автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Систематизация и повышение эффективности операций выдавливания на основе теоретических, экспериментальных и промышленных разработок



..... /

¡6ч

•и**" Г ) I' ^ Ч# ч/ Чв/ и,,

Тульский государственный университет

На правах рукописи

Р о С С И И

ЕВДОКИМОВ АНАТОЛИИ КИРИЛЛОВ]

„ 0} „ 19 2?г.,№

■ от

,-. - ----- т V. V - \TXif * ] У Л'-)'г'^J

■т?ю с:"

у г-р /'

•Но Ди^'1

;• Нача..' 1.ььн» ^ -1 -¿^

тяя ВАК России

операции вьвдавливания на основе теоретических, экспериментальных и промышленных разработок

Специальность 05. 03. 05. - Процессы и машины обработки давлением

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Тула 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...............................................................................................................6

1.1. Классификация - как путь к оптимизации технологических циклов.......18

1.2. Выбор теоретического метода анализа........................................................22

1.3. Основные достижения в промышленном использовании процессов холодного выдавливания.....................................................................................31

Задачи исследования..........................................................................33

2. Систематизация операций по кинематическому признаку...........................35

2.1. Классификация способов выдавливания по перемещению потоков частиц металла относительно одного активного инструмента....................37

2.1.1. Базовые процессы................................................................................39

2.1.2. Совмещенное выдавливание..............................................................41

2.1.3. Комбинированное выдавливание......................................................43

2.1.4. Комплексное выдавливание...............................................................45

2.1.5. Заготовки и изделия............................................................................47

2.2. Дифференцированное выдавливание.......................................................53

2.2.1. Роль контактного трения....................................................................53

2.2.2. Дополнительные силы........................................................................69

2.2.3. Дополнительные деформации............................................................71

Основные результаты и выводы........................................................85

3. Теоретические основы процессов выдавливания..........................................86

3.1. Основные уравнения энергетического метода со сложной кинематикой течения................................................................................................................86

3.2. Построение опорных решений.................................................................94

3.2.1. Стационарные процессы....................................................................95

3.2.2. Нестационарные процессы..............................................................105

3.2.3. Переход от стационарной стадии в конечную нестационарную .110

3.3. Влияние геометрии инструмента на усилие обратного выдавливания! 12

3.3.1 Обратное выдавливание коническим пуансоном...........................115

3.3.2. Обратное выдавливание плоскоконусным пуансоном.................119

3.3.3. Обратное выдавливание в конической матрице...........................128

3.3.4. Обратное выдавливание сложнопрофильным инструментом на нестационарной стадии...............................................................................134

3.4. Дифференцированное выдавливание.....................................................141

3.4.1 .Сопоставление общеизвестных схем...............................................141

3.4.2. Выдавливание со знакопеременным трением...............................150

3.5. Опорные решения при многоканальном выдавливании......................153

3.5.1. Деформация металла с разделенными потоками течения............154

3.5.2. Комбинированное выдавливание....................................................162

3.5.2.1.Деформирование плавающей заготовки.

Стационарное течение..............................................................................162

3.5.2.2. Деформирование заготовки, разделенной главной поверхностью сдвига. Нестационарное течение..............................................................168

3.5.3. Деформация металла с последующим возбуждением пластических областей........................................................................................................174

3.5.3.1. Обратное каскадное выдавливание ступенчатым пуансоном175

3.5.3.2. Обратное выдавливание с одновременной вытяжкой................178

3.5.4.Комплексные процессы.....................................................................180

3.5.4.1. Комплексное осевое выдавливание..............................................181

3.5.4.2. Комплексное боковое выдавливание с элементом каскадного. 187 Основные результаты и выводы....................................................194

4. Экспериментальные исследования течения металла при выдавливании. 199 4.1. Определение контактных характеристик..............................................199

4.1.1. Методика проведения эксперимента...............................................200

4.1.2. Эффективность технологических смазок.......................................203

4.1.3. Определение коэффициентов трения..............................................207

4.1.4. Зависимость коэффициента трения от скорости деформирования.212

4.2. Исследование силовых параметров.......................................................215

4.2.1. Методика проведения эксперимента. Используемое оборудование, аппаратура, оснастка...................................................................................216

4.2.2. Определение усилия при утонении дна колпака...........................220

4.2.3. Определение влияния вида смазки на усилие деформирования при утонении дна................................................................................................224

4.2.4. Исследование явления «выстрел» при обратном выдавливании плоскоконусным пуансоном......................................................................229

4.3. Анализ деформированного состояния методом делительных сеток.234

4.3.1. Исследование стационарных процессов.........................................235

4.3.2. Распределение деформаций по толщине стенки стакана, полученного обратным выдавливанием...................................................240

Основные результаты и выводы......................................................241

5. Промышленные разработки с использованием теоретических моделей

процессов выдавливания....................................................................................244

5.1. Гильзовое производство..........................................................................244

5.1.1. Основные принципы проектирования гильзовой технологии.....245

5.1.2. Заготовительное производство........................................................247

5.1.3. Получение стаканов с переменной толщиной стенки...................249

5.1.4. Перспективные штамповочные операции......................................250

5.1.4.1. Получение заготовок для холодного выдавливания путем чистовой отрезки с предварительной высадкой......................................250

5.1.4.2. Обратное выдавливание в конической матрице.........................265

5.1.4.3. Комбинированное выдавливание ступенчатого стакана...........267

5.1.4.4. Комплексное выдавливание ступенчатой втулки с внутренней перемычкой..................................................................................................272

5.1.5.1. Технология изготовления гильз к пистолетному патрону «Парабеллум»...............................................................................................27 5

5.1.5.2. Технология изготовления охотничьих гильз...............................275

5.2.Производство рабочих цилиндров газонаполненных амортизаторов.279

5.2.1. Характерные особенности и объем производства.........................279

5.2.2. Технологии получения металлических деталей амортизаторов..281

5.2.2.1. Недостатки существующего производства.................................281

5.2.2.2. Предлагаемая технология..............................................................282

5.2.2.3. Анализ чертежа изделия и выбор рациональной схемы деформирования длинноосных цилиндров..............................................283

5.2.2.4. Основные принципы построения технологического процесса с применением обратного и комбинированного выдавливания...............289

5.2.2.5. Неравномерность механических свойств в меридианальном сечении полуфабриката при поэтапном комбинированном выдавливании стакана со стержнем в дне................................................294

5.2.2.6. Анализ текстуры полуфабриката при комбинированном выдавливании ступенчатой втулки............................................................301

5.2.2.7. Математические модели операций выдавливания ступенчатых втулок как элемент технологии получения рабочих цилиндров амортизаторов..............................................................................................312

5.2.2.8. Опытная отработка технологии получения рабочего цилиндра газонаполненного амортизатора................................................................321

5.2.3. Технология получения разделительного поршня газонаполненного амортизатора................................................................................................326

5.3. Производство корпусов электроэлементов...........................................329

5.3.1. Характерные особенности и объем производства........................329

5.3.2. Щелочные химические источники тока.........................................330

5.3.3. Существующая технология производства щелочного электроэлемента..........................................................................................336

5.3.4. Технологические принципы получения корпусов щелочных электроэлементов из плакированного биметалла...................................337

5.3.5. Опытная отработка элементов разрабатываемой технологии ....339

5.3.6. Новая технология производства биметаллических корпусов щелочных электроэлементов.....................................................................342

5.4. Технологии с использованием базовых и многоканальных схем выдавливания..................................................................................................348

5.4.1. Корпус фильтра-осушителя.............................................................348

5.4.2. Корпуса герметизированных капсул..............................................348

5.4.3. Кожух и электрод к электретным микрофонам МКЭ-3 и МКЭ-83 ........................................................................................................................350

5.4.4. Обтекатели.........................................................................................350

5.4.5. Аэрозольные баллоны......................................................................353

5.4.6. Высокопрочные крепежные детали................................................353

Основные результаты и выводы..................................................356

Заключение.......................................................................................................358

Библиографический список............................................................................362

Приложение......................................................................................................380

Введение

Актуальность темы. Перед современным машиностроением стоят серьезные проблемы по достижению максимальных показателей ресурсосбережения, получению высоких качественных и эксплуатационных характеристик выпускаемых изделий при максимальной экологической безопасности производства. Этому способствует интенсивное накопление исследовательских и опытных данных для конкретных производств. Новая информация в условиях существования субъективной терминологии затрудняет использование научных достижений в производстве. Привлечение должного внимания к вопросам систематизации информации, терминологии и классификации позволило бы повысить процент использования накапливаемого опыта в инженерных разработках и ускорить совершенствование производств.

Процессы выдавливания представляют собой значительный раздел объемной штамповки, который активно развивается, судя по ежегодному приросту количества патентов и технической литературы. Несмотря на то, что многие способы выдавливания имеют установившуюся терминологию, а разработанные классификации близки к полному системному охвату существующих технологических приемов, остается много неясностей в этих вопросах.

В результате образовались значительные пробелы в научных исследованиях технологических процессов, таких как, например, в перспективных процессах совмещенного и комплексного выдавливания, в методах управления при многоканальном истечении и др.

В связи с вышесказанным вопросы системного анализа и классификации, а также совершенствование способов выдавливания и технологий на их основе в настоящий момент наиболее актуальны.

Представленная диссертация включает в себя исследования, проведенные автором в течение двадцати лет, а также результаты обобщения и систематизации отечественного и зарубежного опыта по процессам холодного выдавливания.

Работа выполнялась в соответствии с Межвузовскими научно-техническими программами «Холодная объемная штамповка металлов» и «Конверсия и высокие технологии» и явилась результатом исследований по х/д темам ТулГУ с предприятиями (№№53-71/5, 77-600/5, 79-754/5, 83-193/5, 85-343/5, 87-525, 52-202), ответственным исполнителем и руководителем которых был автор.

Цель работы.

На основе систематизации выявленных особенностей деформирования материала классифицировать, исследовать и усовершенствовать процессы выдавливания для повышения эффективности штамповочного производства и качества получаемых изделий.

Идея работы заключается в новом подходе к классификации способов выдавливания на основе систематизации характерных черт формоизменения, анализа кинематики течения металла в деформируемой заготовке и исследования опорных решений процессов выдавливания.

Научная новизна.

- разработана новая классификация традиционных и нетрадиционных процессов выдавливания, в основу которой положен анализ кинематики течения металла в заготовке при деформировании;

- для ключевых процессов выдавливания в каждом классе и группе предложены опорные решения, базирующиеся на методе верхних оценок, необходимые для получения усложненных математических моделей, объясняющих особенности формоизменения в рассматриваемом способе;

- получены аналитические зависимости силовых и деформационных параметров при обратном выдавливании с различной геометрией рабочих

поверхностей инструмента для различных стадий деформирования, установлены условия перехода из стационарной в конечную нестационарную стадию течения металла;

- разработан новый способ получения полых деталей методом дифференцированного выдавливания со знакопеременным трением на основе анализа процессов с принудительным активным и реактивным трением, позволяющим управлять качеством изделий;

- получены математические модели совмещенного, комбинированного и комплексного выдавливания, учитывающие влияние сил активного и реактивного трения на кинематику течения металла и силовые характеристики процесса;

- на основе выведенных математических моделей выполнен анализ нетрадиционных процессов деформирования, включающих различное сочетание дополнительных технологических приемов воздействия на заготовку и изделие при выдавливании с: противодавлением, противонатяжением, дополнительным деформированием элемента изделия, каскадным течением;

- исследована эффективность технологических смазок, используемых для выдавливания, и предложены зависимости изменения коэффициентов трения от условий на контактных границах и от скорости деформирования;

- предложен метод исследования деформированного состояния с использованием делительной сетки для стационарных процессов выдавливания при значительных степенях деформации;

- обнаружен и экспериментально исследован вид потери устойчивости при холодном обратном выдавливании плоскоконусными пуансонами на стационарной и нестационарной стадиях, названный явлением «выстрел», и разработаны меры по его устранению, базирующиеся на гипотезе распределения смазки при деформировании в пограничном слое.

Методы исследования включают: метод верхней оценки, основанный на экстремальных принципах теории пластичности, поэтапный метод делительных сеток, метод характеристик, программирование на ЭВМ.

Силовые параметры процессов исследованы на современном прессовом оборудовании и испытательных машинах при использовании тензометрических установок и регистрирующей аппаратуры и обработаны методами математической статистики.

Практическая ценность и реализация работ. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны научно-обоснованные методики расчета технологических параметров процессов выдавливания и прикладные программы, применимые для решения широкого класса задач ОМД.

Разработаны рекомендации по созданию и совершенствованию технологических процессов с использованием холодного и полугорячего выдавливания. Спроектированы типовые технологии: изготовления корпусов щелочных химических источников тока, внедренные в опытное производство АООТ «Тульский патронный завод»; получения деталей газонаполненного амортизатора, внедренные на Гродненском заводе автоагрегатов (Белоруссия); изготовления латунных и стальных гильз к патронам современных стрелковых систем на АООТ «ТПЗ», получения герметизированных капсул на предприятиях Алтайского НИИ химических технологий и др. Сконструирована и опробована в производстве штамповая оснастка, удовлетворяющая жестким технологическим требованиям: штампы-автоматы для холодного комбинированного выдавливания и утонения дна толстодонного колпака; штамп-прибор для обратного выдавливания с центрирующим узлом и усовершенствованным узлом крепления пуансона для деформирования деталей из высокопрочных материалов. Созданные технологии и оснастка не имеют аналогов и

защищены патентами РФ. Предложены и опробованы новые виды смазок для деформирования сталь-никелевых заготовок.

Некоторые вопросы научных исследований включены в разделы лекционных курсов и лабораторных работ «Экспериментальные исследования напряжений и деформаций», «Компьютерное моделирование процессов объемной штамповки», «Теория обработки металлов давлением», «Технологические процессы в машиностроении», а также использованы в исследовательских курсовых и дипломных проектов.

Апробация работ. Основные результаты исследований настоящей работы доложены на 10м республиканских, отраслевых и межвузовских научно-технических конференциях, в том числе: на республиканс�