автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Штамповка фланцев цилиндрических заготовок

■ ТУЛЬЖШ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Р Г Б ОД 1 5 ДЕК 1998

На правах рукописи

Басалаев Лнитрий Эдуардович

ШТЙШОЕКЛ ФЛАНЦЕВ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК

Специальность 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени ' кандидата технических наук

Тула - 1986

- г -

Работа выполнена на кафедре "Технология штамповочного производства" Тульского государственного университета.

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических науки, профессор ЯКОВЛЕВ С. П.

■ Официальные оппоненты : доктор технических наук, профессор

Ведущая организация - АООТ ОК'ГБ :'Ротор:|

Защита состоится " ' 50 " декабря 1996 г. в 16 час. р 9 учебном корпусе, еуд. 101 на заседании диссертационного совета К 063.47.03 Тульского государственного университета по адресу: 300600, г.Т^ла, пр. Ленина, 92.

С диссертацией моано ознакомиться в библиотеке. Тульского государственного университета . _ „

Автореферат разослан коябрд 1096 г.

СМАРАГДОВ И. А. кандидат технических нау(с, старший научнцй сотрудник ЗИМИН В.Ф.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.$т; - и.п», децоот

сщля игтвтат доощ

^учпиюйу^ smOcren,-. Твхкояоп'.чш^зз пронеосн, ооучеотвлдениа в настоящее врс:м иа автоматических роторйих яинняа;, э основном сводятся к холодной штамповке н сборке составляющих боеприпасов. Рас-кфенва номенклатура иэдэлий, которые моию полгать иа ' автоматических линиях, способствовало бн усйеагсну роук-готзлетга конверсп-атю'1 пощтт существующего прсазводствз,

Б сеязц о .этим разработка п иоалодвводиз тахнологичссках. процессов получения деталей народного потребления |тятэЕ8Ий обработка иотаялоз давлением (йИ) па еатокатическшс ротернш: и роторао-кон-зейерш* лшктя (АРЛ И ЛР1СЛ) входят з ч«сло приорптатпих ваправле-ш*й по оозданп» технология адаят'превг-чнцх к евшатазвроведиому ' производству изделий йлооового выпусгл.

Раз; горн изделий", яэлучзжык на зптекзттшеко?-! оборудовании, 'зз ' цекоуорш исклвчзниен. К8 пре.рншаэт 25 км. в дианзтро, Холодная объемная штамповка .мелких издали;-, к каким относятся вышеуказанные размера, имеет свои особенности а4 огрвшметт как па дооттжй степени деформаций за одни перевод, таге и по ¡дольному усилии на инструмент. • ' - '

Известна, что при спеце знак* ллаотпческой яеФорнапш!. например, раотягеяие-сяатйо и наоборот, прочлостпнз свойства металла сншиште-Ч. .

Исследования последних лэт показали, что* при соблюдении определенной последовательности операций холодной втампозкп в М"-огооперз-щюкшх технологических процессах, при которой каждая последующая меняет знаки плаотичзсКоЯ деформации предыдущей котя бы в ■ одном (идеальный олучай в трех) направлении на противоположные, наблюдалось снижение деформирующих усилия (проявлениэ эффекта, Баушкнгера) р некоторое поенюение пластических свойств металлов. '

Поэтому энергоемкость АРЛ и АГКЛ, а, следовательно, их. слок-нссть и стоимость будут напрямую эарцсоть от правильного выбора технологического процесса и расчета деформнруювдв усилий, определяющих стойкость инструмента и привод машины..

При выборе или разработке нового кногооперацкенного технологи-^ •ческого процесса для АРЛ так«» считается нежелательным включать термохимические операции по восстановлению пластических свойств обрабатываемого металла.

Диссертационная работа проводилась на кафедре "Технология штамповочного производства" Тульского государственного университета в ранках госбюджетных тем 5202 ЗН и 21-96 ЩГеория, технология и оборудование обработки металлов.давлением".

. Цель работа: оптимизация многооперационных процессов холодной объемной штамповки фланцев цилиндрических заготовок мелких изделий на автоматическом оборудовании, на основе учета знака пластической деформации и снижения деформирующих усилия по переходам.

Методы исслмовзинП. Для подтверждения данных полученных в результате знакопеременного деформирования использовалась трансляционная теория анизотропного упрочнения. Теоретические исследования кинематических и силовых параметров процессов получения фланцев цилиндрических заготовок, выполнены на опнове метода функции тока трансляционной теории пластического течения анизотропно упрочняющегося металла.

Все расчеты выполнены на ПЭВМ, для чего был разработан необхо-, димый пакет программ."

Эксперименты проводились на испытательной машине ГМС-50, с»применением современной регистрирующей аппаратуры.

1. Методику учета влияния изменения знака пластической деформации на сопротивление металлов деформированию.

•2. Зависимости силовых и кинематических параметров получения Фланцев на торцах и посередине полых и сплошных цилиндрических заготовок.

3. Новые технологические схемы в многооперавдонных технологических процессах холодной объемной цтацповки, учитывающих знак пластической деформации по .переходам. .'

Научная новизна. .

1. Предложены соотношения Яля расчетов силовых параметров наиболее часто встречающихся схем холодной объемной штамповки фланцас п полых и сплошных цилиндрических заготовках с учетом кинематики течения металла.

2. Установлено влияние знака предварительной пластической деформации на силовые режимы процессов холодной объемной штамповки. '

3. разработаны методологические основы проектирования многооперационных технологических процессов холодной объемней штамповки из прутковых и трубчатых заготовок, 'на основе учета знака пластической

деформации по переходам.

Праатачзпкая нёнрость р рзяцтазагада раЗотц.

Разработано, теоретически обоснованные, подтвержденные экспериментально й в опытно- промышленных условиях, рекомендации по проектирований ¡шогооперационних технологических процессов получения • фланцев в полах и сплошных цилиндрических заготовках." ' -

Предложена .технология получения заготовки головки контакта запальной свочи, ссстояа'дз из трех операций: резки заготовки, "набора укщешга и высадки Фланца, которая принята для проектирования автоматической роторнса лянтс производительностью 120 шг/иий. '

Результаты работы были" доложены на Международной конференции 6

"Прогрессивные технологии « оборудование для обработки металлов • давлением", г, Киев,* 19ЭЗ г., Республиканской конф«рэнции "Реоур-сосберегав^ш технолога! машиностроения", МАНИ, г. Москва, 1993г., Международном конгрессе "Конверсия, паука и образование". г.Тула, ТулГТу, 1993г., научно-техническом семинаре "Новые технологический процессу е машшострсешш''. 'Межрегиональной выставки-ярмарки "Лпп-ладнихи Декидоеих", г. Тула, 1995 г., научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (1993-1996 гг.).

1ЙЙВИ2ЙЙШ«. По теме дисоертащш опубликовано 6 работ.

Стдутя'ур.", н аЛьан Диссертация состоит из введения, 4

разделов, заключения » содержит 110 страниц, 33 рисунка, 2 таблицы, списка литературы из, 97 наименований и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

,Р:й,1Ш2ЛУШ5 обоснована актуальность темы, сформулированы цель, научная новизна, а такяе основные научные положения работы, выноси- • дав на защиту.

-11ДШ!С£М-2333Ш23 работа даптся краткие характеристики особенностей операция холодной объемной штамповки иелких изделий из полых и сплошных цилиндрических заготовок, методов их расчета, влияние знакопеременного деформирования чя. усилия процессов, а также Формулируются задачи исследования.

Технологические процессы холодной объемной штамповки по степени деформации и удельному усилию деформирования подразделяются на две

группы: для изделий диаметром до 10 (ш и диаметром о .10 до 25 им. В связи 'с большими Удельными усилиям« И соответственно . низкой стойкостью инструмента допустимые степени деформации для изделий диаметром :

а) до 10 ым - до 30 % ;

б) свыша 10 до 25 мм - до 65 % .

Анализ технической литературы и экспериментальных данных показывает. что в атон диапазоне степеней деформации И наблюдаются наибольшие различия р напряжениях течения при штамповке одного и того же Металла, предварительно деформированного с таким же или противс-полоянда знаком.

В этой св^зн возникает необходимость разработки единого -метода расчета деформирующих усилий, наиболее часто встречающихся схем хо-лзГ'.пго объемного деформирования полых и сплошных цилиндрических заготовок (осадка-высадка фланцев), с учетом кинематики.течения.

• В соответствии с выдвинутой целью в работа поставлены следующие задачи:

1. Предложить методику анизотропного, упрочнения, объясняющую . ■ снижение деформируввщ усилий При знакопеременном деформировав;«.

2. Получить зависимости для Исследования кинематики течения и определения энергосиловцх параметров процессов получения' фланцев па торцах и посередине цилиндрических сплошных и полых заготовив '

3. Экспериментально проверить основные положения теореуического анализа знакопеременного деформирования.

4. Разработка рекомендаций По оптимизации технологических процессов холодной объемной штамповки и внедрение новых процессов в производство.

По утерей разязлз" предложена объединенная диаграмма растяже-. ние-сжатие на-основе известной-трансляционной теории анизотропного упрочнения, показывающей, что в пространстве активных напряжений поверхность текучести Фиксирована, в то.время как в пространстве тензора приложенных напряжений эта поверхность перемещается Как абсолютно твердое тело.

С целью ' упрощения принят линейный закон упрочнения, т. е.

^6?.О = ± ИГ к .+ - аер.с . ■ (1)

2-

- ? -

где {fp, с - напряжения рзстяятания и сжатая; к - предел текучести при сдвиге; íp.B - дофорнзцщ? растяжения и сиатия: а - плаотическая постоянная, зависящая в- общем олучае от инвариантов тензора пласти-• чэских деформаций }. '

Из рассмотрение объединенной диаграммы "раотявение-сжатие" (риа.1) следует,что оотаточндя деформация растяжения Повышает предел текучести при растязении в том кэ направлении м сникает пластичность металла- В то ко время эта остаточная деформация растяжения сшйает прадед текучзотя при окатин в рассматриваемом направлении и пстыкает пластичность материала, . Если sa остаточная деформация п y|taaauHO!t копрашйтш является деформацией оватця. то приходим в прлйо- противоположны?) вкяодзЦ об увеличения ИЛИ уменьшении -сопротивления деформирования я запаса пластичности,

Здесь :зо • приведены результаты" экспериментальных Нсследованйй. внполнпшые для проверки- достоверности построения модели пластичес-' кого течения я определенна дефоркирдаих усилий. Для проведения экспериментальша исследований была спроектирована -и изготовлена опытная итанповая оснястка.

Проведенные эксперимента показали; что при получении фланцев внутри и снаружи полой. неотоааенной цилиндрической заготовки из алюминия Ш при одинаковой степени осадки разница в усилиях обставляет около 25 %. Это объясняется тем, что при получении фланца "нутри полого цилиндра знак пластической деформаций не меняется, г. е. остается тс:а?и so как 'и при нолочеюш, тогда как при получении фланца снаружи эн*.к дсфориащт лояяетоя на протнвонологзшЗ.

Поэтому для определения-иптегра'льпяч значений усилий деформирования. имело скчол свести коэффициент к*, учитывавший знак пластической деформации на каждой перехода в многооперационных процессах холодной объемней пггамповки.

Значения гшоф^пгаэнта к" на основании {рзеприведенннх данных установлены в оледу-даих пределах: - при сохранении знака яластичсс-' ,чоЯ ,дефор;шциц К* = 1,11; - при смене знака пластической деформации К* = 0,59; - npir дефорчаякч оточенного металла К* « I.

Г-К'ПГ^ХГЛ-'!^'! болзэ подробно рассмотрен» случаи получения Фланцев внутри полах ;i снрру;?я сплоизшх цилиндрических заготовках (pife. 2, а,е).

' - Компонента вектора скорости осесимметричного пластического течения для полой вдшшарячоскоП заготовки '(рис. 2. а) определяются

следующим образом :

' 1 ¿V г ру . ^

р дг . р '©р

где ¥ - Функция тока осеенмматричного пластического течения.

Определив скорости деформаций и проведя аналитические преобразования, с учетом условия несжимаемости, выражение для интенсивности скоростей деформаций сдвига примет вид:

, / « / дЧ \г -4 ОУ (3*4

н - — — I —}--— — + 4|— |

р • рг V дг ) р дг ' \-д$дъ I

+ —- -—— +

I- Е?р2 р др. дъг I ■ - (3)

.С учетом граничных условий, общее выражение для функции тока следующее: .

= V + т1,_ ■ ' (4)

Где V - наиболее простая функция, .удовлетворяющая заданным граничным условиям :

' . ' . {Е?г - рг) гЕ-

¥ = -—-— Г , ' (5)

/ 2Пг ' '

ш - функция неотрицательная в пластической области и равная нули на границах контакта металла с инструментом:

и = Ш2 - рг)Шг2е Зйг3 + гг1) . (6) -

. X - полином вида: X ' С1 + С?р + С32 + С4р2 + С5ря + С6гг.....

Определив скорости с учетом быракения (2)

• . ' " 1 г И . 0« 01-1

Щр.г) -= - —- | — + — - % + -— ы| ; . -р 1 дг дг 'дг. -1

-п -

■ 1 r Ovi ' Ou ЭХ

K(p.z) =--| - + - X +--<a| . (7)

p L Щ dp J

и принемая материал идеально пластическим, т.е. Т * тэ = й8 / ¡/з. а трение - прандлевым, т.е.. т№,г) » т(р,h) = fte= f63 /.^выражение для полной мощности запишется в следующем виде: ♦ /

!1„ =-2лб3 аДЩТ Hpdpdz + f/W(R,z)Rdi2 + fj"U(p,h)pdp] (8) ■

1.3) < L R i <LiH -

где первое слагаемое - мощность пластической деформации, второе и третье - мощность- сил трения на контактчых поверхностях (горизонтальной и вертикальной). .. • ' ,

Чтобы определить коэффициенты Ct , воспользовались тем, что из всех кинематически возможных полей.скоростей реально описывает процесс деформирования то поле, которое минимизирует полную мощность. Т.е., чтобы определить коэффициента Cj, Необходимо решить систему уравнений вида:

Р„ -

- = О (1 = 1, 2,. .-., 6) (9)

an ■ - '

L/ Ь J

В более подробной записи:

■ г г 1 Н2 ■ с |W(R,3)'| ■ г | U (р, h) | -

j --- pdpdz + f |---Rdz + f -:-pdp О

J J2H ¿?Cj 1 ' dCt i о С,

< S) ( LR > (Lh)

(1 = 1, 2.....6) - (10)

Система уравнений (10) нелинейна относительно коэффициентов с1: Нелиейпость Ьозникает из-за множителя 1/Н, стоящего под знаком двойного интеграла. Решение.нелинейных систем уравнений является очень' сложной задачей и требует й большинстве случаев значительного времени рейения. Поэтому рещзется система (10) методом последовательных приближений, .значительно быотрёа приводящим к решению. Он заключается- в том , что-строится Итерационный процесс,• на каждом шаге которого решзется_система линейных уравнений," полученная из системы (10) путем замены Й , как функции от р. '2 и С1 на'Н, как.

Функции от р и 2 . В качество С/ (¡8 каддом шаге попользуется с,, полученная на продйдущзм шаге. D качестве начального (нулевого)

приближения было вспользооано C¿° =.0 (i = i,-2.....6).

В качоотве кштерия сходности принималось оледУ&цее неравенство:

I сГ» - Ct<-í Í

I--j < е (i = i, 2, ..., 6) (И)

I ■• I

где?, е - наперед заданное положительное число меньве единицы.

Одинарные интегралы входязде пг(Ю), "нетрудно вычислить аналп-4 тическа, во® принять интервалы интегрирован®! для tiepaoro интеграла 10, ИЗ « tr.Hj л® второго.

Двойные интегралы, входящцё у (10), ' вычислить аналитически из представляется • возмоклып. псзтсыу их ¡шкодили численно путем повторного (двухкратного) применения кааддатурноП формулы Чебышева.

Плслз определения коэффициентов C¡ ыокно определить усилие про- цесса деформирования :

Р - «И/Г . .{12)

н исследовать кинематику,процесса. (7) а

Теперь рассмотрим случай получения утолщения посередине сполош-ной цилиндрической заготовки (рис. р. е) ?

В соответствии с граничными условиями функция тока. Н>' имеет следующий вид:

p2za(3h - 2z)

У* --vi* . (13)

2h3 . *

Также как и в первом случае, построим функцию ui удовлетворяющую однородным граничным условиям, неотрицательна в пластическоП области и 'равную нулю на границах контакта деформируемого металла и инструмента.

Этим граничным условиям удовлетворяет функция:

ti = p(h2z32hz3 + z4) . (14)

" Как и в первом случае .

■ - Ч' = ¥ + ы% . ' (15)

. \

После определения производи® функций У . о и X . находим скорости U и W по формулам (7), с учетом того, что U >. 0.

В связи с отсутствием сил трения полная мовдость пластического деформирования определяется следующим вырааениеМ:

• Йп - н, (16)

Для нашего случая выражений для полной мощности будет иметь

вид:

Яд = гя ff- ÎHpdpdz ,

(S)

Дальше цо аналогии с первым случаем определив коэффициенты Cj определяем усилие процесса деформирования по формуле (12), т.е.

Р = tyw • tf?) (

После чего умножив (12) и (17) на К", т.е. '

Р.= k*ïîn/W', (18)

.получу усилия необходимые для деформирования заготовок и расчета привода ЛРЛ."

В качестве примера были сделаны расчету процесса получения фланца на торце внутри полой цилиндрической заготовки из алюминия АД1 наружным диаметром «' 1В мм и внутренним DBH = 14. Изменение высоты 4h = 2 кн. степень деформации'логарифмическая t = п,33 (бт » 120 йПа, ). Результаты расчетов приведены на рис. 3; 4.

Анализ полученных зависимостей показывает, что"выбор коэффициента к*= 1,11 оказался правильным и максимальное усилие для данного процесса при указанной, выше степени деформации составило Ртах = 22,6 кН. Поэтому. ' не смотря на то, что напряжение течения бт бралось с кривой упрочнения отожженного металла , расчеты и экспериментальные данные имеют разницу ~ (рис. 3) что вполне допустимо при верхнегранкчйых решениях. '

На правильность выбора коэффициента к'- указывают полученные значения 'горизонтальной составляющей вектора скорости пластического течения U(z) (рис. 4), имеющей такое же направление как при волочении, редуцировании или прямом выдавливании , т. е. знаки пластической'деформации предыдущей операции волочения совпадают с высад- •

w 14

CL

ko. кН

22,&

W

Ó

*

И - ■

дЬ-

M

Рис.3, GapiïCBioçjîi» P av д h яря пдлу^евда фладца зяутрв шишщркчоской ¡заготовки при j = ОД*

Z

4

ч. \Г

..... Гг'Ч \ ti \<

\ V

X

V '

ч

%

rv

W

а ■

\Г2 -он. . '0,2

-Oh- -0, i -PßS О -û,i О •

Ркс.4» РаспределеиЕв охороотей по ъисочи -зеро^оЕКЯ при / » o,i. I - ОД, г - W(Z).

кой фланца внутри цилиндрической заготовки и направлены к центру.

В четвертом раздел на основе проведений исследований разработаны практические рекомендации по проектированию многооперационных технологических процессов холодной объемной штамповки из прутковой И трубчатой заготовок (табл.1,2). где описаны основные принципы учета знака пластической деформации и расчета усилий по переходам.

Приведен технологический процесс получения заготовки " головки контакта из ста$и 10. Даны значения усилий полученных по формуле (18) и при испытаниях технологии. Причем при расчете.набора утолще-"ния значение коэффициента, к' = 0,89 т.к. знак пластической деформации при этой операции, по сравнению с волочением прутка меняется на противоположный, и к' = 1,11 при высадке фланца из-этого утолщения т.к. в этом случае эта операция сохраняет знак предыдущей операции.

Разница значений составила около. 12 %, что также приемлемо при определении усилий методами верхяеграничиых решений.

ссновнш выводы

у

1. В результате теоретических и экспериментальных исследований решена важная народно-хозяйственная задача расширения номенклатуры мелких изделий, получаемых на АРЛ и АРКЛ на основе разработки менее энергоемких технологических процессов, что способствует успешному осуществлению конверсионной политики существующего производства.

2. На основании проведенных исследований установлено, что процессы холодной объемной штамповки мелких изделий имеют существенные ограничения по достижимым степеням деформаций, в связи с большими удельными усилиями оказываемыми на инструмент.

3. Установлено влияние знака предварительной пластической деформа-• цик на силовые режимы холодной объемной штамповки.

4. Предложена методика анизотропного упрочнения, показывающая пути снижения деформирующих усилий и повышения пластических свойств металла'по переходам. ч

5. Получены зависимости, позволяющие производить силовые расчеты наиболее распространенных схем получения фланцев' в полых и сплошных-цилиндрических.заготовках, с учетом кинематики течения.

6. Показано, что действительно'остаточные деформации того же. знака повышают предел текучести металла, в то время как остаточные де.-

- Iß

Tiï öff f" v Igt i — J ' -

1 1 à i? 4 fc> u Ii ч H g •p $ 11 ö g « fr p w tó я s* о о и g й а и , а ' га t .ti 1 . О 1 'fil ! 4 •p p 1 A' i £ к Ip3 M tï f^) ~ i "Í1 f-1 • léf • ín l!| ñ CJ üjfí § ■ ■ 1 Ol

H1 1 Pî f4pp pa

liJ I M •D

О t

-t3 E? ь-»

.Л

Операция хоашдноы стаглаовза 7 - шеста реверса знака пластической дэфорагдгя ¿азк плао-ютесзой й050р.УЛД23

I п I ааготпвза трубчазаз

* : --1 Раздана ' 3 " 4 5: ' ' пгР^Р/тг-п'

"Т—" ~

Раздача

ш 6 Обикл 7 9 В ВнзлЕга 1.1

формации противоположного знака сникают его.

7. Разработаны методологические основы проектирования многоопзрацк-оыпык технологических процессов' холодной объемней штачиовки мелких изделий. ' .

8. Предложены, технологические схемы холодной объемной штамповки .мелких изделий из прутковой и трубчатой заготовок, основанные но

• смене (реверсе) знака пластической деформации по перехода;.!.

Ко тема Диссертации р'.дгбдгпиизапм с.тэдю'з.? ряГняи-.

1. Басалаев З.П., Басалаев Д.Э. Технологические процессы ОМД для автоматизированного производства //Прогрессивные технологии и оборудование для обработки металлов.давлением.- Тезисы докладов нау .л.-техшя.-конф. ,16-17 февраля 1093 г.Киев- с.47

г. Басалаев З.П. „ Басалаев Д. Э., Лубянский В.И'. технологические процессы получения -деталей аптомзлкн методами ОВД на автоматических роторно-конвейерных линиях //Конверсия,наука ¡г эоразова-ние,- Теоксы докладов'международного конгресса, 25-27 мал . 1923 г. Т>ла - с. £4

3. Басалаев З.П.,' Басалаев Д.Э. Последовательность операций холод-вой штамьовки, использующая эффект реверса-екака истории деформирования //' Ме.лдуягрод. научя.- практич. конф. "Ресурсосберегающая технология машиностроения". Московская Государственная академия автомобильного и. тракторного машиностроения, 1693.

' с.43-44 ' . *

4. Вариант теории анизотропного упрочнения /Яковлев С.П.; Басалаев Э.П.; Макарова Л.Л; Басалаев.Д.Э.; Тул. гос. ун-т. - Тула, 1996. - 32 е.; ил. - Бнблиогр.: б назв. . Рус - Дед. в ВИНИТИ

' N1885-96B-7.03.C6 ' ' •■ - ' .

5. Басалаев В. П., Басалаев Д. 3., Лубянский В. И.'. Савельев Н. И., Цфасман В.Ю.Новые технологические процесса холодной штамповки на автоматических роторных линиях // Куенечно-штамповочное производство ,. 1995 , КЗ . с.-13-14

о. Басалаев Э.П., Басалаев Д.Э. Штамповка фланцев в-полых и сшгоа-' ных цилиндрических заготовках мелких изделий.- Тул. гос. ун-т.-Тула,1996. - 28 е.: ил. - Библиогр.: 6 назз. -'Рус - Деп. в'ВИ-МТИ N1884-968 7.06,96 ' "