автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Волочение труб из анизотропного упрочняющегося материала

61 ■■ т-ь1Ч8б-

Тульский государственный университет

Специальность 05.03.05. - Процессы и машины обработки

давлением

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

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

ЧЕРНЯЕВ АЛЕКСЕИ ВЛАДИМИРОВИЧ

ВОЛОЧЕНИЕ ТРУБ ИЗ АНИЗОТРОПНОГО УПРОЧНЯЮЩЕГОСЯ МАТЕРИАЛА

Тула 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................................5

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОЦЕССОВ ВОЛОЧЕНИЯ АНИЗОТРОПНЫХ И ИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ................................................11

1.1. Теоретические и экспериментальные исследования процессов волочения.................................................................................................................................11

1.2. Анизотропия материалов и ее влияние на процессы обработки металлов давлением...........................................................................................................25

1.3. Основные выводы и постановка задач исследований.........:...........35

2. ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ..........................................................................................................39

2.1. Условие текучести и ассоциированный закон пластического течения ортотропного материала,,,,.,,,,...........„„„„„.,.„,„................,.„,„„„„,.,......„„,39

2.2. Плоское напряженное состояние анизотропного материала.................................................................................................................................41

2.3. Плоское деформированное состояние анизотропного тела.............................................................................................................................................43

2.4. Математические модели упрочнения анизотропного материала.................................................................................................................................45

2.5. Феноменологические модели разрушения анизотропного материала,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,.....„...„„....„.„„..........„,.....„„„..„.„.„„„„„,„.....,„„„„„„„„„..„.„,„„.,.„,„49

2.6. Учет повреждаемости при исследовании пластического формоизменения.................................................................................................................................57

2.7.' Критерии шейкообразования ортотропного анизотропно упрочняющегося листового материала при двухосном растяжении.......................58

2.7.1. Критерий шейкообразования ортотропного анизотропно упрочняющегося материала..................................................................................................59

2.7.2. Критерий шейкообразования анизотропно упрочняющегося материала в условиях плоского напряженного и плоского деформированного состояний...............................................................................................................63

2.8. Основные результаты и выводы..................................................................68

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОВЕДЕНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ОРТОТРОПНОГО АНИЗОТРОПНО УПРОЧНЯЮЩЕГОСЯ МАТЕРИАЛА...............................................................................................................................69

3.1. Методика экспериментального • определения характеристик анизотропии механических свойств трубного материала...............................69

3.1.1. Методика определения параметров кривых упрочнения..............................................................................................................................69

3.1.2. Методика определения констант функциональных зависимостей критериев разрушения анизотропного трубного материала.................................................................................................................................86

3.2. Результаты экспериментального определения характеристик поведения и разрушения ортотропного анизотропно упрочняющегося материала,,,,,,,,,,,-------,-----,..„„.------------------,------—,„„........„„...........................,......,„„„„„„.....,89

3.3. Основные результаты и выводы................................................................107

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА БЕ30ПРАВ0ЧН0Г0 ВОЛОЧЕНИЯ ТРУБ ИЗ АНИЗОТРОПНОГО МАТЕРИАЛА...,.......................................................................................109

4.1. Основные предположения и соотношения. Постановка задачи......................................................................................................................................109

4.2. Силовые режимы, безоправочного волочения трубы.....................115

4.3. Ожидаемые механические свойства трубы при безоправочном волочении,.,............,.....„„.—„...,_____...—..........................................................„,„.,;.115

4.4. Предельные возможности формоизменения при безоправочном волочении труб...................................................................................................................117

4.5. Основные результаты и выводы...............................................................123

5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВОЛОЧЕНИЯ ТРУБ ИЗ АНИЗОТРОПНОГО МАТЕРИАЛА НА ОПРАВКЕ...................................................................................................................................125

5.1. Постановка задачи. Основные предположения и соотношения,,.,,,,,,,,,,,.,,,,,,.,,,,.,..,....,,.,^^

5.2. Напряженное и деформированное состояния трубы в зоне плоского напряженного состояния.....................................................................................125

5.3. Напряженное и деформированное состояние трубы в зоне плоского деформированного состояния. Усилие процесса.....................................128

5.4. Напряженное и деформированное состояния трубы при волочении на самоустанавливающейся оправке. Усилие процесса........................135

5.5. Силовые режимы волочения труб на длинной и короткой оправках......................................................................................................................................140

5.6. Ожидаемые механические свойства трубы при волочении труб на длинной и короткой оправках..............................................................................150

5.7. Предельные коэффициенты утонения при волочении труб на оправке....................................................................................................................................151

5.8. Силовые и деформационные параметры процесса волочения труб на самоустанавливающейся оправке..............................................................157

5.9. Экспериментальные исследования процесса волочения труб на длинной оправке................................................................................................................160

5.10. Использование результатов исследований.....................................163

5.11. Основные результаты и выводы..............................................................164

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................................................166

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.........................................................169

ПРИЛОЖЕНИЕ 1............................................................................................................182

ПРИЛОЖЕНИЕ 2...........................................................................................................209

ПРИЛОЖЕНИЕ 3...........................................................................................................211

ПРИЛОЖЕНИЕ 4..........................................................................................................213

ВВЕДЕНИЕ

В машиностроении и других отраслях промышленности широкое применение нашли трубчатые заготовки и трубы, к которым предъявляются высокие требования по качеству, точности геометрических размеров, чистоте поверхности, уровню механических свойств. Среди процессов волочения труб широко используются различные виды волочения: волочение без оправки, волочение на подвижной и неподвижной оправках со значительным и незначительным изменением диаметра трубной заготовки.

В результате пластической деформации достигается не только необходимое формоизменение, но и формируются необходимые механические свойства (предел текучести, предел прочности, показатели пластичности) в зависимости от назначения изделия и условий его эксплуатации. Эти задачи следует решать при минимальном количестве технологических операций.

Материал заготовок, подвергаемых штамповке, обладает анизотропией механических свойств, обусловленной маркой материала и техноЛогическими режимами его получения.

Анизотропия механических свойств материала заготовки оказывает влияние на силовые и деформационные параметры процессов пластической обработки, предельные степени деформации и качество получаемых изделий.

При пластической деформации начальная анизотропия механических свойств заготовки изменяется, что подтверждается экспериментальными исследованиями.

Для более эффективного использования процессов волочения необходимо иметь информацию о влиянии анизотропии механических свойств материала, способности этого материала к упрочнению, параметров упрочнения, геометрических размеров трубы и технологических параметров __ рассматриваемых процессов на напряженно-деформированное состояние, силовые режимы, формирование механиче-

о

ских свойств материала и предельные возможности формоизменения при волочении труб со значительным изменением ее диаметра и толщины.

Работа выполнена в соответствии с Российской научно-технической программой "Ресурсосберегающие технологии машиностроения" (Приказ Госкомитета РСФСР по делам науки и высшей школы N224 от 19.03.91), грантами "Научные основы формирования анизотропии механических свойств при волочении и выдавливании труб" и "Теоретические основы волочения и выдавливания трубы из ортотропного материала", а также хозяйственными договорами с рядом предприятий России.

Цель работы. Решение научно-технической задачи, состоящей в разработке научно-обоснованных режимов процессов волочения труб на оправках и без них из анизотропного упрочняющегося материала, которые обеспечивают их интенсификацию и формирование механических свойств материала трубы, удовлетворяющих техническим условиям их эксплуатации и последующей переработки.

Автор защищает основные уравнения и соотношения, необходимые для исследования процессов волочения труб из анизотропного материала с анизотропным упрочнением и предлагает оценивать предельные возможности формоизменения с учетом максимальной величины осевого напряжения в трубе, феноменологического критерия разрушения и локальной потери устойчивости для анизотропного материала; результаты экспериментальных исследований по определению параметров анизотропии механических свойств, деформационного упрочнения и констант функциональной зависимости критерия разрушения латуни Л68, сплава АМг2М, сталей 08КП, СтЗ; результаты теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния заготовки, силовых режимов, предельных степеней формоизменения и формирования анизотропии механических свойств изготавливаемой трубы при волочении ее на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований, принимая во внимание условия их эксплуатации и последующей обработки методами штамповки.

Научная новизна.

1. Получены основные уравнения и необходимые соотношения для анализа напряженно-деформированного состояния, силовых режимов и

О V и

предельных степеней деформации, связанных с накоплением микроповреждений и локальной потери устойчивости при безоправочном волочении и волочении труб из упрочняющегося анизотропного материала на оправках.

2. Предложена методика экспериментального определения характеристик анизотропии механических свойств, параметров кривых анизотропного упрочнения и констант функциональной зависимости феноменологического критерия разрушения ортотропного материала.

3. В результате теоретических исследований установлены закономерности изменения силовых и деформационных параметров, предельных возможностей формоизменения и ожидаемых механических свойств изготавливаемой трубы при волочении в зависимости от анизотропии механических свойств, характеристик упрочнения, геометрических параметров инструмента, условий трения на контактных поверхностях инструмента и трубы.

Методы исследования. Теоретические исследования процессов волочения выполнены на базе теории пластичности ортотропных тел с анизотропным упрочнением. Анализ напряженно-деформированного состояния при волочении выполнен численно путем решения приближенных уравнений равновесия с условием пластичности методом конечно-разностных соотношений. Предельные возможности формоизменения оценивались по максимальной величине осевого напряжения в трубе, по критерию разрушения, связанного с накоплением микроповрежденяй при деформировании анизотропного материала, а также по критерию локальной потери устойчивости заготовки. При проведении экспериментальных исследований использованы современные испытательные машины, регистрирующая аппаратура, а экспериментальные зависимости получены с использованием математической статистики.

Практическая ценность и реализация работы. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработаны ре-

рекомендации по ведению технологических процессов волочения труб из начально ортотропного анизотропно упрочняющегося материала. Эти рекомендации использованы на ОАО «Тульский научно-исследовательский технологический институт» в опытном производстве при совершенствовании существующих и создании новых технологий получения труб из различных металлов и сплавов, а также при разработке новых технологических процессов волочения на ОАО "Магнитогорский калибровочный завод". Внедрение предложенных технологических процессов в промышленность позволит значительно сократить технологический цикл, снизить энергоемкость и трудоемкость изготовления труб и проволоки.

Некоторые вопросы научных исследований включены в отдельные разделы лекционных курсов "Теория обработки металлов давлением", "Технология холодной штамповки", "Новые методы обработки металлов давлением", а также использованы при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на Международном научно-техническом симпозиуме "Механика и технология в процессах формоизменения с локальным очагом пластической деформации" (г. Орел 1997г.), на II Межгосударственной научно-технической конференции "Проблемы пластичности в технологии" (г. Орел, 1998г.), на Всероссийской молодежной научной конференции "XXIV Гагаринские чтения" (г. Москва, 1998г.), на Международной конференции "Итоги развития механики в Туле" (г. Тула, 1998г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (1996 - 1998гг.).

Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 10 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит . из введения и пяти разделов, заключения и списка литературы. Диссертация изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка, 3 таблицы и 146 наименований библиографического списка. Общий объем работы - 214 страниц.

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе задачи, ее научная новизна, практическая ценность работы и кратко раскрыто содержание разделов диссертации.

В первом разделе рассмотрено современное состояние теории и технологии процессов волочения труб из анизотропных и изотропных материалов.

Во втором разделе приводятся основные уравнения и соотношения для анализа процессов волочения труб из анизотропного материала, модели анизотропного упрочнения начально ортотропного тела, описывается феноменологическая модель (деформационная) разрушения и локальной потери устойчивости в условиях плоского напряженного и плоского деформированного состояний трубы из анизотропного материала при пластическом формоизменении.

В третьем разделе приведены методики и результаты экспериментальных исследований характеристик анизотропии механических свойств, параметров деформационного упрочнения и констант функциональной зависимости деформационного критерия разрушения алюминиевого сплава АМг2М, латуни Л63, сталей 08кп и СтЗ.

Четвертый раздел посвящен теоретическим исследованиям безоп-равочного волочения трубы из ортотропного анизотропно упрочняющегося материала. Установлены зависимости изменения силовых режимов процессов, ожидаемой анизотропии механических свойств материала трубы и предельных возможностей формоизменения от технологических параметров (степени деформации, геометрических характеристик инструмента, условий трения на контактных поверхностях рабочего инструмента и трубы), характеристик начальной анизотропии механических свойств трубы и анизотропного упрочнения.

В пятом разделе выполнены теоретические и экспериментальные исследования волочения труб из ортотропного анизотропно упрочняющегося материала на длинной, короткой и самоустанавливающейся оправках. Установлены зависимости изменения силовых режимов процессов, ожидаемой анизотропии механических свойств материала трубы и предельных возможностей формоизменения по накоплению микроповреждений и локальной потери устойчивости трубы от технологических

параметров (степени деформации, геометрических характеристик инструмента, условий трения на контактных поверхностях рабочего инструмента и трубы), характеристик Начальной анизотропии механических свойств трубы и анизотропного упрочнения.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.т.н. профессору Яковлеву С.П. за научное руководство и д.т.н. профессору Яковлеву С.С. за оказанную помощь, при выполнении работы.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОЦЕССОВ ВОЛОЧЕНИЯ АНИЗОТРОПНЫХ И ИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Тео