автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Ротационная вытяжка с утонением стенки

РГ6 ОД "а 11':"1£"1Х

ВАЛЬТЕР АЛЕКСАНДР ИГОРЕВИЧ ,

ГI

РОТАЦИОННАЯ ВЫТЯЖКА О УТОНКНиЕМ СТШШИ

Специальность: 05.03.05 - Процессы и машины обработки

давлением

А о т о р в ф о р а т

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тула - 199?

РасУиа Ыянолчома-в Тульском государственном университете.

научный консультант - Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Яковлев С. П.

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники РФ, лектор технически. наук, профессор А.Г.Овчинников

доктор технических наук, профессор Ю.Л. Алюшин

доктор технических наук, пг«".Фяссор Н. Д. Тутышкин

Ведущая организация - Государственное научно-производственное предприятие "Сплав' г. Тула

Защита состоится " июня 1997 г. в 900 час. на заседании диссертационного совета Л- 063.47.03 Тульского государственного университета (300600, г.Тула, ГСП,, проспект им.Ленина, 92, ауд. 9-101).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан " 20 " мая 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

а

А. В. Орлов

- 3 -

Сп-ЗАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Одним из актуальных вопросов современного машиностроения ноля • СТСЯ вопрос получения высокоточных осесиммегрмчных ОЙОЛУЧСК при сохранении максимальной производительности и высокого агефоднечта использования материала.

Среди процессов обработки металлов давлением" (ОМД), обеспечивающих реи'енив поставленной задачи, получили развитие процессы с, так называемым, локальным приложением нагрузки, позволяющие в значительной мере экономить .материал, • повькзать производительность и снижать энергозатраты при их реализации. Одним из" таких процессов является ротационная вытяжка (ИВ). представляющая собой пластическую деформацию заготозки, на вращающейся оправке при продольном перемещении давильного инструмента. Термин "ротационная" означает, что происходит образование или изменен;-.» форма пргицаодейся заготовки.

Ротационной ектр.екой с принудительным утонением стенок моете получать осесишетрпчнуз полые цилиндрические, 'конические или детали с окевдльной лормей.

Качество изделий, получаемых РВ, зависит от вида и способа обработки и от'гсжетруктивчих особенностей самого изделия.

Однако до последнего времени РЗ находила ограниченное премии -лонное применение из-за недостаточной изученности механики пласти ■ ческой деформации, технологических возмо«ностей РВ н низкого уровня пвтокатисгции промесса проектирования технологии. •

Новое решение' этой научно-технической проблемы составляет предмет настоящей диссертации.

Это позволило создать научно-обоснованные методики расчета технологических параметров, повышающих эффективность производства, что составляет практическую значимость рекомендаций и выводов диссертации. ' ■

Работа написана на основе исследований, проведенных автором в течении ряда лэт, а такие в результат^ обобщения и систематизации отечественного и зарубежного опыта по РВ.

Работа выполнялась в соответствии с Российской научно-технической программой "Конверсия научно-технических потенциалов вузов" (ГосбюдкетнаЯ тема (5 63.04. К 19.92г.) "Технология изготовления тонкостенных цилиндрических оболочек для нуад пищевой промышленности") , по координационному плану НИР ВУЗов в области механики (Госбюджетная тема И 33-Э1, 1991-1885 г.г.) "Научные основы проектиро-

валия технологических процессов и оборудования ОМД".

Цпль работы. Решение актуальной научно-технической проблемы, имеющий пажноз научно-производственное значение и состоящей а разработке теории процесса ротационной вытяжки на основе локального характера течения упругопл.астического материала для плоского и осе-симметричного состояний,, методики исследования стойкости инструмента для раскатных устройств, системы автоматизированного проектирования технологических процессов ротационной вытяжки, выявления взаимосвязи параметров качества и энергосиловых параметров с рекшмами обработки и на их, основе назначение научно-обоснованных технологических режимов обработки, обеспечивающих повышение эффективности производства и формирование заданных характер''"тик качества'изделий.

Автор защищает математическую модель процесса ротационной вытяжки с утонением стенки упругопластического материала, подчиняющегося изотропному упрочнению; результаты теоретического исследования по определению напряженно-деформированного состояния металла, характера его течения в пластической области и распределение упруго-деформированных зон, окружающих очаг пластической деформации, силовых режимов; результаты исслеяозаиия образбвания внеконтактнок деформации; алгоритм и комплекс программ'по реализации данной модели на основе метода коночных элементов с применением ПЭВМ; результаты аналитического исследования.. предельной степени формоизменения цилиндрических деталей по критерию пластичности материала и по критерию прочности стенки детали; теоретического исследования РВ проецированием на базе МКЭ с учетом сложного движения инструмента, распределение зон пластической и упругой деформации, "силовых режимов, алгоритм и программное обеспечение; результаты теоретического и экспериментального исследования стойкости инструмента при РВ раскатными устройствами, методику экспериментального исследования стойкости инструмента раскатного устройства; систему- автоматизированного проектирования технологических процессов РВ на специализированных станках цилиндрических деталей и РВ проецированием, а также РВ цилиндрических деталей на, раскатных устройствах,- алгоритмы и 'программное обеспечение для автоматизированного расчета технологических параметров■процесса; результаты экспериментального исследования силовых режимов, точностных параметров и характеристик качества деталей в виде уравнений регрессии для некоторых видов материалов: сталь 12Х18Н10Т, алюминиевый сплав'Д1, медь М1, сталь 10; разработанные технологические процессы,на основе выполненных теоре-

тических и экспериментальных исследований.

Научная новизиа состоит о разработке обобщенной математической

модели процесса РВ для упругопластической изотропноупрочнягартпся среды, с учетом дополнительной локализации очага пластической деформации, которая позволяет учитывать взаимовлияние технологически* параметров процесса с напряташо-деформированным состоянием заготовки и характеристиками качества детали. В результате теоретических исследований установлены закономерности изменения силовых и деформационных параметров, предельных степенен формоизменения при РВ с утонением стенки, образования и развития пластических .--юн под давильным элементом и эон внеконтатной деформации с использованием конечноэлсментного анализа. Установлен критерий применимости решения "ососиммвтричной" и "плоской задачи" для различных видов ГВ в зависимости от величины г.ластической зоны в тангенсиальном направлении 'Получены основные соотношения и выполнен анализ напряженно-деформированного состояния, силовых режимов при РВ проецирован ем на основе рекенил упругопластичесчой контактной задачи с учетам осевого перемещения инструмента к вращения паготопки. Пралл'-жен критерий оценки стойкости инструмента раскатных устройств, з?вися-е;ий от количества циклов нагрушшй и связаннкй с накопленном микротрещин э области контакта. На базе математической статистики [I планирования эксперимента получены математические модели измг-н^ния силовык параметров; внеконтактной деформации и характеристик качества изделия для РЭ цилиндрических деталей на станках, раскатными устройствами и РВ проецированием. Разработана система агзтомзтизнро-ванного проектирования директивных технологических процессов для нескольких видов РВ и создано программное обеспечение для се реализации на базе персонального компьютера.

Метода исследования. Теоретические исследования процесса РВ с утонением стенки выполнены на базе теории конечных деформации с изотропным упрочнением для упругопластического тела. Кон'га"тная задача РВ проецированием с учетом осевого перемещения инструмента н вращения заготовки решалась методом дополнительных деформаций без учета трения. Анализ рассмотренных процессов РВ реализован численно методом конечных элементов с использованием персональных ЭВМ. При проведении экспериментальных исследований использованы современные испытательные машины, регистрирующая аппаратура, а экспериментальные зависимости получены с использованием теории п анировамия многофакторного эксперимента и математической статистики

Практическая ценность и реализация работы. На основе проведенного иследэванчя предложена научно-обоснованна^ методика выбора вида Р8 для получения детали в зависимости от ее формы, размеров и эксплуатационных характеристик и назначения технологических параметров процесса. Разработана автоматизированная методика проектирования технологических процессов РВ получения высокоточных полых осесимметричных изделий: гладких цилиндрических, ступенчатмх цилиндрических и конических. Разработана специальная форма сводной ведомости, в которой приведены результаты автоматизированного расчета техпроцесса РВ, которая позволяет снизить трудоемкость составления технологических карт и сократить время на экспериментальную доработку техпроцесса Результаты проведенных исследований по автоматизированному проектированию были использованы при разработке технологического процесса производства детали "Гильза" и проали тестовую проверку на технологических процессах изготовления деталей "Облицовка" и "Корпус катода", разработанных ранее. Практическая ценность проведенных работ под.эерждена внедрением разработанных методик и технологических процессов на предприятиях с реальным экономическим эффектом. 1

Некоторые вопросы научнил "исследований включены в разделы лек-' ционных курсоз "САПР технологии и оборудования кузнечно-штамповач-ного производства", "Новые технологические процессы обработки металлов давлением", а также использованы при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Результаты исследований .доло&ены на Юбилейной научно-технической конференции "Теория и практика обработки металлов давлением" ¿(г.Тула, 1900 г.), на межотраслевом научно-техническом семинаре "Применение процессов поперечной прокатки, раскатки, ротационной вытяжки для производства.точных полуфабрикатов, заготовок и деталей" (г.Москва, 1901. г.), на научно-технической конференции "Перспективы развития кузнечной науки и техники" (г.Тула, 1983т.), Республиканской научно-технической конференции " Вопросы развития технологии, оборудования и автоматизации кузнечна-итампо-вачного производства" (Тула, 19В9г.), на научно-техническом семинаре . "Прогрессивные технологии и оборудование для изготовления тонкостенных изделий методами ротационного формоизменения" (г. Москва, 1992 г.), на международной научно-технической конференции "Новые технологические процессы в кузнечно-штамповачном производстве" (г.Киев, 1993 г.),' на Российской научно-технической конференции

"Наукоймкие технологии в машиностроении и приборостроении" (г Рыбинск, 1994г.), на П-ой Всероссийской научно-технической нодерон-ции "Прогрессивные технологические процессы, оборудование' и шяюст • ка для холодноштамповачного производства" (г.Самара, 19У4 г.), ¡м межвузовском научно-техническом совещании "Проблемы тес .жи проокти-рования и производства инструмента" (г. Тула, 1935г.), на вгГпа&к«« заседании Головного Совета "Машиностроение" НТО Министерства р6«ого и профессионального образования С г. Тула, 5.02 1997 г.), а танке на ежегодных НТК профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета(19'М-97г).

Публикации. Материалы.проведенных исследований отражены в печатных работах, в описании к 3 авторским свидетельствам на изобретение и в учебно-методической литературе.

Структура и объем диссиртиции. Диссертационная работа состоит из введения, 8 разделов, заключения, списка литературы и 6 при/к .нений. Диссертация изложена на 323 страницах машинописного текста, содержит 121 рисунок, 27 таблиц и 212 наименований библиографического списка. Общий объем работы - 507 страниц.

ПОДЕгаАНИЕ РАБОТЫ Во вводанки обоснована актуальность рассматриваемой в работе проблемы, ей научная .новизна, практическая ценность работы и ипатки раскрыто содержание разделов диссертации.

П первом раздело приведена классификация.процессов РВ, рассмотрены различные подходы к анализу напряженно-деформированного состояния заготовки в процессе обработки й определению энергосилсвых параметров РВ. Д?>на оценка их согласования между собой, и имеющимися экспериментальными данными.

Проблемами разработки теории, технологии РВ и сип 1 см автоматизированного проектирования в процессах ОМД занимались многие ученые, как отечественные так и зарубежные: В.Ф.Баркая, В.Г.Кононенко, Е.А.Попов, В.В.Лапин, В. Г. Капаропич, Н. И. Могильный, Л.Г.Юдин, В. В. Смирнов,' Г. П. Тбтерин, М. А. Гредитор, В. И. Мяченков, Э.Тамасетт, В. Авитцур, В. Соллин, П. Шродер, С. Калпакчиоглу.

_ Существующие технологические процессы изготовления осесиммет-■ ричных деталей РВ с утонением стенки обладают рядом недостатков, устранить которые позволит разработка теории процесса на базе математических моделей РВ цилиндрических деталей на станках и раскатных устройствах, а также РВ деталей сложной формы'из плоской заготовки.

Теоретические исследования процесса РБ с утонением стенки не позволяют учитывать сложный характер течения материала под давильным (ДЗ) с учетом упругодеформированных зон, окружающих очаг пластической деформации.

Недостаточная проработанность методик по определению предельной степени деформации значительно сокращает область применения РВ.

Результаты проведенных экспериментов недостаточны для адекватной оценки теоретических решений, полученных на базе математических моделей, .учитывающих локальный характер течения материала. Не обобщены технологически параметры процесса РВ, влияющие' на характеристики качества изделий, для различных операций.- Необходимы новые статистические модели, характеризующие с общих позиций , для различных операций РВ, энергосиловые параметры, инеконтактную деформацию, точностные параметры изделий и т.п.

Практически не исследованы вопросы по расчету стойкости инструмента раскатных устройств, что затрудняет их эффективное применение в условиях серийного и крупносерийного производства.

Отсутствие автоматизированной система расчета технологических операций, базирующейся на теоретических моделях процесса деформирования, значительно снижает эффективность использования РВ и удлиняет срок технологической подготовки производства.

На основе вышеизложенного сформулированы следующие задачи исследования :

- теоретическое исследование силовых и деформационных параметров, предельных возможностей формоизменения в процессе РВ с принудительным утонением стенки из изотропного упругопластического материала на базе метода конечных элементов с учетом особенности механизма деформирования;

- экспериментальное изучение силовых параметров, внеконтактной деформации, наличия взаимодействия между локальными очагаМи деформации, характеристик качества изделия;

- теоретическое и экспериментальное изучение стойкости инструмента раскатных устройств;

, - разработка системы автоматизированного проектирования процесса РВ с программным обеспечением на базе использования персонального компьютера;

разработка, на'основе полученных математических моделей, научно-обоснованных рекомендаций по применении РВ, назначению технологических режимов и автоматизированному проектированию технологи-

чсских процессов, " позволяющих максимально интенсифицировать процесс деформирования. - '• '

Па вторп:; раздела на основе теории конечных деформаций разработана методика анализа процесса Р8 для материала заготовки, находящегося в упругопластическом состоянии. Аппроксимация непрерывной Функции перемещения осуществлялась методом конечных элементов. При формулировке алгоритма в качестве характеристики деформированного состояния материала использовался тензор Коши-Грнна

- £С,j = Gf j - Q„ - ии ♦ U,, + lL.„'Usi . (1) ' где Uij- компоненты тензора перемещений.

• Напряженное состояние материала списывалось тензором, напряжений,- компоненты которого в отсчетной конфигурации равны компонентам тензора напряжений Коши, и что справедлива гипотеза единой кривом связи мезду иитенсивностями тензора деформаций (1) и тензора напряжений

гг(1 = /(G/G) ''t, j (P.)

где /(G/il)-изменение объема, S и Q -определители метрических тензоров, tu*- компоненты пноргетического тензора напряжений, т.о. касательная ьодуль равен

• Н(ЕИ) » Чйби)/(йЕи ) и не зависит от вида напряженного состояния, а такко спрлррллипл гипотеза об упругой скимаемости материала во всех диапазонах лг$Г'Р нации

ЧМ/Зб,, = К'Е,, _ . где К E/3(l-2v) - объемный модуль -упругости; Е - модуль Юнга, у -коэффициент Пуассона.

Интенсивность напряжений

бй = /(3/2-Su -S,,) Интенсивность деформаций

Еи -/(2)/ЗУ(си •£,) )

Здесь н E|j- компоненты девиаторов • .ряжений и деформаций, тем самым распространяем действие теории малых' упругопластнчоских до формаций на область коночных деформаций. .Считая материал нач.хльно изотропным, для упругого состояния и разгрузки используем обобщенный закон Рука

6j j = Х-1] -ô| ) + S.u-Ej.j, где Sjj - составляющие единичного тензора, I, - первый инвариант

тензора деформаций. Еи - составляющие тензора деформащй, X и »i -константы. характеризующие упругие свойства среды (постоянные Лямз)

В пластической области:

Аби + ЛР = Н(Е„) ( Еп - е), Й51Е = Н(Е„) -Е1г (1*2*3), -Р = ЗК-е, е = 1/Злм при выполнении услоаия Мизеса б„>бГ и условия активного наррукения Жи /dt 0.

Считая, что на какдом шаге расчета справедливо представление вектора перемещения в виде

U, = U0, + Ли, « (2)

и что для шага справедливо неравенство

1-1USJ 'AUsl+Usi-AUr>) || » MAMs,-AUS1 ||. ' (3) где 1|-|| - эвклидова норма, введем линеаризованной вектор деформации на каядом шаге

' 2Е°ц + Ли, J + &Jj, +Uns',-AUsl +;u°sj-Ли.,, (4) который линейно зависит от приращг-мй перемещений. Тогда исходя из вариационного принципа Лаграша получасы разрешзящее вариационно" уравнение относительно-прира1?>.ий перемещений

|СЛк! (¿Екк1 ) ,, +ДЕ", j )dV+S6°,, •в(ДЕ\.+ (5)

у у

+&ЕЯ, j)dV-JP, eitoJdS,) - о

где С,,- тензор механических характеристик материала, соотасст-цу»щий при упругом состояние выражении (2), а при пластическом -выражению (3). В"и и Е", j -линейная и нелинейные части приращения тензора конечной деформации, - нзпряабние, соответствующее начальному состоянию материала, Р, - поесркностная сила, рассч:;,-п;{нгя на единицу площади начального состояния.

Используя МКЗ для списания плоского и осесниметричного состояний материала, введем аппроксимации вектора приращений nepeir„v~r.;.'; произвольной точки, например, для осесиквлетричного состояяшг.

Ди - [ ®(r,z)I-Aq - ¿F(r,zM • £V3"1 ¿q. (65

где r . • п

[Fl » | i rzOOO |. - матрица аппроксимируй^« | 0 0 0 1 r z I функций, t j

TV!"1 - нормирующая матрица, Aq - вектор приращений узловых пере-

мещений

^»[ОД.ОД, ¿и?., ¿йг. ,Ли3. ДЯ3]-'дпя треугольного сииплекс элемент

Учитывая выражения (4) и (6) вектор деформации будет К - |ЕГГ Еуу Е22 Ег2 | или Е = ([Вл] + ГВЯ] • (8))-Дч. (7)

с - j

Здесь [Вл] - патрица связи мевду вектором деформации и вектором г»; рсцещения в произвольной точке, С В"1 - матрица связи мояду вектором градиента деформаций и вектором перемещений в произвольной точке, вектор градиентов начальных перемещений.

Тогда для одного конечного элемента инеем разрешающее уравнение

ЦК8] + [Ки (в)3 > • Дч = (?р - Г<з, '(8)

где СКЛ3 и [Кй] - линейная и нелинейная составляющие матрицы жесткости соответственно, - вектор узлозых сил от заданной нагрузки, вектор узловых сил от напряжений 1э начале вага.'

Аналогичные выражения получены и для плоской задачи. ' Для принятой линей! ¡ай аппроксимации отдельные конечные элементы будут переходить в пластическое состояние по значениям интенсивности напря-кений в центре тяжести конечного элемента.' Внутри шага состояние ьсех элементов считается неизменным.

Величина сага определяется по одному из следующих условии: • -среди псе>? упругих элементов выбирается элемент с наибольшей интенсивность» Кгпрп:гекий о конце шага расчета, если эта величина больше предела текучести, то коэффициент коррекции определяется по формуле . ' ,-

(бг -б!,)/(б',1 ; (9)

где б'н- интенсивность нллрягений в наиболее нагруженном упругом элементе, б,,°-начальная интенсивность напряжений, б'т - значение предела текучести.

для вычисления другого значения коэффициента коррекции все-узлы, лезацио на гроницэ, проверяется на выполнение условий непроницаемости границ.

Из двуя коэффициентов Екбираетсн наименьший. Входные параметры задаются в диалоговом реаиме программой подготовки исходных даньых (РЁ'.ЮАТЕ).

О' с'злзгл приведены оозультаты теоретического исследо-

вания непрпаенно-деформирезанного состояния цилиндрической заготов-. ки в процесса РВ с утонением стенки, которые получены при использовании методики. п0едлрзенноГ1 о главе 2.

- и -

Исходные данные для расчета процесса РВ вводятся специальной подпрограммой FEMDATE, которая работает в интерактивном режиме и регистрирует ввод исходных данных на мониторе в виде таблицы (рис.1').

К исходный данным для расчета относят: код задачи - вид ротационной еытянки (1 - РВ цилиндрических деталей, 2 - РВ проецированием), D0 - диаметр заготовки. DK - диаметр изделия, S3 - исходная толщина стенки заготовки, марка материала, Е.~ модуль Юнга, v-коэф-Фицие.чт Пуассона, б, - предел текучести, M - модуль упрочнения, m -фактор г рол: ¡я, а - угол наклона рабочей поверхности инструмента, V - скорость перемещения инструмента, Рц - величина подпора, т.а. создайте дополнительного давления, направленного в противопо.понен-нуа стррону от осевого перемещения давильных элементов, для разгрузки опасного сечения sa фронтом давильных элементов. К исхЬдныи сведениям относят и необходимые файлы для хранения исходной, промежуточной и конечной информации (образ задачи ( mg); MK3-ceTKa(dat); результат(гез)). • ,

!---FoToutiUiiusa внтявкз.Версия 7.01.4086г.-1

IКод задачи: 1, Dq-IOOlîm. Dk=98mm, Sq=3mm, Вид мат. 12X18H1ÜT | IМатериал: Модуль Юнга. Н/ммЕ; 2.100Е+05 К-т Пуассона 3.000E-01 | I Пред. текуч., Н/ммг 2. 000Е+02 Мод. упр., Н/шг. 750Е+02 |

I Сактор трения: 3.000Е-01 Уг. опр., град 0. ОООЕЮО |

IУгол инструмента',градусы: 1.500Е+01 Толщ.заг..им: 3.DOOE+OO| IДиаиетр, мм:заготовки 1.0Q0E+02 Диам.изделия: 9. BÛÛE+0ÎI'

IСкорость деф., ш/мин: 3.500Е+02 Подпор. кН:. • 0. ОООЕ+ОО| |£айлы: образ задачи (. img): rotex. imß ' |

I МКЭ-сетка (.dat): rotex.dat |

I результат (.res): rotex. res |

I Вывод изображений: Принтер Старт Выход . |

1-Up Dn Homo Enter End Esc -1

Рис.1 Ввод исходных данник Сетка конечных элементов выбрана на начальной конфигурации заготовки, а деформация-этих элементов и напряаения, возникающие в' них, вычисляются в процессе деформирований. Поэтому используется конвектнрованная сетка конечных элементов, Которая деформируется вместе с металлом. Разбиение заготовки на конечные элементы, нумерация узлов, определение их координат и координат центра тяйести элемек ов осуществляется автоматически с помощью подпрограммы FEMINPT. Для этой подпрограммы исходными данными являются нарушшй диаметр эзгЬтовки - Dg, толщина стенки -Sq и тип конечного элемента.

* - 13 -

Разработанная математическая модель использовалась для моделирова-" ния данного процесса - РВ на двух материалах: нержавеющая стань .12X18H1QT и алюминиевый сплав Д1. Ресь процесс деформирования условно разбивался на ряд этапов, каждому из которых соотвествсвал aar.по времени.

На рис.2-показано развитие зон пластической деформации на различных этапах, при отсутствии трении для стали Ш1ВН10Т.

На начальная этапа:; нагрукенип зона пластичности распространяется * в первуя очередь,в дне заготовки и лишь, затем она-переходит на деформируемую стенку. Причем начало образования пластической зоны в стенке заготовки начинается в слоях металла, примыкавших' к оправке и но под самим давильным элементом, а впереди него. Зтот эффект нзблэдается не только при деформации стали, ко и на аляминие-во!л сплаве, хотя зона плас.ичкости во-второн случае меньше. .

На основе.предложенной модели исследован характер разлития зон пластической деформации и упруродеформировзнных зон, окрусаят пластическув область. Установлен количественный, и качественный характер влияния основных технологических факторов процесса РБ 'на формировано пластической зона.

Используя результат!! рекения задачи методом конечных элементов уствновено распредолонкэ полей напряжений и деформаций в области, описываемой сеткой конечных элементов.

На рис.3 приведена диаграмма линий рапных осевых бжж, напряжений для алюминиевого сплава Д1. Такжа получены аналогичные диаграмму' радиальных и тангенциальных напряжений для стали и алюминиевого сплава при различных условиях трения м=0.16 и гп-=0.3.

Расчетным путем определены силовые параметры процесса РВ при различных условиях трения. Реиение было получено, как для плоской задачи, так и для осесимметричной. Установлено, что реиение полученное для "плоской задачи"хорошо согласуется с экспериментальными данными для процесса ГВ на станках. Решение, полученное для"осе-снмметричкой задачи" моавт быть использовано для РВ раскатными устройствами.

Исследованы условия упругспластическсго контакта давильного элемента с заготозкой. Теоретически определен характер распределения удельного давления и сил трения на поверхности контакта.

Аналитически исследован характер изменения степени использования ресурса пластичности d зависимости от геометрии • инструмента и галичества проходов. Установлено,' что для-максимального использова-

¡Наг

0O¡

ГрЕ'МП :

2.C6Ï410

щ

ru

ж

ÜÉtei sä áí »ia ' v-r-C.-' •

II

Рве.2 Зоны пластической деформшдагдля

стала

! ' Ш I I

а)

ö)

сплава Д| йра m -0.15 s а-осоше 6",* , ö-радиалькыв GT^, в-насатадьМые ¿

ния ресурса пластичности баз промежуточной термообработки необходимо увеличение количества проходов инструмента и радиуса его профиля.

Определена предельная степень деформации'на основе прочности ■стенки продеформированной части заготовки. Установлена зависимость изменения этого параметра от величины осевой подачи инструмента. Определена оптимальная область назначения основных технологических 'параметров процесса для Достижения максимальной степени деформации без разрушения заготовки.

V, чатпертом раздало изложены результаты теоретического исследования процесса деформирования, заготовки РВ проецированием на основе !.ГО в упругопластической постановке задачи при различных условиях трения.

При РВ проецированием материал заготовки, подвергаясь деформированию под роликом, претерпевает сложную деформации. Напряженное состояние в пластической области является комбинацией напряжений сдвига, изгиба и растяжения в радиальном направлении. Однако, напряжения бхх, вызывающие растяжение вдоль образующей оправки - незначительны (около 2%). так как практически отсутствуют перемещения узловых точек-конечных элементов и этом направлении. На начальных этапах деформирования (этапы 5-20) зона пластичности возникает непосредственно под давильным роликом, затем происходит расширение зоны пластичности под действием увеличивающейся нагрузки в направлении перемещения ролика. .

На рис.4 показаны области пластической деформации медной заготовки (111), для трех этапов (N=21, К=49, N=88). Установлено, что • характер распространения пластической области для меди, качественно не отличается от течения, металла при моделировании процесса деформирования на стали (12Х18Н10Т).Различие заклачается в величине приложенной нагрузке для достижения стационарной пластической области.

Зависимости изменения эквивалентных напряжений-бх, .в процессе деформирования, для меди Щ представлены на рис. 6, а. Это свимащие напряжения перед-очагом деформации ( бд>=-60 НЛ:;<г), которые пеняет знак на- противоположный в ирадеформированной части заготовки ' (бхх =В0 И/мм ) и становятся растягивающими. Зги напряжения бе, влияет на выбор минимального угла юэнусности оправки. Установлено, что растягивающие напряжения ба, возрастают при уменьшении угла конусности "-правки и могут вызвать нарушение сплошности материала, т.е. его разрушение при превышении предела прочности. На практике, это ■ выражается в отрыве дна'заготовки.

Рис.4 Области пластической деформации при РВ проецированием из плоской заготовки (медь ¡Я) на раэлл'пшх этапах: а - этап 21, б - этап 49, в - этап (36.

.Радиальные напряжения (рис. 5. б), как уле от началось нишо, влияют на устойчивость процесса РВ. Максимальное радиальное стшицос-напрякение (буу=-80 НЛш2) наблюдается на'и (утра «ней поверхности заготовки. Следует'отметить, что превышение верхнего продана кричи-ческого диапазона максимальных радиальных напряжений, для меди (буу—ВО-ЮО Н/мыг), приводит к тому, что фланец и процесса деформации отклоняется от вертикального положении в сторону направльыы подачи инструмента. При напряжениях ыеньле нижнего предела критических значений, изгиб фланца оказывается в обратную сторону.

Изменение касательных напряжений бяу в пластической зоне лил медных заготовок представлено на рис.5.в. На входе материала в пластическую зону, преобладают отрицательные касательные напряжения (бху=-10 - 30 Н/мм'*), которые по мере прохождения металла под давильным элементом меняют свой знак на противоположный. Причем установлено, что с увеличение коэффициента трения с а. 1 до 0 3, величина касательных напряжений возрастает в 1.4 - 1.5 раза. Существенное изменение величины касательных напряжений в зависимости от скорости подачи и- величины вращения справки не обнаружено, примерно 4-6/

Определены области упругодефпрмирозанного состояния заготовки, окружающие очаг пластической деформации.

В поверхностном слое,' на глубине (0.1-0. 2)Ь/Бй действует систе ма локальных напряжений и деформаций, причем последние могут бить, как в упругой так и в пластической областях. Величина этих лскаль ных областей невелика и составляет, примерно 3-6Я от величины поверхности контакта. Однако, величины нормального давления бп в этих локальных областях • могут быть весьма значительны и создавать пики давления, отличающиеся на порядок от среднего давления на площадке контакта. Эта концентрация напряжений, приводит к образованию микротрещин на поверхности заготовки, которые -при дальнейшем деформировании, разрушают поверхностный упрочнениый слой металла и как следствие, возникает шелушение металла. Этот вид дефекта является характерным для любых процессов РВ. Это хорошо подтверждается многочисленными экспериментальными наблюдениями, при изучении образования шероховатости поверхности детали в зависимости от технологи-чссых параметров процесса.

Установлены зависимости изменения силовых параметров процесс^ РВ от степени деформации и условий трения на контактных поверхностях. Показано, что решение полученное МКЭ без учета трения удовлетворительно согласуется с результатами эксперимента.

Utmjii раздел посвящен теоретическому анализу напряжонно-дофор-ыпроьаьного состояния металла при РВ проецированием на базе МКЭ с учетом осевого перемещения инструмента и вращения заготовки.

Пистаьленная упругопластическая задача решалась методом "до-nojiiiiiTWiiiiiux деформаций", без учета трения с соответствующим количеств:/) итераций на каждом ьаге напружения.

Решение задачи на каждой итерации осуществлялось МКЭ. Сетка из i¡л'угипьных квадратчных элементов наносилась на заготовку в плос-ксслн '¡иста.

При РВ из плоской заготовки центр давильного элемента перемещается во сложной траектории, состоящей из двух движении: поступательного вдоль направляющей и вращательного. Однако, следует отметить, что в большинстве случаев для получения конических и цилиндрических деталей достаточно лишь одного направления движения центра давильного элемента - вдоль образующей. В данном исследовании рассматривается более общий закон движения давильного элемента, состоя-, щнй из двух движений. Это связано с тем, что в настоящее время все большее применение находит технологическое оборудование, где движение давильных элементов осуществляется по сложным траекториям с помощью специально разработанных управляющих программ.

Силовое воздействие на обрабатываемую деталь, а следовательно и граничные условия, которые отличны от нуля могут быть двух типов: условия от оправки и условие от давильного элемента (рис.6).

Условия от оправки : ~

на границе [AB] U LCD) Üz = 0. (10)

(DEJ U [CF] U„ = 0, (11)

где n - нормаль к образующей конуса оправки.

Уопооия от давильного элемента обусловлены уравнением его поверхности. Геометрически, контактная поверхность давильного элемента представляет собой поверхность, ограниченную в двух проекциях окружностями R, и Rv.

Однако радиусы R, и R2 имеют сопоставимые размеры, что позволяет считать их равными приведенному радиусу R.

Движение центра давильного элемента определяется выражениями:

.а - <i'[2 R f - f2) + [f tg(ci) ■ j/2jtJ)-Cos(J)> Ь (('[2 Rf - f2l -t tf tß(c<) J/2nl) sin(J)) (12)

с - (f-j/2n) + R - i ctg(a) где ,) « arcleiy/x) - утл поворота оправки.

Рис.6. Схема граничных условий

Рис.7. Схема к определении области контакта

доеду давильшм шструмвптои а яагогтт-А

Выражение; (12) определяет положение давильного элемента дл-любого угла поворота оправки.

Мгновенная скорость перемещения любой точки В рабочей поверх нйоти давильного элемента определяется по формуле

' 1>„ 001 +01x0,13,, (13)

где о - скорость вращения давильного элемента определяется по фор муле

- ¿У01 х О, А"1, ОА,'х О, А"1 = (1.0,0) (14) '

Координаты вектора скорости движения центра давильного элемента определяются из выражения (12), прй отсутствии проскальзывания ДЗ относительно металла:

1>и1 - - Г2) * ■сова))') ^

СВг - Ь - ((/(2^Г - (2) + Г ^е(с[) -¿/2111 - 3 (15)

0ОЯ = с - [{^/2п + Я - г-с18(а)]'1

где (■) - точка над символом обозначает'производную по времени, J -спорость'вращения оправки, град/мин.

На основании выражений (12)-(15) вычисляются перемещения любой точки рабочей поверхности давильного элемента, при угле,поворота от ,)1 До .

Область контакта между заготовкой и давильным элементом определяется в процессе вычислений. В начальный момент времени 0=0) в контакте находится только одна точка. После поворота оправки, т.е. после приращения угла на определяется какая точка А1, перейдет в А. точка Д* перейдет 'в точку Д и т.д. (рис.7).

Для этого дугу А1А заменим на вектор А1 А и исходя из уравнения поверхности (в данном случае-плоскости), определяем вектор истинных смещений ОА и ему аналогичные. После этого, вычисляется новая поверхность, как результат решения упругопластической задачи. На втором шаге, для точек, от А до' Д вектор истинных смещений вычисляется по формуле

Зг .

и, = Ио, и)Л)Ш . (16) •

¿1 ■

где I), - компоненты вектора перемещения, j - угловая, скорость вращения оправки (сопиО, V, Ш - компоненты вектора-скорости йа.

Для точек от Д до Е вектор перемещений вычисляется как на пер-вам ш; че. Затем, вычисляется новая поверхность, после решения упру- ~ гспластической задачи и т. д.

Для решения поставленной задачи был разработан алгоритм и

программное обеспечение для реализации его на персональной 3t>" nina PC с автоматической разбивкой заготовки на конечные элементы. Установлено распределение зон пластической деформации и упругодофгрми рованных областей вблизи пятна контакта между инструментом и материалом в зависимости от скорости деформирования для стали 10(pi!r:. Я).

Из диаграмм пластичности"видно, что распространение пластической области в направлении преобладающей компоненты скорости дофор -мирования т.е. вращения, незначительно зависит от изменения скорости. Максимальное расхождение размеров пластической зоны при n=;?W мм/мин и п*500 мм/мин не превышает 10-15%. Это связано с тем, что г? тангенциальном направлении течению металла препятствует значительный жесткий объем металла. В тоже время, в осевом направлении обьем металла, который необходимо переместить, ограничен только толщиной ' листовой заготовки.

На основе разработанной методики было определена усилие про • цесса, которое сравнивалось с экспериментальными данными для двух материалов: стали 20 и меди М1. Установлены зависимости изменения относительного усилия от радиуса рабочего профиля давильного эле -мента, скорости осевого перемещения и угла конусности оправки. Сопоставление показало достаточно хороюе совпадение теоретических и экспериментальных данных.

Сравнение теоретических результатов энергосиловых параметров процесса РВ, полученных без учета вращения заготовки и с' учетом сложного характера движения инструмента показало, что более точное определение площади контакта между давильным элементом и заготовкой. получаемое при решении контактной задачи улучшает теоретическое решение на 15-20%.

В шестом раздела.приведены результаты теоретического и экспериментального исследования исследования стойкости инструмента для устройств ротационной вытяжки. Теоретические зависимости получены на основе решения упругопластической задачи с применением МКЗ.

Исследованы и установлены критерии стойкости инструмента для ■шарикового раскатного устройства (ШРУ) и роликового раскатного устройства (РРУ). Это долговечность инструмента, выражающаяся п количестве циклов нагружения давильным элементом на опорное кольцо и диаметральный износ опорного кольца.

Число циклов L нагружений рабочей зоны образцов до появления усталостной гргщхны определялось по формуле

румонто.м и матариалом в зависимости от скорости деформирования: а-350 ш/мин, <5-500 мм/мин ; в-750 мл/мин

- 25 -

I = п-т-Ша^-созОШ/г-ОоМ. ' (20)

где п - число оборотов оправки в минуту, т - количество сферических ' элементов, О0 = (сЗи+2!?я) - диаметр окружности, проведенный, через центр сферических элементов, с20 - диаметр образца, $ - угол контакта невду сферическим элементом и образцом, I - время испытаний в минутах.

Связь диаметрального износа с износом в направлении нормального к поверхности давления определяется па трем составляющим: износ рабочей поверхности опорных колец ииц, износ давильного элемента по линии контакта его с опорным кольцом ий3 и износ по рабочей поверхности давильного элемента Ц,.

Величина износа в этом случае мо;кет быть определена по формуле

0„,„ = 2[К,-('и0Я + и„) + ир], (21)

где К, - коэффициент, характеризующий угол наклона рабочей поверхности кольца. В больаинстве случаев, этот угол равен «=45 град. Поэтому К, принимается равным 0.707.

Для ЕРУ износ по рабочей поверхности давильного элемента Ир=0, так как во-перпих твердость инструмента на много превышает твердость обрабатываемой детали (Ш?Св() » НКСа,)Т), а во-вторых удельное контактное давление меяду давильным элементом и обрабатываемой деталью меньше п КРУ, чем при-использовании РРУ .

Зависимость стойкости инструмента ШРУ, определяемая на"основе „ диаметрального износа 0ИЗ„ от основных параметров процесса РВ представлена на рис. 9..

Анализ графиков на рис. 9 показывает, что при увеличении степени деформации, реализуемой за проход, ' при одной и той же суммарной степени деформации, количество проходов сокращается, а следовательно сокращается п количество циклов нагрумения на инструмент. • Это приводит к повышения стойкости инструмента. Аналогичный вывод можно сделать и по влиянию на стойкость инструмента такого фактора, как Ееличина продольной подачи инструмента - Г. Обратная зависимость наблюдается при изучении влияния количества давильный элементов и на величину стойкости, т.е. при их увеличении стойкость инструмента снимается. •

Разработана методика экспериментального исследования влияния контактной нагрузки, действующей на площадке контакта между опорным кольцом и давильным элементом на усталостное разрушение опорных колец. Данная методика реализована на специальном экопрг-имг'нтальнос

• 1200

1000

Г=0. 5

\ ■"«■г.

й, =10 ■ Г=0.2

3400

1200

С,

1000

1400

1200

С,

1000

& 3

к —-»

а)

-т Г^ИО

. н 11 -■■—— - -г» {^7.5

|И

0.2 0.4 0,6

Г, Ни/об

б)

0.8

М10 • ——¿д

Г-сопб1 ______________ Л Б

е е

В) в —*

\й

Рис. 9 Графики зависимости стойкости инструмента Ст для ШРУ от: а - количества проходов инструмента К, 6 - величины продольной Подачи Г, в - количества давильных элементов ш.

О

устройстве для исследования долговечности инструмента раскатных ■ устройств РВ. Установлено, что для РРУ интенсивнее нанашивается рабочая поверхность ролика, контактирующая с ебрабатысаемым металлом, а для величина износа в основном формируется из изнашивания давильного элемента и опорного кольца на площадке контакта кекду ними.

, Сопоставление расчетных данных с экспериментальными для !!!РУ показало их удовлетворительную сходимость. Расхождение при нагрузках 0.9кН до 1.6кН, ип презирала 15-20%, что позволяет сделать вызол о применимости данной методики для практического использования.

й седьмом раздала приведены результаты по разработке автоматизированной системы проектирования директивных технологических про- • цессов ротационной вытяяки (АСПДТПРВ) на базе использования персональны;» компьвтеров. АСПДТПРВ состоит из трех основных подсистем: готоматизировзнная под.?стема проектирования технологических процессов ротеционнсй вытяаки цилиндрических деталей на стачках (АПЛ-1ПРЕ1ЩС), автоматизированная подсистема проектирования технологических процессов ротационной 5Ытпгк1; проецированием (АППТПРСП) и азтоматиэиоованнйя подсистема проектирования технологических процессов'ротационной вытп?ки раскатна.« устройствами' (АППТПРВРУ). Для каждой подсистемы разработана иерархическая структура информационной взаимосвязи между подсистемами более низкого уровня и отдельны-?<м блоками, отвечающими за расчет конкретных параметров. ' -

На рис. 10 приведена схема взаимодействия подсистем прсгектмро-' .вания процесса РВ деталей проецированием.

На основа информационных массивов и таблиц кодированных своде- . ний (ТКС) создано информационнее обеспечение автоматизированной Системы проектирования. Для. каждой подсистема проектирования разработаны соответствующие алгоритмы и программы по расчету размеров 4 заготовки под РВ и полуфабриката после РО, количества операций, технологических режимов, инструмента, штучного времени, а такяе по выбору типа оборудовании, вида смазки и т.п.

Например, на рис.11 приведен алгоритм по автоматизированному выбору технологического оборудования ка основе размеров заготовки, технологического усилия и базовой информации, содержащейся а виде таблицы кодированных сведений СТКС1ОГ > .

■ Для выбора оборудования, в качестве исходных данных использу-втеп: диаметр заготовки. 0]ЛаГ. ей длина 1, расчетные значения сос-тавлгакцих усилия Р0 и Р.., а также технические харак-еристики стан-коп (ТКС10): максимальный диаметр обрабатываемой заготовки А,,

{3)

Рис. 10 Общая схема взаимодействия подсистем проектирования процесса РВ деталей проецированием

Рис. 1J Cxesía алгоритма по выбору оборудования

- 30 -

Т1СС10 (технические характеристики оборудования), -----1-'-1-1-1-г

| Модель станка 1 ¡Характерист. 1 1 Конус-2]РС-1Б0 1 СРГ-0.с ППТ-13 КЗ-9901|

I | Максимальный диаметр ¡обрабат. загот..(мм.) 1 200 1 | 150 1 1 600 380 600 |

1 | Мйксимальная длина ¡обрабат. раг-от. (мм.) 1 350 I | 350 1 1 1500 2500 1200 |

1 |Максимальные усилия (деформирования (кН) | осевое ! радиапоное 1 И 9 1 1 1 1 9 1 6 1 ■ 15 1 25 9' 10 | 12 |

1 |Число оборотов вращения шпиндглеля | (об/мин) до 12С0 1 I ДО | 1300 1 . ДО 400 ДО 350 ДО | ' еоо |

её максимальная длина С, и номинальные значени.ч состазля-здих усилия - осевого В, и радиального г(. Здесь,-) - кодированное значение типа станка. Бее оти данные вводятся блоком 2.5.1.

Для выбора требуемого типа станка организуется вычислительный цикл, 'по которому, путем перебора расчетное значения геометрически;: и технологических параметров процесса долгий соответствовать техническим характеристикам станка (блоки 2.5.2 - 2. 6.4). Елок Я. б. Б содержит оператор присваивания для выдачи результата на печать. Распечатка результатов расчета т.е. выбранная кэдгль шдель стачка и его технические характеристики осуществляется блоком 2.5.6.

На базе полученных уравнений регрессии, в результате проведенных экспериментальные исследований, - создана аотс.мат!;эироеа«;ая ма-тодкпа па прогнозирование каралтеристик качества изготовляв!,йш деталей: овальности, рагйостенности, прямолинейности образуйся, шероховатости поверхности, величины сстаточнах напряжений в стенке детал и т.д. для материалов: стали 12X1СНЮТ. стеля 10, айшиНив-аого сплааа Д1 и меди Ш. '

Уравнения регрессии иновт следующий вид:

- 31 -

При РВ цилиндрический деталей на станке:

Уравнение для определения ыероноеатости поверхности детали У,' - 2. 34+1.25X^0. 74Хг-0.24Х3-0.31Х4+0.4ВХ,Хг-

- 0.31Х!Х3+0.45:(!Х1-0.39Х2Кз+0.541(2Х1+0.31ХЗХ4+ (22) + 0.73Х,г+0.5?Хгг-0.12Х3г+0.67Х4й.

Уравнение для определения разностённости изделия • У, = 1.25 +0. 24/11 -0,-11Хг 40.18Х3-0. 36Х4 +0.21 ^ Хг +

+ 0.11Х,Х3-0.17Х1 Х4+0Т09ХяХ3+0.23ХгХ4- (23)

- 0.08ХзХ4-О.Оал1г+0:12Хгг+0.21Х3?+0.1ЭХ4г.

Здесь л! * Х4 - кодирвезикке значения пходннх факторов: X, степень обкаткя за проход инструмента, Хя - скорость осевого перемещения инструмента, X. - передний угол давильного ролика о иллнэ, X] - продел'прочности обрабатываемого материала.

При РВ конической детали "из плоской медной заготовки (Ш:

Уравнение для определения прямолинейгасги -образующей V» - 0.11 -0.0045ВХ, +0.007024 <0.010ЧХЭ-0.0С917Х, Хо-'- 0.00107Х1Х3+0!00333ХоХ3-0.00375Х,^0.00г'525Хг2+ (24) + 0.007СЗХ'3Е;

"равнение для определения разностённости изделия У,= 0.0333-0. 010^1 +0.0071 Хг+0.0096X3-0.0092X4X5;- . (25) - 0.0!5вх1хз-0.0030хгхз+0.00и7х1г-0.0075хг'"-0.0003хзг;

Уравнение для определения кероховатости поверхности 7Т= 11.887+2.042X1+4.333X^+2.125Х3-0. 75Х,Хг + + 1.01X1Х3-0. ?бХгХ3+3. 35ВХ| г-4. ЗЗЗХй2-1. 75Х3г. (26)

Здесь X] - частота вращения опразки, Х2 - скорость осевого па-рсчет;ения инструмента, Х3 - радиус рабочего профиля давильного элемента.

Аналогичные уравнения по определению характеристик качества деталей получены и для процесса Р8 раскатными устройствами.

Для анализа качественных характеристик деталей, полученных .ШРУ используются следующие регрессионные уравнения.

Для относительной овальности:

сталь 12ХЮН10Т -У, ={57+29.7Х, -0.1 У,2 +2. 7Х3 -9. 7Х4 -2. 4Х5 -5Х,2 +5. 2Хг 2 +

1.2Хзг + 5.-4Х4г-2.6Хьг-1. 7X4X2+2. 2Х,Х3+0.5Х,Х4- (27) - З.ЗХ^д-ХгХд+в. 0ХгХ4 +4.. ЗХгХ5+6. ЗХ3Х4*2. 2Х3Х5 + ' .+ '4.?Х4Х5)/1СШ;

сплао Д1 -

У, =(108. 5150. 7X1+11.9Хг+4. 4ХЗ-18.9Х4-4.1Х5+Э.2Х,г +

♦ 14. 9Хгг-1. 2Х3г -6. ОХ,г -2X5®-10. ЭХ1 Хг+1. 7X1Х3-

- 11.гХ1Х4+3.6Х1Х5+5.1Х2Хз+1В.5ХгХ4+3.9ХгХ5 +

+ е. 1Х3х.,+5.5X3X5+5.2X4 х5)/юоо.

Для относительной разностенности:

сталь 12Х18Н10Т -У, = (14.3+4.гХ1+1.7Хг +0. 7Х3-0.1Х4+1.1Х5+1'. 4X^+2. ЗХ2г

- 0. 2Х3г -0. 6Х4г -0. 6Х5г+"0: ЗХ, Хг +0.2X1Х3 +Х| Х4 +

+ 0.5X1X5+1.3X2X3+0.2X2X411.5X2X5+1.3X3X4 +

+ Х3Х5-З. 2Х4 Х5)/1000;

сплав Д1 - '

У, = (17. 8-1. 4X1 +3. ЗХ2 -1. ЗХ3-1. 1X4 +1. еХ5 +0. ВХ!Е +9.2Х2г -

- 4.1Х3г-0. 8Х4г-7. 5Х5г-3. 7X^2-0.4X4X3+9. ЗХ,Х4- (30)

- 8. 5Х1Х5-1:7Х2Хд + 1.4Х?Х,,+2. 8Х2Х5+2.5Х3Х4+1.1X3X5 +

+ О. ООПХ4Х5 )/1000.

Здесь X! - относительная разностенность заготовки, • Хг - относительный диаметр давильного елэмекта, Х3 - степень относительного обжатия, Х4 - скорость деформирования, ■ Х5 - относительный диаметр, заготовки. ■

Кроме того, для всех выше перечисленных типов РВ получены.рег-•рессионные зависимости по определения составляющих усилия деформирования для исследуемых материалов.

Разработанные уравнения регрессия, определяющие указанные технологические параметры, ■ действительны в диапазонах изменении входных факторов. Эти значения исследуемых параметров' представляет собой условную, сложную поверхность (поверхность откликов), как результат на возмущения внешних факторов. Причем, эта поверхность существует в п-мерном пространстве (п-количестро входных факторов).

Исследуя поверхность отклика, с технологической точки зрения,-целесообразно найти минимальный значения исследуемых параметров. Это касается и составляющих усилия, и разностенности детали и' ей шероховатости поверхности, и других исследуемых параметров.

С этой цель», на поверхности каядогО отклика определяются точки условного минимума (У,)ю'1п, которым соответствуют некоторые .значения входных факторов (X,).

Данная задача оптимизации решалась методом перебора узлов сет-*ки с тагом 0.1 при ограничениях на кубе с координатами от -1 до +1..

На основе метода математического•.планирования эксперимента

(29)

разработана программа по автоматизированному анализу совместимости точностных характеристик детали и величины шероховатости еб поверх-' ности с типом раскатного устройства.

Разработанная система автоматизированного проектирования технологических процессов РВ позволяет без экспериментальк й отработки на основе чертежа детали полностью рассчитать рее технологические параметры процесса РВ, выбрать необходимое оборудование, инструмент и определить ожидаемые характеристики качества деталей.

Все подсистемы АСПДТПРВ имеют модульную структуру и работает независимо друг от друга, что позволяет сократить время проектирования при выборе оптимального варианта.

В восьмом раздело приведены результаты применения автоматизированной методики проектирования технологических процессов РВ'получения высокоточных, полых ссесимметричных изделий: гладких цилиндрических-, ступенчатых цилиндрических и конических. Разработана специальная' форма сводной ведомости, в которой приведены результаты автоматизированного расчета техпроцесса РВ, которая позволяет снизить трудоемкость составления технологических карт и сократить время на экспериментальную доработку техпроцесса. Результаты проведенных исследований по автоматизированному проектированию были использованы при разработке технологического процесса производства детали "Гильза" и прошли тестовую проверку на технологических процессах изготовления деталей "Облицовка" и "Корпус катода", разработанных ранее.

Практическая ценность проведенных работ подтверждена внедрением данных методик и технологических процессов на предприятиях с реальным экономическим эффектом.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе приведено решение актуальной научно-технической проблемы, имеющей важное научно-производственное значение и состоящей б разработке теории процесса ротационной вытяжки на основе локального характера течения упругопластического материала для плоского и осе-симнйтричного состояний, методики исследования стойкости инструмента гля раскатных устройств, системы автоматизированного.проектирования технологических процессов ротационной вытяжки, выявления взаимосвязи параметров качества и энергосиловых параметров с режимами обработки и на их основе назначение научно-обоснованных, технологических режимов обработки, обеспечивающих повышение эффективности производства и формирование заданных характеристик качества изделий.

- 34 - .

В процесса теоретического и экспериментального исследований достигнуты следующие результаты:

1. На основе теории конечных деформаций разработана методика упругогшастичесного анализа задачи исследования процесса ротационной вытя.кки. Полученное.вариационное уравнение использовано для ко- ,

. нечаоэлементного решения. Реализагчя МКЭ-алгоритма осуществлена для плоской задачи и осесимметричного состояния.. Получены определяющие соотношения конечноэлементного анализа на базе треугольного элемента с линейной аппроксимацией, как для плоско^ так и для осесиммет-рнчной задачи. Полученное вариационное уравнение, является исходным для инкрементального метода решения упругопластических задач.

Для реализации данной математической модели разработана программа для ПЭВМ класса РС А7-486, которая позволяет осуществить имитационный эксперимент и получить графическое изображение текущей конфигурации заготовки в"процессе деформировання, а также иметь полную информация о напряженно-деформируемом состоянии заготовки.

2. Выполнен теоретический анализ напряженно-деформированного состояния цилиндрической заготовки в процессе РВ. Оценка процесса деформирования проведена с учетом внеконта.ктной деформации и влияния на неё упругодоформированних зон. .Расчетным путем установлены размеры зон пластичности в зависимости от изменения технологических

. Факторов (степени утонения, геометрии инструмента, скорости его перемещения) и условий трения. На основе предложенной модели исследован характер развития зон пластической деформации и упругодеформи-роаанных зон, окружающих пластическую область.

*3. Определены расчетным путем силовые параметры процесса РВ при различных условиях трения. Решение было получено, как для "плоской задачи", так и для "осесимметрнчной". Установлено, что решение полученное для "плоской задачи"хорошо согласуется с экспериментальными данными для стали 12Х18Н10Т н сплава Д1 при РВ на станках. Решение, полученное для "осесимметрнчной задачи'1 монет быть использовано для РВ раскатными устройствами.

Аналитически исследован характер изменения степени' использования ресурса пластичности в зависимости от размеров инструмента и количества проходов. Установлено; что для максимального Использования ресурса пластичности без промежуточной термообработки необходимо уиг шчпвать количество проходов инструмента, радиус рабочего профиля инструмента и осевую подачу. Определена предельная степень деформации на основе прочности стенки продеформированной части заготовки. Установлена зависимость изменения этого параметра от вели-

чины осевой подачи инструмента. Определена оптимальная область назначения основных технологических параметров процесса для достижения максимальной степени деформации без разрушения заготовки.

4.Проведено теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния заготовки при РВ проецированием на основе КПЗ п упругопластической постановке задачи при различных условиях трения. Установлено распределение зон пластической деформации и упругоде-формированных зон в зависимости от технологических факторов процесса. Исследовано распределение нормальных и касательных • напряжений ■ на площадке контакта между материалом и инструментом. Установлено, что существуют локальные зоны, в которых наблюдаются пики нормальных напряжений, вызывающие появление микротрещин и явление шелушения материала.

б. Установлены зависимости изменения силовых параметров процесса РВ от степени деформации и условий трения на контактных поверх-' ностях. Показано, что решение полученное МКЭ без учета трения удовлетворительно согласуется с результатами эксперимента.

6. Получены расчетные значения напряженно-деформированного состояния , металла при РЭ проецированием на базе МКЗ с учетом осевого перемещения инструмента и вращения заготовки. Упругопластическап контактная задача решалась методом дополнительных деформаций без учета трения с соответствующем количеством итераций на каждом мэге!

" нагружения. Для решения поставленной задачи был разработан алгоритм *и программное обеспечение для реализации его на персональной ЗВМ типа РС с'автоматической разбивкой заготовки на конечные элементы.

7, Установлено распределение зон пластической деформации и уп-ругодеформироваиных областей вблизи пятна контакта между инструмен-. том и материалом в зависимости от скорости деформирования. Распространение пластической области в направлении преобладающей компоненты скорости деформирования т. е. вращения, незначительно зависит от изменения скорости. .

Максимальное расхождение размеров пластической зоны при п=350 мм/мин и пЧ5М мм/мин не превышает 10-15%. Это связано с тем, что о тангенциальном направлении течению металла препятствует значительный объем недеформированного металла. В токе время, в осевом направлении объем металла, который .необходимо переместить, ограничен только тоячиной листовой заготовки.

- 33 - ■

В.Па основа разработанной методики было определено усилие процесса, которое ' сравнивалась с экспериментальными данными для двух материалов: стали 20 и меди М1. Установлены зависимости изменения относительного усилия от радиуса рабочего профиля дазильного элемента, скорости осевого перемещения и угла конусности оправки. Сопоставление показало достаточно хорошое совпадение теоретических и экспериментальных данных.

Сравнение теоретических результатов энергосиловых параметров процесса РВ, полученных без учета вращения заготовки и с учетом слоимого характера движения инструмента показало, что более точное определение Площади контакта между давильным элементом и заготов-•кой, получаемое при решении контактной задач)' улучшадт теоретическое решение на 15-20/, при степенях утонения до 0.25.

9. Разработана методика теоретического исследования стойютсти инструмента для устройств ротационной вытяжки на основе решения уп-ругспластической задачи с применением ККЗ.

Исследованы и. установлены кр^срии стойкости инструмента для 1!!РУ и РРУ. Это долговечность инструмента, выражающаяся в количестве циклоп нагрукения давильным алнментом на опорное кольцо и диаметральный износ опорного кольца.

10. Разработана методика экспериментального исследования влияния контактной нагрузки, действующей на площадке контакта- между опорным кольцом и давильным элементом на усталостное разрушение спорных колец. Установлено, что для РРУ интенсивнее изнашивается рабочая, поверхность ролика, контактирующая с обрабатываемым'металлом, а для ШРУ величина износа в основном формируется из изнашивания давильного элемента и опорного кольца на площадке контакта между ними. Данная методика реализована на специально разработанном экспериментальном устройство для исследования долговечности инструмента раскатных устройств РВ.

51. Сопоставление расчетных данных с экспериментальными для ШРУ показало их удовлетворительную сходимость. Расхождение при нагрузках 0.9 кН до 1.6кН, не превышало 15-20%, что позволяет сделать вывод о применимости данной методики для практического использования.

12. Разработана автоматизированная система проектирования директивных технологических процессов ротационной вытяжки (АСПДИ1Р8) на базе использования персональных компьютеров.' АСПДТПРВ состоит из грех основных подсистем: автоматизированная подсистема проектирования технологических процессов ротационной вытяжки цилиндрических

деталей на станках (АППТПРВЦДС), автоматизированная подсистема проектирования технологических процессов ротационной вытяжки проециро ванием (АППТПРВП) и автоматизированная подсистема проектирования .технологических процессов ротационной вытяжки раскатными устройствами (АППТПРВРУ).

На основе информационных массивов и таблиц кодированных сведений (ТКС) создано информационное 'обеспечение автоматизированной системы проектирования.. Для каядой подсистемы проектирования разработаны соответствующие алгоритмы и программы по расчету размеров заготовки под РВ и полуфабриката после РВ, количества операций, технологических режимов, инструмента, штучного времени.

13. На базе полученных уравнений регрессии создана автоматизированная методика по прогнозированию характеристик качества изготовляемых деталей: ова ъ 'ости, разностённости, шероховатости поверхности, величины остаточных, напряжений-в стенке детали и т.д. При РВ цилиндрических и конических деталей, получаемых на стачке, и для раскатных устройств.

Разработана программа-для автоматизированного анализа совместимости точностных характеристик детали и величины шероховатости ей поверхности с типом раскатного устройства.

. Ь. Результаты теоретических и экспериментальных исследований Использованы при проектировании технологических процессов РВ получения высокоточных, полый осесимметричных изделий: гладких' цилиндрических, ступенчатых цилиндрических и конических. Разработана специальная форма сводной ведомости, где лриоедены результаты автоматизированного расчета техпроцесса РВ, и которая позволяет снизить трудоемкость доставления технологических карт, а также сократить время На экспериментальную доработку техпроцесса.

Полученные результаты были использованы при разработке технологического процесса производства детали "Гильза" и прошли тестовую проверку на технологических процессах изготовления деталей "Облицовка" и "Корпус катода", разработанных ранре. Практическая' ценность проведенных работ подтверндена внедрением данных методик и технологических процессов на предприятиях с реальным экономическим эффектом.

15. Материалы диссертаций используются в учебном процессе в курсах "САПР технологических процессов' и' оборудования КИП" и "Новы« технологические процессы и оборудование ОМД".

- за -

СОДЕНИАШ ДИССЕРТАЦИИ ОТРЛШЮ О 42 ПУКЩАЦШ.

ОСНОВНЫМИ ИЗ KOTOFIK ЯВЛЯЮТСЯ:

1. У влиянии технологических параметров процесса' ротационного ивдлвпчьышя многорядными шариковыми раскатными головками на качество изделий/Л. Г. Юдин. А. И. Вальтер, В.И. Дербичев, A.C. Иалени-чав /7 Технологии машиностроения. - Тула: ТПИ, 1974, вып.35. С. 123-127.

.2. Вальтер А. И., Юдин Л. Г., Фердман 3. Б., Дербичоа В. И. Выбор заготовок для ротационного выдавливания тонкостенных оболочек И Производственно-технический Сдаллетеьь. - М.: .Машиностроение. -18г/0. - ,\;6. - С. 25-20.

3. Вальтер А. И , Банков Б. А., Юдин Л. Г. О погео.чности контакта пуп иоталиопной рытяжке раскатными шариковыми устройствами //' Исследования в области пластичности и сблаботке металлов давлением. Тула: ТПМ, 1977. - С. 73-78.

¿.Вальтер А.И., Юдин /I.Г. Построение математических моделей процессов образования разностенности, овальности и шероховатости поверхности при ротационной ьатяькс ваоикошш ргскатюш устройствами // Исследования о области пластичности и обработки металлов давление!.!. - Тула: ТПИ, 1370. - С. 108-114.

5.Выбор заготовок, для ротационного выдавливания тонкостенных оболочек/Э. Б. «ердкан, А. И. Валь i ер, Л. Г. Юдин, В. И. Дэрбсчав // Производственно-технический бюллетень. 1.1.1976. HB, - С. 32-36.

0.Влияние технологических" режимов ротационной-вытяжки тонкостенных оболочек на релаксацию остаточных налря;.;еиий/Л. Г. Эдин, 3. Б. Сердца*. А. И. Вальтер. ■ В. И. Дербнчов //Производственно-технический бюллетень. - М. 1977..?! 12. - С. 31-34. '

К вопросу о некоторых факторах,- влпяшщих на размерную стабильность деталей, изготовленных методом ротационной вытяаки/А. И. Вальтер, Э. Б. Фердман, Л. Г. Юдин, В.Л. Юдина/./ПройзЗодственио-тех-нический бюллетень. - М. 197В. N В. - С. 15-10.'

В.Яковлев С.П. ,• Вальтер А.И., Юдин Л.Г. Экспериментальное исследование силовых параметров процесса ротационной вытякки Париковыми саскатными устройствами // Гула: ТПИ. 1979. - 6 с. - Рук; депон. в ЦЙИМАШ. 10.07.79, N 0379. '

9.Яковлев С. П., Вальтер А.И., Юдин Л.Г. Исследований силовых параметров процесса ротационной ЬитяккИ методом оеркник оценок П Тула: ТПИ. 1979. - 14 с. - Рук. депон. в ИИИМА1Н. 10.07.79, « 0670.

И).Яковлев С.П., Вальтер А.И.. Юдин Л.Г. К вопросу о стойкости инструмента для ротационной вытявки йариКовымй раскатными устройствами // Тула: ТПИ. 1979. -Ос,- Рук. депоИ. в НША11 10.07. Vö, N 047Ö.

И.Вальтер А.И. Экспериментальное исследование стойкости инструмента для ротационной вытяжки шариковыми раскатными устройствами ' // Исследования в области пластичности й обработки металлов давлением. ■ Тула: ТПИ, 19В1. - С. 139-143.

12. Вальтер А. И.. ¡Один Л. Г. , Маленичев A. C. исследование проаесг сои образования разнсстенности и овальности при ротационной вытяяке

аскатными устройствами методом многоЛзкторкого эксперимента ! >' узнечно-штамповачнсс производство. - 1Ô82. N 2. - С. 24-25.

13. Вальтер А. И., Русаков В. Л. Разработка моголов пропючпрова-ния качества изделий, полученных вотациодюй вытяшкой // Иссясдовч-ния п области пластичности и обработки металлов давлением. - Тула: ТПИ, 1992. С. 30-34.

И.Вальтер А. И. Номограмм» по прогнозирования качества деталей, получаемых ротационной вытяжкой // Технология легких сплавов М. : ВИЛС, 19В2. N 9. - С. 24-28.

15.Вальтер А.И. Устройство для ротационного вытягивания // Уа-киностроитоль. - М. : Машиностроение, 1982. г; 7. - С. 43.

16. Вальтер А. И., Стспаниз B.C. Ротационная вытяжка pactciw»! устройствами // Тула: ТПИ. - 1085. - 128 е. - Рук. депон. з Г.-гEili'"! 32.05.85. N 190-МШ-85.

17. Исследование очаг г пластической деформации при рстагин'.»:««» вытякке с утонением/А. И. иальтер, H. Н. Алексеев, Л. Г. Влек, 3. А. Байкеt // Технология и оборудование обработки металлов. - Алма-Ага: КазГГГИ. - 1986. - С. 70-77.

Î8.Исследование параметров анизотропии в процессе ротаци яаьЛ р.ытякки /А.И. Вальтер, Л.Г. Юдин, И.О. Кучин, В.Г. Смопикоп// 1!Г-'С лодования в области пластичности и обработки металлу:? давление« Тула: ТПИ. 1980. - СЛ56-1Ё0.

1 Э.Вальтер А. П., Банков В. А. Исследование упругапласпчг.сити контакта з инструмент.; для ротационной вытяжки // Исследсваниг ¡s области пластичности и обработки металлов давлением. - Тула: т,7.1, 195?. - С. 58-37.

20.'tfalter A. Organisation d'un programme de calcul par elenonts finis /V Alger. Oûm-El-Boua£hl: institut National D'cnceipri' 'rit Supérieur EN Mecanique. Î9B9. - 5 P.

21. liai ter A. La netode des éléments finis (partie 2) // Л l,»er. Oua-El-Bouaghi: Institut National D'Enseignement Supérieur EN Mécanique. 1989. - 42 P.

'22. Walter A. Calcul des structures par la metorie des nk.:rrnU finir» // Alger. Oum-El-Bcjaghi: Institut National D'Enr.oiiînej^nt Super leur EN Mecaniquo. 19B9. - 14 P.

. 23. Вальтер A. И., Алексеев 11. H. Определение степени и.'.т^лпзова-ния ресурса пластичности при ротационной вытяжке // Исследования в области теории, технологии и оборудования штампованного производства. Тула: ТПИ, 1990. - С. 64-68.

24. Вальтер А. И. Исследование, давления на поверхности упругоп-ластического контакта при ротационной вытяжке // Совершенствовали!-, технологических процессов обработки металлов давлением. Ростов-на Дену: FHCXM. 1991. - С. 27-29.

25. Желтков В. И., Вальтер А. И., Юдин Л. Г. Ум; /гоплаотпчоекий анализ процесса ротационной вытякки цилиндрических деталей • ! Исследования в области теории, технологии'и оборудования iaraMii.wyflir.ro

■ 4il -

tij-LhbbJÄCibä Тула: 'íyr.lii-l, 1992. - С. 27-33.

,;r . ha/i-,тер A.II Аьтоматигирамшдо методика расчета процесса рс.уиц'п'лйюй ьутйшн // Исследозания в области теории, технологии и :>':¡mv, дпнания мшзъвачного производства. Тула: ТГТУ. 1993.

с íü:.-:¡i

,/'.'. Мало отходная, ресурсосСерегаюадая технология штамповки. Под (>ец. В. д. Андрейченко, Л. Г. Юдина. С. П. Яковлев, Глава 2. Ротационная витка./ A.C. Малоничеа, A.n. 'Вальтер.Кишинев. "Universitas'1,

1093 - 238 С.

¿1 Вальтер А И , Юдин Л. Г. О характере распределения полей нап-при р0та!М:::НН0й вышке // Исследования в области теории, технологии и оЬору.. вания штампованного производства. Тула: ТГТУ, 1994. - С. 87-93.

29. Вальтер А. И., Юдин Л. Г., Хитрый A.A. Сценка энергетических пьрамл зов нотационной вытяжки цилиндрических оболочек с помощью мото,па конечных элементов // Кузнечно-шташовачнсе производство. 1ЭЯ5. N 8. - С.2-3.

30 Вальтер А.И., Силаев 3.В. Методика автоматизированного расчета технологического процесса ротационной вытяжки цилиндрических деталей раскатными устройствами // Куэнечно-штамповачное производство. 1995. N 8. - С. 5-7.

31 .Вальтер А.И. .Методика автоматизированного расчета процесса ро- at.-ионной выгяжки деталей проецированием // Исследования в области теории, технологии и оборудования штамповачного производства. Тула: ГГУ. 1995. - 0.136-142. •

32. Ральтер А. И. Опыт внедрения на предприятиях Тулы автоматизированной методики проектирования технологических процессов ротационной зыпнки//Сборник трудов. Демидовские чтения, 2-ой юбидейный выпуск. - 1Э96. - С. 144 - 146.

33.Вальтер А.И. Напряженно-деформированное состояние упругоп-ластичэской заготовки при ротационной Ьытяжки прог;цированием./7Исс-ледования в области теосии, технологии и оборудования штамповачного ■производства. Тула. - 1596. - С. 11-17.

31. fv-льтер А.И., Юдин JI.Г. Раскатная головка для ротационного выдавливания // Авторское свидетельство. N 537734. бюл. N46, 1976.

35. Фордман Э. Б., Юдин Л. Г., Вальтер А. И. Механизм съема тонкостенных деталей с оправки станка для ротационного выдавливания // Авторское свидетельство. N 555876. бюл. N16, 1977.

36. Валптер А. И. Устройство для прямого ротационного выдавливания // Авторское свидетельство. N 1301522. -1906.

ft.: ш» а тттъ ¿Ь"ФЧфядет ьушш 6<iiS4 (/IS. Йужгв T¡rcar¡ü¿. }•& 2.

О^н-хтзuä етчать. Усл. ^ . Усл. . Уч.-ягя-я. 2, СТи;их »ta. Sr i.

Т>&«скй |вгуда;хл»а:1Ии1Й уемыгрсетет. 30Í6CÍ!, Ту*», сроои. Лмшпа, S2.

ui>3¡u»jkjtrh<;r u.icjovbuhuu ¡ахигнгифдо тумгскога гос/доро»скного yiibbtj»-«жтгта. 3WSeO ly*i. ул-Боадка!., tSI.