автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Совершенствование теории и технологии процессов глубокой вытяжки на основе многопереходной схемы деформирования и повышение эффективности производства изделий типа оболочек

уральский государственный технический университет - Ш

ргб од

КАРНАБИН Владимир Васильевич

совершенствование теокш и технологии процессов глубокой вытяжод на; основе шогопереходнои схемы деформирования и повышение эффективности производства изделий типа ободочек

Специальность 05.03.05 - Процессы и капины обработка

• давление«

Аэго реферат диссертации на соискание учёной степени : доктора технических наук

Екатеринбург 1Э94

Нзбота выполнена на кафедре "Детали машин" Уральского государственного технического университета - УШ.

Официальные оппонент:

- доктор технических наук, профессор Вайсбурд P.A.;

- доктор технических наук, профессор Жилккк В.З.;

- доктор технических наук, с.н.с. Залаэинский А.Г.

Ведущее предприятие - АО Урадьехкй научно-исследовательский технологический институт

Защита состоится er _199г. в . ча-

сов на заседании специализированного совета Д.063.14.02 по защите диссертаций на соисхание ученой степени доктора технических наук npi Уральском государственном техническом университете - УПИ.

Ваш отзыв в.одном экземпляре, заверенный гербовой печать», просим направить по адресу: 620002, г.Екатеринбург, К-2, УПУ-УШ, ученому секретаро университета, телефон 44-85-74,

Автореферат разослан * J~ т /1994 г;

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук, профессор

В.А.Шилов

з ;

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАЕСЩ

Актуальность заботы.. Главным условием ускорения научно-тех-?ического прогресса является переход к технике последних поколения, с принципиально новым, наукоемким технологиям, обеспечивавшим наи-гысшуя эф!«ктиеность и выход продукции на ыировой уровень.

Получаемые глубокой еытяжкой полые оболочковые изделия оироко «¡пользуются в различных отраслях народного хозяйства: авиационной, имической промышленности, производстве товаров народного потреблена и др. К ним относятся холбы, корпуса, стаканы, баки и многие ругие. Больоая часть оболочковых изделий изготавливается из нерзса-еящих сталей, сплавов титана, никеля, конструкционных сплавов алю-кния - из материалов, называемых э практике штамповки трудноде^юр-ируемыми за их поЕыяеннуп склонность к налипание на инструмент и прочнения, высокое сопротивление деформирования, низкуэ способ- . зсть адсорбировать смазочные материалы. Это ведет к тому, что ряд зделия не соответствует требованиям качества, а производственные гхнологии отличаются низкой производительность«, поскольку преду-латриваят промежуточные отяиги полуфабрикатов, которые, во-перЕых, 'екут за собой целый ряд подготовительных операций: обезжиривания, явления, отмывки, нанесения й удаления смазки, а во-вторых, не >зволяот использовать современное высокопроизводительное оборудо-1ние, такое как шогопозиционные прессы-автоматы, машины роторного па, импульсные мапины и др. Среди прочих недостатков технологий •вдует отметить высокие ресурсозатраты, использование экологически едных смазок и составов для их удаления. Отмеченные недостатки ха-ктерны для листоштамповочного производства не только в иапеЯ стрэ-, но и за рубежом.

Важнейшим направлением повышения эффективности производства из-лий является многопереходная глубокая штяжка (МПЛЗ) - процесс по-

следовательного деформирования листового металла без промежуточного восстановления его пластических свойств отжигом. Д^ормироЕание по схеме ШГВ позволит: •

- резко сократить цикл производства готового изделия, исгк -» зовать высокопроизводительное прессовое оборудование;

- повысить суммарное формоизменение металла за счет реализации принципа дробности деформации;

- создать ресурсосберегающие технологические процессы за сч! -г сокращения расхода энергии и вспомогательных материалов, уменьшения обслуживающего персонала.

Др недавнего времени ШГВ была известна лишь для малоуглеродистой стали, высокопластичных сплавов алчмикия и латуни. Научнее обоснование таким процессам дал И.А.Норишн, работы которого относятся к началу - середине 50-х годов. С этого периода и до настоящего времени теория и практика ШГВ изменились мало.

Таким образом, совершенствование теории и технологии процессов глубокой вытяжки на основе многопереходной схемы деформирования является актуальной научной проблемой, решение которой будет способствовать повышен® эффективности производства.

Цель работу - теоретическое обоснование и практическое использование многопереходной глубокой штяжкг. для создания высокоэффективных технологий оболочковых изделий, преимущественно из трудноде-' (Формируемых материалов: нержавеющих сталей, сплавов титана, никеля, конструкционных сплавов аломиния.

Основные задачи исследования, йзализациэ процессов ШГВ ограничивает качество получаемых изделий. Поскольку под качеством следует понимать в первуо очередь качество поверхности, отсутствие раз рушения и качество (вопрос точности для изделия, получаемых

глубокой вытяжкой, не стоит так остро), то это определяет постановку и решение следующих основных задач: трибологических, т.е. загчч,

связанных с трением, износом и смазкой, задач исследования разрушения изделий и задач анализа устойчивости 1ормы заготовки при вытяжке. Данные задачи объединены в отдельный раздел II.

Для создания и промышленного внедрения процессов МПЪ необходимо решить задачи научно-производственного характера. Среди них следует выделить задачи совершенствования штамлового инструмента и методики его расчета и задачи, непосредственно связанные с разработкой технологии конкретных изделий. Все они представлены в разделе Ш.

Чтобы успешно решить задачи качества и научно-производственные задачи, необходимо предварительно еыполнить общий анализ процессов глубокой вытяжки и машин для их реализации, а такие определить энергосиловые параметры. Зги задачи сведены в самостоятельный раздел I, предшествуоший двум предыдущим.

Общая структура задач диссертационного исследования представлена на рис. I.

При выполнении настоящей работы автор использовал труды отечественных ученых в области листовой штамповки: Е.А.Попова, И.А.Норииы-на, В.П.1Ъмановского, Л.А.Шофмана, Е. И. Исаченко ва, М.Е.Зубцова, А.Д. Матвеева, С.А.Взлиева, О.В.Попова, Е.Н.Мошнина, В.Д.Головлева, В.И. Казаченка, С.П.Яковлева, Э.Л.Мельникова, АЛЭ.Аверкиева, Г.М.Арышен-ского, П.Г.Орлова и др., а также их зарубежных коллег Ф-Дйзенколь-ба, Г.Элера, В.Кайзера, Д.Чань, С.Кобаяши, М.Поупа, Д.Бэрри, Е.Одела, Д.Клаузена, Д.Ву и др. '

' Диссертация представляет собой обо^ение результатов теоретических и экспериментальных исследований, полученных автором при выполнении научно-исследовательских работ на кайедре "Детали машин" Уральского государственного технического университета - УПИ в соответст-. вии с координационными планами научно-исследовательских работ АН СССР и РАН по проблемам: "Мэханика твердых деФормируеадх тел" на 19*76-80 гг. ; "Высокотемпературная электрохимия расплавленных и

OchüShuc задачи исследобония пногопереходнои глу$окои бытяжии

Р.1 06WU QHOßUb

процессов Шд

ф June рот.

обзор процессов и машин 9 ля получения ofojrowStu изделий

©Энереосило

-напряжен но-де<рорн. состояние; -усилие и poSomo; -Клнпокт-ние PaS-лечил; -о стопочные напряжения

Р.Ц Анализ кочестба изделии, получаемых Mßiß

I

®T/ffto-

фактор

-jojupo • ешоикость; ¿■рокритя заеатоРки; -ногрытия инструмента; -спал ки; -подбор лари тре-пил

Ой Раз рушении

•классификация

-отрыб (опасное eevewt) - (лзкое; -хрупкое (тероцмн-ноеJ; -лруакое (межопера-цоанное) -оценка поРрежРен-нос/пи

фдстичиЬост -гольщЬая (itppooSpo• зооание)} -осеРая-РипучиРа-ние (едно-мерная задало)-, -осе Ролен* тис (¡Суперная зоРаю)

рЩНоут-лрооэЛод-

стбенные задом

©¡/напрунем

-шаомпы Зля КШ; -gioteo сланные sSoßot-еи Iроще• ни Л]

-штампа чисто-hu fopyfr

KU

фТегнояоШ

-загопоРко aap НПП; •Ридерt ре-жито и оНрудоШил -технологические линии - внедрение

I /!ерснек^\ ' мРныг ие~ I

{ледей они я {

Рис. I.

Структура задач диссертационного исследования

твердых электролитов" на 1981-85 и 1986-50 гг. ; "Теория машин и систем машин" и др.

Научная новизна пчботч. Впервые поставлена и комплексно решена задача по исследования влияния на процесс глубокой вытяжки и качество изделий таких факторов, как задиростоПкость пары трения "за. готовка - инструмент" (трибо-фактор), разрушение металла, усто^чи- -вость Формы заготовки-оболочки, что позволило теоретически обосновать и разработать методику расчета процессов глубокой вытяжки по схеме многопереходного (циклического),деформирования без промежуточг ного восстановления пластических свойств металла.

При этом получены следующие существенно новые научные положения и результаты.

1. Сформированы и представлены в виде классификационной схемы критерии качества оболочковых изделий, получаемых глубокой вытяжкой.

2. Выполнен анализ напряженно-деформированного состояния и энергосиловых параметре:- МПГВ с учетом всех основных Акторов процесса.

' 3. Исследованы закономерности адгезионного взаимодействия мате, риала заготовки с инструментом. Определены Физико-механические и энергетические условия налипания, обоснованы критерии задиростоЯкос-ти.

4. Определена степень влияния контактного трения на упрочнение металла изделий. Установлены резервы интенсификации процессов глубокой вытяжки, в частности^ возможность осуществления их без промежуточных отжигов.

5. Отмечено 5 основных видов разрушения. По каждому из них обоснованы критерии расчета. Среди решенных задач:

- определение запаса прочности в опасном сечении заготовки с учетом всех основных Факторов процесса МПГВ;

- разработка методики расчета поврежденности металла в условиях вязкого циклического разрушения с учетом начальной повреждекности

8 •

исходной заготовки; определение предельных возможностей ШГВ;

- оценка хрупкого разрушения краевой части заготовки, находящейся одновременно под действием концентраторов напряжений, изгибающего момента и остаточных растягивающих напряжений.

6. Т&тена задача упругояласгичвской потери устойчивости ци-, линдрической заготовки при ШГВ с проталкиванием. Результатами ее являотся:

- разработка математической модели осевой потери устойчивости посредством выпучивания и смятия;

- определение осевых критических напряжений проталкивания и их параметрический анализ;

- установление взаимосвязи между двумя видами потери устойчивости.

7. Разработана универсальная методика расчета элементов штампов, представлдащих собой упругие тонкостенные оболочки вращения с кольцевыми гофрами.

Практическая ценность

1. ГЪзработаны инженерные методики определения усилий и работы ЫГГВ, усилий и момента начала проталкивания, выбора коэффициентов вытяжки и основных геометрических параметров инструмента по операциям. В основе методик - аналитические зависимости, удобные для расчета на ЭВМ, а также графики и опытные таблицы.

2. Разработан комплекс мер, значительно повышающих задиростой-кость и соответственно качество поверхности изделий. В числе таких мер - использование специальных покрытий, наносишх в расплавленных солях. Представлены результаты исследования свойств таких покрытий из меди, цинка, олова.

3. Дэкязана возможность использования для процессов ЫПГЗ экологически чистых смазож серий "ИХ ЖГ и "Экол". Определены свойства смазок.

4. Получены формоизменения листового металла и число вытяжек без промежуточных отаигов, значительно превосходящие общепринятые. Для аустенитной стали 12Х1Ш10Т осуществлено до 10, для мартенсит-ноП 09Х16Н4Б, титановых сплавов ВП-0, 0T4-I и ВТ20 и никелевых сплавов 8ШХС, 79111 - до 3 таких штяжек.

5. Разработаны новые конструкции буферных устройств с упругими элементами, -представляющими собой гофрированные тонкостенные оболочки вращения. Кх использование позволило получить нелинейные характеристики сжатия.

6. Разработан способ изготовления глубоких полых изделий, основанный на многопереходной (до б операций) глубокой вытяжке с после-дуошей раскаткой и обрезкой Фланца.

7. Разработан способ и птамп'для трубки листошх заготовок под ШГВ с поЕкиенным качеством реза.

8. Определены требования к листовой заготовке под ШГВ, включая структуру металла, его механические характеристики и подготовку поверхности. Разработана схема и основные конструктивные элементы технологической линии для нанесения покрытий из солевого расплава.

Положения, зьпзоды и результаты, представляющие научную новизну и практическую ценность, щнесены автором на защиту»

Реализация результатов работы

- На Пермском агрегатном ПС им. М. И.Калинина* шёдрена технология ЩГЗ деталей термоса с экономическим эффектом 123 тыс.рублей в год. Технология предусматривает использование медного покрытия из солевого расплава на заготовки из стали I2XI8HI0T. Внедрение аналогичной технологии на Алма-Атинском заводе "1Ъдромашп дало экономический эФФект в размере'117 тыс. рублей в год.

- Опираясь на собственные pá3pa6oTKH, автором выполнен расчет основных технологических параметров и втамповой оснастки процесса

"Названия предприятий указаны на момент подписания актов внедрений.

МПГВ деталей термоса для одного из предприятий г.Североуральска.

- Разработана технология корпусов химических элементов тока из стали I2XI8HI0T, основу которой составили б операций МПГВ. Для реализации данной технологии йсатеринбургским КБ автоматических линий спроектированы и изготовлены два варианта роторных линий,способных давать до 50 млн. изделий в год.

- Для одного из предприятий г.Харькова разработана технология высокоскоростной МПГВ титэноеых сплавов BTI-0, 0T4-I и ВТ20 с предварительно нанесенным цинковым покрытием. Новая технология реализована на гкдроударньрс машинах.

- На Высокогорском механическом заводе '(г.К-Тагил) внедрена с экономическим е^ектом 364 тыс. рублей в год технология шогопере-ходной штамповки полых корпусных деталей из стали 20 и алпминиевых сплавов Д16 и АМгб. На том же заводе проели успешные испытания: спо соб высокоскоростного отжига в расплавленных солях, способ чистовой вырубки листовой заготовки и экологически чистый смазочный состав для вытяжки деталей стиральной машины."

Суммарный годовой экономический эффект от внедрения новых процессов и оборудования составил 604 яге. рублей (в пенах, до 1990 г.)

Апробация работы. - Материалы диссертации доложены и обсуждены не 3 Международных конференциях: "Трибо-85" (Ташкент, 1985 г.); "Материалы для конструкций XXI века" (Дгапрояетровск, 1992 г.); "Материалы для строительства" (Днепропетровск,!993 г.); а также на 27 В союзных конференциях, симпозиумах, семинарах, съездах; среди них: "Пути совершенствования технологии холодной штамповки и мсадки" (Омск, Г978 г.); "Повышение качества и надежности продукции, выпуска^ емой предприятиями Минхиммаша" (Пермь, i960 г.); "Трение и износ в машинах" (Челябинск, 1979 г.); "Новые материалы и методы обработки" (Кие?, 1961 г}; "Механизация и автоматизация процессов пластическог Формообразования" (Казань, 1964 г); "Автоматизация процессов СВД

II I

(Пенза, 1986 г.); "Пластичность и деформируемость при ОВД" (дважды): (Миасс, 1986 г. и 1969 г.); "Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур" (триады):(Москва, 1986 р., Каунас, J989 г., • Воронеж, 1992 г.); "Современные проблемы технологии машиностроения" (Мэсква, 1986 г}; "Экономичность технологических процессов и оборудования в НШП" (Пенза, 1987 г.); Физическая химия ионных расплавов" (Свердловск, 1987 г.); "Ресурсосберегающие процессы обработки титановых сплавов" (фепропетровск, 1987 г^; "Мэталл и технический прогресс" (ЬЬсква, 1987 г.); "Современные проблеш триботехноло-гии" (Николаев, 1988 г.); "Сбработка-88" (Москва, 1988 г^; "Механика и технология машиностроения" (Свердловск, 1990 г.); "Научные основы создания энергосберегающей техники и технологии" (Мэсква,1990 г.);

"Износостойкость машин" (Брянск, 1991 г^; Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике (Москва, 1991 г); "Вэеурсосбере-жение-92" ( йзсква, 1992 г.) и др.

ПубликацииШ теме диссертации подготовлена и сдана в печать научная монография "йюгопереходная глубокая вытяжка коррозионно-стойких сталей" объемом 18 п.л., опубликовано 76 научных работ, из них I брошора, 27 статей, 15- изобретений, из которых 2 продано на 'лицензионной основе за рубеж.

Структура диссертации. йбота состоит из введения, 7 глав, объединенных в три раздела, и заключения, изложенных на 490 страницах машинописного текста, а также 13 приложений; включает 140 рисунков, 23 таблицы и библиографический список из 320 наименований.

РАЗДЕЛ I. ОНЦИЙ АНАЛИЗ. ПРОЦЕССОВ МПГВ

Глава I. ОСНСЕШЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭМЗСГИШССТИ ПРОИЗВОДСТВА СКШОЧКСШХ иэдзеия

Приведена классификация основных типов оболочковых изделий, из которых 60-70? составляет изделия из нержавеющих стале-ч, спляроз титана, никеля, алюминия.

Дю анализ Лизико-механйческих я технологических свойств указанных материалов. Установлено, что для оценки способности к МПГВ количественных характеристик штампуемости (относительное удлинение, сужение, предел текучести, предельная глубина штамповки колпачка и др.) недостаточно - нужны дополнительные качественные характеристики: способность материала налипать на инструмент,'упрочняться, адсорбировать смазки, отводить с поверхности теплоту. .

Нержавеющие стали, сплавы титана, никеля, конструкционные сплавы алюминия обладают отрицательными качественными характеристиками штамиуемости, поэтому относятся к разряду трудноде^рмируемух• Именно этим объясняется тот £акт, что, имея одинаковые количественные показатели ттампуемости, стали Сбкпи 12ХКН10Т обнаруживают различную способность к МПГВ: согласно данным В.П.ГЬмановского,первая допускает до 4 вытякех без промежуточного отжига, вторая - I, в редких случаях 2 вытяжки..

. Проанализированы технологические процессы глубокой вытяжхи трудноде<*ормируешх материалов в нашей стране и за рубежом: в США, Японии, Германии И др. высокоразвитые странах. Среди общих недостат ков следующие:

- низкая производительность, связанная с частыми отжигами и сопутствующими им операциями, т.е. с невозможностью ШПЗ;

- низкое качество изделий (задиры, риски, разрыт);

- низкие скорости деформирования;

- невозможность использования высокопроизводительного оборудования типа прессов-автоматов, роторных машин и т.п. и создания на их базе автоматизированных поточных лини?;

- низкая стойкость штампово!» оснастки;

- повышенные ресурсозатраты, главным образом энергии и вспомогательных материалов (химические реактизд и т.п.);

- использование горчит и токсичных материалов: кислот, ще;'0-че^«, лаков, растворителе?..

1з ;

Устранить указанные недостатки позволит многспереходная глубокая вытяжка, т.е. штяжка без промежуточных отжигов.

Поскольку под высокоэффективным машиностроительным производством следует поникать производство, удовлетворяющее таким требованиям, -:ак высокая производительность, высокое качество изделий, сбережение ресурсов, а таккё экологическая чистота, то реализация схемы МПГВ будет способствовать повышения эффективности производства.

В настоящее Еремя существуют различные направления совершенствования процессов глубокой вытякки: штяжка в режиме гидродинамического трения, в режиме сверхпластичности, резиной я полиуретаном, с пскощью ультразвука и др. Не ставя под сомнение их перспективность, можно сделать вывод, что они направлены на увеличение разовых де<*ор-маций листового металла.

Цель разработки многопереходних процессов - поиск условий, позволяющих получить максимальную суммарную деформации при соблюдении качества изделий.

В этом направлении, исключая труды И.А.Норидана, посвященные разработке процессов МПГВ малоуглеродистых сталей, высокопластичных марок алюминия и латуни, достижения намного скромнее.

Создание процессов ИЗГВ трудноде*ормируемых материалов: нержавеющих сталей, сплавов титана, никеля, малопластичных сплавов алюминия определяет цель и задачи настоящего исследования (рис. I).

'Глава 2. НАПРЯХШКО-ДЭСШГСВЛННСЕ СОСТОЯНИЕ И ЗНЕТГОСШЮШЕ ПАРАЫЕТЙГ 1ШГВ .

Теоретические задачи решались известным я популярным в теории листовой штамповки инженерным методом, который, с одной стороны, дал возможность получить замкнутые математические выражения, удобные для расчета на ЭВМ в качестве исходной прогреми* н подпрограмм расчета иных параметров, а с другой стороны,позволил учесть все многообра-

зие ^акторов, присущих процессу МПГВ: разовые и суммарные коэффициенты вытяжки, контактное трение, упрочнение металла, его анизотропию .

Упрочнение металла учитывали: на 1-й операции ШГВ степенным законом 61 = В 6* ; на последующих - линейным 6}.-Е~Р£иМп > где бс и - соответственно интенсивность напряжений и деформаций; В , с 1 £ . р ~ константы; Мп- ¿»/Р - суммарный коэффициент вытяжки; с/„ и 7) - диаметры изделия и заготовки.

Счлы трения определяли по методике, предложенной А.Н.Левановым, известная формула которого была представлена в виде: ТТр Т„ , где Кп - константа поверхности, Т0 - де^рмационно-механическая составляющая, определяемая главным образом величиной контактных давлений. Для удобства определения Т«, в зоне прижима и зоне округления матрицы предложены графические зависимости.

Анизотропию листа учитывали в предположении, что он является трансверсально-изотропным - когда показатель анизотропии постоянен в плоскости листа и равен среднему: Кл~ И.

Преобразуя для.данного случая известные соотношения В.Д.Головлева между напряжениями и деформациями анизотропного тела,, получили уело, вне пластичности в виде: бд-б^^О^бс у гдеОй= ^(2*21)/Ц+2Я)'

В результате решения данного условия пластичности с уравнениями равновесия для каждой зоны очага деформации с использованием соответствующих граничных условий и общепринятых допуцений (плоское напряженное состояние, постоянство толщины металла и др.) были получены итоговые выражения для определения напряжений бу и бр на Фланце и скругленной кромке матрицы, а также максимальные напряжения в опасном сечении, соответствуощем переходу цилиндрической части изделия в доннуо:

1 - для первой операции

- и последующих операция МПГВ

Со5oi« /ТйэР

(2)

где ОТ, и f7}„ - коэффициенты вытяжки на 1-й и h -й операциях; 2*тр и удельные силы трения на Фланце и в зоне скругления матри-

цы; - радиус скругления; ¿м - угол конусности матрицы; t -толщина металла.

Если максимальное усилие вытякка связано с CJ>mAX простым соотношением: РтАх + i)i6j,majt , то для более точного

определения работы деформирования рассматривались три стадии про. ыесса 1-й вытяжки и пять стадий последующей штетки, для каждой из

которых аналитически находили зависимость Р" PCh) . В итоге рабо-

£ /) *

та определялась суммой: А X P;(h)ffh , где k "III-

^ 1*1 Н'^т

для 1-й и k я2 Для последующи? операций МПГВ (I... - стадии

вытетки).

По результатам теоретического решения построены графические зависимости изменения максимальных усилия и работы для стали I2XIEHI0T и титанового сплава 0Т4, параметрический чня.-ип показал, что наибольшее влияние на величину работы (я с.-олэвчте.лънс и на величину выделяемой теплоты) оказывает дичгетр истсднс" чяго-тсвки или, что равносильно, габариты поручаемого изделия.

Срагнекие результатов экспериментального определения vnKciw-ъ-ных усилив, полученных методом тензспетрировзния, д.гр -прсиессл

4-переходной вытяжки колпачка показало, что они отличаются от теоретических не более чем на

Методом координатных сеток исследован характер распределения параметров напряженно-деформированного состояния на Сланце и по высоте цилиндрических изделий после Мши. Установлено, что графики ' изменения имеют схожий характер на каждом из 4 последовательных переводов, а также то, что наибольшие степень деформации и угрочне-ние приходятся на край изделий.

Определен характер изменения остаточных напряжений в стенках изделий после операций МПГВ. Для этого использовали метод Зяхса-Эс-

пи, основанный на вырезке "языков" по высоте и по периметру и определении значений и бд по величине стрелы прогиба "языка".Показано , что как радиальные ° , так и тангенциальные €>д остаточные напряжения могут достигать значительной величины - в 1,5-2 раза превышающей предел текучести кеупрочненного металла. Показано также, что неучет реальной толщины стенки изделия может дать заниженное (до 6fó) значение остаточных напряжений.

РАЗДЕЛ И. КАЧЕСТВО ПОЛУЧАЕШХ ИЗДСТИЗ

. Глава 3. ВЛИЯНИЕ ТРИБОЛСГИЧВСКИХ 0А1СГСРСВ НА ВОЗМЖОСТЬ ВЫТЯЖКИ 1Ю Ш-СХШ И КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ

Анализ качества изделий необходимо начать с анализа условий, обеспечивающих качество Их поверхности, поскольку в первую очередь опасность налипания ограничивает возможность повторного, без отжига, деформирования нержавеющих сталей, сплавов титана, никеля, алюминия. Кроме того, при налипании (микросваривании) резко возрастают усилия Еытяжки, что может привести к последующему разрушению: локальному - поверхностного слоя иди объемному - отрыву дна.

Ctfiop. ¿мгературнык данных, в частности,работ И.В.Крагельского, А.П.Семенова, Г.К.Дроздова, Д.Мура и др., экспериментальные исс."(,-

дования, а также производственны!' опыт позволили установить, что для возникновения схватывания с последующим налипанием к задиром на поверхности контакта необходиш три условия: I) разрушение смазочных и окисных пленок; 2) избыток энергии на поверхности контакта; 3) несоблюдение правила положительного градиента механических свойств, согласно которому твердость поверхностных слоев Н* должна быть ниже твердости основы Н0 .

Первые два условия, определяющие условия только схватывания, при глубокой вытяжке труднодеФормкруемых материалов будут выполняться практически Есегда, с той лишь разницей, что количество теплоты, выделяемое с поверхности в единицу времени и являощееся энергетическим критерием схватывания, будет пропорционально диаметру исходной заготовки (т.е. габаритам изделия) и скорости вытяжки:

0"Я ; в итоге стойкость против налипания и задира

определится третьим условием - соблюдением правила положительного градиента механических свойств.'

Для его оценки предложена простая зависигость через Фактор неоднородности ФН = Н*/Н0 вТо/Т„ , где Т - предел текучести на сдвиг; при ЯРН >4 - градиент положительный и условия трения нормальные; срН < 4 - градиент отрицательны' и существует опасность налипания.

В результате моделирования пары трения "заготовка-инструмент" в условиях пластического контакта на лабораторной машине трения подтверждено, что задиростойкоеть поверхности, под которой, понимали предельный до задира путь трения 3„р » определяемый по скачку момента трения на осциллограмме, находится в прямой зависимости от ФН • Установлено также, что нержавеющие стали, сплаш титана, алюминия в исходном состоянии имеют ФН <4 , поэтому обладают крайне низкой стойкостью против задира (рис.2), и что существенно повысить задиростойкоеть можно путем подготовки поверхности зато-

товки, в частности,нанесением покрытия из мягкого металла.

Например, для титанового сплава ЗТ5-1 одна только операция страслиБлния тонкого поверхностного слоя повышенной твердости ведет к увеличению ЯРН с I до 1,3 и соответственно к увеличению в 1,8 раза (рис.2,6); использование более мягкого цинкового покрыт/я ведет к увеличению в 12 раз. Для стали 12Х1Ш10Т

наличие на поверхности мягкого медного покрытия увеличивает £„р от 2 (испытание без сказки) до 30 раз (испытание со смазкой). В то же время, если для сплава Д16 более мягкое цинковое покрытие увеличивает £Пр в 3 раза, то более твердое медное покрытие сокращает его в 1,5 раза (рис.2,&).

Для повышения задиростойкости нержавеющих сталей, сплрвов титана, никеля, агомииия автором в составе творчесхого коллектива разработаны металлические покрытия, наносите в расплавленных солях хлоридов. Способы нанесения защищены изобретениями. Среди покрытий: медные, оловянные и цинковые, которые в отличие от ближайших аналогов - металлических покрытий из растворов электролитов имеют значительно более высокую температуру нанесения, порядка 400-550 °С, и обладает лучшим сцеплением с основным металлом.

Для изучения поверхностных слоев металлов с нанесенными покрытиях® был проведен комплекс металлографических исследований. Так, методом электронной Оке-спектроскопии выполнен послойный анализ химических элементов и установлен характер их распределения по глубине, который показал, что выделившийся на поверхности после обработки е сохевом расплаве мягкий металл соединен с металлом основы на уровне металлической сеязи. В одном случае (покдатие стали медью) она осуществляется через диффузионную зону протяженностью до 6 мкм; в другом - посредством сплава (покрытие алюминия пинком) на глубину 5-7 мкм ст поверхности. Именно вто обеспечивает шеокуо сто?-кость лохрцгк? в процессах обработки давлением.

Ofjft м

700'

Ш

loo-

400\,

60

ко

10

О)

ФН(Ц)-2 <PH(«W=V <РНСМ) *0,5

Ц

—±.м

5/п

м ¿0

S/n

60

kO

¡o

s/c сох. к к

p-¡SOO р*100 pioo P"/0O

я

ФН(Ц) = 3f¿ ЧРН (г/>)" У, 5

ТР —i^í/n

S/C сож р=бсо р=30О

■ Рис.2. Зацироотойкость (предельный путь трения до возникновения задира) образцов аз сплавов Д16 (а) , а К-i (б) в эаваса-моста от смазочной композиции, фактора неоднороднее та ФН и ве-лачаны контактных давлений р , Mía: сЗ/с — без смазка; СОЖ -- СОЖ ±¡35; К - хомпресаяонное маоло; б/п - без покрытая; М — с медным покрытием; Ц - с цинковым;ТР - после травлена в солевом расплаве

m -

20 •

Методом замера микротвердости поверхностных слоев листовых заготовок и изделий установлено, что улучшение условий трения за счет мягких высокостойких покрытий, воспринимающих основную сдвиговую деформации), ведет к сниженио упрочнения поверхностных слоев изделий на 30-50?. Также на 10-15? снижается усилие вытяжхи. Все это открыло путь к интенсификации процесса, в частности,к осуществлению его по многопереходной схеме - без промежуточных отжигов-.

Благодаря медным, цинковым и оловянным покрытиям, наноситм в солевых расплавах, удалось осуществить многопереходные процессы (3-7 вытяжек без промежуточных отжигов) для саадх различных штампо-вых материалов: нержавеющих сталей 12ХКН10Т, 08Х18Н10, 08Х17Т1, 09Х16Н4Б; сплавов титана ВТ1-0, 0Т4-1, ВТ20; никелевых сплавов 8СНХС, 73Ш и др. При этом использовались различные смазки. После завершения вытяжки покрытия полностью удалялись в типовых растворах, кислот. Полученные изделия, разнообразные по размерам и Форме, отличались высоким хачеством поверхности.

Другим направлением повышения задиростойкости и качества поверхности изделий является подбор материала штампового инструмента и вида его поверхностной обработки. Исследовалась стойкость штампов, рабочие поверхности которых подвергались следующим видам обработки : напылёнко нарядом титана, апиламированию, упрочнению высокотемпературной импульсной плазмой (технология разработана в институте АЗ им.И.В.Курчатова). Установлено, что малогабаритные изделия, для которых энергетическое условие схватывания проявляется незначительно,можно получать с качественной поверхностью в штампах, рабочие поверхности которых выполнены из обычной штамповой стали, напыленной нитридом титана.

Доказана возможность использования в качестве отампового материала алюминиевых бронз. Установлены уникальные свойства бронз: полное, независимо от типа смазки, исключение налипания, а также

залечивание имеющихся ранее дефектов поверхности. Определены .основные вида износа поверхности бронзовых вставок матриц.

Благодаря алюминиевым бронзам, впервые в практике глубокой вытяжки удалось применить экологически чистые смазки серий "ИХ УНЦ" и "Экол"'? ГЪнее в обычных штампах такие смазки применения не нашли. Исследованы свойства смазок, среди которых следует выделить стабильность свойств, т.е. возможность использования для глубокой вытяжки через несколько суток после нанесения.

Глава 4. РАЗРУШЕНИЕ ИЗДЕИЙ В ПРОЦЕССАХ ШГВ

Важнейшим критерием качества является сплошность, т.е. отсутствие разрушения металла оболочкошх изделий. В отличие от обычного процесса глубокой вытякки с промеяуточными отжигами оценка разрушения для случая МПЗ значительно усложняется, крушение может быть как вязким, так и хрупким; как в процессе деформирования, так и после, при хранении. При этом впервые выделено 5 возможных видов разрушения, среди которых:

А - разрушение от потери прочности опасного сечения; ф - общий случай вязкого разрушения от исчерпания пластичности;;

.С - разрушение краевой части заготовки под действием изгибающего момента Ми вне очага деформации;

2) - разрушение краевой части под действием концентраторов напряжений: микроконцентраторов - неровностей, связанных с некачественной вырубкой, и макроконцентраторов - впадин, являющихся, как и Фестоны, следствием анизотропии листа;.

£ - межоперационное разрушение отштампованных изделий под действием остаточных напряжений.

Мэжду перечисленными водами существует взаимосвязь.

* Составы разработаны.под руководством И.В.Емельяновой.

Комплексный подход к проблеме разрушения при МПГЗ определяет содержание данного пакета задач. В него вошли задачи исследования разрушения для каждого из 5 видов отдельно и во взаимосвязи с другим.

Вид А . крушение' от потери прочности опасного сечения, где схема напряженного состояния близка к линейной, происходит при условии: ^ртлх> 6¿ • Опираясь на решения, полученные в главе 2, определены значения запаса прочности с учетом всех ос-

новных ^акторов процесса. Для удобства практического использования зависимости представлены в виде графиков, пример которых дан на рис.3

• Вт В . В настоящее время наиболее распространенной методикой оценки вязкого разрушения и предельной поврежденности в процессах ОВД является Феноменологическая теория разрушения, предложенная В.Х.Колмогоровым и развитая А.А.Богатовым и его сотрудниками. Учи- • тывая, что для процессов глубокой вытяжки характерна схема плоского напряженного состояния с преобладающим действием растягивающих напряжений, для оценки поврежденности впервые использованы элементы теории моделько-пористых материалов.

Задача решалась при следующих допущениях:

- листовой металл до вытяжки имеет цилиндрические поры;

- коалесцешия пор происходит в направлении деформации сдвига;

- на поррежденность металла оказывает влияние только напряжение 6у ;

- имеет место линейное суммирование поврежденностей за цикл:

£ uf¿ .

Взяе за основу критерий разрушения в.Макклинтока, были получены следующие выражения для расчета поврежденности • :

' - общее £ а»0 tU» ® котором выделены uj0 - ^ (lg/2éo) '

первоначальная поврежденность листа к W - поврежденность в процессе деформирования;

о.ь 0.2

\

М

ОМ'

0,7 ол о,з тп

1

Чг

0,2

\

М„=С U

С _0 ,0 ч

0.7 од 0,9 т„

Рис.З. Зависимость запаса прочности в опасной сечении на последующих операциях ох коэффициентов вытяжки:-разового тн и суммарного М„ ; материал:сталь DUiailüT с медным похрытаем;

I - ff = 4; II 6; f = 3,0 Ша, ¿jf ; ^ = Q,4

Рас.4. Схема нагруления я основные размеры непрохяну-той часта заготовки

- исходное положение; -

- промежуточная стадия; ¿, - высота неровностей

краевой чаотя

- выражение для расчета поврежденности на 1-й

и последующих операциях МПГВ:

В указанных Формулах ' £ £ и 2£о - среднее расстояние между порами и их средний диаметр; /} - координата точки на образующей изделия (для данной точки и производится расчет поврежденности);

ко - радиус круговой заготовки; ^ - начальное давление прижима; - коэффициент трения (если трение учитывать по Кулону).

Первоначальную поврежденность и)0 можно определить на основе простых металлографических (в том числе- стандартных) исследований, если установить размеры и характер распределения наиболее часто встречающихся в структуре металла включений. Показано,-что партии листового металла, имея одинаковые механические показатели, обнаруживают различную способность к ШГВ, поскольку характеризуются различными значениями и)0 . Приведены-данные по начальной поврежденности некоторых листовых материалов.

Используя аналитические выражения, были построены графические зависимости изменения деформационной и)с и суммарной ^ поврежденности по высоте цилиндрических колб после 4 операций ШГВ (рис.5).

Параметрический анализ показал, что Факторами, наиболее влияющими на поврежденность, являются условия трения и дробность деформации (рис. 6). Так, вытяжка е условиях налипания в 1,5-2 раза увеличивает си • Изготовление изделий за 3 операции вместо одной ве-

мм

Рис. 5. .Характер распределения позреадённости: деформационной из и оуццарной £ по высоте, изделий посла 4-Й операции КПГВ с коэффициентами затяаки: т,= 0,63 ; тг= т}= ггу= 0,8

\мм

Рис. б. Влияние дробности де#оргации на повреадённость металла изделия, полученного с сушаршш коэ$Зициентои вытяжки М„ -= 0,5 : а) за одну операции; б) за три операции ШГВ с ги = 0,6* ,

тл= '

г 26

дет к уменьшении ситлу[ в 1,5 раза, что обосновывает целесообразность использования схемы МПГВ.

Поврежденность, в частности,характер распределения ее по высоте изделий, можно оценивать и по результатам металлографического анализа. В качестве критерия в работе принимали такой показатель, • как количество строчечных дефектов Пе ♦ приходящихся на то или иное сечение. График изменения поврежденности, построенны" по результатам определения Ис , близок графикам, полученным теоретически, а также данным Л.йелгерса, определившим поврежденность на осноЕе изменения плотности металла колб.

Используя теории модельно-пористых материалов, были построены

диаграммы пластичности листового металла Столько для области поло-

££ ______ _________ ^ _______

жительных значений ) и предложен графоаналитический метод расчета поврежденности.

. Среди факторов, приводящих к хрупкому разрушения: напряжения б^1 от изгибающего момента Ми (разрушение по виду С )♦ концентраторы напряжений (вид 1) ) и остаточные растягивающие напряжения б*ев (вид Е ) • Таким образом, в задачу исследования входило: оценить на инженерном уровне опасность хрупкого разрушения одновременно по видам £ » 7> и Е .

Используя известные принципы и допущения механики хрупкого разрушения, а также решение В.В.Панасока применительно к. задаче о полуплоскости с макроскопической трещиной, находящейся под действием растягивающих напряжений, получены пригодные для инженерных расчетов выражения, связывающие параметры ШИВ, механические свойства деформируемого металла с критической длиной полутрешины-надреза

(т.е. с максимальной величиной неровности краевой части):

р -

где

0 " ; (б)

где - координата точки на образующей изделия; Нк к X -высота заготовки и непротянутой ее части (рис.4); коэ!Чиии-

ент трещиностойкости; ^ - коэффициент Пуассона; £ и Г - коэффициенты аппроксимации кривой упрочнения (см.главу 2).

Анализ Формул позволил установить, что из трех стадий процесса последуощей вытяжки наиболее опасной является третья, завершающая, когда напряжения достигают предела текучести упрочненного металла, а становится соизмеримой с максимальной величиной неровности краевой части.

На основании результатов анализа всех возможных видов разрушения даны практические рекомендации по уменьшению или полному устранению опасности разрушения, а также по Еыбору коэффициентов вытяжки по операциям. В частности, для устранения хрупкого разрушения рекомендовано снабжать матрицы защитными вставками (пример их расчета дан в главе 6), подрезать край заготовки,-4 использовать схему вытяжки с фланцем, улучшить качество реза при вырубке заготовки и др. Приведены также примеры расчета поврежденности в реальных технологических процессах МПГЗ.

Глава 5. УСТОЙЧИВОСТЬ ООРЩ ИЗДЕЛИЯ И ЖЕРГОСИЛСШЕ ПАРАМЕТРЫ ПРИ МПГВ С ПРОТАЛКИВАНИЯ.!

При глубокой вытяжке с проталкиванием, когда на заготовку дег-ствуют осевые сжимающие напряжения, качество изделий определяется в ряде случаев не столько задиростойкостьо или отсутствием разрушения, сколько устойчивостью Форш изделия. . .

Осевая потеря устойчивости проявляется двояко: в еще выпучи- . вания (осесимметричная потеря устойчивости) и в виде смятия-хлопка (неосесимметричная). В первом случае параметры прогиба определяются

в осевом направлении, во втором - в осевом и в окружном направлениях одновременно (рис. V).

Пакет задач по анализу осевой потери устойчивости включал создание математической модели осевой потери устойчивости посредством выпучивания и смятия, определение минимальных критических напряжений и их параметрический анализ, а также разработку рекомендаций по выбору режимов деформирования.

Учитывая, что при глубокой Еытяжке с проталкиванием наблюдается упругопластическая потеря устойчивости, в качестве основного аппарата расчета была принята теория локальности деформаций, разработанная в трудах А.К.Малмейстера, Г.А.Тетерса, А.А.Бебриса и др.

Исходное уравнение теории локальности деформаций для случая действия только осевых напряжений б,« упрощается и кожет быть представлено в следующем виде: .

,] ¿¡У * / ^ . , ^у/ . , 34/

а** * е о/ ■

где «£. ¡^ - некоторые параметры, зависящие от компонентов тензоров' жесткости и податливости ¿^¿.е и толщины исходной заго-

товки ~Ь . Новым в решении уравнения было наличие в Функции прогиба УУ ( Яцх) С параметра ёГкХ , утира-

ющего затухание волнообразования в осевом направлении при. удалении от очага деформации <рис.*7); это соответствует действительным-условиям, возникающим при потере устойчивости. Кроме того, в аппарат расчета введен момент пластического изгиба Мп » действующи" на границе очага деформации. .

В результате решения уравнения (7) для случая выпучивания (в этом случае производные по. у равны нулю., и уравнение упрощается) и случая смятия были получены значения критических напряжений * » минимизация которых по параметрам, волнообразования

о)

ш

<

)

Рно. 7. Видн осевой потеря устойчивости формы заготовки при ЫПГВ о проталкиванием:

а) выпучивание (оеесимыетрячная потеря устойчивости); .

б) смятие-хлопок (нвосесимыетричная потеря устойчивости)

и ( позволила получить окончательные зависимости для расчета минимальных критических напряжений б^* » превышение которых ведет к осевой потере устойчивости и браку изделий.

При выпучивании

ег л /¿.-£1гЧ1) • С8)

при смятии-хлопке .

где = ^ ' * соответственно длина и радиус

цилиндрической заготовки; К ~ параметр затухания:

. >>

При.отсутствии затухания волнообразования, когда к » 0, Формула ( 8 ) переходит в простое выражение, близко совпадающее с известным решением Г.А.Тетерса.

Для определения компонентов тензора податливости разработана методика, основанная на аппроксимации кривых упрочнения. Например, для стали 12Х18Н10Т ^ в •«'мент потери устойчивости могут

быть представлены в следующем виде:

■•¿С,-^

>'+ 10'"° е„г, (п

"«ГЪу*) ,

ч •

Еяизкие зависимости получены для титана ВТ1-0, стали 20, лату ни Л€8 и сплава циркония, причем разработанная методика может учи

тывать предварительное упрочнение металла.

Параметрический анализ позволил установить, что характер зав»

симостей и ПРИ выпучивании и

смятии схож. Однако в диапазонах изменения параметров заготовок, характерных для МПГВ с проталкиванием, критическое напряжение выпучивания рсегда меньше критического напряжения смятия. И только для относительно длинных заготовок { ^/в. >3 ) возникновение хлопка может опередить возникновение волны.

Подтверждено, что изгибатлций момент Мп является дополнительным возмущением, способствующим потере устойчивости выпучиванием ( меньше в этом случае на б?) *и повциа-ошим устойчивость при

смятга;.

Установлено, что существенное влияние на величину критических напряжения оказывает упрочнение металла. Так, для ста?и Т2ХТШ10Т двукратное увеличение повышает устойчивость на 30-50?, четы-

рехкратное - на 100-200?. Следовательно, прикладывать усилие проталкивания к заготовке желательно не в начальный момент вытяжки, а несколько позже, когда в очаг деформации поступает упрочненный металл.

Экспериментальные исследования, проведенные для двух схем проталкивания (для Мп • 0 и Мп 0), для трех типов исходных заготовок показали расхождение с теоретическими данными не более 14?.

На основе проведенных исследований создана инженерная методика расчета усилий и выбора начала проталкивания. Показано, что наиболее целесообразно начинать проталкивание, когда высота.втянутого в матрицу изделия (ход пуансона) будет составлять 1/4 - Т/5 от его требуемой еыссты, и осуществлять проталкивание в режиме переменного усилия ф с углом упругой характеристики буфера, равной углу подъема усилия вытяжки Р в установившейся стадии процесса, В итоге мы имеем постоянство суммарного усилия штамповки, складывающегося из алгебраической сумад усилий вытяжки и проталкивания, на больше? части хода пуансона. Постоянство усилия положительно скажется на работе прессового оборудования.

Разработаны схемы полного (беспуансонного) проталкивания. Это позволило впервые осуществить Ю-переходнуо вытяжку стали I2XI8HT0T, для которой последние 4 операции осуществляются в режиме полного проталкивания. В итоге бьпи получены значительные Фюрмоизменения, соизмеримые с (Формоизменениями листового металла, полученный в режиме ссеркпластичности (но не ставшими предельными): суммарная степень вытяжки Кп » 6,6; относительная высота изделий ^/d * 6»

РАЗДЕЛ III. НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ЗАДАЧИ

Глпва 6. ООВЕНШЯВСВАНИ2 КШСПЩ1Й И 1СТ0ДЙКИ РАСЧЕТА ШТАМПОВОЙ ОСНАСТКИ

.Сформирование по схеме МПГВ определяет несколько иные соотношения и зависимости для выбора основных Параметров штямпового инструмента в отличие от традиционного процесса глубокой вытяжки с промежуточными отжигами.

На основе анализа напряженного состояния (см. главу 2), е том числе запаса прочности в опасном сечении, определены рациональные геометрические параметры: относительный радиус кромки матрицы оптимальный угол ее конусности «Z enrn , а также величина зазоров р штампах. Величину зазороБ рекомендовано выбирать из соотношений:

1-я огергпкя - 2 = i4,Z + "f,5)tv * & > )

2-я операция - Z.=r а tfi S" , ММ ;

3-я операция '- £ = С4,*г + Г > Ми ;

4-я операция - Z * С 4, ^ ^g) i 0 * м*» ,

где <f - величина по "сжительного„ отклонения допуска на толщину л<е та л.-а -te. Для операций, начиная с 5-й, коэффициенты при -¿с необ ходил® з'Ееличивать соответственно на 0,2 на каждой опергции. •

Для определения J н i предложены графические зависима

ти. «

33 •

Для уменьшения опасности хрупкого разрушения краевой части изделия матрицы на последующих операциях МГЛИ необходимо снабжать защитными вставками, исключающими воздействие момента Мц • Зысотл вставок может быть найдена из Формулы < 6. ):

где & - некоторый коэффициент запаса.

Штампы для МПГВ должны удовлетворять требованиям высокой износостойкости, под которой понимается стойкость против задира и истк-. рания. Если для малогабаритных деталей при вытяжке для повышения износостойкости можно ограничиться напылением рабочих поверхностей нитридом титана (см. главу 3), то .для крупногабаритных изделий типа баков, колб, корпусов значительный наклеп металла, высокие (до 100 МПа и выше) давления на поверхности контакта диктуют необходимость использования в штампах твердосплавных материалов, таких к*?к карбид вольфрама .марок ВК15, ВК20 и их ближайшие аналоги.

В работе даны образцы конструктивного оформления штампов с твердосплавными вставками для вытяжки реальных изделий, а также приведены величины натягов для запрессовки вставок в обоймы матриц.

Большое значение для эффективной работы штампов имеет создание таких конструкций буферных устройств, которые обеспечивали бы нелинейную характеристику сжатия, в частности,для вытяжных штампов -нелинейно-убывающую, а для вырубных - нелинейно-возрастающую. Требуемые конструкции, защиценные изобретениями, разработаны за счет установки в них' тонкостенных упругих оболочек вращения с кольцевыми гофрами. Пример такого элемента с нелинёйно-возрастающеЧ хчпчк-геристикой, создаваемой за счет последовательного ссая»вяния гофров да ступенчатые радиальные перегородки, показан на рис. 8.

В святи с этим была поставлена и решена задача по создатп универсальной методики расчета напряженно-деФормироэзнного состоя-

Рис. д. > пру гай элемент о нелинейно-возрастающей характеристикой хёоткостд; I - гофрированная ободочка; 2 я 3 - наружное и внутреннее оаорно-вдсташиошше кольца

а)

I-

пг

¿/-/з.з

•¿•лз

в

Рас.Ь . Ожовные деформационьне оаерацяя и размеры корпуса Ы! аз стаи Ш1Ш0Т : а) 1ШЪ (операция 1-6 > ; б) раскатка (операция 7) ; в) отрезка (операция 8)

35 .

ния элементов штампов, представлявших упругие тонированные оболочки вращения. Основой для ее разработки явились энергетические принципы механики деформируемого твердого тела. Расчет вели при допущениях, общепринятых при решении задач упругого деформирования оболочек вращения.

Полную потенциальную энергии Э определяли как сумму потенциальной энергии деформации А и потенциала внешних си.» - : Э-Д -Л • Из-условия минимума Функционала полной энергии, используя методы вариационного исчисления, получили .систему дифференциальных уравнений, решение которой, с использованием граничных условий, соответствующих специфике деформации конкретного упругого элемента, позволило определить значения главных, напряжений и б^ , а также главных деформаций <5<г и б ^ .

йзработанная методика успешно проверена экспериментально.

Для лолучения качественного реза на плоской заготовке и снижения опасности разрушения по виду ^ в данной главе предложен новый .способ чистовой вырубки и штамп-для его реализации.

Глава 7. РАЗРАБОТКА. ИРОИШШШХ ТЕХНОЛОГИЙ СБСДСЧКСШХ ИЗДОШЙ НА ООЮВЕ ИПГВ •

Основываясь на результатах решений теоретических и практических задач, при непосредственном участии автора прошли успешные испытания и внедрены новые высокоэ^ектиЕНые технологии оболочковых изделий, позволяющие значительно повысить производительность и качество изделий, экономить материальные, энергетические и трудовые ресурсы, а в ряде случаев улучшить экологическую обстановку на производстве. Отличительной особенность!) новых технологий является кногопереходная схема деформирования, дающая возможность автоматизировать процесс, использовать для его реализации высокопроизводительное оборудование: кривошипные прессы, машины роторного типа, ударные иавины.

Для ряда предприятий разработаны, опробованы и внедрены технологические линии нанесения противозадирных покрытий на заготовки перед последующими операциями МПГВ: медного - на коррозионно-стойкие стали, цинкового - на сплавы титана и алюминия. Разработаны конструктивные особенности печи-ванны солевого расплава, вспомогательных ванн, а также средств загрузки к механизации. Отработана технология подготовки солевого расплава и его корректировки в процессе работы.

Для качественного нанесения покрытий на сплавы титана операция травления впервые осуществляли в солевом расплаве хлоридов с теми же реактивами, что и при цинковании, но другого процентного состава

К механическим характеристикам листового металла для процессов МПГВ должны предъявляться более жесткие требования, чем при обычной штяжке. Такой металл должен быть полностью отожжен.

Безработен и пропел промышленные испытания процесс высокоскоростного отжига в расплавленных солях. Для сплавов алюхзиия такой отжиг восстанавливает пластичность за время в X раз меньшее, чем общепринятый отжиг в печах воздушного.нагрева и, кроме-того, може? быть совмещен с процессом нанесения покрытий.

Внедрение технологии МПГТЗ деталей термоса из ста .'И 12Х18Н10Т с предварительно нанесенным медным'покрытием позволило на Пэрыском агрегатном ПО им. М.И.Калинина увеличить в 8 раз выпуск термосов, кекгочить участок лаковой смазки и получить годовой экономический э*^ект в размере 123 тыс.рублей или 3,5 рубля на одно изделие.Внед. ренкс аналогичной технологии на Алма-Атинском заводе "Пздрсмаш" далс эффект в размере 117 тыс. рублей в год. Опираясь на собственные разработки, автором выполнен расчет основных параметров и игам, повей оскясткк процесса МПГВ деталей термоса для одного из предпрк-

к РЬбста выполнена совместно с_В. И. Соколовские, И.Н.Сзеряной, Т.И.! нухкно£ и др. сотрудниками УГТУ-УПИ и института Электрохимии УС 1

ятий г.Североуральска.

ПЬд руководством автора творческим коллективом разработана технология изготовления корпусов химических элементов тока, основу •которой со ста били операция ШЗГВ. Технология не предусматривает использования покрытий заготовки. .Созданию технологии способствовало рациональное использование пластических свойств металла, применение с 3-й вытяжки заготовки с Фланцем (рис. 9), сочетание операций МПГВ и раскатки и другие результаты, представленные в настоящей работе. На основе разработанной технологии Екатеринбургским Филиалом • КБ автоматических линий были спроектированы и изготовлены дра варианта роторных линий, способных давать до 50 млн.штук изделий в год.

Для одного из предприятий г.Харькова разработана технология высокоскоростной МПГВ титановых сплэеов на гидроударных машинах, благодаря чему глубина штампуемых изделий увеличилась на 20-301 при обеспечении хорошего качества поверхности. Процесс стал возможен в результате использования цинковых покрытий, наносимых в солевом расплаве.

'В конце диссертационной работы показаны.перспективы использования полученных решений для совершенствования других процессов холодной штамповки, близких глубокой вытяжке и часто дополняюптих ее при получении конкретных изделий. Среди таких процессов:

- двухпереходный обжим трубчатых заготовок из стали 20 и алюминиевого сплава Дб; экономический эффект от внедрения на Эасоко-'орском механическом заводе (г.В-Тагил) составил 325 тыс. рубгеЯ;

- многопереходная штамповка корпусных изделий сочетпнипм г"у-Гокой штетки и ротационной вытяжки сплава' АЦ?б; экснсу^ческ^Я э*-■ект 39 тыс. рублей в год;

- иногопереходная вытяжка с утонением се^ь-онньгс трубок кз 1медкенной стали 12Х16Н10Т и другие процессы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе развиты научные и технические идеи, направленные на! совершенствование процессов глубокой вытякки нержавеющих сталей, сплавов .титана, никеля, алюминия и других трудноде-формируемых материалов посредством многопереходной схемы деформирования и определены условия, позволяющие осуцествлять тякие процессы.

Основные научные и практические результаты работы злключпются е стедуошем.

1. Сформированы и представлены в виде классификационной схемы критерии качества оболочковых изделий; наиболее важными из них выделены качество поверхности, сплошность и качество Формы.

2. Получены замкнутые математические модели, учитывающие все основные Факторы, присущие процессу ЫПГВ: упрочнение металла и его анизотропно, разовые и суммарные коэффициенты вытяжки, контактное трение; на основе данных выражений выполнен анализ напряженно-деформированного состояния и эиергосиловых параметров.

3. Исследовано влияние контактного трения на качество поверхности изделий. Определены Физкко-механические и энергетические условия схватывания, переходящего в налипание и задир. Установлены критерии задиростойкости.

4. Дня повышения задиростойкости, качества поверхности и реализации схрщ МПГВ разработан комплекс мер, из которых главными являются:.

- использование выебкостойких металлических покрытий, предварительно наносимых на поверхность заготовок в расплавах солей; ,отра ботаны режимы нанесения таких покрытий,с помощью современных'металлографических методов исследованы их свойства;

- нанесение упрочняющих покрытий на рабочие поверхности штампов;

- применение в конструкциях штампов алюминиевых бронз; дан аня лиз стойкости матриц из алюминиевых бронз и характера износа их по-

верхности; установлено явление залечивания дефектов поверхности заготовок и возможность использования экологически чистых смазок при условии осуществления МППЗ в матрицах из алюминиеЕьк бронз.

5. Проведено комплексное исследование разрушения изделий в процессах МПГЗ. Установлено 5 его основных видов, по каждому из которых обоснованы критерии расчета. Среди решенных задач:

- оценка прочности металла.в опасном сечекии заготовки с учетом всех основных факторов, процесса;

- разработка методики расчета поврежденности металла в условиях вязкого циклического разрушения с учетом начальной поврежденнос-ти листовой заготовки; . -

- оценка хрупкого разрушения краевой части, находящейся одновременно под действием концентраторов напряжений, изгибающего момента и остаточных растягивающих напряжений. .

6. Выполнен анализ упругопласгической потери устойчивости цилиндрической заготовки при ШГВ с проталкиванием. Результатами его является:

- разработка математической модели ойевой потери устойчивости посредством выпучивания и посредством смятия, на основе которой определены осевые критические напряжения проталкивания и дана оценка влияния параметров процесса на их величину;

- установление взаимосвязи между двумя видами потери устойчивости при нагружении цилиндрической оболочки;

- разработка рекомендаций, связанных с моментом начала проталкивания, выбором его схемы и упругой характеристики буфера, что позволило осуществить до 10 вытякных переходов и получить суммарную степень вытяжки 6,6.

7. Определены рациональные геометрические характеристики штам-пового инструмента для ШГВ: относительный радиус кромки матрицы, угол ее конусности, минимально допустимая высота заходной ее части, величина зазоров.

8. Предложены новые конструкции упругих элементов штампов, представляощие собой тонкостенные упругие оболочки вращения с кольцевыми гофрами, что позволило получить нелинейные характеристики сжатия. Разработана универсальная методика расчета таких элементов, показаны примеры ее использования.

9. Определены требования, предъявляемые к исходной листовой заготовке под МПГВ, включая структуру металла, его механические характеристики, подготовку поверхности. Разработан комплекс мер, способствующих реализации данных требований в промышленных условиях.

В результате исследований получены конкретные практические рекомендации для проведения инженерных расчетов:

- простые, для реализации на ЭВМ, математические зависимости;

- графики и таблицы "выбора параметров;

- методики расчета, представленные в виде, удобном для алгорит-мирования.

Это легло в основу создания новых и совершенствования существующих промышленных технологий оболочковых изделий типа колб, корпусов, поддонов и т.п. Фактический экономический эФбект от их внедрения составил 604 тыс. рублей (в ценах до 1990 г.).

Таким образом, решенная в настоящей рвботе научная проблема повышения эффективности процессов глубокой вытяжки на основе многопереходной схемы дейюрмирования имеет важное народнохозяйственное значение.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих■работах . '

I. Новая технология глубокой вытяжки колб из коррозионно-стойкой стали для термосов/ Соколовский В.И., Васильев Б.А., Каржавин В.

Чихачев О.П.// ЧерметинсЬормация: Экспресс-информация. 1998. Сер. 127 ,вып. 3. 10 с.

2. Соколовский В.И., Каржавин В.В. Экспериментальное определение напряженно-деформированного состояния при глубокой вытяжке стали I2XI6HI0T// Исследование машин и технологии обработки металлов давлением: Мэжвузовский сб. Ижевск, 1978.. С.64-69.

3. Влияние пластиФииирующего покрытия на. штампуемость листового титана/ Соколовский В.И., Васильев Б.А., Каржавин В.В.,Кузнецов В.И.

// Теория машин металлургического и горного оборудования: №ж-вузовский сб. Свердловск: УПИ, 1978. Вып. 2. С.56-60.

4. Соколовский В.И., Васильев Б.А., Карсавин В.В. Влияние предварительной обработки заготовок в солевом расплаве на их способность к Формоизменению// Пути совершенствования технологии холодной штамповки и высадки: Тез.докл. Всесоюз.научно-техн.конФ. Омск, 1978. С.31-32.

5. Соколовский В.И., Вешкурцев В.И., Каржавин В.В. Построение диаграммы зависимости и опенка медного покрытия стали// Известия вузов. Машиностроение. 1979. № I. C.I03-I07.

6. Васильев Б.А., Каржавин В.В., вазлиахметов P.C. Исследование упрочнения листовой нержавеющей стали при многопереходной вытяжке// Теория машин металлургического и горного оборудования: Межвузовский сб. Свердловск: УПИ, 1979. Вып. 3. С.49-52.

7. Соколовский В.И., Каржавин В.В. Условие прочности в опасном сечении загбтовки при глубокой вытяжке нержавеющих сталей с медным пластифицирующим покрытием// Динамика и прочность механических систем: Межвузовский сб. Пермь: ППИ,Т979. Вып.З. C.I2-20.;

8. Соколовский В.И., Каржавин В.В. Влияние условий трения на величину напряжения глубокой вытяпси// Трение и износ в машинах: Тез.докл. Всесоюз.научно-техн.конф. Челябинск, 1979. C.I52-I53.

9. Малых Е.Т., Соколовский В.И., Каржавин В.В. Использование критерия разрушения от малоцикловой усталости при опенке прочности изделий, получаемых многопереходной вытяжкой// Шлоцикловая устя-

лость элементов конструкций: Тез.докл. 3-го Всесоюз.симпоз. Вильнюс', 1979. Зып. 2. С. 161-163.

10. Каркавин В.В. Анализ напряжений на Фланце заготовки при глубокой вытяжке// Теория машин металлургического и горного оборудования: Межвузовский сб. Свердловск: УПИ, ¿961. Вып.5. С.66-72.

11. Соколовский В.И., Каркавин В'.В., Васильев 5.А. Новый метод обработки неркавеющих сталей перед глубокой вытяжкой// Новые материалы и методы их обработки: ТЬз.докл. ЗОН сессии Научного совета АН СССР. Киев: ИЭС, 1981. C.I4-I6.

12. Еагевский Н.И., Каркавин В.В., Оилимонов И.Е. Холодное деформирование тонкостенных оболочек с коническо-цилиндрическрй поверхностью// Вестник машиностроения. 1982. № 7. С.22-35.

13. Каркавин В.В,, Соколовский В.И. Влияние химико-термической обработки в солевом расплаве на хачество изделий, получаемых глубокой вытяжкой// Химическое и нефтяное машиностроение. 1962. № 7.

С.16-17.

14. Каркавин В.В., йишбейн В.А., Шапиро Б.А. К расчету на проч ность прижимных устройств штампов// Технология н средства производства заготовок деталей машин: Тез.докл. 1-й Всесоюз.конФ. Свердловск, 1963. С. Ш-Ш.

15. Каржавин В. В., Кукуц С.О., Татаринов A.A. Создание и. промышленное внедрение твердосплавных штампов для глубокой вытяжки корпусов посуды из нержавеюще?! стали// Экономичность технологически процессов и оборудования в КШП: Тез.докл. нйучно-техн.конф. Пенза: ЩЦТП, 1967. C.37J3B.

16. СЬхоловский В.И., Каркавин В.В., Оилимонов И.Е. Штамповка тонкостенных деталей методом обжима с подхватом// Механизация и автоматизация процессов пластического Формообразования и упрочнения тонкостенных деталей: Тез.докл.Всесоюз .кон<?>. Казань, 1964. С.27.

17. Каржавин В.В., Соколовский В.И. йюгопереходная глубокая вытяжка коррозионно-стойких сталей// Там же. С.28.

18. Каржавин В.В. Разработка и исследование процесса многопереходной глубокой вытяжки коррозионно-стойких сталей// Теория машин металлургического и горного оборудования: Межвузовский сб. Свердловск: УПИ, 1984. С.27-34.

19. Каржавин В.В., Филимонов И.Е., Воротников В.И. К вопросу устойчивости при обжиме предварительно упрочненной трубчатой заготовки/Урал. пол. инст. Свердловск, 1984. 10 с. Деп. в ВИНИТИ: , Библиогр. указ., 1986. й I (171). C.I36.

20. Каржавин В.В. Заработка и исследование глубокой еытяжки нержавеющих сталей без промежуточных обжигов// Современные технологии машиностроения; Тез.докл. Всесоюз.научно-техн.конФ. М.: Ш1У, 1986. С.82-83.

21. Каржавин В.В. Особенности разрушения полых изделий при изготовлении их многопереходной глубокой вытяккой// Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур: Тез.докл. ХП Все-союз.научно-техн.совещания. М.: ИМАШ АН СССР, 1986. С.29-31.

22. Карсавин В.В. Использование солевых расплавов для интенсификации процессов холодной листовой штамповки// Физическая химия ионных расплавов: Тез.докл. IX Всесоюз.конФ. Свердловск: УО АН СССР, 1987« T.I. С.262-263. '

23.' Каржавин В.В., Пискунов D.B., Кукуц С.О. Пэвышение качества и снижение металлоемкости полых изделий из легированных сталей

и интенсификация их изготовления глубокой вытяжкой с использованием пластиФипируощих покрытий// Черная металлургия: Бол.научно-техн.информации. 1987. № 19. С.37-Э.

24. Каржавин В.В. К вопросу разрушения при июгопереходной глубокой вытяжке осесимметричных изделий// Кузнечно-итамповочное производство. 1967. № 12. С.23-26.

25. Каржавин В.В., Пирогов D.E., йайншмидт Е.М. Совершенство-роние технологии полых коническо-пилиндрических изделий из сплава АМгб// Кузнечно-дптамловочное производство. 1968. У I. С.22-23.

26. Фишбейн В.A., Каржавин В.В., Шапиро Е.А.' Особенности конструкции и расчета упругих элементов с нелинейной характеристикой жесткости// Теория машин металлургического и горного оборудования: Межвузовский сб. Свердловск: УПИ, 1987. Вып. -II. C.9-I6.

27. Емельянова И.В., Караю вин В.В. Сказка ИХ УНЦ для холодной листовой штамповки// Достижения науки - производству. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1987. С.8.

28. Каржавин В.В. Особенности оценки разрушения в процессах многопереходной глубокой вытяжки// Обработка металлов давлением: Межвузовский сб. Свердловск: УШ, 1988. Ebn.I5. C.II5-I20.

29. Каркавин В.В. Исследование и промышленное использование антифрикционных металлических покрытий, наносишх в раеплавах солей // Современные проблемы триботехнологии: Тез.докл. Всесоюз. научно-техн.конф. Николаев: НИИ, 1988. C.I77-I78.

30. Каржавин В.В. Разработка и внедрение технологии полых изде лий на основе обработки в расплавленных солях// Г&зработка и промыл ленная реализация новых механических и Физико-химических методов обработки: Тез .докл. Всесооз .научно-техн.конФ.4.1. М.: МВТУ, 1988, C.I90-I9I.

31. Каржавин В.В. Использование теории модельно-пористых материалов для оценки циклической прочности в процессах пластического деформирования// Структура и прочность материалов в широком диапаэ( не температур: Тез.докл. ХШ Всесоюзн. научно-техн.конФ. Каунас: КИ 1989. 1.II. С.124-125.

32. №ржавин В.В. Анализ хрупкого разрушения изделий, получаемых уногопереходной глубокой вытяжкой// Мгханика и технология маши

юстроения: Тез.докл. научно-техн. семинара. Свердловск: УО АН ЗССР, 1990. С.56.

. 33. Каржавин В.В., Емельянов Л.А. Использование теории модель-ю-пористых материалов для оценки повреждйнности листового металла I построения диаграмм пластичности// Там же. С.57.

34. Кзртазта З'.В. Основные направления создания энергосберяга-тоих технологий штамповочного производства// Научные основы соэдч-ия энергосберегающей техники и технологии: Тез.докл. Всесоюз. на-чно-техн.кон*. М.: 1®И, 1990. С.261-262.

35. Каржавин В.З., Козловских Т.Г. Исследование ди*йузии лти-ующих элементов в поверхностных слоях нержавеющей стали при хи"-о-термической обработке в расплаве солей// Теория машин металг^ ического и горного оборудования: Межвузовский сб. Свердловск: У.'.-, 989. Вып.13. С.44-48.

36. Каржавин В.З. Совершенствование теории и технологии проц;с-эв глубокой вытяжки листового металла на основе решения некоторых *дач механики деформируемого твердого тела// 7П Всесояз. съезд по зоретическоЯ и прикладной механике: Тез.докладов. И.: МГУ, 1991. .182-183.

37. Кзряавин В.В. Износостойкие металлические покрытия, нано-вде в солегах расплавах, как средство интенсификации процессов (Лодной штамповки// Износостойкость машин: Тез.докл. Всесоюз. на-ио-техн.конб. Брянск, 1991. 4.1. С.38-39.

38. КаржаЕИН В.В., Мальцев Л.В. Влияние подготовки поверхности готовок на последующую штамповку и качество изделий// Структура прочность материалов в широком диапазоне температур: Тез.докл.

У научно-техн.кон*. Воронеж: ВГУ, 1992. С.36-37.

39. Каржавин В.В. Прогрессивная технология детяле.1 типа г-убг-х стакпнов из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т// йутергт.»; г. я нструкци? XXI века: Тез.докл. 1-й ¡¿ккдунлрсднсй научно-т-гц.ксн*.

• 46 г

Днепропетровск: ДИСИ, 1992. С.31-32.

40. Карсавин В.В. Пути интенсификации производства оболочковых изделий из нержавеющей стали, титана и аломиния// Материалы для строительства: Тез.докл. 2-й Международной научно-техн.конй. Днепропетровск: ДИСИ^ 1993. С.64-65.

41. Каржавин В.В., Мальцев Л.В., Филимонов И.Е. Заработка и исследование задиростойких- материалов для процессов пластического дегЬормирования// Там же. С.86-87.

42. Каржавин В.В., Филимонов И.Е., Лукьянова Т.Д. Анализ устойчивости (Тюрмы осесимметричных заготовок при штамповке// Теория машин металлургического и горного оборудования: Межвузовский сб. Екатеринбург: УПИ, 1993. С.40-46.

43. Каржавин В.В., Филимонов И.Е. Изследование хрупкого разрушения штампуеадх изделий// Там же. С.52-61.

' 44. Каржавин В.В. Металлические покрытия, наносимые в расплавах солей, их исследование и использование в процессах обработки металлов давлением// Трение и износ. 1992. Т.13, № 3. С.487-456.

45. Кар'.авкн З.В., Мальцев Л.В. Повышение задиростойкости сплавов.титана и аломиния за счет'покрытий, наносимых в расплавленных солях// Цветная, металлургия. 1993. № II. С.25-27.

46. Каржавин В.В. Критерии качества изделий, получаемых на основе многопереходной листовой штамповки// Кузнечно-штамповочное производство. 1994. Р 6. С.7-10. -

47. Карсавин В.В. Способ совмещенной штамповки листового металла со сжатием и методика его расчета// Вестник машиностроения. 1994. № 8. С.31-32.

Технологические процессы и оборудование защищены следующими изобретениями:

-. авторскими свидетельствами }? 1073000; 1074634; 1180158; 1262149; 1321523; 255672; 1483127; 1458080; 1581420;. 1595630; ЗС4596; 322463; 17С8914;

- положительными решениям!: » 4772380/27 от 22.10.90; 5006873/27 от 06.07.91.

Подписано в печать 25.1Г.94 Формат 60x84 1/16

Дуглага типографская Плоская печать Усл.п.л. 2,79 Уч.-изд.л.-2,14 Тиран 100 Заказ 634 Бесплатно •

Редакцпонно-издате льскп2 отдел УГГУ-УШ1. 620002, Екатеринбург, УГГУ-УШ1, 8-3 учебный корпус Ротапринт 7П7-Ш1. 620002, Екатеринбург, УГТГ-УШ,. 8-й уч.корпус