автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Ротационная вытяжка с утонением стенки шариковыми раскатными устройствами

На правах рукописи

Наумов Денис Михайлович

РОТАЦИОННАЯ ВЫТЯЖКА С УТОНЕНИЕМ СТЕНКИ ШАРИКОВЫМИ РАСКАТНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ

Специальность 05.02,09 - Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДПР Ш

Тула 2012

005020529

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Вальтер Александр Игоревич

Официальные оппоненты: Панфилов Геннадий Васильевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», профессор;

Белов Алексей Евгеньевич, кандидат технических наук, ФГУП «ГНПП «Сплав», нач. лаб.

Ведущая организация: ОАО «Тульский научно-исследовательский технологический институт».

Защита диссертации состоится ^дЛ 2012 г. в час. на

заседании диссертационного совета Д 212.271.01 при «Тульском государственном университете» (300012, г. Тула, пр. Ленина, 92,9-101).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тульского государственного университета».

Автореферат разослан 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.Б. Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При производстве оболочковых изделий широко используются процессы пластического формоизменения с локальным приложением нагрузки, такие как: прокатка, волочение, прессование, свободная ковка, штамповка. Разновидностью одного из таких процессов локального деформирования металла является ротационная вытяжка (РВ). Такой процесс представляет собой пластическое формоизменение материала заготовки, закрепленной на вращающейся оправке, давильными элементами (ДЭ), движущимися вдоль оправки с заданным зазором.

Основные достоинства РВ перед другими процессами обработки давлением - это гибкость технологии; высокая точность и чистота поверхности деталей; достижение больших степеней деформаций, чем при штамповке; получение деталей из труднодефермируемьгх сплавов; совмещение нескольких деформирующих операций (вытяжка, формовка, обжим, раздача); сравнительно несложная оснастка; высокий коэффициент использования металла; малая энергоемкость процесса. Указанные преимущества определяют область эффективного использования процесса РВ при получении осесимметричных полых цилиндрических оболочек с различной толщиной стенки, к которым предъявляются высокие требования по точности геометрических характеристик и механическим свойствам.

Однако, широкое использование РВ сдерживается сложностью отладки процесса из-за большого числа технологических факторов, влияющих на качество получаемых деталей. В связи с этим проведение теоретических и экспериментальных исследований с целью научного обоснования технологических параметров процесса РВ является актуальной, важной научно-технической задачей, решение которой вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса. Решить эту задачу можно на основе математических моделей процесса деформирования заготовки, которые позволят оценить ее напряженно-деформированное состояние (НДС), а также рассчитать рациональные режимы обработки и ожидаемые характеристики качества детали, обеспечивающие требования чертежа и снижение себестоимости изготовления.

Работа выполнена в соответствии с грантами: Губернатора Тульской области в сфере науки и техники № 65-К-1/1416 (2009 г.), государственным контрактом Министерства образования и науки Российской Федерации №П1026 (2010-2011 гг.), и грантом РФФИ № 10-08-97510 (2010 г.).

Цель работы.

Повышение эффективности технологического процесса ротационной вытяжки с утонением стенки шариковым раскатным инструментом на основе обоснованного расчета рациональных технологических параметров.

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

1. Выполнено теоретическое исследование упругопластического деформирования в процессе РВ методом конечных элементов (МКЭ) для разработки математической модели.

2. Проведено экспериментальное исследование РВ шариковыми раскатными устройствами (ШРУ) цилиндрических деталей из сплава АМгб с целью проверки адекватности разработанной математической модели.

3. Исследовано влияние технологических факторов на силовые режимы процесса РВ и показатели качества детали.

4. Определены рациональные режимы формоизменения, обеспечивающие требуемое качество деталей (разностенность, овальность, шероховатость поверхности), изготавливаемых из сплава АМгб.

5. Разработано методическое и программное обеспечение для расчета параметров деформирования цилиндрической заготовки.

Объект исследования. Ротационная вытяжка цилиндрических деталей раскатными устройствами.

Предмет исследования. Процесс формообразования цилиндрической заготовки ротационной вытяжкой с утонением стенки шариковым раскатным инструментом.

Методы исследовании. Аналитическое исследование выполнено на базе основных теоретических положений механики деформируемого твердого тела и теории пластичности с использованием эффективных и апробированных численных методов решения задач механики сплошных сред. Экспериментальные исследования проводились с использованием теории планирования эксперимента и статистических методов обработки данных.

Автор защищает:

1) математическую модель процесса РВ и результаты теоретического исследования влияния технологических факторов на упругодеформированное состояние материала;

2) результаты экспериментальных исследований по определению интенсивности деформаций, силовых режимов и характеристик качества при РВ детали из алюминиевого сплава АМгб;

3) алгоритмы, методическое и программное обеспечение для расчета технологических параметров процесса РВ ШРУ;

4) практические рекомендации по выбору режимов обработки и технологической оснастки, обеспечивающие повышение качества деталей, снижение трудоемкости и сокращение времени на подготовку производства;

5) рациональные технологические параметры процесса РВ ШРУ детали «Корпус осушителя», обеспечивающие получение изделия с требуемыми эксплуатационными характеристиками.

Научную новизну составляют: установленные закономерности изменения силовых параметров процесса ротационной вытяжки в зависимости от степени деформации, размера давильного элемента, механических свойств материала заготовки на основе математической модели упругопластического деформирования с упрочнением, и регрессионные уравнения для оценки силовых параметров процесса и характеристик качества получаемых деталей.

Практическая ценность работы.

Сформулированы практические рекомендации по выбору режимов обработки и технологической оснастки, обеспечивающие повышение качественных эксплуатационных показателей деталей.

На основе регрессионных моделей разработана автоматизированная методика расчета технологических параметров процесса РВ. Практическая ценность подтверждена опытной эксплуатацией на производстве, в ходе которой установлено снижение трудоемкости проектирования техпроцесса и оснастки при изготовлении детали «Корпус осушителя» в 2,5 раза, и сокращением сроков технологической подготовки производства в 4,5 раза с реальным экономическим эффектом.

Реализация работы. Получены опытные образцы детали «Корпус осушителя» с требуемыми размерными и качественными характеристиками, которые используются в производстве ОАО «Газстройдеталь» (г. Тула). Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по дисциплинам: «Основы метода конечных элементов», «Технология конструкционных материалов» и «Научно-исследовательская практика».

Апробация работы. Результаты исследований доложены на IV-й международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (г. Тула 2011 г.) (г. Москва 2011 г.); на VI-й молодежной НТК ТулГУ «Молодежные инновации. Технические науки» (г. Тула 2010 г.); на международных НТК «Автоматизация: проблемы, идеи, решения», ТулГУ, (г. Тула 2008, 2009, 2010 гг.); на Всероссийской НТК студентов и аспирантов «Современные технологии обработки металлов и средства их автоматизации», (г. Тула, 2008 г.).

Публикации. Материалы проведенных исследований отражены: в 3 статьях изданий, рекомендованные ВАК для публикации на соискание ученой степени кандидата технических наук, в 2 статьях межвузовских сборников, в 5 докладах научно-технических конференций. Общий объем - 4,2 печ. л., авторский вклад -3,2 печ. л.

Струетура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 134 наименований, приложений и включает 135 страниц машинописного текста, содержит 55 рисунков и 4 таблицы. Общий объем -160 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе научно-технической задачи, сформулированы цели работы, положения, выносимые на защиту, научная новизна, методы исследования, практическая ценность, приводятся данные о реализации работы, публикациях, структуре и объеме диссертационной работы, краткое содержание разделов диссертации.

В первом разделе работы представлен обзор современного состояния теории и экспериментальных исследований технологии изготовления тонкостенных осесимметричных деталей методом РВ, опыт применения МКЭ, сформулированы подходы к изучению процесса РВ, определению силовых параметров, предельной степени деформации, рассмотрены модели поведения материала. Намечены перспективные направления интенсификации процесса РВ и повышения качества изготавливаемых осесимметричных деталей с использованием автома-

•газированных систем и численных методов моделирования процесса. Обоснована постановка задач исследования.

Вклад в развитие теории и практики процесса ротационной вытяжки внесли ученые В.Ф. Баркая, К.Н. Богоявленский, А.И. Вальтер, М.А. Гредитор, В.В.Смирнов, И.П. Ренне, И.И.Казакевич, В.Г. Капорович, В.И. Корольков, Н.И. Могильный, К.Д. Елин, Е.А. Попов, В.И. Трегубой, A.C. Чумадин, Л.Г. Юдин, С.П. Яковлев, С.С. Яковлев и др.

На основе проведенного обзора работ следует, что в настоящее время отсутствуют надёжные методы анализа напряженного и деформированного состояний цилиндрической заготовки, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения в зависимости от технологических факторов процесса РВ и схем обработки, а также практически отсутствуют рекомендации по расчёту и выбору рациональных технологических параметров для обеспечения заданных качественных характеристик изготавливаемых деталей.

Во втором разделе представлена математическая модель на основе вариационных уравнений для анализа упругопластического деформирования при РВ с утонением стенки методом конечных элементов.

В случае j переходов, деформации определяются решением следующей системы уравнений, которые затем решаются итерационным методом:

У

пр

¥2 .

Щ

V3

ip к • у2

О)

Щ

V/

V

пр

7-1

П kJ~\j-,

/=1

где yij - степень утонения на j-ou переходе; sy - толщина

стенки на j-ou переходе; s- толщина стенки на предыдущем переходе; Ц1„р -предельное утонение; к - коэффициент, учитывающий эффективность термообработки материала.

В первом приближении определяется vy i -- у т / j, остальные степени утонения находятся rio переходам у j:

-JÜ

V.

пр

Г/-1

Условие текучести Мизеса-Хилла:

/И = ■

(2)

(3)

Здесь аэкв - эквивалентное напряжение; as - предел текучести при одноосном напряжении. Если наступление текучести не зависит от скорости деформации, то при /{а} < 0 - материал остается упругим, при /{с}= 0 - в нем возникают пла-

стические деформации. Т. е. текучесть начинается, когда выполняется условие аэкд = <ss. Критерий текучести:

где {Da} -девиатор напряжений, [М] - матрица согласования.

Упрочнение изменяет критерий текучести, поэтому уравнение (4) можно представить как зависимость

ф(НЫ,М)=о, (5)

где {о} - матрица обобщенных напряжений с учетом упрочнения, {iV^,} - работа пластической деформации, {а} - матрица векторов смещения поверхности текучести.

В пластической области правило потока определяет направление пластического деформирования

где {¿/£Л7} - приращение пластической деформации, Ф - пластический потенциал; X - коэффициент, определяющий величину пластических деформаций.

Развитие контактного касательного напряжения т^ и нормального давления av на контактной поверхности скольжения между заготовкой и инструментом происходит по закону Амонтона-Кулона, которые связаны коэффициентом трения fmp. Для точек, находящихся в контакте, касательное напряжение трения

определяется:

* А = fmp' ° v ' sign(AUmp), (7)

где йтр - проекция скорости приращения перемещения на касательную к поверхности трения:

где uJ - скорость заготовки; ott- скорость инструмента.

Реализация математической модели процесса РВ выполнена в программном пакете для численного анализа ANSYS® Structural, с помощью которого получены результаты. Для аппроксимации модели выбран двумерный четырехугольный конечный элемент осесимметричного НДС с двумя степенями свободы в каждом узле.

Радиус рабочего профиля ШДЭ принят относительным, как отношение истинного радиуса Лщде к исходной толщине заготовки s0:

К ШДЭ = Кщцэ I so ■ Степень деформации при РВ выражается как:

е = ^Оя^ои1п[4 (10)

s0 s у s J где ¿ssq = sq - s - глубина утонения заготовки.

При РВ главному вращательному движению цилиндрической оболочки соответствует линейная скорость продольного перемещения очага деформации

/с;

я 60'

(И)

пр 1000

где /ст - станочная подача инструмента на оборот, п - частота вращения.

Выразим из ( II) время / для обработки заготовки длиной ¿3, которое учитывает подачу инструмента и частоту вращения оправки:

/ = 6-10

4 Аз

/а

■ п

(12)

Для КЭ модели материал заготовки принят однородным, несжимаемым, изотропным, упрочняющимся и соответствующий модели идеально-пластического тела, который подчиняется условию текучести Мизеса-Хилла и ассоциированному с ним закону пластического течения. Материалы оправки и ДЭ приняты абсолютно жесткими. Эффекты Баушингера, инерционные, тепловые и другие не учитываются.

На рис. 1 приведена схема приложения граничных условий для цилиндрической заготовки типа стакан, учитывающая особенности формоизменения при прямом способе РВ и определяющая направление движения материала.

Ч

О

Г

X

и? %•/

А

■т

X

б) заготовка

в) давильный элемент

Рис. 1. Схема приложения граничных условий

По схеме принимается, что цилиндрическая поверхность и торец оправки жестко закреплены (рис. 1, а). Узлы конечных элементов на внутренней поверхности заготовки находятся в скользящем контакте с поверхностью оправки без первоначального зазора. Согласно осесимметричной формулировке конечного элемента, узлы заготовки, расположенные на осевой линии У (ось симметрии), ограничиваются в перемещении по оси X (рис. 1,6). В качестве прижима к торцу заготовки приложена распределенная нагрузка Рпр, которая действует до начала процесса деформирования. Перемещение ДЭ задается по оси У с заданным утонением и скоростью \)пр (рис. 1, в). Взаимодействие ДЭ с заготовкой про-

исходит по наружным поверхностям (цилиндрической и торцевой) с fmp = 0.25 без вращения о заготовку.

При выборе технологического оборудования практический интерес представляют продольная (осевая) сила перемещения ДЭ Рос и окружная (тангенциальная) сила Рх, по которым произведён анализ. Для более широкого применения результатов и корректного сравнения с экспериментальными данными, среднеарифметические значения осевой и тангенциальной сил преобразуются в относительные величины:

OeS Q agSQ

С помощью разработанной КЭ модели показано НДС для сплава АМгб и стали 12Х18Н10Т в различные моменты нагружения (, на которых окраска КЭ соответствует градиенту шкалы интенсивности деформации при s = 0,3, а также получены графики зависимости относительных сил (осевой и тангенциальной) от механических свойств материала, относительного радиуса ШДЭ, диаметра и исходной толщины стенки заготовки, трения об инструмент.

На рис. 2 показано развитие зоны пластической деформации заготовки из АМгб для двух последовательных моментов нагружения ДЭ с Кщдэ=

Imp = 0 ■

Рис. 2. Развитие пластических деформаций (по элементам) в АМгб при /отр=0; D3 =60 мм; i0=3 мм; ЯШДЭ =3: а)* = 0,15 е.; б)/ = 0,23 с.

Из рисунка видно, что на начальном этапе нагружения (рис. 2, а) зона пластичности распространяется со стороны ДЭ на всю глубину стенки, затем отклик пластичности наступает со стороны оправки (рис. 2, б). Причем начало образования пластичной зоны в стенке заготовки со стороны оправки происходит по кратчайшему расстоянию от места контакта ДЭ.

На рис. 3 показано влияние размера ШДЭ на интенсивность деформации заготовки из алюминиевого сплава АМгб. Видно, что с уменьшением относительного радиуса ШДЭ (рис. 3, а) градиент деформации становится интенсивнее, чем при большем радиусе ШДЭ (рис. 3, б). Следовательно, сила деформирования также увеличивается.

Рис. 3. Интенсивность деформаций (по узлам) в АМгб при [тр = 0; % = 60 мм; = 3 мм: а) Ящдэ = 3; б) ~ЯщдЭ = 9

На рис. 4 показаны графики зависимостей относительных сил деформирования Рос и 1\ от степени деформации при различном относительном радиусе ШДЭ для АМгб без учета /тр. Пунктиром и знаком "*" нанесены данные экспериментов. Видно, что при равных степенях деформации осевая (рис. 4, а) и тангенциальная (рис. 4, б) силы возрастают с уменьшением относительного радиуса ШДЭ.

Рис. 4. Графики зависимости Рос и Рх от степени деформации для АМгб с различным Ящдэ при ]'тр =0; =60 мм; = 2 мм: а) Рос, б) РТ

Установлено, что при /тр > 0 оценка силовых режимов приводит к погрешности порядка 68 %. Сравнение теоретических расчетов и экспериментальных данных при (щ, = 0 по силовым режимам указывает на удовлетворительное

их согласование (расхождение не превышает 12 % для АМгб, и 15 % для 12Х18Н10Т).

Окраска КЭ в тонкостенной заготовке с 5-д = 2 мм из АМгб на рис. 5 при / = 0,25 показывает как интенсивность напряжений превышает предел прочности (рис. 5, б), что может привести к разрушению заготовь. Также видно, что узлы КЭ сетки под действием скользящего контакта ДЭ% трения сужены по высоте и растянуты в направлении движения инструмента.

б)

Рис. 5. Интенсивность деформаций (по элементам) в АМгб при 03 = 60 мм; з0=2 мм; Кшдэ = 6: а) /тр = 0; б) = 0,25

Из проведенного анализа можно сделать вывод, что при малых степенях утонения использование КЭ решения целесообразно для реализации упругопла» стического деформирЪвания РВ раскатными устройствами.

В третьем разделе проведены экспериментальные исследования процесса ротационной вытяжки по определению деформационных и силовых параметров, характеристик качества получаемых деталей. Для их количественной оценки использованы математические модели в виде уравнений регрессии, полученные в результате многофакторного эксперимента. С целью графического определения экстремума исследуемых параметров в зависимости от технологических факторов построены поверхности отклика и линии равного уровня.

В качестве экспериментального образца использована цилиндрическая труба из сплава АМгб, завальцованная с одного торца. Предварительно, на наружной поверхности образца нанесена делительная сетка. В узлах сетки высверливаются отверстия, куда запрессовываются штифты из латуни марки Л60. После раскатки, путем сопоставления конечной формы и размеров искаженной ячейки с начальной геометрией определяются основные характеристики локального формоизменения. Для получения математической модели этих характеристик использован линейный многофакторный эксперимент для трех факторов: глуби на утонения - Н = істаночная подача инструмента - /ст, диаметр давильного элемента - Одэ ■

Значения кодированных факторов, соответствующие реальным условиям использования их в процессе РВ, приведены в табл. 1.

Таблица 1

і I I

I

I I

Интервалы варьирования факторов для исследования

интенсивности деформации

Кодированные значения Натуральные значения

Н, мм /ст > мм ПдЭ, мм

хі Х1 х2

Нижний «-1» 0,75 0,2 11

Основной «0» 1,25 0,5 15

Верхний «+1» 1.75 0,8 19

Ах, 0,5 0,3 4

В результате получено уравнение регрессии для определения интенсивности деформации У] в кодированных переменных при прямом способе РВ: t\ = 0,9348 + 0,1369х[ - 0,1695*2 + 0,0776х3 - 0,2352*^ -- 0,2721x1*3 + 0,0389*2*3 + 0,203 1*1*2*з-На основе несимметричного плана второго порядка для пяти факторов на кубе выполнен анализ изменения силовых характеристик процесса РВ шариковыми раскатными устройствами. Регрессионные уравнения получены при исследовании влияния следующих технологических факторов: относительная исходная разностенность заготовки - As0 /sq, относительный диаметр давильного элемента - Одз /sq, степень утонения - w, относительная скорость деформирования - п!/дэ, относительный диаметр заготовки - D-j Isq.. Здесь /дэ~ fem ■ т ~

станочная подача, приходящаяся на один давильный элемент, т - количество давильных элементов. Диапазоны варьирования технологических факторов приведены в таблице 2.

Таблица 2

Интервалы варьирования факторов для исследования силовых ___и качественных характеристик___

Кодированные значения Натуральные значения

As0/so Пдэ'1* 0 V «//дэ D3/s0

х2 *3 х4 х5

Нижний «-» 0,1 5,0 0,43 1508 12

Основной «0» 0,2 6,3 0,48 1805 22

Верхний «+» 0,3 7,6 0,53 2102 32

Ах, 0,1 1,3 0,05 297 10

Полученные данные позволяют записать регрессионные зависимости составляющих сил деформирования РВ в виде следующих уравнений:

- для осевой составляющей

= (113,7-0,4*! +13,7.х2 + 2,9*з + 25,5*4 + 25,4*5 -11,7.x,2 +1,1*2 ~25'2х3 + + 10,2x^+8,5*5 +11,1*1*2 +11,4*1*3-8,1*)*4 - 8,2*1*5 -9,1*2*з -5,7*2*4 - (15)

-10,6*2*5 + 3,9*з*4 -11,9*3*4 + 1 5,6*4*5) /100;

- для радиальной составляющей

У3 = (21,7 +1,9*1 - 5,9*2 + Ь5*з + 0,2*4 + 0,2*5 - 0,9*2 + 5,2*| + 4,7*3 -

- 7,1*1 ~ 2,7*| +13*1*2 + 5,3*1*з - 2,2*1*4 - 0,1*1*5 + 7,9*2*з + 3,4*2*4 - (16) -2,9*2*5 + 2,7*3*4 + 5,0*3*5 -3,0*4*5)/100;

- для тангенциальной составляющей

]'4 = (26,4 - 0,4*! - 2,7*2 -1,8*3 + + 9.5*5 +1М*,2 - 6,1х\ - 5Дх| - 0,7*^ -

-1,3*5 +2,1*1*2+0,8*1*3 +0,6*1*4 +1,5*1*5-0,3*2*3 +0,2*2*4 -1,5*2*5 -0,1*3х4 -(17) -0,8*3*5 + 8,2*4*5)/100.

Технологические факторы, приведенные в табл. 2, также использованы для' прогнозирования качгственных характеристик получаемых деталей, такие как разностенность, овальность, шероховатость поверхности:

- для овальности

К5 = (108,5 + 50,7*!+ 4,4д:з ~ 4Л*5 + 1 4>9*2 ~ +

(18)

+ 3,9л2-*5 + 6,1*3*^ + 5,2х4*д)/1000;

- для разностщности

У6 = (17,8-1,4*! -1,3*3 - и*4 + 16*5 + 9,2*2 - 4,1х| - 7,5*| - 1,7*2х3 + (19 + 2,5*з*4 + 0,00/7*4*5)/1000;

- для шероховатости поверхности

У7 =(368,7-17,8*! +52,4*з -19,8*4 +8,6*^ -45,7*;? -59,0х? -

1 £ л (20) -15,2*|,*3 +16,5*2*3*- 29,8*2*5 + 45,6*3х5)/100.

На рис. б приведена графическая зависимость изменения шероховатости поверхности >7 от изменения относительного диаметра давильного элемента ¿>дэ Л'0 и степени обжатия ц/. Видно, что с увеличением относительного диаметра ДЭ я уменьшением степени утонения шероховатость обрабатываемой поверхности также уменьшается, и минимальна при Одэ / ¿о = 7,6 и = 0,43.

Рис. 6. Поверхность отклика и линии равного уровня шероховатости в зависимости от изменения степени утонения и относительного диамегра ДЭ

Приведенные регрессионные уравнения могут быть использованы для при-ближетой оценки деформационных, силовых параметров и качественных характеристик изделий в исследованном диапазоне варьирования при РВ.

8 четвертом разделе приведено описание разработанной автоматизированной метод!ки расчета технологических параметров РВ раскатными устройствами на базе информационного и программного обеспечения.

На основе базовых алгоритмов и разработанных уравнений регрессии, полученные в результате проведения многофакторного эксперимента, производятся: предварительная оценка расчетной величины шероховатости после РВ с данными чертежа детали, расчет параметров заготовки, технологических режимов и исполнительных размеров раскатного устройства. Для выбора материала

\

используется разработанная база данных программы «Материалы», как элемента методического обеспечения, предназначенная для хранения информации о химическом составе, механических, физических и технологических свойствах металлов и сплавов, применяемые в производстве.

Таким образом, автоматизированная методика позволяет повысить эффективность технологии за счет сокращения сроков на подготовку необходимой документации, осуществить прогнозирование качества получаемых деталей и сокращает время на экспериментальную доработку и внедрение процесса.

В пятом разделе, на основе результатов экспериментальных исследований, сформулированы общие рекомендации по выбору: типа заготовки, технологических режимов и степени утонения заготовки для обеспечения качественных характеристик изделия.

Анализ чертежа детачи «Корпус осушителя» (рис. 7) и технических условий на изготовление показал, что имеется возможность использования способа РВ раскатными устройствами в производстве указанной детали. Целесообразность использования данного способа объясняется не только возможностями получения высокой точности и чистоты поверхности, но и тем, что замена этим способом предшествующей технологии изготовления (механическая обработка труб) позволяет получить значительную экономию металла, увеличить производительность, уменьшить себестоимость изготовления деталей и использовать средства механизации процесса. М5*

Используя автоматизированную методику, получены рациональные технологические параметры процесса РВ для изготовления детали «Корпус-осушителя» в форме сводной технологической ведомости. Расчет основных характеристик качества детали «Корпус осушителя» по разработанным уравнением регрессии показал, что определенные технологические факторы: режимы обработки, размеры инструмента и условия деформирования, обеспечивают качество детачи заданное конструкторской документацией.

В приложениях приведены: текст макроса для реализации процесса РВ в /\NSYS; акты о внедрении научно-исследовательских результатов в учебный процесс и об опытной эксплуатации программного обеспечения в производстве.

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное народнохозяйственное значение для различных отраслей машиностроения, состоящая в повышении эффективности технологического процесса РВ с утонением стенки

Щ

Рис. 7. Чертеж детали «Корпус осушителя»

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

шариковым раскатным инструментом путем научного обоснования технологических параметров РВ, режимов обработки и ожидаемых характеристик качества детали, которые обеспечивают требования чертежа и позволяют снизить себестоимость изготовления.

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

1. Разработана конечно-элементная математическая модель упругопластиче-ского деформирования материала с изотропным упрочнением в процессе РВ с утонением стенки, которая позволяет оценить напряженно-деформированное состояние материала заготовки, характер течения материала, влияние трения между заготовкой и давильным элементом, и получить зависимости силовых параметров от технологических факторов. Анализ результатов показывает удовлетворительную согласованность с экспериментальными данными по силовым режимам.

2. В результате анализа результатов теоретического исследования, установлен количественный и качественный характер влияния основных технологических факторов: диаметр давильного элемента, трение, степень деформации, размеры заготовки на формирование пластической зоны.

Установлено, что при равных степенях деформации с уменьшением размера давильного элемента увеличиваются осевая и тангенциальная составляющие силы деформирования.

3. Процесс РВ ШРУ реализован в среде АЫБУБ (текст макроса приведен-в Приложении 1 диссертации), и может использоваться при анализе подобных объемных процессов.

4. В результате экспериментального исследования процесса РВ, установлено влияние технологических факторов на составляющие силы и характеристики качества получаемых деталей.

5. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для расчета размеров заготовки под РВ раскатными устройствами и полуфабриката после деформации, количества операций, технологических режимов, инструмента, штучного времени. Результаты расчета выводятся в форме технологической ведомости, которая позволяет снизить трудоемкость составления технологических карт и сократить время на экспериментальную доработку техпроцесса.

6. Для обеспечения качественных характеристик изделия (шероховатость, раз-ностенность) сформулированы рекомендации по выбору: типа заготовок, технологических режимов, предельной степени утонения.

7. Практические результаты данной диссертационной работы использованы на предприятии ОАО «Газстройдеталь» (г. Тула). Отдельные результаты исследований внедрены в учебный процесс при подготовке бакалавров и магистров по дисциплинам: «Основы метода конечных элементов», «Технологии конструкционных материалов» и «Научно-исследовательская практика».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Наумов Д.М., Вальтер А.И. Математическая модель процесса вытяжки с утонением стенки на базе МКЭ // Известия ТулГУ. Серия. Технические науки. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. - Вып. 4. - С. 96-101.

2. Наумов Д.М., Вальтер А.И. Математическая модель процесса образования вяехонтактной деформации при ротационном деформировании оболочек // Известия ТулГУ. Серия. Технические науки. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. -Вып. 3.-С. 204-207.

3. Наумов Д.М., Вальтер А.И. Моделирование процесса ротационной вытяжки с утонением методом конечных элементов Н Известия ТулГУ. Серия. Технические науки. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. - Вып. 5. - С. 324-332.

4. Наумов Д.М., Вальтер А.И. Теоретическое исследование процесса ротационной вытажки осесимметричных оболочек с утонением стенки И Современные' технологии обработки металлов и средства их автоматизации. Секция 1. Высокоэффективные технологии обработки давлением и сварки. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. -С. 30-32.

5. Наумов Д.М., Вальтер А.И. Кинематический анализ процесса ротационного деформирования с учетом вращения заготовки И Вестник ТулГУ. Серия. Актуальные вопросы механики. - Тупа: Изд-во ТулГУ, 2008. - Вып. 4, т. 1. - С. 27-32.

6. Наумов Д.М., Вальтер А.И. Интегрированная САПР процессов ротационной вытяжки 11 Автоматизация: проблемы, идеи, решения. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. -С. 24-27.

7. Наумов ДМ., Вальтер А.И. Методика применения баз данных в автоматизированных системах расчета процессов ОМД// Автоматизация: проблемы, идеи, решения. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. - С. 27-30.

8. Наумов Д.М. Исследование процесса ротационной вытяжки с утонением стенки // Молодежные инновации. VI-я молодежная НТК. Секция. Технические науки. Сборник докладов. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. - Ч. 2. - С. 162-164.

9. Наумов Д.М., Вальтер А.И. Методика определения степеней деформации при ротационной вытяжке с утонением стенки // Автоматизация: проблемы, идеи, решения. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. - С. 174-177.

10. Наумов Д.М., Вальтер А.И. Математическое моделирование критического нагружения при упрочнении поверхностно-пластическим деформационным ротационным раскатным инструментом // Деформация н разрушение материалов и на-номатериалов. Deformation and Fracture of Materials and Nanomaterials (DFMN 2011). IV международная конференция. Секция 14. - M.: ИМЕТ РАН, 2011. — С. 885-887.

Отпечатано: типография ООО «Борей гёпюс» ИНН 7106028922 300000, г.Тула, ЦПКиО, корп.5 Уч.-изд.л. 1,04 ф.1/16. Бумага офсетная . тираж 130 экз. заказ № 18 от 27.03.2012 г.

61 12-5/2804

ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

На правах рукописи

НАУМОВ ДЕНИС МИХАЙЛОВИЧ

РОТАЦИОННАЯ ВЫТЯЖКА С УТОНЕНИЕМ СТЕНКИ ШАРИКОВЫМИ РАСКАТНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ

Специальность 05.02.09 - технологии и машины обработки давлением

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор А.И. Вальтер

Тула 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................4

1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ РОТАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКОЙ............................................с.....................................................................14

1.1 подходы к изучению процесса РВ...............................................................14

1.2 Модели поведения материала......................................................................16

1.3 Энергосиловые параметры процесса ротационной вытяжки.................17

1.4 Определение предельной степени деформации.........................................23

1.5 Экспериментальные исследования.............................................................24

1.6 Опыт использования метода конечных элементов в исследованиях ротационной вытяжки....................................................................................28

1.7 Автоматизированное проектирование технологических процессов деформирования...............................................................................................29

1.8 выводы и постановка задач исследований...............................................32

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РОТАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКИ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ................................................................35

2.1 Исследование распределения степеней деформации при ротационной вытяжке с утонением стенки........................................................................35

2.2 Постановка задачи исследования для упругопластической модели.. 38

2.3 Особенности реализации инкрементального алгоритма в рамках МКЭ-модели.....................................................................................................41

2.4 Алгоритм реализации упругопластической модели................................46

2.5 Условия на поверхности контакта..............................................................48

2.6 Методика численного моделирования.......................................................51

2.7 Расчетная схема нагружения.......................................................................52

2.8 Определение геометрической модели.........................................................53

2.9 Выбор типа конечного элемента..................................................................56

2.10 Модели поведения материала..................................................................58

2.11 Дискретизация модели..............................................................................60

2.12 Элементы контактного взаимодействия...............................................62

2.13 Приложение ограничений..........................................................................65

2.14 Контактное трение при пластическом деформировании....................67

2.15 Численный решатель...................................................................................68

2.16 Обработка результатов...............................................................................71

2.17 Описание результатов................................................................................72

3. ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА РОТАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКИ С УТОНЕНИЕМ

СТЕНКИ НА БАЗЕ ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА...............................80

3.1 Исследование механизма деформации......................................................80

3.2 Экспериментальное исследование силовых параметров.......................88

3.3 Прогнозирование качества получаемых деталей....................................95

4. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РОТАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКИ.......100

4.1 Основные принципы создания автоматизированной методики расчета технологических параметров ротационной вытяжки............100

4.2 Описание и характеристика применяемых баз данных........................104

4.3 Формализация процесса проектирования БД..........................................106

4.4 Алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированной методики расчета..........................................................................................107

4.5 Программное обеспечение базы данных «Материалы».........................115

5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.................»..........121

5.1 Требования, предъявляемые к заготовкам...............................................122

5.2 Выбор и расчет заготовки.............................................................................123

5.3 Основные технологические параметры процесса..................................125

5.4 Пример технологического процесса ротационной вытяжкой.............130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................135

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...............................................137

ПРИЛОЖЕНИЕ 1........................................................................................................152

ПРИЛОЖЕНИЕ 2........................................................................................................158

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе развития индустрии машиностроения, обеспечение стабильной работы предприятий по выпуску конкурентоспособной продукции является задачей первостепенной важности, которая характеризуется таким качественным показателем, как эффективность производства.

Необходимостью и возможностью повышения эффективности производства, где часто происходит смена номенклатуры деталей, обусловливаются интенсификацией производства, повышением качества изделий, разработкой и широким использованием безотходных и малоотходных, энергосберегающих и гибких малопереходных технологических процессов, реализуемые на несложном, компактном оборудовании.

Значительная роль в решении этих задач отводится методам обработки металлов давлением. Обработка металлов давлением основана на использовании пластических свойств материалов и отличается высокой производительностью и экономным расходованием металла по сравнению с литьем и механической обработкой и, кроме того, улучшает механические свойства металла. Но использование в этом случае традиционной многооперационной вытяжки экономически нецелесообразно.

В современном машиностроении широко используются процессы пластического формоизменения с локальным приложением нагрузки, такие как: прокатка, волочение, прессование, свободная ковка, штамповка.

Разновидностью одного из таких процессов локального деформирования металла является ротационная вытяжка (РВ). Такой процесс представляет собой пластическое формоизменение материала заготовки, закрепленной на вращающейся оправке, давильными элементами (ДЭ), движущимися под действием сил трения от заготовки, которые перемещаются вдоль оправки с заданным зазором. При соприкосновении давильных элементов с заготовкой в

месте их контакта возникает большое удельное давление, под действием которого металл заготовки пластически течет в зазоре между оправкой и давильными элементами, вызывая удлинение заготовки в продольном направлении. Внутренняя поверхность детали принимает форму наружной поверхности оправки, а наружный контур детали повторяет траекторию перемещения давильного элемента.

В техническом отношении РВ позволяет:

- получать полые осесимметричные детали весьма сложных форм, изготовление которых другими методами затруднено или невозможно;

- создавать лёгкие, прочные и жёсткие конструкции деталей при небольшом расходе материала;

- регулировать точность обработки наладкой станка, получать детали с высокой точностью и малой шероховатостью поверхности;

- получать полые осесимметричные детали с заданным переменным сечением стенок или без уточнения с одновременным улучшением мехсвойств материала;

- выполнять на одном и том же оборудовании и с одного установа основные и доделочные операции;

- получать детали из прочных и пластичных материалов;

- выявлять в процессе РВ трещины и другие пороки материала;

- осуществлять подогрев в процессе деформирования;

- обеспечить небольшую силу и энергозатраты при формообразовании.

Стоимость инструмента для давильно-обкатной обработки не велика и

обычно составляет 10-^25 % от стоимости инструмента, используемого при пластическом формообразовании, выполняемом другими способами.

В экономическом отношении для РВ характерно следующее:

- высокая стойкость, простота, малая масса и низкая стоимость приспособлений и инструмента;

- высокая экономическая эффективность при изготовлении деталей малыми сериями;

- малые сроки и небольшие затраты на подготовку производства;

- сокращение цикла обработки деталей и снижение себестоимости благодаря концентрации операций на одном рабочем месте;

выполнение основной доли квалифицированного труда конструкторами, технологами, наладчиками и сведение обязанностей рабочего к постановке заготовки и снятию готовой детали.

Основные достоинства РВ перед другими процессами обработки давлением - это гибкость технологии; высокая точность и чистота поверхности деталей; достижение больших степеней деформаций, чем при штамповке; получение деталей из трудно деформируемых сплавов; совмещение нескольких деформирующих операций (вытяжка, формовка, обжим, раздача); сравнительно несложная оснастка; высокий коэффициент использования металла; малая энергоемкость процесса. Указанные преимущества определяют область эффективного использования процесса РВ при получении осесим м етричн ых полых цилиндрических оболочек с различной толщиной стенки, к которым предъявляются высокие требования по точности геометрических характеристик и механическим свойствам.

Некоторые детали из сплавов плохо поддаются обработке резанием, но легко могут быть обработаны на станках ротационной вытяжки.

Для ротационной вытяжки пригодны многие черные и цветные металлы. Используемый для этого металл обычно должен иметь малое сопротивление деформированию и низкий предел текучести.

При разработке технологических процессов ротационной вытяжки в настоящее время используют эмпирические зависимости из различных справочных материалов, а также результаты теоретических исследований. Хотя, в некоторой степени, процесс РВ аналогичен с широко известным процессам вытяжки и глубокой штамповки, он тем не менее является

достаточно сложным и малоизученным процессом формоизменения. К тому же, многочисленные теоретические и экспериментальные исследования условий формоизменения при обычной вытяжке не могут быть использованы в качестве аналога при рассмотрении операций РВ в связи с локальным характером приложения нагрузки и вращением заготовки. Поэтому возникает необходимость проведения теоретических и экспериментальных исследований процесса РВ осесимметричных деталей шариковым давильным инструментом с целью оценки силовых параметров, предельных возможностей формоизменения, позволяющих дать рекомендации по выбору оборудования и технологической оснастки, и рациональных режимов обработки.

Работа выполнена в соответствии с грантами: Губернатора Тульской области в сфере науки и техники № 65-К-1/1416 (2009 г.), государственным контрактом Министерства образования и науки Российской Федерации № П1026 (2010-2011 гг.), и грантом РФФИ№ 10-08-97510 (2010 г.).

Цель работы.

Повышение эффективности технологического процесса ротационной вытяжки с утонением стенки шариковым раскатным инструментом на основе обоснованного расчета рациональных технологических параметров.

Методы исследования.

Аналитическое исследование выполнено на базе основных теоретических положений механики деформируемого твердого тела и теории пластичности с использованием эффективных и апробированных численных методов решения задач механики сплошных сред. Экспериментальные исследования проводились с использованием теории планирования эксперимента и статистических методов обработки данных.

Автор защищает:

1) математическую модель процесса РВ и результаты теоретического исследования влияния технологических факторов на упругодеформированное состояние материала;

2) результаты экспериментальных исследований по определению интенсивности деформаций, силовых режимов и характеристик качества при РВ детали из алюминиевого сплава АМгб;

3) алгоритмы, методическое и программное обеспечение для расчета технологических параметров процесса РВ ШРУ;

4) практические рекомендации по выбору режимов обработки и технологической оснастки, обеспечивающие повышение качества деталей, снижение трудоемкости и сокращение времени на подготовку производства;

5) рациональные технологические параметры процесса РВ ШРУ детали «Корпус осушителя», обеспечивающие получение изделия с требуемыми эксплуатационными характеристиками.

Научную новизну составляют: установленные закономерности изменения силовых параметров процесса ротационной вытяжки в зависимости от степени деформации, размера давильного элемента, механических свойств материала заготовки на основе математической модели упругопластического деформирования с упрочнением, и регрессионные уравнения для оценки силовых параметров процесса и характеристик качества получаемых деталей.

Практическая ценность работы.

Сформулированы практические рекомендации по выбору режимов обработки и технологической оснастки, обеспечивающие повышение качественных эксплуатационных показателей деталей.

На основе регрессионных моделей разработана автоматизированная методика расчета технологических параметров процесса РВ. Практическая ценность подтверждена опытной эксплуатацией на производстве, в ходе которой установлено снижение трудоемкости проектирования техпроцесса и оснастки при изготовлении детали «Корпус осушителя» в 2,5 раза, и сокращением сроков технологической подготовки производства в 4,5 раза с реальным экономическим эффектом.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на 1У-й международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (г. Тула 2011 г.) (г. Москва 2011 г.); на У1-Й молодежной НТК конференции ТулГУ «Молодежные инновации. Технические науки» (г. Тула 2010 г.); на международных НТК «Автоматизация: проблемы, идеи, решения», ТулГУ, (г. Тула 2008, 2009, 2010 гг.); на Всероссийской НТК студентов и аспирантов «Современные технологии обработки металлов и средства их автоматизации», (г. Тула, 2008 г.).

Публикации.

Материалы проведенных исследований отражены: в 3 статьях изданий, рекомендованные ВАК для публикации на соискание ученой степени кандидата технических наук, в 2 статьях межвузовских сборников, в 5 докладах научно-технических конференций. Общий объем - 4,2 печ. л., авторский вклад - 3,2 печ. л.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 134 наименований, приложений и включает 135 страниц машинописного текста, содержит 55 рисунков и 4 таблицы. Общий объем - 160 страниц.

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе научно-технической задачи, сформулированы цели работы, положения, выносимые на защиту, научная новизна, методы исследования, практическая ценность, приводятся данные о реализации работы, публикациях, структуре и объеме диссертационной работы, краткое содержание разделов диссертации.

В первом разделе работы представлен обзор современного состояния теории и экспериментальных исследований технологии изготовления тонкостенных осесиммётричных деталей методом РВ, опыт применения МКЭ, сформулированы подходы к изучению процесса РВ, определению силовых параметров, предельной степени деформации, рассмотрены модели поведения

материала. Намечены перспективные направления интенсификации процесса РВ и повышения качества изготавливаемых осесимметричных деталей с использованием автоматизированных систем и численных методов моделирования процесса. Обоснована постановка задач исследования.

Вклад в развитие теории и практики процесса ротационной вытяжки внесли ученые В.Ф. Баркая, К.Н. Богоявленский, А.И. Вальтер, М.А. Гредитор, В.В. Смирнов, И.П. Ренне, И.И. Казакевич, В.Г. Капорович, В.И. Корольков, Н.И. Могильный, К.Д. Елин, Е.А. Попов, В.И. Трегубов, A.C. Чумадин, Л.Г. Юдин, С.П. Яковлев, С.С. Яковлев и др.

На основе проведенного обзора работ следует, что в настоящее время отсутствуют надёжные методы анализа напряженного и деформированного состояний цилиндрической заготовки, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения в зависимости от технологических факторов процесса РВ и схем обработки, а также практически отсутствуют рекомендации по расчёту и выбору рациональных технологических параметров для обеспечения заданных качественных характеристик изготавливаемых деталей.

Во втором разделе приводится описание разработанной математической модели на основе вариационных уравнений для анализа упругопластического материала при ротационной вытяжке тонкостенных осесимметричных деталей методом конечных элементов (МКЭ). Этот метод приводится как наиболее действенный и мощный, поскольку преодолевает определенные сложности, связанные с геометрией процесса, механическими свойствами обрабатываемого материала при больших деформациях и граничными условиями на поверхности контакта между материалом и инструментом. Математическая модель предусматривает линейное изотропное упрочнение. Условие текуч