автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Ротационная вытяжка с утонением стенки многорядными раскатными устройствами тонкостенных цилиндрических деталей

На правах рукописи

КОЖЕВНИКОВ ДМИТРИЙ ВИКТОРОВИЧ

РОТАЦИОННАЯ ВЫТЯЖКА С УТОНЕНИЕМ СТЕНКИ МНОГОРЯДНЫМИ РАСКАТНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ТОНКОСТЕННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

Специальность 05 03 05 - Технологии и машины обработки давлением

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003171299

Тула 2008

003171299

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Трегубое Виктор Иванович

Официальные оппоненты доктор технических паук, профессор

Шестаков Николай Александрович

доктор технических паук, профессор Вальтер Александр Игоревич

Ведущая организация - ОАО «Центральное конструкторское бюро аппа-

ратостроения»

Защита состоится «30» июня 2008 г в 10 час на заседании диссертационного совета Д 212 271 01 при ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300600, г Тула, ГСП, просп им Ленина, д 84,4 корп , ауд 203)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Автореферат разослан « 28 » мая 2008 г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В современном машиностроении широкое применение находят тонкостенные цилиндрические оболочки, размеры и форма которых соответствуют 9-10 квалитету точности Для изготовления таких деталей разрабатываются трудоемкие технологические процессы, содержащие операции механической обработки, шлифования и полирования Использование прогрессивного способа ротационной вытяжки (РВ) с утонением стенки полой заготовки устраняет трудоемкие операции обработки Для интенсификации операций РВ используются многорядные раскатные устройства, устанавливаемые на универсальном раскатном оборудовании и реализующие разделение очага деформации Разделение очага деформаций позволяет получать цилиндрические оболочки с требуемыми эксплуатационными характеристиками по геометрической точности и качеству поверхности на основе прогрессивной технологии РВ с утонением стенки, обеспечивающей снижение трудоемкости, металлоемкости изготовления изделий, сокращающей сроки подготовки производства

Важной задачей, стоящей перед современным машиностроением, является повышение эффективное ги и конкурентоспособности процессов изготовления изделий из металлов и сплавов методами обработки давлением, обеспечивающих необходимые эксплуатационные характеристики

Практическое применение ротационной вытяжки дает возможность значительно снизить объем первоначальных затрат на приобретение оборудования, изготовление инструмента и оснастки, по сравнению с другими видами обработки, в частности глубокой вытяжки на прессах, механической обработкой, и позволяет эффективно использовать указанный метод в мелко- и среднесерийном производствах деталей различной формы

Статистические данные показывают, что стоимость оснащения для производства РВ составляет 5-10 % стоимости штампов, а расход металла в 5-8 раз меньше, чем для изготовления штампов для тех же операций

При внедрения РВ сроки подготовки производства сокращаются в 10-15 раз и более по сравнению со сроками подготовки производства холодной штамповки Экономия в затратах первоначальных средств, которую дает РВ по сравнению со штамповкой на прессах, является одним из основных преимуществ этого метода

При разработке технологических процессов ротационной вытяжки в настоящее время используют эмпирические зависимости из различных справочных материалов, а также результаты теоретических исследований, в которых не в полной мере учитываются локальный характер формоизменения Мало изучен процесс ротационной вытяжки с разделением деформации, который обещает перспективы в отношении использования внутренних резервов деформирования, уменьшения силовых режимов и повышения качества изготавливаемых деталей Таким образом, возникают актуальные задачи, решение юторых позволит получать тонкостенные цилиндрические детали с заданными эксплуатационными характеристиками на основе операций РВ с уто-

нением стенки

Работа выполнена по гранту Президента Российской Федерации по поддержке ведущих научных школ Российской Федерации «Механика формоизменения орто-тропных и изотропных упрочняющихся материалов при различных температурах и скоростях деформации» (№ НШ - 4190 2006 8, 2006 - 2007 гг ) и в соответствии с научно-технической программой Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 1г)» (проект № РНП 2 1 2 8355 «Создание научных основ формирования свойств изделий общего и специального назначения методами комбинированного термопластического деформирования материалов»)

Цель работы. Повышение эффективности процесса РВ с утонением стенки на основе использования многорядных раскатных устройств, реализующих разделение очага пластической деформации и обеспечивающих требуемое качество получаемых изделий

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

1 Исследовать закономерности изменения размеров пятен контакта давильных элементов (ДЭ) с материалом заготовки при РВ с утонением стенки и разделением очага деформации в осевом направлении в зависимости от продольной подачи, степени деформации и геометрической формы и размеров ДЭ

2 Разработать математические модели для определения силовых параметров процесса РВ с утонением стенки и разделением очага пластической деформации для ДЭ различной геометрической формы и выполнить теоретические и экспериментальные исследования

3 Установить влияние технологических параметров РВ с утонением стенки и разделением очага пластической деформации на качество получаемых изделий, изготавливаемых на универсальном раскатном оборудовании с использованием многорядных роликовых раскатных устройств

4 Разработать алгоритм расчета процесса РВ, программное обеспечение для ЭВМ, рекомендации по назначению технологических режимов РВ, обеспечивающих получение изделий с требуемыми эксплуатационными характеристиками, а также технологический процесс изготовления детали «Стакан», имеющий двухступенчатую наружную цилиндрическую поверхность, изютовить опытные образцы детали

Методы исследования. Теоретические исследования процесса РВ с утонением стенки выполнены на основе метода совместного решения приближенных уравнений равновесия и уравнения пластичности Экспериментальные исследования проводились на базе методов математической статистики и теории планирования эксперимента Для реализации разделения очага деформации в осевом направлении использовалось двухрядное роликовое раскатное устройство, устанавливаемое на универсальном токарно-винторезном станке и цилиндрические полые заготовки, которые деформировались с утонением стенки ДЭ с различными степенями деформации и продольны-

ми подачами Для измерения составляющих сил РВ с утонением стенки применялись силоизмерительные динамометры

Автор защищает •

- закономерности изменения размеров пятен контакта в зависимости от продольной подачи, степени деформации, геометрической формы и размеров ДЭ,

- математическую модель процесса РВ с утонением стенки без разделения и с разделением очага пластической деформации в осевом направлении в зависимости от степени деформации, станочной подачи, учетом упрочнения материала, геометрической формы и размеров ДЭ,

- результаты теоретических исследований РВ с утонением стенки и разделением очага пластической деформации в осевом направлении на силовые параметры процесса в зависимости от степени деформации, станочной подачи, учетом упрочнения материала, геометрической формы и размеров ДЭ,

- математическую модель формирования показателей разностенности и шероховатости поверхности, построенную на базе метода математической статистики и теории планирования эксперимента, учитывающую влияние степени деформации, станочной подачи и окружной скорости,

- результаты экспериментальных исследований силовых режимов процесса РВ с утонением стенки и разделением очага пластической деформации на силовые параметры и качество получаемых изделий при различных степенях деформации, станочных подачах, окружной скорости, упрочнения материала, геометрической формы и размеров ДЭ,

- алгоритм расчета процесса РВ с утонением стенки и разделением очага деформации, программное обеспечение для ЭВМ, рекомендации по проектированию технологических процессов, обеспечивающих заданные эксплуатационные характеристики получаемых деталей,

- технологический процесс изготовления детали «Стакан» из алюминиевого сплава АД, обеспечивающий требуемую точность геометрической формы, размеров, разностенности и шероховатости поверхности

Научная новизна.

установлены закономерности изменения силовых параметров процесса РВ в зависимости от продольной подачи, степени деформации, геометрической формы и размеров ДЭ, механических свойств материала заготовки и упрочнения на основе разработанной математической модели процесса РВ с утонением стенки и разделением очага деформации в осевом направлении при формоизменении заготовок на универсальном раскатном оборудовании, а также обоснованы рациональные режимы деформирования, обеспечивающие минимальную разностенность и шероховатость поверхности при изготовлении цилиндрических деталей из алюминиевого сплава АД на универсальном раскатном оборудовании с применением двухрядного роликового раскатного устройства на базе метода математической статистики и теории планирования эксперимента

Практическая значимость На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и создано программное обеспечение для ЭВМ по расчету технологических параметров процесса ротационной выгяжки цилиндрических деталей на универсальном раскатном оборудовании с уста-

новленными на нем многорядными раскатными устройствами с ДЭ различной геометрической формы

Реализация работы.

Сконсгруировано и изготовлено роликовое раскатное устройство, устанавливаемое на суппорте токарно-винторезного станка, позволяющее вести ротационную вытяжку с разделением очага деформации и утонением стенки

Разработана технология изготовления детали «Стакан» и получены опытные образцы с требуемыми размерными и качественными характеристиками, которая используется в ОАО «ТНИТИ» (г Тула)

Результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров направления 150400 «Технологические машины и оборудование» и студентов, обучающихся по направлению 150200 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 150201 «Машины и техноло1ия обработки металлов давлением», и включены в разделы лекционных курсов «Новые технологические процессы и оборудование» и «Технология листовой штамповки»

Апробация работы Результаты исследований доложены на ХХУШ-ХХХШ международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (г Москва МГТУ «МАТИ», 2002-2007 гг), на первой Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Идеи молодых - Новой России» (г Тула, 2004 г), на международной научно-технической конференции «Механика пластического формоизменения Технологии и оборудование обработки материалов давлением» (г Тула, 2004 г), на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г Тула, 2002 -2007 гг)

Публикации. Основные научные материалы проведенных исследований отражены в 6 статьях в центральной печати и межвузовских сборниках научных трудов, входящих в «Перечень периодических научных и научно-технических изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук», и 1 тезисе докладов Всероссийских и международных научно-технических конференций Общий объем-3,9печ л , авторский вклад-2,1 печ л

Автор выражает глубокую благодарность д т н , проф С С Яковлеву и к т н доц В А Короткову за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения и пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 109 наименований, 3 приложений и включает 100 страниц машинописного текста, содержит 75 рисунков и 15 таблиц Общий объем -167 страниц

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе задачи, ее научная новизна, практическая ценность работы, приведены положения, выносимые на защиту, и краткое содержание разделов диссертации

В первом разделе рассмотрено современное состояние теории и технологии ротационной вытяжки, проведен анализ существующих техноло1 ических процессов изготовления цилиндрических деталей, намечены пути повышения эффективности их

изготовления Обоснована постановка задач исследований

Значительный вклад в развитие теории и практики процесса ротационной вытяжки внесли ученые В Ф Баркая, К Н Богоявленский, Вальтер А И , В А Голенков, М А Гредитор, В В Смирнов, И П Ренне, И И Казакевич, В Г Капорович, В И Корольков, Н И Могильныи, К Д Елин, В В Лапин, Е А Попов, В В Рис, В И Трегу-бов, А С Чумадин, Н А Шестаков, Л Г Юдин, С П Яковлев и другие

На основе проведенною обзора работ следует, что, несмотря на большое количество работ, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям процессов ротационной вытяжки с утонением, вопросы разделения деформации и изменения станочных подач при РВ рассмотрены в небольшом объеме Теоретическое изучение процесса РВ с утонением стенки осложняется наличием локальной деформации и объемным характером напряженно-деформированного состояния материала в пластической области Наряду с энергетическим подходом к определению сил используются метод тми их сечений и метод линий скольжения В ряде работ получены зависимости между составляющими результирующей силы при РВ, исходя из аналогии с процессом вытяжки на прессе из плоской заготовки Несмотря на большое количество работ, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям процессов РВ с утонением, вопросы теории формоизменения цилиндрических заготовок, учитывающие локальный характер формоизменения, не решены Большинство работ, посвященных теоретическим исследованиям процессов РВ цилиндрических деталей, выполнены в предположении, что удельные силы, действующие на рабочий инструмент, равны удельным силам при вытяжке с утонением стенки

В настоящее время отсутствуют надежные методы анализа напряженного и деформированного состояний цилиндрической заготовки, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения от технологических параметров процесса РВ и схем обработки, а также рекомендации по расчёту и выбору рациональных технологических параметров для обеспечения заданных качественных характеристик изготавливаемых деталей

Во втором разделе приводятся результаты исследований размеров пятна контакта ДЭ с материалом заготовки при РВ с утонением стенки, определение фактической подачи при РВ с разделением очага деформации

РВ осуществляется двумя способами прямым и обратным При обратном способе формоизменения заготовки перемещение ДЭ относительно поверхности заготовки равно продольной подаче станка /ст При прямом способе перемещение ДЭ относительно поверхности заготовки зависит не только от продольной подачи станка, но и от перемещения материала заготовки в осевом направлении В этой связи необходимо знать величину фактической подачи /ф Фактическая подача определена для двухрядных роликовых устройств расположенных на универсальном раскатном оборудовании и рассчитывается следующим образом

/ф=/ст(Ь2/Ьо)> (О

где А0 и /?2 " соответственно толщина стенки заготовки до и после формоизменения с помощью двухрядного раскатного устройства

Зависимость изменения фактической подачи от станочной подачи при фиксированных степенях деформации £ = А/г/ /?о (1 - е = 24%, 2 - с = 32%, 3 - е = 40%) приведена на графиках (рис 1) На рис 2 показана зависимость фактической подачи/ф от

степени деформации е при фиксированных станочных подачах (1-/„„=0,6 мм/об, 2 -/„„-0,4 мм/об, 3 -/.„,=0,2 мм/об).

озз ! о.

Рисунок 1. - Зависимость изменения фак- Рисунок 2. - Зависимость изменения фактической подачи от станочной при фик- тической подачи от степени деформации сированных степенях деформации при фиксированных станочных подачах

Из графиков видно, что с увеличением станочной подачи пропорционально увеличивается фактическая подача при фиксированных значениях степени деформации. С увеличением степени деформации к фактическая подача пропорционально уменьшается.

С учетом фактической подачи определялись размеры очага деформации и рассчитывались силовые параметры процесса РВ.

На рис. 3 показана схема расчета площади пятна контакта для двухрядного раскатного устройства.

В результате использования двухрядного раскатного устройства, уменьшаются размеры пятна контакта ДЭ с поверхностью заготовки при суммарной глубине внедрения А/? = Д/?1 + ДЙ2, т.к. эти размеры зависят о глубины внедрения АЛ,-. Это приводит к

Рисунок 3. - Схема определения размеров пятна изменению значения углов за-контакта ДЭ с поверхностью заготовки и реакций хваха в осевом и окружном на-

составляющих сил сопротивления материала, дей-

„ „С, правлениях и углов наклона а

ствующих на шариковыи и роликовый ДЭ с радиусной рабочей поверхностью при РВ и Р нормали к поверхности пятна контакга.

Размеры пятна контакта зависят от глубины внедрения А Л,- и радиуса Я ДЭ. Чем больше глубина внедрения и радиус ДЭ.. тем больше размеры пятна контакта.

Тпстии рачдеч посвящен математическому моделированию процесса РВ с утонением стенки

Используя схему взаимодействия давильного элемента с материалом заготовки находящейся на оправке (рис 4), определяется результирующая сила Р на участке пятна контакта ДЭ с поверхностью заготовки, образованная пересечением плоскости перпендикулярной оси вращения и проходящей через пятно контакта В основу теоретических исследований положен метод совместного решения приближенною уравнения равновесия и условия пластичности при определенных граничных условиях

Выделим на участке цилиндрической заготовки элемент шириной (Ь на расстоянии х от линии центра ДЭ и оправки Размер элемента в направлении, параллельном вертикальной оси заготовки, принимаем равным единице

Запишем условия равновесия сил, приложенных к выделенному элементу На него воздействует нормальное давление рх, действующее по направлению радиуса давильного элемента К контактной поверхности приложено напряжение трения хх, направленное по касательной к поверхности ДЭ На выделенный элемент действуют также нормальные напряжения <уг и (У-г + с1ау

Рисунок 4 - Схема к определению результирующей силы Р при РВ 1 - давильный элемент, 2 - цилиндрическая заготовка, 3 - оправка

'X " "X 1

Согласно условию равновесия, сумма проекций всех сил, действующих на элемент, должна равняться нулю

(°x + daxXhx* dhx)-axhx-2px—-sm<f>x+2zx-^~cos4ix = 0 (2)

cos9x cosq>x

Раскрывая скобки, отбрасывая бесконечно малые второго порядка и учитывая, dhx

ЧТО tg(px =-, получим

2dx

dax Рх - dhx 2тл

dx

dx

= 0

(3)

X Л

Для решения уравнения исключим (тх, тх и dx При дальнейшем решении задачи воспользуемся условием пластичности для плоской деформации, принимая, что рх - вертикальное главное нормальное напряжение, имеем

ах = Рх ~ as (4)

Если принять (Ts = const, то dpx = dcrx По Кулону, напряжение трения тх = fmp Рх > где fmp " коэффициент трения Дугу охвата заменяем хордой, уравне-

ние которой Их - А[ + —х Отсюда с1х = —- с1кх Подставив полученные значения в I А И

2 ^

выражение (3) и обозначив 8 = ———, после простых преобразований получим

ДА

с1Иу

(5)

Фд "К- -Ф^)-—= ° К

После разделения переменных и интегрирования находим

_^

а5-3 рх-Сфх

Константу интегрирования С0 определяем из граничных условий при Л = Лд, = 0

С0 = Л0Ч( 1-*)

Тогда получим

-1

(6)

где А/ - толщина после прохождения ДЭ в рассматриваемом поперечном сечении

Аналогично определяется удельное давление в других поперечных сечениях, проходящих через пятно контакта, в которых будут свои значения Ъу и 8 Затем определяется среднее значение удельного давления рх

Результирующее давление металла на ДЭ определяется суммированием вертикальных составляющих нормальных сил и сил трения

\Н? • <Ь р = Ьср \ рх(^(р + %\п(р)- , (7)

1*4

где ЬСр - средняя ширина зоны деформации ДЭ

СОБ^

После интегрирования уравнения (7) и преобразований получим (¿0 ~АИср) { /?0 ^

р = Ьср1а,

Акср8

ч/г0-Д/7ср

-1

(8)

где АИср- среднее значение глубины внедрения ДЭ в окружном направлении

При определении составляющих результирующей силы РВ с утонением стенки необходимо знать размеры и пространственное расположение зоны контакта ДЭ с поверхностью обрабатываемой заготовки На рис 3 показана схема определения составляющих сил, действующих на давильный элемент с ею отпечатком на заготовке в форме сферического треугольника

Используя зависимости для шариковых роликовых ДЭ с радиусной поверхностью

л с ^ п ПС ^А

а = О 5/Т - агсз1п= и В = 0,5;г - агсз1п-=-&-, ВС АД

где А/)^ - глубина внедрения ДЭ в поверхность заготовки вдоль хорды АД рассчитываемая по зависимостям

- для шариковых ДЭ

АИ4 =АИ-И + га,

- для роликовых ДЭ

/ф АЛ

A hA =

т д/2Дh rp-Ah2

где = д/л2 -1\ ,/)=/ - I - л/2AhR-Ah2 , ip~ рабочий радиус роликового

ДЭ, т - количество ДЭ в ряду

Составляющая силы в осевом направлении Рос равна

Р0С=Р cosa, (9)

в окружном направлении Рок

Р0К=Р cos/З, (10)

в радиальном направлении Рр

РР = ^Р2-(Р^ + Р02С) (11)

При использовании многорядных раскатных устройств в процессе формоизменения заготовки происходит разделение очага деформации в осевом направлении В этом случае, необходимо определять удельное давление, результирующую и составляющие силы в пятнах контакта, образованных ДЭ первого ряда, затем второго ряда и тд

Средние значения удельного давления рх определяется для каждого пятна контакта, путем определения удельного давления в нескольких поперечных сечениях, проходящих через пятно контакта После определения результирующей силы по выражению (8) для ДЭ первого и последующих рядов по выражениям (9)-(11) находят составляющие силы РВ, которые возникают в процессе формоизменения заготовки ДЭ каждого ряда Для определения общих силовых параметров процесса РВ с разделением очага деформации в осевом направлении суммируют полученные значения силовых параметров

На рис 5 приведены графические зависимости изменения результирующей силы процесса РВ с разделением очага деформации от станочной подачи с использованием шариковых ДЭ радиусом 5 мм для исследуемых материалов (1- латунь J163, 2- сталь 08КП, 3- алюминиевый сплав АД, 4 - алюминиевый сплав АМцЛМ), построенные с учетом упрочнения материала по зависимости о s = Асп Параметры кривой

упрочнения приведены в табл. 1.

Таблица 1

Механические и пластические характеристики исследуемых материалов

Марка От, 0«, 5, п л,

сплава МПа МПа % МПа

1 08кп 208 320 53 0,4 629

2 АМцАМ 73 ЛО 28 0,23 196

3 Л63 215 360 56 0,43 792

4 АД 90 190 16 0,11 273

2800

II

а-м

3!8М ^ «08

! 499

Р Г:» ш т ■т

Рисунок 5. - Графики зависимости резуль- Рисунок 6. - Г рафики зависимости ре-тирующей силы Р от станочной подачи/«,, зультирующей силы Р от степени де-при степени деформации 24 % формации при станочной подаче рав-

ной /ст=0,2 мм/об

Из анализа графических зависимостей (рис. 5) видно, что результирующая сила увеличивается пропорционально увеличению станочной подачи. Интенсивность изменения результирующей силы зависит от параметров кривой упрочнения исследуемых материалов. Для алюминиевых сплавов АМдАМ и АД изменение силовых параметров меньше, чем для материалов стали 08кп и латуни Л63.

Из рис. 6 следует, что при расчетных степенях деформации наблюдается увеличение результирующей силы. Интенсивность роста зависит от характеристик упрочнения материала (1- латунь Л63; 2- сталь 08КП; 3- алюминиевый сплав АД; 4 - алюминиевый сплав АМцАМ).

Также приводится сравнительный анализ силовых параметров процесса РВ при использовании ДЭ различной геометрической формы.

При осуществлении процесса РВ с утонением стенки широко используются шариковые ДЭ, роликовые ДЭ с радиусной рабочей поверхностью и роликовые ДЭ с

конусной рабочей поверхностью

Для выбора формы ДЭ при разработке технологических процессов РВ необходимо учитывать, какими будут силовые параметры Ниже приводится сравнительный анализ силовых параметров процесса РВ при одних и тех же режимах обработки для алюминиевого сплава АД

На рис 7 приведены графики изменения результирующей силы в зависимости от степени деформации при станочной подаче 0,2 мм/об в процессе формоизменения заготовки из алюминиевого сплава АД давильными элементами различной геометрической формы 1 - радиусные роликовые ДЭ с рабочим радиусом поверхности Гр =5 мм, диаметром Ор = 95 мм, 2 - конические роликовые ДЭ имеющие угол

рабочего конуса ар = 20°, диаметром Ор = 95 мм, 3 - шариковые ДЭ с рабочим радиусом 5 мм

Анализ графиков показывает, что при одних и тех же режимах РВ силовые параметры существенно отличаются Наименьшее значение результирующей силы наблюдаются при использовании шариковых ДЭ, а наибольшее значение - для роликовых ДЭ При испочьзова-нии роликовых ДЭ следует учитывать, что при степенях деформации больше 30 % силовые параметры выше для ДЭ с радиусной рабочей поверхностью Силовые параметры различаются на 10-15 %

На графиках (рис 8 и 9) показано изменение составляющих сил в зависимости от степени деформации при постоянной станочной подаче 0,2 мм/об в процессе формоизменения заготовки из того же става, ДЭ различной геометрической формы 1 - радиусные роликовые ДЭ, 2- конические роликовые ДЭ, 3 - шариковые ДЭ

Рс

Рисунок 7 - Графики зависимости результирующей силы Р от степени деформации при постоянной фактической подаче /ф-0,2 мм/об для алюминиевого сплава АД

Рисунок 8 - Графики зависимости окруж- Рисунок 9 - Графики зависимости осеней составляющей силы от степени де- вой составляющей силы от степени деформации формации

Максимальное шачение окружной составляющей силы имеет место при использовании шариковых ДЭ, а минимальное - для роликовых ДЭ с радиусной рабочей поверхностью Силовые параметры отличаются примерно в 2 раза Из анализа графи-

ческих зависимостей, приведенных на рис 9 вытекает, чю осевая составляющая максимальна при использовании роликовых ДЭ с конусной рабочей поверхностью, а минимальна - при использовании шариковых ДЭ В этом случае силовые параметры отличаются в 3-5 раз

Таким образом, выбор геометрической формы ДЭ при РВ существенно оказывает влияние на силовые параметры, что следует учитывать при проектировании оснастки, выборе оборудования

Четвертый раздел содержит экспериментальные исследования показателей качества цилиндрических деталей от технологических параметров ротационной вытяжки с разделением очага деформации с использованием метода планирования эксперимента

Основными показателями разрабатываемого технологического процесса являются силовые параметры и качество получаемых изделий Силовые параметры позволяют обосновать выбор технологического оборудования и сконструировать технологическую оснастку Качество получаемых деталей зависит от множества факторов, возникающих в процессе РВ Учесть эти факторы в раздельности или совокупности возможно только с использованием метода математической статистики и теории планирования эксперимента

Эксперименты проводились с использованием заготовок из алюминиевого сплава АД с наружным диаметром 50 мм, толщиной стенки 2,5 мм, диаметры роликов первого ряда 94,2 мм, второго ряда 95 мм, рабочий радиус поверхности роликов первого ряда 5 мм, а угол рабочего конуса ар = 20° Заготовки формоизменялись с различными степенями деформации в диапазоне от 8 до 40 %, и станочными подачами от 0,2 до 0,6 мм/об В процессе обработки заготовок регистрировались осевая и тангенциальная составляющая силы с использованием силоизмерительных динамометров показанных на рис 10

Для построения математических моделей изменения относительных

величин разностенности т%

К

(где Атах - максимальная толщина стенки заготовки, Ьтт - минимальная тол-шина стенки заготовки, Ип - номинальная толщина стенки заготовки) выполнены экспериментальные исследования с последующей обработкой результатов нд основе регрессионного ана-

Рисунок 10 - Схема установки раскатного устройства для измерения осевой составляющей Ро и крутящего момента при РВ 1 - раскатное устройство, 2 - корпус, 3 - рычаг, 4 - силоизмерителыше динамометры, 5 - муфта

лиза в сочетании с теорией планирования эксперимента Так как предварительные эксперименты показали, что линейная модель может не удовлетворять условию адекватности, то для проведения экспериментальных исследований был выбран план Рехтшафнера Экспериментальные работы производились на гокарно-винторезном станке модель 163 На суппорт станка было установлено роликовое раскатное устройство Деформирующие элементы расположены через 120° по периметру окружности

На каждой оси было установлено по два ДЭ, обеспечивающие разделение очага деформации ДЭ устанавливались друг за другом Уровни и интервалы варьирования технологических параметров процесса РВ приведены в табл 2

Таблица 2

Уровни и интервалы варьирования технологических параметров процесса ротационной вытяжки

Уровни факторов Х\

Факторы эксперимента Е, % /сип мм/об V, м/мин

Нижний уровень -1 24 0,2 31

Основной уровень 0 32 0,3 47

Верхний уровень +1 40 0,4 63

Интервал варьирования Д 8 0,1 16

Были получены уравнения регрессии, позволяющие установить зависимость качества детали от величин продольной подачи, окружной скорости и степени утонения

- для разностенности

3/] = 0,146-Х) 0,087-Х2 0,055+*3 0,015-*! х3 0,079-х2 х3 0,072+

+ 0,078 - 0,044-х^ 0,024

- для шероховатости

На =0,385 +0,036+ *2 0,058+ х3 0,029 + х\ х3 0,023 + х2 х3 0,021 +

+ х,2 0,184 - 0,076 + Хз 0,244

Полученная зависимость (12) позволяет оценить влияние различных сочетаний исследуемых технологических факторов на показатели относительной разностенности

На рис 11 приведены графические зависимости изменения относительной величины разностенности <5/,, от относительной станочной подачи / = /ст/{т /'о), степени деформации е и фиксированной окружной скорости V при РВ цилиндрических деталей из алюминиевого сплава АД

Аналогично были произведены расчеты для различных окружных скоростей

Разностенности, %

Анализ графических зависимостей показывает нелинейное влияние технологических параметров на величину относительной разностенности.

10 1

1

2 ¡-С о.о«а

о.м

Рисунок 11. - Относительная разностенность при У=31м/мин

При постоянной окр)'жной скорости зращения шпинделя К=31 м/мин, минимальные значения разностенности получаются при степени деформации е = 32 % и

при крайних относительных значениях подачи / 0,018 и 0,037 (/,„ = 0,2 и 0,4 мм/об соответственно).

На рис. 12 приведены графические зависимости относительной разностенности от степени деформации, при постоянном значении подачи/.,„=0,2 мм/об (/=0,018), и окружной скорости 1/=31 м/мин для различных схем ротационной вытяжки: 1 - без разделения деформации и использования ДЭ без калибрующего пояска; 2 - без разделения деформации и использованием ДЭ с калибрующим пояском; 3 - с разделением очага деформации.

Анализ графических зависимостей показывает, что на уменьшение относительной разностенности большое влияние оказывает схема ротационной вытяжки с разделением деформации. Так при схеме с разделением деформации наблюдается наименьшее значение разностенности, по сравнению с другими схемами. Причем, минимум на графике по схеме с разделением деформации возникает при минимальной осевой подаче и степени деформации £ = 32 %.

Полученная зависимость (13) позволяет оценить влияние различных сочетаний исследуемых технологических факторов на показатели относительной шероховатости.

На рис. 13 представлены графические зависимости значений шероховатости от степени деформации £, значений станочной подачи/.,,,, окружной скорости вращения заготовки V для деталей из алюми-• ниевого сплава АД, полученных РВ. Для удобства использования полученных резуль-

\\ -1

1

\_ /

\ у

Рисунок 12. - Зависимость изменения относительной разностенности от степени деформации

татов на графиках приведены значения относительной шероховатости К а = Яа / ^о и относительной подачи / = /с;),/('»•/?о)-

Шероковатость Ка

Рисунок 13. - Значение относительной шероховатости при Р=31 м/мин

Из анализа полученных графиков можно установить, что наилучшее значение шероховатости, при одинаковых степенях деформации и подачи, достигается при окружной скорости 47 м/мин, но при максимальном и минимальных значениях £.

При одинаковом характере графических зависимостей можно установить роль окружной скорости обработки в образовании шероховатости при равных условиях формоизменения, что иллюстрируется графиками на рис. 14, где: 1 - е = 32%, 7 = 0,027; 2- £ = 40%, / = 0,037; 3 - £ = 24%, / = 0,018.

0,24 0,2 0,16 0,12 0,08

)

к

« V /

/

>■....."

К,

».24

о.г 0.« 0.12 о.««

1 ..... **—^ 1

31

47 м/мин 63

20

30 е. -

40

Рисунок 14. - Зависимость относительной шероховатости от окружной скорости заготовки

Рисунок 15. - Зависимость изменения относительной шероховатости от степени деформации

На рис. 15 приведены графические зависимости изменения шероховатости от степени деформации, при постоянном значении станочной подачи /.„,=0,2 мм/об (/=0,018), и окружной скорости К=31 м/мин для различных схем-ротационной вытяжки: 1 - без разделения деформации и использования ДЭ без калибрующего пояска; 2 - без разделения деформации и использованием ДЭ с калибрующим пояском; 3-е разделением очага деформации.

Анализ графических зависимостей (рис. !5) показывает, что наименьшее значение шероховатости поверхности детали образуется при схеме ротационной вытяж-

ки с разделением деформации Наихудшее значение шероховатости наблюдается при использовании конических роликов без калибрующего пояска

Произведен анализ качества изделий изготовленных с использованием однорядных и многорядных роликовых раскатных устройств

В пятом разделе приведены рекомендации по проектированию технологического процесса РВ с разделением очага деформации в осевом направлении на универсальном раскатном оборудовании, обеспечивающие требуемые эксплуатационные характеристики получаемых деталей

Приведен технологический процесс Ы 0 021 П0ЛУ1ения детали «Стакан», основанный на

использовании процесса РВ с утонением стенки и разделением очага деформации, который отличается от существующей технологии более высокой производительностью, меньшей трудоемкостью и обеспечивающий требуемые эксплуатационные характеристики Себестоимость изготовления детали уменьшается по сравнению с существующей технологией за счет увеличения коэффициента использования материала с 0,51 до 0,79 Трудоемкость изготовления снижается на 1520 % за счет устранения операций механической обработки и шлифования Описана конструкция двухрядного роликового раскатного Рисунок 16 - Чертеж детали «Ста- устройства, с помощью которого реализовы-кан» из алюминиевого сплава АД , вался разработанный технологический процесс Технологический процесс ротационной вытяжки принят к внедрению в опытное производство на ОАО «ТНИТИ» (г Тула)

Отдельные результаты диссертационной работы использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов, а также в ряде лекционных курсах при подготовке бакалавров направления 150400 «Технологические машины и оборудование» и студентов, обучающихся по направлению 150200 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением»

В приложениях содержатся тексты программ для ЭВМ, акты внедрения полученных результатов диссертационной работы в промышленности и учебном процессе

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе решена актуальная научно- техническая задача - получение цилиндрических оболочек с требуемыми эксплуатационными характеристиками по геометрической точности и качеству поверхности на основе прогрессивной технологии ротационной вытяжки с утонением стенки, обеспечивающих снижение трудоемкости, металлоемкости изготовления изделий, сокращающая сроки подготовки производства

В процессе теоретического и экспериментального исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1 Предложена математическая модель, позволяющая определять силовые па-

раметры процесса РВ с утонением стенки по прямому способу формоизменения и разделением очага деформации с использованием многорядных раскатных устройств с ДЭ различной формы Математические зависимости получены на основе метода совместного решения приближенных уравнений равновесия и уравнения пластичности, учитывался локальный характер очага деформации, фактическая подача материала в очаг пластической деформации Принималось, что процесс реализуется в условиях плоской деформации, при которой в окружном направлении деформации равны нулю

2 Выполнены теоретические и экспериментальные исследования РВ цилиндрической детали с утонением стенки ДЭ различной геометрической формы шариковыми, роликовыми с рабочей радиусной поверхностью, роликовыми с рабочей конусной поверхностью Установлены новые количественные связи геометрических размеров ДЭ на силовые параметры процесса РВ Разработан алгоритм расчета процесса РВ и программное обеспечение для ЭВМ

3 Установлено, что при фиксированной станочной подаче, с увеличением степени деформации происходит уменьшение фактической подачи, что следует учитывать при определении силовых параметров процесса РВ С увеличением станочной подачи и степени деформации наблюдается заметный рост результирующей и составляющих сил Интенсивность возрастания результирующей и составляющих сил существенно зависит от радиуса шарикового ДЭ, диаметра роликовых ДЭ, угла конусности ролика и способности металлов к упрочнению Сравнение результатов теоретических расчетов и экспериментальных данных по силовым режимам РВ показывает на их удовлетворительное согласование (до 10 15%)

4 Методами математической статистики и теории планирования эксперимента построены математические модели формирования высоты неровности поверхности и разностенности цилиндрических деталей из алюминиевого сплава АД, изготавливаемых РВ с разделением очага деформации на универсальном раскатном оборудовании с применением двухрядного роликового раскатного устройства в зависимости от степени деформации, величины станочной подачи, числа оборотов вращения заготовки Оптимизация полученных регрессионных зависимостей позволила выявить наиболее рациональные режимы РВ, при которых можно получать изделия с заданными параметрами качества Проведенное сравнение с аналогичными экспериментами процесса РВ без разделения очага деформации позволило определить технологические параметры, при которых качество получаемых изделий с использованием схемы с разделением очага деформации становится более высоким

5 На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по расчету технологических параметров процесса РВ с утонением стенки и разделением очага деформации, позволяющие обосновать выбор технологическою оборудования, размеров и формы ДЭ и получением изделий требуемого качества Разработана и изготовлена оснастка, обеспечивающая осуществление РВ с утонением стенки и разделением очага деформации в осевом направлении

6 Предложен технологический процесс изютовления цилиндрической детали «Стакан» из алюминиевого сплава АД, при котором существенно увеличивается коэффициент использования металла, уменьшается трудоемкость изготовления изделия и обеспечивается требуемое качество, получены опытные образцы с требуемыми размерными и качественными характеристиками

Материалы диссертационной работы использованы в учебном процессе

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В ПУБЛИКАЦИЯХ

1 Экспериментальное исследование влияния схем ротационной вытяжки с разделением деформации на качество поверхности оболочек / Д.В. Кожевников, A.B. Бурашников, Л.Г. Юдин, A.C. Маленичев, В.А. Короткое // Известия ТулГУ. Серия. Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением - Тула: Изд-во ТулГУ, 2006 - Вып. 1. - С. 256-263.

2. Кожевников Д.В , Бурашников A.B., Юдин Л.Г , Маленичев А С. Раскатное устройство для получения цилиндрических оболочек ротационной вытяжкой с разделением очага деформации // Известия ТулГУ. Серия. Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. - 2005. - Вып. 2. - С. 201-204.

3. Кожевников Д.В. Исследование течения материала при рв с разделением очага деформации // Известив ТулГУ. Серия. Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением - Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. - Вып. 2. - С. 279 - 286.

4. Кожевников Д.В. Определение размеров пятна контакта давильных элементов различной геометрической формы с поверхностью заготовки при РВ с утонением стенки // Известия ТулГУ. Серия Технические науки. -2007.-Вып. 2.-С. 173-177.

5. Кожевников Д В., Трегубов В.И. Экспериментальное определение силовых параметров процесса РВ на универсальных токарных станках //Известия ТулГУ. Серия Технические науки. - 2007. - Вып. 2. - С. 218 - 222.

6. Короткое В.А., Кожевников Д.В. Силовые параметры ротационной вытяжки с утонением стенки и разделением очага деформации II Известия ТулГУ. Серия Технические науки. - 2007. - Вып. 2. - С. 189 -194.

7 Бурашников А В , Кожевников Д В Раскатное устройство для изготовления цилиндрических оболочек ротационной вытяжкой с разделением очага деформации // XXXII Гагаринские чтения Международная молодежная научная конференция Тезисы докладов -М МАТИ, 2006 -Том1 -С 184-185

Подписано в печать £3.-05 2008. Формат бумаги 60x84 У[6. Бумага офсетная

Усл. печ л. 1,1. Уч -изд. л. 1,0. Тираж 100 экз Заказ ¿.^

Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, проси Ленина, 92

Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300600, г Тула, у и. Болдина, 151.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ТЕОРИИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ, ОБОРУДОВАНИЕ И ОСНАСТКА ПРОЦЕССА РОТАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК.

1.1 Обзор работ в области ротационной вытяжки осесимметричных тонкостенных заготовок.

1.2 Схемы и виды ротационной вытяжки на универсальном и специализированном оборудовании.

Значительную роль в решении задачи повышения эффективности производства и качества изготавливаемых изделий отводится методам обработки металлов давлением.

В различных отраслях машиностроения нашли широкое применение осесимметричные тонкостенные изделия, к которым предъявляются высокие требования по качеству изготовления и эксплуатационным свойствам при снижении себестоимости их производства.

Традиционные методы обработки металлов давлением широко используются в машиностроении для производства деталей, форма и размеры которых не требуют высокой точности. Для получения повышенной точности требуются другие методы (обработка резанием, шлифование и т.д.).

В машиностроении для получения изделий высокой точности и низкой шероховатости поверхности широко применяется метод ротационной вытяжки, основанный на использовании роликовых или шариковых давильных элементов, локально воздействующих на поверхность заготовки.

Практическое применение ротационной вытяжки дает возможность значительно снизить объем первоначальных затрат на приобретение оборудования, изготовление инструмента и оснастки, по сравнению с другими видами обработки металлов давлением, в частности, глубокой вытяжки на прессах, механической обработкой и позволяет эффективно использовать указанный метод в получении деталей различной формы.

Преимуществом ротационной вытяжки (РВ) является:

- более низкая стоимость оснастки по сравнению со стоимостью штампов;

- пониженный расход металла для изготовления оснастки;

- существенное сокращение подготовки производства;

- повышенное качество и точность изделий, исключающее трудоёмкие доводочные операции [44].

По сравнению с обычными методами обработки металлов давлением РВ имеет меньшую производительность. В связи с этим возникает актуальная задача повышения производительности процесса РВ с обеспечением требуемых эксплуатационных характеристик получаемых деталей путем установления взаимосвязи условий деформирования с обеспечением геометрической точности и формирования механических свойств материала.

Ротационная вытяжка ведется как на специализированном оборудовании с использованием роликовых давильных элементов, так и на универсальном раскатном оборудовании, на суппорте которого устанавливают раскатные устройства с роликовыми или шариковыми давильными элементами, расположенными в одной плоскости.

Производительность процессов РВ зависит от ряда факторов:

- степени деформации;

- продольной подачи;

- скорости обработки;

- геометрии и формы давильных элементов (ДЭ);

- числа давильных элементов.

В зависимости от пластических свойств материала заготовки, имеющегося оборудования в технологических процессах РВ назначаются рациональные режимы обработки, обеспечивающие требуемые эксплуатационные характеристики изделия.

С увеличением числа ДЭ, как правило, возрастает производительность и качество изделий. Однако на специализированном оборудовании отсутствует возможность увеличения числа ДЭ из-за усложнения конструкции. Раскатные устройства", устанавливаемые на универсальных токарных станках, позволяют увеличить число ДЭ по сравнению с числом ДЭ на специализированном оборудовании в 2 или более раз.

Для повышения производительности и эксплуатационных характеристик деталей, получаемых РВ, существенное влияние оказывает число ДЭ и их расположение относительно поверхности заготовки. Как правило, ДЭ относительно поверхности оправки ориентируются с одинаковым зазором и расположены в одной плоскости. Кроме этого возможна настройка ДЭ относительно оправки с неодинаковыми зазорами. В этом случае происходит разделение очага деформации в окружном направлении. Существуют конструкции раскатных устройств с многорядным расположением ДЭ, в которых ДЭ каждого ряда настраиваются относительно оправки с неодинаковым зазором. В этом случае происходит разделение очага деформации в осевом направлении. Разработаны конструкции раскатных устройств с одно-, двух-, трехрядным расположением ДЭ. При РВ с утонением стенки заготовки с использованием этих раскатных устройств происходит разделение очага деформации, как в окружном, так и осевом направлениях.

Сущность метода разделения очага деформации состоит в использовании ДЭ различного профиля, расположенных в двух или более плоскостях, реализующих различные величины деформации. В этом случае происходит экономия рабочего штучного времени, снижается себестоимость детали по сравнению с другими схемами РВ, а также повышаются эксплуатационные характеристики получаемых деталей.

Для реализации схемы РВ с утонением стенки и разделением очага деформации в осевом направлении с обеспечением необходимого качества, используются специальные роликовые раскатные устройства, устанавливаемые на токарных станках.

Цель работы. Повышение эффективности процесса РВ с утонением стенки на основе использования многорядных раскатных устройств, реализующих разделение очага пластической деформации и обеспечивающих требуемое качество получаемых изделий.

Методы исследования.

Теоретические исследования процесса РВ с утонением стенки выполнены на основе метода совместного решения приближенных уравнений равновесия и уравнения пластичности. Экспериментальные исследования проводились на базе методов математической статистики и теории планирования эксперимента. Для реализации разделения очага деформации в осевом направлении использовалось двухрядное роликовое раскатное устройство, устанавливаемое на универсальном токарно-винторезном станке и цилиндрические полые заготовки, которые деформировались с утонением стенки ДЭ с различными степенями деформации и продольными подачами. Для измерения составляющих сил РВ с утонением стенки применялись силоизмерительные динамометры.

Автор защищает:

- закономерности изменения размеров пятен контакта в зависимости от продольной подачи, степени деформации, геометрической формы и размеров

ДЭ;

- математическую модель процесса РВ с утонением стенки без разделения и с разделением очага пластической деформации в осевом направлении в зависимости от степени деформации, станочной подачи, учетом упрочнения материала, геометрической формы и размеров ДЭ;

- результаты теоретических исследований РВ с утонением стенки и разделением очага пластической деформации в осевом направлении на силовые параметры процесса в зависимости от степени деформации, станочной подачи, учетом упрочнения материала, геометрической формы и размеров ДЭ;

- математическую модель формирования показателей разностенности и шероховатости поверхности, построенную на базе метода математической статистики и теории планирования эксперимента, учитывающую влияние степени деформации, станочной подачи и окружной скорости;

- результаты экспериментальных исследований силовых режимов процесса РВ с утонением стенки и разделением очага пластической деформации на силовые параметры и качество получаемых изделий при различных степенях деформации, станочных подачах, окружной скорости, упрочнения материала, геометрической формы и размеров ДЭ;

- алгоритм расчета процесса РВ с утонением стенки и разделением очага деформации, программное обеспечение для ЭВМ, рекомендации по проектированию технологических процессов, обеспечивающих заданные эксплуатационные характеристики получаемых деталей;

- технологический процесс изготовления детали «Стакан» из алюминиевого сплава АД, обеспечивающий требуемую точность геометрической формы, размеров, разностенности и шероховатости поверхности.

Научная новизна:

Установлены закономерности изменения силовых режимов в зависимости от продольной подачи, степени деформации, геометрической формы и размеров ДЭ, механических свойств материала заготовки и упрочнения на основе разработанной математической модели процесса РВ с утонением стенки и разделением очага деформации в осевом направлении при формоизменении заготовок на универсальных раскатных устройствах; выявлены рациональные режимы деформирования, обеспечивающие минимальную разностенность и шероховатость поверхности при изготовлении цилиндрических деталей из алюминиевого сплава АД на универсальном раскатном оборудовании с применением двухрядного роликового раскатного устройства на базе метода математической статистики и теории планирования эксперимента.

Практическая значимость.

На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и создано программное обеспечение для ЭВМ по расчету технологических параметров процесса ротационной вытяжки цилиндрических деталей на универсальном раскатном оборудовании с установленными на нем многорядными раскатными устройствами с ДЭ различной геометрической формы.

Реализация работы.

Сконструировано и изготовлено роликовое раскатное устройство, устанавливаемое на суппорте токарно-винторезного станка, позволяющее вести ротационную вытяжку с разделением очага деформации и утонением стенки.

Разработана технология изготовления детали «Стакан» и получены опытные образцы с требуемыми размерными и качественными характеристиками, которая используется в ОАО «ТНИТИ» (г. Тула).

Результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров направления 150400 «Технологические машины и оборудование» и студентов, обучающихся по направлению 150200 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением», и включены в разделы лекционных курсов «Новые технологические процессы и оборудование» и «Технология листовой штамповки».

Апробация работы. Результаты исследований доложены на XXVIII-XXXIII международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (г. Москва: МГТУ «МАТИ», 2002-2007 гг.); на первой Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Идеи молодых - Новой России» (г. Тула, 2004 г.); на международной научно-технической конференции «Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование обработки материалов давлением» (г. Тула, 2004 г.); на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2002 — 2007 гг.).

Публикации. Основные научные материалы проведенных исследований отражены в 6 статьях в центральной печати и межвузовских сборниках научных трудов, входящих в «Перечень периодических научных и научно-технических изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук», и 1 тезисе докладов Всероссийских и международных научно-технических конференций. Общий объем — 3,9 печ. л., авторский вклад - 2,1 печ. л.

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н. профессору Яковлеву С.С., к.т.н. доценту Короткову В.А. за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения пяти разделов, заключения, списка используемых источников из 120 наименований и включает 100 страниц основного машинописного текста, содержит 76 рисунков.

5.6. Основные результаты и выводы

1. Разработана технология изготовления высокоточной цилиндрической детали «Стакан», которая обеспечивает требуемые эксплуатационные характеристики и снижает трудоемкость и себестоимость изготавливаемой детали по сравнению с существующей технологией с увеличением КИМ с 0,51 до 0,79.

2. Разработана конструкция роликового раскатного устройства, обеспечивающего разделение очага деформации в соответствии с расчетными значениями составляющих сил РВ и рекомендуемые геометрические формы ДЭ, обеспечивающие требуемое качество получаемых деталей.

3. Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе.

4. Результаты исследований использованы в производстве детали «Стакан» на предприятии ОАО «ТНИТИ» (г. Тула).

5. Получены опытные образцы готовой детали.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Работа посвящена решению важной народнохозяйственной задачи, изготовлению тонкостенных цилиндрических деталей с помощью прогрессивного процесса РВ с утонением стенки и разделением очага деформации.

В процессе теоретического и экспериментального исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Предложена математическая модель, позволяющая определять силовые параметры процесса РВ с утонением стенки по прямому способу формоизменения и разделением очага деформации с использованием многорядных раскатных устройств с ДЭ различной формы. Математические зависимости получены на основе метода совместного решения приближенных уравнений равновесия и уравнения пластичности, учитывался локальный характер очага деформации, фактическая подача материала в очаг пластической деформации. Принималось, что процесс реализуется в условиях плоской деформации, при которой в окружном направлении деформации равны нулю.

2. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования РВ цилиндрической детали с утонением стенки ДЭ различной геометрической формы: шариковыми, роликовыми с рабочей радиусной поверхностью, роликовыми с рабочей конусной поверхностью. Установлены новые количественные связи геометрических размеров ДЭ на силовые параметры процесса РВ. Разработан алгоритм расчета процесса РВ и программное обеспечение для ЭВМ.

3. Установлено, что при фиксированной станочной подаче, с увеличением степени деформации происходит уменьшение фактической подачи, что следует учитывать при определении силовых параметров процесса РВ. С увеличением станочной подачи и степени деформации наблюдается заметный рост результирующей и составляющих сил. Интенсивность возрастания результирующей и составляющих сил существенно зависит от радиуса шарикового ДЭ, диаметра роликовых ДЭ, угла конусности ролика и способности металлов к упрочнению. Сравнение результатов теоретических расчетов и экспериментальных данных по силовым режимам РВ показывает на их удовлетворительное согласование (до 10. 15%).

4. Методами математической статистики и теории планирования эксперимента построены математические модели формирования высоты неровности поверхности и разностенности цилиндрических деталей из алюминиевого сплава АД, изготавливаемых РВ с разделением очага деформации на токарном оборудовании с применением двухрядного роликового раскатного устройства в зависимости от степени деформации, величины станочной подачи, числа оборотов вращения заготовки. Оптимизация полученных регрессионных зависимостей позволила выявить наиболее рациональные режимы РВ, при которых можно получать изделия с заданными параметрами качества. Проведенное сравнение с аналогичными экспериментами процесса РВ без разделения очага деформации позволило определить технологические параметры, при которых качество получаемых изделий с использованием схемы с разделением очага деформации становится более высоким.

5. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по расчету технологических параметров процесса РВ с утонением стенки и разделением очага деформации, позволяющие обосновать выбор технологического оборудования, размеров и формы ДЭ и получением изделий требуемого качества. Разработана и изготовлена оснастка, обеспечивающая осуществление РВ с утонением стенки и разделением очага деформации в осевом направлении.

6. Предложен технологический процесс изготовления цилиндрической детали «Стакан» из алюминиевого сплава АД при котором существенно увеличивается коэффициент использования металла, уменьшается трудоемкость изготовления изделия и обеспечивается требуемое качество, получены опытные образцы с требуемыми размерными и качественными характеристиками.

Материалы диссертационной работы использованы в учебном процессе.

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий.- М.: Наука, 1976. 279 с.

2. Баранов A.A., Вальтер А.И., Коротков В.А., Юдин Л.Г. Ротационная вытяжка оболочек: Монография. Тула: Машиностроение-1; ТулГУ, 205. -280с.

3. Баркая В.Ф. Исследования процесса ротационного формообразования осесимметричных оболочек // Труды Грузинского политехнического института. 1971. - № 3 (143). - С. 178-188.

4. Баркая В.Ф. Теоретические исследования силовых параметров процесса ротационного выдавливания // Труды Грузинского политехнического института. 1971. - №8 (148). - С. 132-143.

5. Баркая В.Ф. Усилия при ротационном выдавливании тонких оболочек. // Известия вузов. Машиностроение. 1971. № 10.- С 166-170.

6. Баркая В.Ф., Рокотян С.Е. Формоизменение листового материала. М.: Металлургия, 1976 —294с.

7. Белов Е.А. К оценке усилий ротационной вытяжки цилиндрических деталей // Исследования в области пластичности и обработки металлов давлением. Тула: ТПИ. - 1986. - С. 105-113.

8. Богатов A.A., Мижирицкий О.И., Смирнов В. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1984. - 144 с.

9. Ю.Валиев С.А., Яковлев С.С. Технология штамповки. Комбинированная вытяжка анизотропных материалов. Тула, ТулПИ, 1988. 66с.

10. П.Вальтер А.И. Исследование процесса ротационной вытяжки шариковыми раскатными устройствами: Дисс. канд. техн. наук. Тула, 1979. - 176с.

11. Вальтер А.И. Ротационная вытяжка с утонением стенки: Дисс. . д. техн. наук. Тула, 1996. - 507с.

12. З.Вальтер А.И., Алексеев Н.И. Определение степени использования ресурса пластичности при ротационной вытяжке // Исследования в области теории, технологии и оборудования штамповочного производства. Тула, 1990.-С. 64-68.

13. Вальтер А.И., Байков В.Л., Юдин Л.Г. О поверхности контакта при ротационной вытяжке раскатными шариковыми устройствами // Исследования в области пластичности и обработки металлов давлением.• Тула, 1977. С.73-78.

14. Вальтер А.И., Юдин Л.Г., Хитрый A.A. Оценка энергетических параметров РВ цилиндрических оболочек с помощью МКЭ // Кузнечно-штамповочное производство. 1995. - № 8. - С. 2.

15. Горюнова H.A. Многооперационная ротационная вытяжка цилиндрических оболочек. Диссертация на соискание научной степени к.т.н. Тула, ТулГУ, 1999. 222с.

16. Гредитор М. А. Давильные работы и ротационное выдавливание. М.: Машиностроение, 1971.-239с.

17. Громов Н.П. Теория обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1978.-360с.

18. Гун Г.Я. Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1983. - 352 с.

19. Дель Г.Д., Корольков В.И. Моделирование операций ротационной вытяжки с утонением // Кузнечно-штамповочное производство. 1996, №3. - С. 23.

20. Джонсон В., Кудо X. Механика процессов выдавливания металлов. М.: Металлургия, 1965. 197с.

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

22. Дрозд М.С., Федоров A.B., Сидякин Ю.И. Расчет глубины распространения пластической деформации в зоне контакта тел произвольной кривизны // Вестник машиностроения, 1972, №1. С.54-57.

23. Елин К.Д. Экспериментальное определение усилия при давильных работах // Технология машиностроения. Тула: ТулПИ. - 1967. - Вып. 1. -С. 19-24.

24. Желтков В.И., Вальтер А.И., Юдин Л.Г. Упругопластический анализ процесса ротационной вытяжки цилиндрических деталей // Исследования в области теории, технологии и оборудования штамповочного производства. Тула: ТПИ, 1992.- С. 27-33.

25. Зубцов М.Е. Листовая штамповка. Л.: Машиностроение, 1980. - 432 с.

26. Ильюшин A.A. Пластичность. М.: Изд-во АН СССР. - 1963. - 207 с.

27. Исследования очага пластической деформации при ротационной вытяжки с утонением / А.И. Вальтер, H.H. Алексеев, Л.Г. Юдин, В.А. Байков // Технология и оборудование обработки металлов. Алма-Ата: КазПТИ. — 1986, С. 70-77.

28. Казакевич И.И. Анализ процесса холодной поперечной прокатки (ротационного выдавливания) // Кузнечно-штамповочное производство. -1973, №7.-С. 14-17.

29. Калпакчиоглу С.О. Максимальное утонение стенок при раскатке труб // Труды амер. общ. инженеров-механиков. Конструирование и технология машиностроения. Серия В.Т. 83. Пер. с англ. М.: Издательство иностранной литературы 1964. №1.- С 56-62.

30. Калпакчиоглу С.О. О механизме силовой выдавки // Труды амер. общ. инженеров-механиков. Конструирование и технология машиностроения. Серия В.Т. 83. Пер. с англ. М.: Издательство иностранной литературы. — 1961.-№2.-С 35-42.

31. Капорович В.Г. Исследование энергосиловых параметров при закатке баллонов // Кузнечно-штамповочное производство. 1967 - №4. - С. 7-9.

32. Кирьянов А.Н., Мишунин В.А. Оценка режимов деформирования при ротационной вытяжке цилиндрических деталей // Кузнечно-штамповочное производство. 1997. - № 11. - С. 27-29.

33. Ковка и штамповка. Справочник в 4-х т. // Ред. совет: Е.И. Семенов и др. -т. 4. Листовая штамповка / Под ред. А. Д. Матвеева. М.: Машиностроение, 1987. - 544 с.

34. Кожевников Д.В. Исследование течения материала при РВ с разделением очага деформации // Известия ТулГУ. Серия. Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. - Вып. 2. - С. 279 - 286.

35. Колмогоров B.JI. Механика обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1986- 688с.

36. Колмогоров B.JI. Напряжения, деформации, разрушение. М.: Металлургия, 1970- 230с.

37. Кроха В.А. Упрочнение металлов при холодной пластической деформации: Справочник. М.: Машиностроение, 1980. - 157 с.

38. Маленичев A.C., Ренне И.П., Смирнов В.В. Выбор оптимальных технологических параметров и режимов ротационной вытяжки роликовыми раскатными устройствами // Кузнечно-штамповочное производство. 1985. - №4. - С. 36 - 38.

39. Маленичев A.C. Ротационная вытяжка роликовыми раскатными устройствами: Дисс. канд. техн. наук. Тула, 1984. - 231с.

40. Малоотходная, ресурсосберегающая технология штамповки / Под ред. В.А. Андрейченко, Л.Г. Юдина, С.П. Яковлева. Кишинев: Universitas. -1993. -240с.

41. Могильный Н. И. Ротационная вытяжка оболочковых деталей на станках. М.: Машиностроение, 1983. 192с.

42. Могильный Н.И., Моисеев В.М. Исследование энергосиловых параметров ротационной вытяжки оболочек // Кузнечно-штамповочное производство. 1979. - №2. - С. 21-23.

43. Могильный Н.И., Моисеев В.М., Могильная Е.П. Рациональные условия ротационной вытяжки оболочковых деталей // Машиностроитель. 1995. -№ 1. - С. 26-28.

44. Налимов В.В. Теория эксперимента. М.: Наука, 1971. - 208 с.

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

46. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение; София: Техника, 1980. - 304 с.

47. Овчинников А.Г. Основы теории штамповки выдавливанием на прессах. -М.: Машиностроение, 1983. 200 с.

48. Овчинникова Е.Ю. Получение полых цилиндрических оболочек из плоской заготовки ротационной вытяжкой: Дисс. канд. техн. наук. -Тула, 1997.-231с.

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

50. Опыт внедрения технологических процессов ротационной вытяжки цилиндрических деталей / H.A. Макаровец, В.И. Трегубов, Е.А. Белов, С.П. Яковлев // Кузнечно-штамповочное производство, 2002. №8. - С. 24-29.

51. Опыт изготовления тонкостенных цилиндрических изделий методом ротационного выдавливания с применением раскатных головок / Л.Г. Юдин, И.П. Ренне, В.В. Смирнов, A.C. Маленичев, В.И. Дербичев // Кузнечно-штамповочное производство. 1977. - № 8. - С. 18-20.

52. Папшев Д.Д. Упрочнение деталей обкаткой шариками. М.: Машиностроение, 1968. - 132с.

53. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки. М.: Машиностроение, 1977.-283с.

54. Прогрессивные технологические процессы холодной штамповки / Ф.В. Гречников, A.M. Дмитриев, В.Д. Кухарь и др. / Под ред. А.Г. Овчинникова. М.: Машиностроение, 1985. - 184 с.

55. Проскуряков Н.Е., Пустовгар A.C. Автоматизированная система экспериментатора // Тул. гос. ун-т, Тула, 1997.- Деп. в ВИНИТИ 13.04.98, № 1084-В98 .-10 с.

56. Раков JI.A. Анализ пластического истечения материала из очага деформации при ротационной вытяжке // Технология легких сплавов. Научно-технический бюллетень ВИЛС. 1981. - № 1. - С. 38-42.

57. Рейнберг Е.С. Аналитическое определение площади контакта и глубины пластического деформирования при упрочняющем накатывании.

58. Ленинградский кораблестроительный институт. 1969. - вып.66. - С.55-77.

59. Ренне И.П., Смирнов В.В., Юдин Л.Г. Об определении оптимальных размеров инструмента при ротационном выдавливании // Кузнечно-штамповочное производство. 1970. - № 1. - С. 21-22.

60. Ренне И.П., Смирнов В.В., Юдин Л.Г. Получение заготовок для ротационного выдавливания цилиндрических деталей // Прогрессивные заготовки в обработке металлов давлением / Тула: Приок. кн. изд-во. -1969.-С. 25-31.

61. Ренне И.П., Юдин Л.Г. Приближенный анализ процесса вытяжки с утонением стенки методом «верхних оценок» // Сб. Технология машиностроения: Тула. — 1967. вып.1. - С.34-40.

62. Розанов В.В., Львов Д.С. Давильные работы. М.: Машгиз. 1951, 176с.

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

64. Ротационное выдавливание роликовыми раскатными головками / И.П. Ренне, A.C. Маленичев, В.В. Смирнов, Л.Г. Юдин // Кузнечно-штамповочное производство. 1975. - № 8. - С. 34 -36.

65. Рузанов Ф.И., Баркая В.Ф. Критерии моделирования процессов ротационного выдавливания // Машиностроение. — 1971 №5. - С. 106108.

66. Рузанов Ф.И., Баркая В.Ф. Моделирование процессов ротационного выдавливания осесимметричных оболочек // Машиноведение. 1971. -№2.-С. 112-114.

67. Смирнов В. В. Исследование процесса ротационного выдавливания тонкостенных сосудов шариковыми раскатными головками. Диссертация на соискание научной степени к.т.н. Тула, 1970. - 212с.

68. Смирнов В.С. Теория обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1973.-496 с.

69. Смирнов-Аляев Г.А. Сопротивление материалов пластическому деформированию. JL: Машиностроение, 1978. - 368 с.

70. Соколовский В.В. Теория пластичности. М.: Высшая школа, 1969. - 608 с.

71. Степанский Л.Г. Расчеты процессов обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1979. - 215 с.

72. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1977. 384с.

73. Теория пластических деформаций металлов / Е.П. Унксов, У. Джонсон, В.Л. Колмогоров и др. / Под ред. Е.П. Унксова, А.Г. Овчинникова. М.: Машиностроение, 1983. - 598 с.

74. Томасетт Э. Силы и предельные деформации при раскатке цилиндрических осесимметричных тел из алюминия. Т.1. - М.: ВИНИТИ, 1969. - 125с.

75. Томленов А.Д. Пластическое деформирование металлов. М.: Металлургия, 1972. - 408 с.

76. Томсен Э., Янг Ч., Кобаяши Ш. Механика пластической деформации при обработке металлов. М.: Машиностроение, 1969. - 362с.

77. Трегубов В.И. К выбору схемы ротационной вытяжки цилиндрических деталей на специализированном оборудовании // Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. Тула: ТулГУ, 2002. - Часть 1. - С. 96-105.

78. Трегубов В.И. Ротационная вытяжка с утонением стенки цилиндрических деталей из труб на специализированном оборудовании. Тула: ТулГУ, Тульский полиграфист, 2002. - 148 с.

79. Трегубов В.И., Белов А.Е., Яковлев С.С. Исследование влияния технологических параметров ротационной вытяжки на геометрические характеристики цилиндрических деталей // Вестник машиностроения. -2002.-№10-С. 55-58.

80. Трегубов В.И., Белов Е.А., Яковлев С.С. Влияние схемы ротационной вытяжки на качественные характеристики цилиндрических деталей // Кузнечно-штамповочное производство. 2002. - № 9 . - С. 28-34.

81. Трегубов В.И., Яковлев С.П., Яковлев С.С. Силовые режимы ротационной вытяжки цилиндрических деталей на специализированном оборудовании // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2005. - № 1. — С. 17 — 23.

82. Трегубов В.И., Яковлев С.С. Анализ ротационной вытяжки цилиндрических деталей // Заготовительные производства (Кузнечно-штамповочное, литейное и другие производства). 2004. - №10. — С. 2530.

83. Уик Ч. Обработка металлов без снятия стружки. М.: Мир, 1965. - 548с.

84. Унксов Е.П. Инженерная теория пластичности. М.: Машгиз, 1959. -,328с.

85. Хван Д.В. Технологические испытания металлов. Воронеж: Изд-во Воронежского ун-та, 1992. - 152 с.

86. Хилл Р. Математическая теория пластичности. М.: ГИТТЛ, 1956. - 408 с.

87. Шевелев В.В., Яковлев С.П. Анизотропия листовых материалов и ее влияние на вытяжку. М.: Машиностроение, 1972. - 136с.

88. Шнейдер Ю.Г. Чистовая обработка металлов давлением. М. - Д.: Машгиз, 1963.-272с.

89. Шофман JI.A. Теория и расчеты процессов холодной штамповки. М.: Машиностроение, 1964. - 365 с.

90. Экспериментальные исследования силовых параметров ротационной вытяжки / В.И. Трегубов, А.Е. Белов, М.В. Ларина, Ю.В. Арефьев // Известия ТулГУ. Серия. Механика деформированного твердого тела и обработка металлов давлением. — 2004. Вып. 3. - С. 78-83

91. Юдин Л.Г. Малоотходная технология ротационной вытяжки тонкостенных цилиндрических оболочек. Диссертация на соискание научной степени к.т.н. Тула, ТулПИ. - 1985. - 452с.

92. Юдин Л.Г., Коротков В.А., Борисов В.В. Определение площади контактной поверхности при ротационной вытяжке // Известия ТулГУ. Серия Машиностроение. Тула: ТулГУ. - 2002. - Выпуск 7. - С. 180-186.

93. Юдин Л.Г., Коротков В.А., Горюнова H.A. О предельных возможностях формоизменения при многооперационной ротационной вытяжке // Кузнечно-штамповочное производство. 1998. - № 10. - С.24 - 26.

94. Юдин Л.Г., Хитрый A.A., Белов Е.А. К вопросу интенсификации процесса ротационной вытяжки тонкостенных осесимметричных оболочек // Исследования в области теории, технологии и оборудования штамповочного производства. Тула: ТПИ. - 1991. - С. 15-20.

95. Юдин Л.Г., Яковлев С.П. Ротационная вытяжка цилиндрических оболочек. М.: Машиностроение, 1984. - 128с.

96. Яковлев С.П., Кухарь В.Д. Штамповка анизотропных заготовок. М.: Машиностроение, 1986. - 136с.

97. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В.А. Обработка давлением анизотропных материалов. Кишинев: Квант, 1997. - 332с.

98. Avitzur В., Jang С. Analisis of Power spinning of cones // Trans ASME. Series B. 1960. - vol. 82. - P. 231 - 245.

99. Hayama M., Kudo H. Experimental study of tube spinning // Bull. JSME. 1979. - № 167. - P. 769 - 775.

100. Jacob H. Besondere vorteile des Flieb drückverfahrens in verglich zu erderen verfahren der Umformtechnik // Fertigungstechnik und Betrieb. - 1964. -№10. S.573.-578.

101. Jacob H. Erfahrungen beim Fliebdrücken zylindrischer Werkstücke // Fertigungs technik und Betrib. - 1962. - №3. - S. 184 - 189.

102. Jacov H., Gorries E. Rollentconstruckzion für Fliebdrücken Kreisyzlindyischer Höhlkörper // Fertigungstechnik und Betrieb. 1965. -Bd. 15. - S.279-283.

103. Kalpakcioglu S. An experimental stady of plastic deformation in power spinning / CJRP Ammalen, 10: No 1, 58-64, 1961-1962.