых схем нагружен и я.

Рис 10 Определениедлиныобрабатываемого участка заготовки 1 - боек, 2 - заготовка, Ь - длинаобрабатываемого участка заготовки

25 %

20 15 10 5

2

/ 1

/

1

\

0 5 10 15 20 25 30

1.ММ

Рис 11 Интенсивностьдеформаций по длинеобрабатываемого участка заготовки 1 - ротационная швка длинным бойюм,2 - ротационная ковка коротки м бой ю м(аппро кси миро ванн ый гр афи к)

Было выявлено,что ротационная ковка без оправки коротким бойюм характеризуется существенной неоднородностью напряженно-деформированного состояния и большей интенсивностыо деформаций по длинеобрабатываемого участка заготовки, чем при ковке длинным бойюм, однако при этом энергоемкость процесса ковки при пошаговом нагружении вдваразаниже(смрис9)

Показано, что остаточные напряжения в элементах заготовки при пошаговом нагружении коротким бойюм в процессе ротационной ювки без оправки больше чем при обработки длинным бойюм Причем на внешней поверхности заготовки преобладают сжимающие тангенциальные радиальные и тангенциальные остагочныг напряжения, а на внутренней сжимающие радиальные и осевые Учитывая сжимающий характер остаточных напряжений можно прогнозировать хорошие прочностные характеристики по ювки, полученной ротационной ювкой без оправки

Представлены результаты эксперимента по определению зависимости увеличения толщины стенки заготовки при ювке без оправки от степени обжатия, толщины стенки заготовки, длины калибрующего участка бойка и трения на границах контакта

Ротационная ковка полых цилиндрических заготовок без оправок приводит кувеличению толщины стенки заготовки Толщину стенки заготовки после обработки рекомендуется определять по номограмме(Рис 12)

0.3

0.25

е о2

016

01

Рис 12 Номофамма для определения толщины стен ки трубчатой заготовки по еле обжатия без оправки е- степень обжатия, В-исходная толщин а стенки заготовки

Номограмма составлена на основе эксперименталшых исследований, где варьировались только степень обжатая и исходная толщина стенки заготовки Определить влияние таких параметров как трение и относительная длина калибрующие участка бойка, а также совогупное влияние всех рассматриваемых факторов по этой номограмме невозможно. С целью более глубокого изучения влияния технологических параметров процесса безоправочной ротационной ковки на изменение толщины стенки трубчатой заготовки после обжатия было проведено исследование с использованием аппарата математической статистики и теории планирования много факторного эксперимента на основе результа-товчисленного эксперимента В качестве матери ал а заготовки рассматривалась сталь РА50 Обжатие заготовки проводилось методом пошагаю го нагружения коротким бойюм с углом заходного конуса 12°.

Используя результаты предварительных экспериментов в реальном диапазоне изменения геометрических размеров заготовки, в качестве варьируемых входных факгоровбылн выбраны.

• коэффициенттрения ц,

• Относительная длина калибрующего участка бойка ¿ч/£>2,где £ч-длина калибрующего участка бойка(Рис13);£>2- внутренний диаметр трубчатой заготовки послеобжатия,

• Степ ен ь об жати я s;

• ТолщинастенкизаготовкидообжатияВ,

В качестве функции отклика принималась толщина стенки заготовки после процесса ротационной ковки без оправки в2.

В. мм

Рис 13 Схема процесса ротационной ювки без оправки 1 - боек, 2 - заготовка

Показано, что увеличение степени обжатия имеет наибольшее влияние на утолщение стенки заготовки в процессе ротационной ювки без оправки Увеличение трения и длины калибрующего участка бойка также приводит к увеличению толщины стенки трубчатой заготовки Так изменение коэффициента трения от ц=0 и относительной длины калибрующего участка бойка ¿„/£>г=0,5 до ц=0£ и /£>2=1,5 приводит к увеличению изменения толщины стенки на 8% Без учета трения длина калибрующего участка бойка не влияет на изменение толщины стенки заготовки

Максимальные и минимальные знанения толщины стенки заготовки после обжатия по результатам численного эксперимента имеют отклонение от номограммы не более 12% на всем диапазоне изменения геометрических размеров заготовки и технологических параметров процесса Это говорит о возможности применения математической модели для прогнозирования увеличения толщины стенки трубчатой заготовки в процессе ротационной ювки без оправки

Рис 14 0> аш ени е р езу л ьтато в ч и ел енно го эксперимента с номограммой

Сравнение результатов численных экспериментов с номограммой по определению толщины стенки трубчатой заготовки в процессе ротационной ювки

без оправки показало,что математическая модель ротационной ковки адекватна и позволяет с большей точностью спрогнозировать утолщение стенки заготовки при изменении технологических параметров процесса

В третьем разделе приведены результаты исследования напряженно-деформированного состояния и силовых режимов процессов ротационной кэв-ки полых цилиндрических заго то ю к н а о пр авке

Для исследования процесса была использована модель представляющая половину меридионального сечения осесимметричной заготовки При использовании МКЭ данная модель разбивалась наряд связанных мевду собой структурных элементов, представляющих в целом конечно-элементную сетку

При ранении задачи на систему требовалось наложить ряд ограничений, адекватно отражающих картину течения материала в процессе деформа-ции(рис15)

Рис.15 Расчетная схема процесса ротационной ковки трубчатой заготовки на оправке. 1 - боек, 2 - заготовка, 3 - оправка,U- направление перемещения

1. Отрезок АВ представляет собой оправку и прохождение элементов сквозь нее запрещено в силу ее непроницаемости.

2 Элементы отрезка АС могут свободно перемещаться в осевом направлении Перемещение этих элементов в радиальном направлении ограничивается оправкой

3 ГраницаCF представляет собой внешнюю стешу трубчатой заготовки и перемещение эл ементо в на н ей обу ело влено пер смещением бойка

4. Элементы отрезка BF неподвижны ввиду того,что BF место крепления заготовки.

Исследовался процесс ротационной нэвки заго говки из стали РА50

Г

Исходными чанными для расчета послужили следующие геометрические параметры диаметр заготовки 20 мм, диаметр оправки 15 мм, длина заготовки 50 мм, толщина стенки 3 мм,угол юнуса бойка 12°

Рассматривалось два варианта проведения процесса ротационная ковка длинными короткимбойюм

Результаты исследования напряженного состояния элементов заготовки в процессе ротационной ковки на оправке длинным бойком представлены на рис18 -20 Для оценки напряженного состояниябыли рассмотреныб областей заготовки, выделенные элементами 1-6^рис16)

Рис 16 Положениеэлементов1-6 врасчетной схемеротационной ювки на о правке длинным бойком

1-ый этап нагружения

перемещение бойка

2-ой этап нагружения

Рис17 ПоложениеэлементовЗ и4 врасчетной схемеротационной ювки наоправке коротким бойюм

Шаг№

Рис.18. Компонентынапряжений в элементах 1 23>4

100 110 Ш 130 1+0

Шаг№

Рис.19. Ко мпон енты н апр яжений в ал ементе 5

Шзг№

Рис20. Ко мпоненты н апр яжений в эл ементе 6

а.

(Т.МПа

Разгрузка:

Результаты исследования напряженного состояния элементов заготвоки в процессе ротационной нэвки на оправке коротким бойком представлены на рис21-22.

Для оценки напряженного состояния были рассмотрены две области заготовки, вьщеленные элементами 3 и 4 (рис.17).

Рис2]. Компоненты напряжений в зшементеЗ при пошаговой ювке корот-

кимбойюм

Рис22. Компонентынапряжений вэлементе4 при пошаговой ковке корот-

кимбойюм

Нарис23 представлен график изменения интенсивности деформаций по длине обрабатываемого участка заготовки Ь для рассматриваемых схем нагру-жения.

\ |

|

О 5 10 15 20 25 30

1мм

Рис23 .Интенсивностьдеформаций по длинеобрабатываемого участка заготовки: 1 - ротационная ковка длинным бойком, 2- ротационная ковка коротким бойком(аппро ксимиро ванн ый графи к)

Р кН

200 150 100 50

/

/ /

/

250 Н 200

150

100

50

40 а)

Э 100 Ular No

200

400 800 1000 Шаг No

б)

Рис.24 Силапроцессаротационной ювки наоправке а)ювкадлинным бойюм,б) ковка коротким бойюм(апроксимированный

график)

Было выявлено, что ротационная ковка на оправке коротким бойюм характеризуется существенной неоднородностью напряженно-деформированного состояния и большей интенсивностью деформаций по длине обрабатываемого участка заготовки, чем при ковке длинным бойюм, однако при этом энергоемкость процесса ковки при пошаговом натру жении на40%ниже(смрис24)

Показано, что остаточные напряжения в элементах заготовки при пошаговом нагружении коротким бойюм в процессе ротационной ювки наоправке больше чем при обработки длинным бойюм Причем на внешней поверхности заготовки преобладают тангенциальные сзки мающие о статочные напряжения, а на внутренней сям мающие осевые и радиальные Учитывая сжимающий характер остаточных напряжений можно прогнозировать хорошие прочностные характеристики поювки, полученной ротационной ювюй наоправке

Содержатся результаты исследования влияния шероховатости поверхности внутренней стенки заготовки, степени обжатия, толщины стенки заготовки и трения на шероховатость внутренней стенки после обработки ротационной ковкой на гладкой оправке круглого поперечного сечения Для исследования был а разработан а математическая модель, представляющая собой сектор меридионального (рис25, а), и поперечного (рис25,б) сечений заготовки и оправки При использовании МКЭ данная модель разбивалась на рад связанных между собой структурных элементов, представляющих собой в целом конечно-элементную сетку При решении задачи на систему требовалось наложить ряд ограничений, адекватно отражающих картину течения материала в процессе деформации Граничные условия по расчетной схеме, представляющей мери-дионалшое сечение заготовки и оправки (см. рис15) уже ¡рассматривались. Об жати е про водилось длинн ым бой ю м

Исследовался процесс ротационной ювки заготовки из стали РА50 Исходными данными для расчета послужили следующие геометрические параметры диаметр заготовки 20 мм, длина заготовки 50 мм, толщина стенки 3 мм,угол конуса бойка 12°

Боек

а) б)

Рис25 .Расчетная схема процесса и гр аничныеу слошя' а) меридионал шо е сеч ение, б) попер ечно е сеч ение

1 Элементы кривой АВ могут свободно перемещатся в радиальном направлении кцентру, ввиду того, что они представляют собой внешнюю стану трубчатой заготовки ствола Пересечение границы А В запрещено, т.к АВпред-ставл яет собой р абочую пло ско сть бойка

2 Пересечение границ АСи ВБ запрещено, ввиду тою,что математическая мо д ел ь п о др азу мевает н ал ич и е з а эти ми границами таких же элементов

3 Пересечение границы СО запрещено, ввиду тош.что онапредставляет собой оправу Движение элементов на ней обусловлено перемещением бойка

С учетом геометрии элементов сетки и в соответствии с ГОСТ 2789-73 шероховатость внутренней стенки трубчатой заготовки моделировалась, как показано нарис.26

Рис26 Математическое моделированиешероховатости поверхности внутренней стенки трубчатой заготовки

Дня исследования использовался аппарат математической статистики и теории планирования много факторного эксперимента на основе результатов численного эксперимента Используя результаты предварительных экспериментов в реал шом диапазоне изменения геометрических размеров заготовки, в качестве варьируемых входных факторовбыли выбраны.

• коэффициент тр ения ц;

• толщинастенки до обжатия В,

• степень об жата я £,

• Шероховатость внутренней поверхности R,

В качестве выходного параметров (функции отклика), характеризующего процесс ротационной ковки на оправке принята шероховатость внутренней стенки трубчатой заготовки послеобработки

Было установлено, что увеличение таких параметров, как степень обжатия, исходная толщина стенки трубчатой заготовки, коэффициент трения позволяет снизитьшероховатость внутренней стенки получаемой поювки

Определено, что наибольшее влияние на шероховатость поверхности внутренней стенки трубчатой заготовки оказывает шероховатость поверхности внутренней стенки до обработки Так при исходной шероховатости поверхности 40 мкм, степени обжатия 0£ и толщине стенки 6,5 мм можно получить шероховатость поверхности внутренней стенки 0j05 мкм, тогда как при исходной шероховатости поверхности 120 мкм толью 2,84 мкм

Показано, что увеличение степени обжатия также может значительно снизить шероховатость внутренней стенки трубчатой заготовки послеобработки Так при толщине стенки 6,5 мм и шероховатости стенки заготовки 40 мкм увеличение степени обжатая от0£ до 0,6 приводи г к снижению шероховатости отЮ мкм до 005 мкм

Результаты эксперимента показали, что шероховатость в продольном и поперечном сечении уменьшается в процессе ковки практически в равной степени Максимальное отклонение значений в процессе математических эксперимента впри параметрах из области их определения составило 7%

Подтвержден факт, что для получения максимально низкой шероховатости внутренней стенки трубчатой заготовки после ротационной нэвки на гладкой оправке крутого сечения необходимо прежде всего увеличивать степень обжатия и уменьшать начал тую шероховатость стенки трубчатой заготовки.

Представлены результаты исследования влияния геометрии заготовки и оправки на минимально необходимое число технологических переходов, требующееся для изготовления зато тою к волноводов СВЧ методом ротационной ковки наоправкепрямоугольного поперечного сечения

Исследовался процесс ротационной ковки заготовки из меди М2 Исходными данными для расчета послужили следующие геометрические параметры диаметр заготовки 20 мм, длина заготовки 50 мм, толщина стенки 3 мм,угол конуса бойка 12°.

Механические свойства материала- модуль Юнга Е=80 ГПа, модуль упрочнения Н=625 МП а, предел упругости с, =70 МПа, коэффициент Пуассона

v=03

Математическая модель представляет собой сектор поперечное» сечения заготовки и оправки При использовании МКЭ данная модель разбивалась на рад связанных между собой струюурных элементов, представляющих в целом шнсчно-элемштную сепу(рис27)

Как основной критерий стабильного протекания процесса рассматривалась поЕрежцаемостъ элементов в опасных точках сечения заготовки, а результатом успешной операции является получение канала заготовки волновода с необходимой чистотой поверхности Исходя из этого высчитывалось количество переходов, необходимых для формирования канала волновода. Расчетная схема и граничные у ело вияпредставленынарис27.

Рис27 Расчетная схема процесса ротационной ковки заготовки волновода СВЧ а)первый шаг деформирования, б)поспедний шаг деформирования

1 Элементы цжвэй АВ могут свободно перемещатся в радиальном направлении к центру ввиду того, что они представляют собой внешнюю стенку трубчатой заготовки ствола Пересечение границы А В запрещено, тк АВ представляет собой рабочую плоскость бойка.

2 Пересечение границ АС и ЕЮ запрещено, т к математическая модель подразумевает наличие за эти ми границами таких же элементов

3. Пересечение границы СРЭ запрещено ввиду того, что она представляет собой оправу Движение элементов на ней обусловлено пфемещением б<Дгса исследования использовался аппарат математической статистики и теории планирования многофакторного экспфимента на основе результатов численного экспфимента Используя результаты предварительных экспериментов в реальном диапазоне изменения геометрических размфов заготовки, в качестве варьируемых входных факшровбыли выбраны

• Относительный размф каналаволновода5=Мз(см рис28);

• Относительная толщина стенки заготовки 0 = (Д,

• Шфоховатость внутренней стенки заготовки Яг,

• Коэффициент трения ц,

В качестве выходного параметра (функции отклика), характфизующего объект исследования принято количество пфеходов, необходимых для стабильного протекания процесса и получения внутренней повфхносги заданного качества

Опасное сечение

Обжатое проволчлоСь до того момента пока элемент точки 1 не войдет в соприкосновение с границей РБ, представляющей собой грань оправки прямоугольного сечения и интенсивность деформации в элементе 1 (рис 27,6) не будет соответствовать шероховатости поверхности 03-1 мкм Если в процессе обжатия фиксировалось разрушение элемента (фитерий Смирнова-Аляева) в опасном сечении(рис 27/5), то в процесс вставлялся еще один этап у пругой разгрузки

Установлено, что увеличение таких параметров, как относительная толщина стенки заготовки, относительный размер канала волновода и шероховатость внутренней стенки трубчатой заготовки приводит к увеличению необходимого числа переходов для изготовления заготовки волно- р11С 28 Геометр|1Я заготовки п вода СВЧ Причем с увеличением шерохо- справки

ватосш относительный размер канала волновода начинает оказывать большее влияние на количество переходов, чем относительная толщина стенки заготовки.

Выявлено, что трение также оказывает влияние на необходимое количество переходов в сторону их увеличения, причем чем ниже значаше относительной толщины стенки заготовки и относительного размера канала юл но года, тем это влияние сильнее

Сделан вывод, что уменьшение шероховатости внутренней стенки трубчатой заготовки может значительно снизить затраты энергии и материаланаиз-готоотениезаготоюк юл но годов СВЧ методом ротационной ювки

В четвертом разделе на базе созданной математической модели проведаю теоретическое исследование и дано ночное обоснование диапазона рациональных параметров ведения технологического процесса изготовления заготовки нарезного ствола карабин а ТОЗ - 122 методом ротационной ковки наоп-равке

Сопоставление результатов теоретических исследований и параметров существующего техпроцесса изготовления заготовки нарезного ствола показало, что созданная математическая модель адекватна и может быть использована для проведения предварительных теоретических исследований при разработке тех процесса изготовления цилиндрических изделий ротационной ковкой

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе решен а акту альная научно-технич еская задач а, и мею щая важно е народно-хозяйственное знгнение и состоящая в повышении эффективности процессов ротационной ювки полых цилиндрических зато тою к посредством

научно-обоснованного проекгарованиярежимових проведения набазе созданных математических моден ей, позволяющих оценить силовые режимы, кинематику течения материала, шероховатость поверхности получаемых изделий и установить границы стабильного протекания процессов в зависимости от геометрии заготовки и инстру ментаи у слоеий трения на границах контакта

В процессе теоретических исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы

1 Наоснове метода конечных элементов создана математическая модель ротационной ковки полой цилиндрической заготовки без оправки и на оправке круглого и фигурного поперечного сечения, исследовано напряженно-деформированное состояние заготовки а также силовые режимы при различных схемах нагружения

2 Показано,что пошаговоенагружениезаготовки короткимбойюмприводит к большей неоднородности напряженно-деформированного состояния, чем ю вка длинн ым бой ю м

3 Выявлено, что остаточные напряжения в элементах заготовки при пошаговом нагружении коротким бойюм в процессе ротационной ковки на оправке и без оправки больше чем при обработке длинным бойюм. Причем на внешней поверхности заготовки преобладают сжимающие тангенциальные радиальные и тангенциальные остаточные напряжения, а на внутренней - сжимаю щи е ради ал ыше и осевые Учитывая сжимающий характер остаточных напряжений можно прошозироватьхорошиепрочностныехарактеристики поюв-ки, полученной ротационной новной без оправки

4 Установлено, что ротационная ковка без оправки коротким бойюм, изменяющим свое положение относительно оси заготовки приводит кболыие-му на11 %удлинению заготовки,чем ковка длинным бойком

5 Установлено, что увеличение степени обжатия, коэффициента трения и длины калибрующего участка бойка приюдит к возрастанию толщины стенки трубчатой заготовки в процессе ротационной ювки без оправки Причем наибольшее влияние на утолщение стенки оказывает степень обжатия Без учета трения длина калибрующего участка бойка не влияет на изменение толщины стенки заготовки

6 Показано, что увеличение таких параметров, как степень обжатая, исходная толщина стенки трубчатой заготовки, коэффициент трения позволяет снизить шероховатость внутренней стенки получаемой по ювки Выявлено,что для получения максимально низкой шероховатости внутренней стенки трубчатой заготовки после ротационной ювки на гладкой оправке круглого сечения необходимо прежде всего увеличивать степень обжатия и уменьшать начальную шероховатость стенки трубчатой заготовки.

7 Установлено,что уменьшение стенки трубчатой заготовки, так же как и увеличение отношения между шириной фан ей поперечного сечения прямоугольной оправки, приюдит к увеличению необходимого числа переходов для формирования канала заготовки волновода СВЧ Причем наибольшее влияние нанеобходимоечисло переходов оказывает геометрияоправки Кроме того, необходимо стремиться к уменьшению начальной шероховатости каналазаготов-

ки, так как увеличение начальной шероховатости влечет за собой увеличение ко л ич есгва переходов ковки,

8 Установлено, что ротационной ковыэй требуемую форму канала волновода СВЧ можно получить за меньшее число переходов, чем магнитно-импульсной штамповкой

9 Определены рациональные технологические параметры ротационной ковки нарезного ствол а охотничьего карабина ТОЗ-122, позволяющие получить изделие заданного качества с наименьшими материальными и энергозатратами Созданный на основе математической модели ротационной ковки полых цилиндрических заготовок программный комплекс по оценке специалистов ОАО «Тульский оружейный завод» может быть применен для инженерных расчетов процессов ротационной ковки стволо в н арезного оружия

ОСНОВНОЕ СОД ЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В ПУБЛИКАЦИЯХ:

1 Голышев И.В. Ротационная ковка трубчатой заготовки на оправ-ке/И.В. Голыше«// Известия ТулГУ, Серия. Актуальные вопросы механики.- Тула: Изд-во ТулГУ ,2004,- Вып.1, - С.261-268.

2. Голышев И.В. Математическое моделирование процесса обжима трубчатой заготовки методом ротационной ковки/И .В. Голышев, АЛ. Пасько, О.В. Сорвина//ИзвЛулГУ, Сер. Актуальные вопросы механики.- Тула: Изд-во ТулГУ,2004.- Вып.1, - С.43-49.

3 Голышев И.ВМатематическое моделирование процесса изготовления нарезов оружейных стволов методом ротационной ковки на оп-равке/И.В. Голышев, АЛ. Пасько//Изв. ТулГУ, Сер. Актуальные вопросы механики.- Тула: ТулГУ,2005.- Вып.1, - С.79-83.

4 Голышев И.В.Экспериментальное исследование процесса безопра-вочной ротационной ковки трубчатых за готовок/11 .В. Голышев//Изв. ТулГУ, Сер. Актуальные вопросы механики. — Тула: ТулГУ, 2006.-Вып2, - С.62-66.

5 Голышев ИВ Ротационная ковка трубчатой заготовки/ИВ Голышев И В ; Тул гос ун-т - Тула, 2004 - 6 с ; ил - Библиогр 2 назв - Рус -Деп в ВИНИТИ 22 042004,№ 675-В2004

Изд ляц ЛР № 020300 от 12 02 97 Подписано в печать Формат бумаги 60x84'/,« Бумага офсетная Уел печ л/, V Уч изд л Тираж/<?0>кз Заказ О1//

Тульский государственный университет 300600, г Тула, просп Ленина, 92 Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300600, г Тула, ул Болдина, 151

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. РОТАЦИОННАЯ КОВКА ПОЛЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК 10 1.1. Современные методы обработки полых деталей.

1.2 Методы решения задач пластического формоизменения.

1.3 Метод конечных элементов.

1.4. Цель работы и задачи исследования.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РОТАЦИОННОЙ КОВКИ ТРУБЧАТОЙ ЗАГОТОВКИ БЕЗ ОПРАВКИ.

2.1. Вариационные подходы к решению задач методом конечного элемента

2.2. Основные соотношения метода конечных элементов.

2.3 Ротационная ковка трубчатых заготовок без оправки.

2.3.1 Определение опасного сечения заготовки в процессе ротационной ковки без оправки.

2.3.2 Исследование изменения толщины стенки трубчатой заготовки в зависимости от технологических параметров процесса безоправочной ротационной ковки.

2.4 Выводы по разделу.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РОТАЦИОННОЙ КОВКИ ТРУБЧАТОЙ ЗАГОТОВКИ НА ОПРАВКЕ.

3.1 Ротационная ковка трубчатой заготовки на оправке.

3.2. Зависимость шероховатости внутренней стенки трубчатой заготовки от технологических параметров процесса ротационной ковки на оправке.

3.3 Ротационная ковка трубчатых заготовок на оправке прямоугольного сечения.

3.3.1 Определение необходимого количества переходов для изготовления заготовок волновода СВЧ методом ротационной ковки на оправке.

3.4 Выводы по разделу.

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТВОЛА НАРЕЗНОГО ОРУЖИЯ.

4.1. Исследование напряженно-деформированного состояния заготовки в процессе деформирования.

4.2. Оценка ресурса пластичности материала заготовки.

4.3 Определение оптимальных технологических параметров изготовления нарезного ствола охотничьего карабина ТОЗ - 122 методом ротационной ковки на оправке.

Выводы по разделу.

Основной задачей развития машиностроения является вывод его на принципиально новые ресурсосберегающие технологии, обеспечивающие повышение производительности труда, экономию материальных и энергетических ресурсов и охрану окружающей среды. В значительной степени решению этих задач способствует внедрение в промышленность прогрессивных технологий ротационной ковки.

Ротационная ковка представляет собой одну из разновидностей обработки металлов давлением и сводится к изменению формы заготовки в соответствии с требуемым видом изделия путем периодического обжатия рабочими органами (бойками), совершающими относительно оси заготовки в совокупности радиальное, вращательное и(или) осевое движение. Заготовка может быть целая, полая цилиндрическая, конусная, квадратная и др.

Вследствие локальности деформирования на порядок снижается технологическое усилие, что обеспечивает значительное снижение металлоемкости оборудования, повышение стойкости инструмента. Радиальное обжатие дает возможность формоизменения материалов без разрушения до значительных степеней деформации при высокой точности полученных изделий, сводя до минимума последующую обработку резаньем.

В промышленности широко применяется ротационная ковка полых I цилиндрических заготовок. Однако определение основных технологических параметров процесса ротационной ковки трубчатых заготовок является весьма сложной задачей. Поэтому в производстве довольно велик объем экспериментальных и доводочных работ, а реализуемые режимы обработки далеки от оптимальных. Проведение экспериментальных исследований достаточно дорого и исследования процесса ротационной ковки носят прикладной производственный характер, связанный с выдачей рекомендаций по ведению процесса ковки при получении конкретного изделия.

Актуальным является необходимость дальнейшего развития теоретических исследований для разработки научно-обоснованных методик 4 проектирования технологических процессов ротационной ковки полых цилиндрических заготовок с целью их интенсификации при снижении энергоемкости и трудозатрат, что в целом представляет большой практический интерес.

Цель работы состоит в повышении эффективности процессов ротационной ковки полых цилиндрических заготовок посредством научно-обоснованного проектирования режимов их проведения на базе созданных математических моделей, позволяющих оценить силовые режимы, кинематику течения материала, шероховатость поверхности получаемых изделий в зависимости от геометрии заготовки и инструмента и условий трения на границах контакта.

Методы исследования. Поставленная цель реализована на основе деформационной теории пластичности и метода конечных элементов. Численные эксперименты проводились с использованием ЭВМ. При обработке результатов численных экспериментов применялись методы математической статистики.

Автор защищает:

- математическую модель ротационной ковки полых цилиндрических заготовок без оправки; математические модели ротационной ковки полых цилиндрических заготовок на оправке круглого и фигурного поперечного сечения;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований напряженного и деформированного состояния заготовки и силовых режимов для данных процессов и при различных схемах нагружения; зависимости, устанавливающие влияние технологических параметров, геометрии заготовки и инструмента, а также условий трения на границе контакта на увеличение толщины стенки полой цилиндрической 5 заготовки в процессе ротационной ковки без оправки; зависимость шероховатости внутренней поверхности полой цилиндрической заготовки от технологических параметров ротационной ковки на гладкой оправке; результаты исследований по определению минимально необходимого количества переходов для изготовления заготовок волноводов СВЧ ротационной ковкой на оправке прямоугольного сечения; результаты исследований по определению рациональных технологических параметров операции ротационной ковки заготовки нарезного ствола охотничьего карабина ТОЗ-122;

Научная новизна состоит в выявлении закономерностей влияния технологических параметров, геометрии заготовки и инструмента, условий трения на границах контакта на напряженное и деформированное состояния заготовки, силовые режимы и увеличение толщины стенки полой цилиндрической заготовки на основе разработанной математической модели ротационной ковки.

Практическая ценность и реализация работы.

1. Разработанные математические модели процесса ротационной ковки являются основой программного обеспечения, которое может быть использовано для расчетов параметров штамповки полых цилиндрических заготовок различной геометрии внутреннего канала.

2. Разработанная математическая модель процесса ротационной ковки была использована для определения рациональных технологических параметров операции ротационной ковки заготовки нарезного ствола охотничьего карабина ТОЗ-122 на ОАО «Тульский оружейный завод».

3. Отдельные материалы исследования использованы в учебном процессе для студентов специальности 15.02.01 Машины и технология обработки металлов давлением.

Апробация. Результаты исследования доложены на следующих конференциях:

- Международной научно-технической конференции МК-06ММФ «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии», посвященной 50-летию Липецкого государственного технического университета (Липецк, 2006 г.);

Научно-практической конференции профессорского и преподавательского состава ТулГУ (Тула, 2003-2006 гг.);

Публикации. Материалы проведенных исследований представлены в 5 работах, объемом 7 печатных листов"

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору В.Д. Кухарю и доктору технических наук, доценту А.Н. Пасько за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 139 страниц состоит введения, четырех разделов, заключения, списка литературы из 104 источников. Содержит 86 страниц машинописного текста, 82 рисунков и 11 таблиц.

Во введении обоснована актуальность поставленной в работе задачи, ее научная новизна и> практическая ценность проведенных теоретических и экспериментальных исследований, а также кратко раскрыто содержание разделов диссертационной работы.

В первом разделе работы изложено современное состояние ротационной ковки полых цилиндрических заготовок, представлены различные способы обработки и даны примеры изделий, получаемых ротационной ковкой.

Показано, что применение численных методов теоретического анализа 7 процессов пластического осесимметричиого формоизменения в настоящее время наиболее перспективно. Дано обоснование выбора метода конечных элементов для анализа процессов ротационной ковки полых цилиндрических заготовок. Обоснована постановка задач исследований.

Во втором разделе диссертации представлен вариант конечно-элементного анализа процессов пластического формоизменения, в основу которых положена теория упругопластических деформаций. Использование деформационной теории пластичности позволяет оценить гидростатическую составляющую напряженного состояния, т.е прогнозировать вопросы разрушения материала в процессе обработки. Представлены основные соотношения метода конечных элементов для решения осесимметричной и плоско-напряженной задачи механики деформирования твердого тела.

Приведены результаты исследования напряженно-деформированного состояния и силовых режимов процессов ротационной ковки полых цилиндрических заготовок без оправки.

Представлены результаты эксперимента по определению зависимости увеличения толщины стенки заготовки при ковке без оправки от степени обжатия, толщины стенки заготовки, длины калибрующего участка бойка и трения на границах контакта.

В третьем разделе приведены результаты исследования напряженно-деформированного состояния и силовых режимов процессов ротационной ковки полых цилиндрических заготовок на оправке.

Содержаться результаты исследования влияния шероховатости внутренней стенки заготовки, степени обжатия, толщины стенки заготовки и трения на шероховатость внутренней стенки после обработки ротационной ковкой на гладкой оправке круглого поперечного сечения.

Представлены результаты исследования влияния геометрии заготовки и оправки на минимально необходимое число технологических переходов, требующееся для изготовления заготовок волноводов СВЧ методом 8 ротационной ковки на оправке прямоугольного поперечного сечения.

В четвертом разделе на базе созданной математической модели проведено теоретическое исследование и дано научное обоснование диапазона рациональных технологических параметров операции ротационной ковки заготовки нарезного ствола карабина ТОЗ - 122.

В заключении описаны основные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе.

Апробация. Результаты исследования доложены на следующих конференциях:

- Международной научно-технической конференции МК-06ММФ «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии», посвященной 50-летию Липецкого государственного технического университета (Липецк, 2006 г.);

- Научно-практической конференции профессорского и преподавательского состава ТулГУ (Тула, 2003-2006 гг.);

Публикации. Материалы проведенных исследований представлены в 5 работах, объемом 7 печатных листов

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору В.Д. Кухарю и доктору технических наук, доценту А.Н. Пасысо за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 139 страниц состоит введения, четырех разделов, заключения, списка литературы из 104 источников. Содержит 86 страниц машинописного текста, 82 рисунков и 11 таблиц.

Во введении обоснована актуальность поставленной в работе задачи, ее научная новизна и практическая ценность проведенных теоретических и экспериментальных исследований, а также кратко раскрыто содержание разделов диссертационной работы.

В первом разделе работы изложено современное состояние ротационной ковки полых цилиндрических заготовок, представлены различные способы обработки и даны примеры изделий, получаемых ротационной ковкой.

Показано, что применение численных методов теоретического анализа 7 процессов пластического осесимметричного формоизменения в настоящее время наиболее перспективно. Дано обоснование выбора метода конечных элементов для анализа процессов ротационной ковки полых цилиндрических заготовок. Обоснована постановка задач исследований.

Во втором разделе диссертации представлен вариант конечно-элементного анализа процессов пластического формоизменения, в основу которых положена теория упругопластических деформаций. Использование деформационной теории пластичности позволяет оценить гидростатическую с о став ляющую напряженного состояния, т.е прогнозировать вопросы разрушения материала в процессе обработки. Представлены основные соотношения метода конечных элементов для решения осесимметричной и плоско-напряженной задачи механики деформирования твердого тела.

Приведены результаты исследования напряженно-деформированного состояния и силовых режимов процессов ротационной ковки полых цилиндрических заготовок без оправки.

Представлены результаты эксперимента по определению зависимости увеличения толщины стенки заготовки при ковке без оправки от степени обжатия, толщины стенки заготовки, длины калибрующего участка бойка и трения на границах контакта.

В третьем разделе приведены результаты исследования напряженно-деформированного состояния и силовых режимов процессов ротационной ковки полых цилиндрических заготовок на оправке.

Содержаться результаты исследования влияния шероховатости внутренней стенки заготовки, степени обжатия, толщины стенки заготовки и трения на шероховатость внутренней стенки после обработки ротационной ковкой на гладкой оправке круглого поперечного сечения.

Представлены результаты исследования влияния геометрии заготовки и оправки на минимально необходимое число технологических переходов, требующееся для изготовления заготовок волноводов СВЧ методом 8 ротационной ковки на оправке прямоугольного поперечного сечения.

В четвертом разделе на базе созданной математической модели проведено теоретическое исследование и дано научное обоснование диапазона рациональных технологических параметров операции ротационной ковки заготовки нарезного ствола карабина ТОЗ - 122.

В заключении описаны основные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе.

Выводы по разделу

1. На базе метода конечных элементов разработана математическая модель процесса получения нарезного ствола методом ротационной ковки трубчатой заготовки на фигурной оправке.

2. В целом напряженно-деформированное состояние элементов заготовки носит равномерный характер и только в зоне формирования нарезов ствола появляется растягивающие радиальные деформации и напряжения.

3. Увеличение таких параметров, как степень обжатия, исходная толщина стенки трубчатой заготовки, коэффициент трения позволяет снизить шероховатость канала нарезного ствола.

4. Анализ результатов эксперимента позволил определить интервал варьирования технологических параметров ротационной ковки нарезного ствола охотничьего карабина ТОЗ - 122, позволяющих получить изделие требуемого качества:

- Шероховатость внутренней поверхности заготовки от 40 до 80 мкм;

- Степень обжатия от 8=0,32 до 8=0,42;

- Толщина стенки заготовки от 7,5 до 7,8 мм;

- Коэффициент трения р,=0 до ц=0,2;

- Сила процесса от 320 до 370 кН;

5. Созданная математическая модель адекватна и может быть использована для проведения предварительных теоретических исследований при разработке техпроцесса изготовления цилиндрических изделий ротационной ковкой.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное народно-хозяйственное значение, и состоящая в повышении эффективности процессов ротационной ковки полых цилиндрических заготовок посредством научно-обоснованного проектирования режимов их проведения на базе созданных математических моделей, позволяющих оценить силовые режимы, кинематику течения материала, шероховатость поверхности получаемых изделий и установить границы стабильного протекания процессов в зависимости от геометрии заготовки и инструмента и условий трения на границах контакта.

В процессе теоретических исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы: .

1. На основе метода конечных элементов создана математическая модель ротационной ковки полой цилиндрической заготовки без оправки и на оправке круглого и фигурного поперечного сечения, исследовано напряженно-деформированное состояние заготовки а также силовые режимы при различных схемах нагружения.

2. Показано, что пошаговое нагружение заготовки коротким бойком приводит к большей неоднородности напряженно-деформированного состояния, чем ковка длинным бойком.

3. Выявлено, что остаточные напряжения в элементах заготовки при пошаговом нагружении коротким бойком в процессе ротационной ковки на оправке и без оправки больше чем при обработки длинным бойком. Причем на внешней поверхности заготовки преобладают сжимающие тангенциальные радиальные и тангенциальные остаточные напряжения, а на внутренней сжимающие радиальные и осевые. Учитывая сжимающий характер остаточных напряжений можно прогнозировать хорошие прочностные характеристики поковки, полученной ротационной ковкой без оправки.

4. Установлено, что ротационная ковка без оправки коротким бойком, изменяющим свое положение относительно оси заготовки приводит на 11% к большему удлинению заготовки, чем ковка длинным бойком.

5. Установлено, что увеличение степени обжатия, коэффициента трения и длины калибрующего участка бойка приводит к увеличению толщины стенки трубчатой заготовки в процессе ротационной ковки без оправки. Причем наибольшее влияние на утолщение стенки оказывает степень обжатия. Без учета трения длина калибрующего участка бойка не влияет на изменение толщины стенки заготовки.

6. Установлено, что увеличение таких параметров, как степень обжатия, исходная толщина стенки трубчатой заготовки, коэффициент трения позволяет снизить шероховатость внутренней стенки получаемой поковки. Выявлено, что для получения максимально низкой шероховатости внутренней стенки трубчатой заготовки после ротационной ковки на гладкой оправке круглого сечения необходимо прежде всего увеличивать степень обжатия и уменьшать начальную шероховатость стенки трубчатой заготовки.

7. Установлено, что уменьшение стенки трубчатой заготовки, также как и увеличение отношения между шириной граней поперечного сечения прямоугольной оправки приводит к увеличению необходимого числа переходов для формирования канала заготовки волновода СВЧ. Причем наибольшее влияние на необходимое число переходов оказывает геометрия оправки. Кроме того необходимо стремится к уменьшению начальной шероховатости канала заготовки, т.к. увеличение начальной шероховатости влечет за собой увеличение количества переходов ковки.

8. Установлено, что ротационной ковкой требуемую форму канала волновода СВЧ можно получить за меньшее число переходов, чем магнитно-импульсной штамповкой. получить изделие заданного качества с наименьшими материальными и энергозатратами. Созданный на основе математической модели ротационной ковки полых цилиндрических заготовок программный комплекс по оценке специалистов ОАО «Тульский оружейный завод» может быть применен для инженерных расчетов процессов ротационной ковки стволов нарезного оружия.

1. Авицур Б., Бишоп Е.Д, Хан В.К. Анализ начальной стадии процесса ударного прессования методом верхней оценки. // Конструирование и технология машиностроения. Труды американского общества инженеров-механиков. Русск, пер. 1972. - № 4.

2. Александров С.К. Об уравнениях осесимметричного течения при гладком условии пластичности // Изв. АН ООСР. Механика твердого тела. -1991.- №4.- С. 141-146.

3. Андреев А.В. Критерии прочности для зон концентрации напряжений. -М, «Машиностроение», 1985, 150 с.

4. Аргирис Дж. Современные достижения в методах расчета конструкций с применением матриц./ Перевод с английского В. А. Александрова. Под ред. А.Ф. Смирнова., «Стройиздат», 1968.

5. Бате К., Вилсое Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов./Перевод с английского С.А. Алексеева. Под ред. А.Ф. Смирнова. М., «Стройиздат», 1982, 447 с.

6. Березовский Б.Н., Ураждин Н.И. Решение объемных задач пластического течения методом конечных элементов// Обработка металлов давлением: Межвуз. сб. ст. Ростов-на-дону: Ростовский ин-т сельхоз. машиностр.,1980. - С. 19-27

7. Богатов А.А. и др. Ресурс пластичности металлов при обработке металлов давлением./ А.А, Богатов, О.И. Мирицкий, С.В. Смирнов, М., «Металлургия», 1984, -144 с.

8. Брюханов А. Н. Ковка и объемная штамповка. М.: Машиностроение, 1975.- 408с.

9. Вайнберг Д.В. Применение ЭВМ для решения упругих статических задач. Киев, «Техника», 1971, 225 с.

10. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. -М:Металлургия, 1984 220 с.

11. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. М.: Мир. 1984.425с.

12. Генки О. О некоторых статически определимых случаях равновесия в пластических телах // Теория пластичности. М.: Иностран. лит-ра 1948. - С. 80-100.

13. Голенков B.A., Радченко С.Ю. Технологические процессы обработки металлов давлением с локальным нагружением заготовки. М.: Машиностроение. - 1997. - 226 с. - ил.

14. Грязев В.П., Калмыков В.Д., Поварков Н.И., Андреев B.H. Изготовление стволов стрелково-пушечного вооружения методом холодной радиальной ковки.// Оборонная техника, 1984, №2. С. 34.

15. Гун Г.Я. Математическое моделирование обработки металлов давлением: Уч. пособие. М.: Металлургия. 1983. 352 с.

16. Гун Г.Я., Полухин П.И. и др. Пластическое формоизменение металлов. М.: Металлургия, 1968.- 416 с.

17. Деклу Ж. Метод конечных элементов./Перевод с фр. Б.И. Квасова. Под ред. H.H. Яненко. М.- «Мир», 1976, 95 с.

18. Деордиев Н.Т., Радюченко Ю. С. Исследование силовых параметров процесса холодного ротационного обжатия. В сб. ЭНИКМАШ, № 24, М., «Машиностроение», 1971. 270 с.

19. Друянов Б.А., Непершин Р.И Теория технологической пластичности. М.: Машиностроение, 1990. - 272 с.

20. Дьяченко С.С., Кузьменко Е.А., Кузьменко В.И. Пути повышения качества деталей и совершенствования технологии холодной объемной штамповки. Кузнечно-штамповочное производство. - 1997. - № 6. - С. 12 -15.

21. Ершов В.И. Совмещенные процессы штамповки из трубных заготовок // Кузнечно-штамповочное производство. 2000. №6. С. 21-22.

22. Зверяев Н.Ф. Вопросы технологии ротационной ковки. Труды ЛПИ им. М. И. Калинина, № 260. «Машиностроение», 1965. 250 с.

23. Зверяев Н.Ф. Исследование кинематики и динамики ротационно-ковочной машины. «Конструкции и расчеты машин». Труды ЛПИ им. М. И. Калинина, № 252. «Машиностроение», 1965. 320 с.

24. Зверяев H. Ф. Напряженное состояние и усилие деформации при ротационной ковке. «Обработка давлением». Труды ЛПИ им. М. И. Калинина, № 238. «Машиностроение», 1964. 215 с.

25. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир. 1975. 541с.

26. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация / Перевод с английского Б.И. Квасова. Под ред. Н.С. Бахвалова. М.: Мир. 1984. 125с.

27. Ивлев Р. Р. Теория идеальной пластичности. — М.: Наука, 1966.232 с.

28. Камель Х.А., Эйзенштейн Г.К. Автоматическое построение сетки в дву- и трехмерных составных областях // Расчет упругих конструкций с использованием ЭВМ. T.2. - Л.: Судостроение - 1974. - С. 21 - 35.

29. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. М: Наука, 1969.420 с.

30. Ковка и объемная штамповка: Справочник: В 2 т. / Под ред. М. В. Сторожева. 2-е изд., перерараб. - М.: Машиностроение, 1968. Т. 2. - 448 с.

31. Ковка и штамповка. В 4 т. Т. 2. Горячая объемная штамповка: Справочник / Под ред. Е. И. Семенова. М.: Машиностроение, 1987,- 592 с.

32. Ковка на радиально-обжимных машинах/ В.А. Тюрин, В.А., Лазоркин И.А., Поспелов и др., Под общ. ред. В.А. Тюрина. М.: Машиностроение, 1990, 256 с.

33. Колмогоров В.Л. Напряжения. Деформации. Разрушение. М.: Металлургия. 1970. 229с.

34. Колмогоров В.Л., Шишменцев В.Ф. Зависимость пластичности сталей от гидростатического давления //Физика металлов и металловедение. 1966. Вып.6, т.21. С. 910 912.

35. Крекнин Л.Т., Макаров А.И., Потапов И.Н. и др. Изготовление точных трубных заготовок стволов стрелкового оружия./Оборонная техника, 1979, № 5.-С.12.

36. Кухарь В.Д. Математическое моделирование процесса ротационной ковки методом конечных элементов/ В.Д. Кухарь, A.H. Пасько, О.В. Сорвина//Исследования в области пластичности и обработки металлов давлением, Тула. - ТулГУ. - 1998. - С. 13-16.

37. Кухарь В.Д., Пасько A.H., Кузовлева О.А. К вопросу о применении метода конечных элементов при больших пластических деформациях// Всероссийская научная конференция «Современные проблемы математики, механики, информатики». -Тула. -2000. С. 86-88.

38. Кухарь В.Д., Пасько A.H., Сизова И.А. Свободный обжим трубчатых заготовок. // Механика деформированного твердого тела и обработка металлов давлением. Сборник научных трудов, Часть 2. - Тула, 2003.-С. 62-65.

39. Ланберт Е.Р., Мета Х.С., Кобаяши ХС. Новый метод верхней границы для расчета установившихся процессов пластической деформации // Конструирование и технология машиностроения. Труды американского общества инженеров-механиков. Русск, пер. 1972. - № 4.

40. Липпман Г. Теория главных траекторий при осесимметричной деформации // Механика. Период, сб. переводов иностран. статей. 1963. -№3.- С. 155-167.

41. Любвин В.И. Обработка деталей ротационным обжатием. М.: Машгиз., 1959. - 248 с.

42. Макаров Э.С., Шелобаев С.И., Гусев И.А. Методы решения осесимметричных технологических задач теории пластичности./Тульск.политехи, ин-т. Тула, 1981. - 53 с.:ил - Библиогр.: 26 назв. - Дел. В ВИНИТИ 9.06.81, №3086.

43. Математическая теория планирования эксперимента / Под ред. С.М. Ермакова. М.: Наука. 1983. 392с.

44. Михаленко Ф.П., Сергеев М.К., Шнейберг A.M. Анализ напряженно-деформированного состояния и силовых параметров при комбинированном обратном выдавливании вращающимся пуансоном // Кузнечно-штамповочное производство. 1997. №4. С. 5-8.

45. Налимов В.В., Голикова Т.И. Логическое основание планирования эксперимента. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия. 1980. 152с.

46. Нахайчук В. Г. Определение напряжений в пластической области осесимметрично деформируемых заготовок // Изв. вузов. Машиностроение. -1983.-№8.-С. 28-31.

47. Непершин Р.И Осесимметричное прессование с малыми и большими обжатиями // Расчеты процессов пластического течения металлов. -М.: Наука, 1973. С. 71 - 83.

48. Нечепуренко Ю.Г. Новые технологии изготовления корпусных цилиндрических изделий // Кузнечно-штамповочное производство. 2001. №10. С. 20-25.

49. Никитин В.А. Опыт внедрения радиального обжатия при изготовлении стволов малых калибров.//Вопросы оборонной техники, сер.ХУП, вып. 113, 1979.-С. 11.

50. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация прцессов технологии металлов планированием эксперементов. М.: Машиностроение, София: Техника. 1980. 304с.

51. Огородников В.А., Шестаков H.A., Деформируемость металла при ротационном обжатии// Изв. Вузов, Машиностроение, 1975, №9, - С. 147 - 152.

52. Оценка возможности разрушения металлов при обработке ротационным обжатием/ Зайцева Т.В., Лялин В.М., Журавлева Г.М.; ТулГУ. Тула, 2000. - 19 е.: ил., табл. - Деп. в ВИНИТИ 06.05.00, №1317-ВОО.

53. Пасько А.Н., Сорвина О.В. Ротационная ковка ступенчатых стержневых изделий// Всероссийская научная конференция «Современные проблемы математики, механики, информатики». Тула. - 2000. - С. 107108.

54. Пасько А.Н. Ротационная ковка конических заготовок. / А.Н. Пасько, О.В. Сорвина// Теория, технология, оборудование и автоматизация обработки металлов давлением и резанием. Выпуск 2. Сборник научных трудов. Тула, 1999 - с. 353-359.

55. Пеньков В.Б., Толоконников Л.А Осесимметричное течение металла при частном условии полной пластичности // Изв. АН СССР. Механика твердого тела. 1982. - № 5. - С. 175 - 178.

56. Покрас И.Б. Научные основы технологии холодного радиального обжатия заготовок стволов.//Дисс. д. т. н., УМИ, 1986. 450 с.

57. Попов О. В. Изготовление цельноштампованных тонкостенных деталей переменного сечения. М.: Машиностроение, 1974. - 402 с.

58. Прогрессивные технологические процессы холодной штамповки / Ф.В. Гречишников, A.M. Дмитриев, В.Д. Кухарь и др. Под общ. ред. А.Г. Овчинникова. М.: Машиностроение, 1985. - 104 с.

59. Радюченко Ю.С. Ротационное обжатие. М.: Машиностроение, 1972. - 176 с.

60. Ресурс пластичности металлов при обработке металлов давлением / А.А. Богатов, О.И. Мирицкий, С.В. Смирнов. М.: Металлургия. 1984. 144с.

61. Рикардс Р.Б. Метод конечных элементов в теории оболочек и пластин. Рига, «Зинатне», 1998. - 284 с.

62. Розин JI.A. Основы метода конечных элементов и теории упругости.: Учебное пособие. Л., 1972. - 79 с.

63. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение. 1979. 520с.

64. Ростовщиков З.А. Применение крупных радиально-ковочных машин для изготовления заготовок крупных труб с чистовой внутренней поверхностью.// Вопросы оборонной техники, сер. ХУИ вып. 113, 1979. -С.15.17.

65. Ростовщиков В.А., Маштакова Т.В., Мельникова О.А. Разработка и программирование технологического процесса радиальной ковки заготовок стволов.// Оборонная техника, 1983, № 11. С.21.

66. Ростовщиков В.А. Изготовление точных заготовок специальных труб методом радиальной ковки. Оборонная техника, 1972,:№4.- С. 43 47.

67. Сабоннадьер Ж., Кулон Ж. Метод конечных элементов и САПР./Перевод с фр. В.А. Соколова. Под. ред. Э.К. Стрельбицкого. М., «Мир», 1989, 192 с.

68. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир. 1979. 392с.

69. Секулович М. Метод конечных элементов / Пер. с серб. Зуева Ю.Н. Под ред. В.Ш. Барбакадзе. М.: Стройиздат. 1993. 664 с.

70. Соколовский ВВ. Теория пластичности 3-е изд., перераб. и доп -М.: Высшая школа, 1969. - 608 с.

71. Сторожев Н. В., Попов Е. А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1971. - 424 с.

72. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов./ Перевод с английского В.И. Агошкова. Под ред. Г.И. Марчука. М., «Мир», 1977, 349 с.

73. Таблицы планов эксперимента для факторных полиноминальных моделей: справочное издание / под ред. В.В. Налимова. М.: Металлургия. 1982. 751с.

74. Тарновский И.Я., Поздеев А.А., Ганаго О.А. и др. Теория обработки металлов давлением. М: Металлургиздат, 1963. - 672 с.

75. Толоконников JI.A., Яковлев С.П., Лялин В.М. Прессование круглого прутка из анизотропного материала // Изв. вузов. Черная металлургия, № 1. - 1971. - С. 12 -13.

76. Толстых Э.А., Макаров В.А., Фомичев A.M. Расчёт заготовок и режимов радиального обжатия стволов стрелкового оружия./Юборонная техника, 1977, №8. С. 53 - 56.

77. Томленов Л.Д. Теория пластического деформирования металлов. М.: Металлургия. - 1972. - 408 с.

78. Томсен Э.Г., Янг И., Кобаяши Ш. Механика пластических деформаций при обработке металлов. М., Машиностроение 1969. 132 с.

79. Тутышкин Н.Д. Анализ штамповки плоскослойных элементов // Изв. Вузов. Машиностроение. 1996. - № 10-12. - С. 107 - 111.

80. Тутышкин Н.Д. Определение согласованных полей напряжений и скоростей при деформировании осесимметричных изделий // Изв. вузов. Машиностроение. 1985. - № 4.- С. 3 - 7.

81. Уик Чарльз. Обработка металлов без снятия стружки. Пер. с англ.,М., «Мир, 1965. 215 с.

82. Фомичев A.M. Разработка, исследование и внедрение малоотходной технологии радиального обжатия заготовок стволов.// Дисс. канд. техн. наук.-УМИ, 1986.-220 с.

83. Фомичев A.M., Косяков Л.А. Повышение прямолинейности канала дульной части стволов при холодном радиальном обжатии. Вопросы оборонной техники, сер.2. вып.3(159), 1984. С.24 - 28.

84. Хилл Р. Математическая теория пластичности. М.: ГИТТЛ, 1956.-407 с.

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

86. Шаврин О.И., Фомичев A.M., Косяков П.А. Способы холодного радиального обжатия заготовок стволов при неустановившемся процессе./Юборонная техника, 1986, №3. С. 35 - 38.

87. Шилд P.O. О пластическом течении металлов в условиях осевой симметрии // Механика: Сб. переводов и обзоров иностран. период, лит-ры, 1995. -№1.- С. 102-122.

88. Чекмарев Ф.А., Афонин В.Н. Ротационная ковка заготовок стволов охотничьих ружей./Оборонная техника, 1973, № 6. С. 69.

89. Яковлев С.П., Коротков В.А., Яковлев С.С. Интенсификация процесса обжима тонкостенных цилиндрических заготовок. 1995. №8. С. 1013.

90. Akyuiz F.A. "Fedge" A general purpose computer program for finite element data generation User's manual // Jet Propulsion Laboratory, California Inst, of Technology. Pasadena; California; NASA Techn. Memor., Sept. 15, 1969. -P. 33-431.

91. Akyuiz F.A. Natural coordinate sistem, An automatic Input data generation scheme for a Finite Element Method // Nuclear Engineering: and Design. 1969. - v. 11, №2-P. 195-207.

92. Cavendish D.X. Automatic trangulation of arbitrary domain for Finite Element Method // Int. J. Numer Meth. Eng. 1974 - v.8. - P. 679 - 696.

93. Edgeberg J.L. Meshgen. A computer code for automatic Finite Element Mesh Generation. Sandia Laboratories. - Livermore - June - 1969. - P. 231.

94. Gordon W.J., Hall C.A. Construction of curvilinear coordinate systems and applications to mesh generation // Int. J. Numer Meth. Eng. 1961 -v.7.- P. 461.

95. Imafuku I., Kodera Y., Sayawaki M., Kono M., A Generalized automatic Mesh Generation scheme for Finite Element Method // Int. J. Numer Meth. Eng. 1980 - v.15, № 5. - P. 713 - 731.136

96. Kast D. Modellgesetzrrm(3igkeiten beim Rbckwflrtsffiespressen geometrisch дЬпПсЬег NUpfe. " 9nd. Anz.", - 1970. - 92, № 3. - P. 1733 - 1734.

97. Service life estimation of extrusion dies by numerical simulation of fatigue crack - growth / SonsUz A., Tekkaya A.E. // Int. J. Mech. Sci. - 1996. -38, № 5. - P. 527 - 538.

98. Shaw R.D., Pitchen R.G. Modification of the Suhara Fukuda Method of network generation // Int. J. Numer Meth. Eng. - 1978 - v. 12, № 1. - P. 93-99.

99. Suhara J., Zukuda F. Automatic mesh generation for finite element analysis // An Advances in Computational Methods in Structural mechanic and design. 1972. - 520 p.

100. Zienkewich O.C., Phillips D.V. An automatic mesh generation scheme for plane and curved surfaces by isoparamteric coordinates // Int. J. Numer Meth. Eng. 1971 - v.3. - P. 519 - 528.