Вытяжка с утонением стенки цилиндрических деталей из двухслойных анизотропных материалов

В настоящее время перед машиностроением стоит необходимость повышения эффективности производства и качества получаемых изделий. В различных отраслях промышленности широкое распространение нашли цилиндрические изделия с толстым дном и тонкой стенкой, изготавливаемые методами обработки металлов давлением, к которым предъявляются высокие требования по качеству, точности геометрических размеров, чистоте поверхности, уровню механических свойств. 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. Материалы, подвергаемый штамповке, как правило, обладает анизотропией механических свойств, обусловленной маркой материала и технологическими режимами его получения. Анизотропия механических свойств материала заготовки может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов обработки металлов давлением, в частности, операций глубокой вытяжки.

В машиностроении на современном этапе находят широкое применение двухслойные материалы для изготовления цилиндрических сосудов высокого давления с повышенной коррозионной стойкостью. К таким изделиям предъявляются высокие требования по надежности, т.к. в процессе эксплуатации они испытывают внутреннее давление до 30 МПа. Процессы пластического формоизменения двухслойных анизотропных материалов в настоящее время мало изучены. Таким образом, развитие теории вытяжки с утонением пустотелых цилиндрических изделий из двухслойных анизотропных материалов приобретает особую актуальность.

При разработке технологических процессов глубокой вытяжки из двухслойных анизотропных материалов в настоящее время используются эмпирические зависимости из различных справочных материалов, а также результаты теоретических исследований, в которых не в полной мере учитывается анизотропия механических характеристик первого и второго слоев двухслойного материала, а также их взаимное влияние на силовые режимы и предельные возможности формоизменения.

Работа выполнена в соответствии с грантами Президента РФ на поддержку ведущих научных школ по выполнению научных исследований (гранты № НШ-1456.2003.8 и № НШ-4190.2006.8), грантом РФФИ № 05−196 705 «Исследование закономерностей пластического деформирования изотропных и анизотропных упрочняющихся материалов при обработке давлением» (2005;2006 гг.) и научно-технической программой Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы (2006;2008 гг.)» (проект № РНП 2.1.2.8355 «Создание научных основ формирования свойств изделий общего и специального назначения методами комбинированного термопластического деформирования материалов»).

Цель работы. Научное обоснование технологических режимов процесса вытяжки с утонением стенки двухслойных анизотропных материалов с учетом реальных механических свойств заготовки и создание новых технологических процессов изготовления цилиндрических сосудов высокого давления с повышенной коррозионной стойкостью, обеспечивающих заданное качество их изготовления, уменьшение трудоемкости и металлоемкости деталей, сокращение сроков подготовки производства новых изделий.

Методы исследования. Теоретические исследования вытяжки с утонением стенки выполнены с использованием основных положений механики сплошных сред и теории течения анизотропного телаанализ кинематики течения, напряженного и деформированного состояния заготовки при вытяжке с утонением стенки выполнен численно методом конечно-разностных соотношений с использованием ЭВМ. Предельные возможности формоизменения оценивались по величине максимального растягивающего напряжения на выходе из очага пластической деформации и степени использования ресурса пластичности. При проведении экспериментальных исследований использованы современные испытательные машины (универсальная испытательная машина «МИРИ-200К», испытательные машины Р-5 и ГМС-50) и регистрирующая аппаратураобработка опытных данных осуществлялась с применением методов математической статистики.

Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задач, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями, а также широким практическим использованием результатов работы в промышленности.

Автор защищает математическую модель процесса вытяжки с утонением стенки полых цилиндрических деталей из двухслойных анизотропных материалов, учитывающие анизотропию механических характеристик основного и плакирующего слоеврезультаты теоретических и экспериментальных исследований кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояний заготовки, формирования показателей качества механических свойств материалов детали (степени использования ресурса пластичности и однородности механических свойств), силовых режимов и предельных возможностей формообразованиярезультаты экспериментальных исследований анизотропии механических свойств двухслойного материала 12ХЗГНМФБА+08Х13 и силовых режимов вытяжки с утонением стенки двухслойных материаловрекомендации по расчету и проектированию технологических процессов вытяжки с утонением цилиндрических изделий из двухслойных анизотропных материаловновый технологический процесс изготовления цилиндрических сосудов высокого давления БГ-7,3−30−30,001 с повышенной коррозионной стойкостью при обеспечении эксплуатационных требований и снижении трудоемкости их изготовления.

Научная новизна: впервые разработана математическая модель деформирования двухслойных анизотропных материалов в условиях плоского деформированного состояния с учётом анизотропии механических свойств основного и плакированного слоевполучены основные уравнения и соотношения, необходимые для анализа кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояния заготовки, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения при вытяжке с утонением стенки цилиндрических деталей из двухслойных анизотропных материаловвыявлены закономерности изменения кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояний, силовых режимов и предельных возможностей формообразования, формирования показателей качества механических свойств материалов изделий (степени использования ресурса пластичности и однородности механических свойств) в зависимости от начальной анизотропии механических свойств материала заготовки, технологических параметров, упрочнения, геометрических параметров заготовки и инструмента, условий трения контактных поверхностей рабочего инструмента и заготовки.

Практическая значимость. Экспериментально определены характеристики анизотропии механические характеристики двухслойного материала 12ХЗГНМФБА+08Х13. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и создано программное обеспечение для ЭВМ по расчету технологических параметров вытяжки с утонением двухслойных анизотропных материалов. Разработан новый технологический процесс изготовления заготовок под закатку горловины баллонов БГ-7,3−30−30.001 из стали 12ХЗГНМФБА+08Х13 с высокими эксплуатационными характеристиками.

Реализация работы. Новые технологические процессы изготовления заготовок под закатку горловины баллонов высокого давления приняты к внедрению в опытном производстве на ФГУП «ГНПП Сплав» с экономическим эффектом, полученным в результате повышения их качества и сокращения сроков подготовки производства. Отдельные материалы научных исследований использованы в учебном процессе на кафедрах «Автоматизированные процессы и машины бесстружковой обработки материалов» ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет» и «Механика пластического формоизменения» ГОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Апробация работы. Результаты исследований доложены на международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (г. Москва, ГОУ ВПО «МАТИ», 2004 — 2006 г. г.) — на 1-й Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов (г. Тула: ТулГУ, 2004 г.) — на II международной научно-технической конференции «Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование обработки материалов давлением» (г. Тула: ТулГУ, 2004) — на международной научно-технической конференции (г. СПб.: БГТУ «Военмех» им. Д. Ф. Устинова, 2005) — на IX Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы проектирования и производства систем и комплексов», посвящается 100-летию М. А. Мамонтова (г. Тула: ТулГУ, 2006 г.) — на международной научно-технической конференции «Автоматизацияпроблемы, идеи, решения» (АПИР-11) (г. Тула: ТулГУ, 2006 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет и ГОУ ВПО «Тульский государственный университет (г. Тула, 2004;2006 г. г.).

Публикации. Основные научные материалы проведенных исследований отражены в 16 статьях в центральной печати и межвузовских сборниках научных трудов и в 7 материалах и тезисах Всероссийских и международных научно-технических конференций. Общий объем 7,8 печатных листа, авторский вклад 4,3 печатных листа.

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., доценту В.И. Трегубо-ву и к.т.н. доценту О. В. Пилипенко за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения и пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 153 наименований, 3 приложений и включает 98 страниц машинописного текста, 52 рисунка и 14 таблиц. Общий объем — 178 страниц.

5.4. Основные результаты и выводы.

1. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и создано программное обеспечение для ЭВМ по расчету технологических параметров вытяжки с утонением двухслойных анизотропных материалов.

2. Разработан новый технологический процесс изготовления заготовок под закатку горловины баллонов БГ-7,3−30−30.001 из анизотропной стали 12ХЗГНМФБА+08Х13 с высокими эксплуатационными характеристиками. Новые технологические процессы приняты к внедрению в опытном производстве на Федеральном государственном унитарном предприятии «ГН1111 Сплав». Экспериментальные характеристики готовых изделий соответствуют всем техническим требованиям.

3. Проведенные исследования по этапам технологического процесса позволили выявить следующие закономерности и использовать их при отладке и внедрении технологического процесса: исследования механических свойств образцов полуфабрикатов вытяжки после отжига показали, что предел прочности в донной части выше, чем в корпусе, что связано с сохранением в донной части исходной видманштеттовой структурыпо всей толщине и высоте стенки корпуса полуфабриката наблюдается структура из равноосных рекристаллизационных зерен феррита, что свидетельствует о полноте процесса рекристаллизациина границе основной материал — плакированный слой в основном материале наблюдается обезуглероженный слой на глубину до 0,5 ммисследование механических характеристик материала полуфабриката после формоизменяющих операций вытяжки подтвердило эффективность многооперационной технологии вытяжек с промежуточными термическими операциями восстановительного отжига.

4. Разработаны и внедрены мероприятия по использованию надежных технологических смазок на формоизменяющих операциях. Предложено в качестве смазки использовать «Препарат коллоидно-графитовый водный ПСВ».

5. Гидростатические испытания баллонов высокого давления (опытных изделий) превышающими нагрузками показали их соответствие техническим требованиям на испытания.

6. Отдельные материалы научных исследований использованы в учебном процессе на кафедрах на кафедрах «Автоматизированные процессы и машины бесстружковой обработки материалов» ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет» и «Механика пластического формоизменения» ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» при подготовке бакалавров по направлению 150 400 «Технологические машины и оборудование» и инженеров, обучающихся по направлению 150 200 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 150 201 «Машины и технология обработки металлов давлением» и включены в разделы лекционных курсов «Специальные виды штамповки», «Механика процессов пластического формоизменения», «Новые техпроцессы и оборудование» и «Технология листовой штамповки», а также использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное народнохозяйственное значение и состоящая в научном обосновании технологических режимов процесса вытяжки с утонением стенки двухслойных анизотропных материалов с учетом реальных механических свойств заготовки и создании новых технологических процессов изготовления цилиндрических сосудов высокого давления с повышенной коррозионной стойкостью, обеспечивающих заданное качество их изготовления, уменьшение трудоемкости и металлоемкости деталей, сокращение сроков подготовки производства новых изделий.

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

1. Разработана математическая модель процесса вытяжки с утонением полой цилиндрической заготовки из двухслойных анизотропных материалов с учетом анизотропии механических характеристик основного и плакированного слоев. Математическая модель дает возможность определить кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния, формирование характеристик механических свойств детали в процессах пластического формоизменения, рассчитать предельные степени деформации в зависимости от максимальной величины растягивающего напряжения на выходе из очага пластической деформации и условий эксплуатации изготавливаемого изделия. Предложена приближенная методика учета упрочнения материалов в основном и плакирующем слоях материала для решения поставленной задачи.

2. Разработан алгоритм и программное обеспечение для ЭВМ по расчету кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояний, силовых режимов и предельных возможностей формообразования процессов вытяжки с утонением стенки полых цилиндрических заготовок из двухслойных анизотропных материалов.

3. Выполнены теоретические исследования процесса вытяжки с утонением стенки двухслойных анизотропных материалов, в результате которых выявлено влияние технологических параметров, геометрических размеров заготовки и инструмента, степени деформации, условий трения контактных поверхностей инструмента и заготовки на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния заготовки, силовые режимы и предельных возможностей формоизменения.

4. Исследованы силовые режимы вытяжки с утонением стенки двухслойных анизотропных материалов в зависимости от степени деформации, условий трения контактных поверхностей инструмента и заготовки, толщины основного и плакирующего слоев. Установлено, что, с уменьшением коэффициента утонения ms и увеличением угла конусности матрицы, а относительная величина силы Р возрастают. Так рост коэффициента утонения с 0,5 то 0,9 сопровождается падением величины Р более чем в 3 раза при прочих равных условиях деформирования. Учет упрочнения существенно уточняет относительную величину силы Р, однако не изменяет характер влияния угла конусности матрицы а, коэффициента утонения ms и условий трения на контактных поверхностях рабочего инструмента и заготовки (ц/7/цл/). Установлено, что изменение условий трения на контактной поверхности пуансона существенно влияет на относительную величину силы Р. С ростом коэффициента трения на пуансоне (при — 0,05) величина относительной силы Р уменьшается. Этот эффект проявляется существеннее на малых углах конусности матрицы, а и величинах коэффициента утонения msпри углах конусности матрицы, а = 30° увеличение коэффициента трения на пуансоне в четыре раза по сравнению с коэффициентом трения на матрицы приводит к незначительному (около 5%) изменению относительной величины силы Р.

5. Показано, что величина неоднородности интенсивности деформации 8е в стенке детали с уменьшением угла конусности матрицы, а и коэффициента утонения ms падает, что говорит о более благоприятных условиях формирования механических свойств материала стенки изготавливаемого изделия.

6. Оценены предельные возможности формообразования при вытяжке с утонением стенки двухслойных анизотропных материалов по максимальной величине растягивающего напряжения на выходе из очага пластической деформации и по степени использования ресурса пластичности. Показано, что увеличение угла конусности матрицы, а и уменьшение коэффициента утонения msnp приводит к росту максимальной величины <ле на выходе из очага пластической деформации. Установлено, что с увеличением угла конусности матрицы, а предельный коэффициент утонения msnp увеличивается, т. е. ухудшаются условия утонения. Различие предельных коэффициентов утонения msnp, определенных с учетом и без учета упрочнения материала, составляет около 15%. Показано, что с ростом угла конусности матрицы, а величина предельного коэффициента утонения msnp увеличивается. Так увеличение угла конусности матрицы от 6 до 30° сопровождается ростом величины msnp на 45%. Показано, что при вытяжке с утонением стенки цилиндрических деталей из двухслойной стали 12ХЗГНМФБА+08Х13 с увеличением величины 5oi//*() ПР0ИСХ°ДИТ Рост предельного коэффициента утонения msnp.

Установлено, что изменение условий трения на контактной поверхности пуансона существенно влияет на предельный коэффициент утонения. С ростом коэффициента трения на пуансоне снижается предельное значение коэффициента утонения msnp. Предельные возможности формоизменения при вытяжке с утонением стенки цилиндрических деталей ограничиваются как максимальной величиной растягивающего напряжения на выходе из очага пластической деформации, так и степенью использования ресурса пластичности. Это зависит от анизотропии механических свойств первого и второго слоев двухслойных материалов заготовки, технологических параметров, геометрии матрицы и условий трения на контактных поверхностях инструмента.

7. Оценено влияние анизотропии механических свойств цилиндрических полых заготовок из двухслойных материала на силовые режимы и предельные возможности формообразования процесса вытяжки с утонением стенки. Показано существенное влияние анизотропии механических свойств исходной заготовки на силовые режимы и предельные возможности формообразования.

8. Выполнены экспериментальные исследования по определению характеристик анизотропии механических свойств, констант кривых упрочнения и разрушения для двухслойной анизотропной стали 12ХЗГНМФБА+08Х1Э. В отличие от известных методик определения механических характеристик двухслойных материалов, когда механические свойства двухслойных листов оценивают свойствами материала основного слоя, предложено их оценивать как свойства основного и плакирующего материалов слоев. Экспериментально определены характеристики анизотропии механических свойств основного и плакированного слоев.

9. Проведены экспериментальные исследования вытяжки с утонением стенки двухслойной стали 12X3ГНМФБА+08Х13 в конических матрицах. Сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований по силовым режимам процесса вытяжки с утонением стенки цилиндрических деталей из двухслойных материалов указывает на удовлетворительное их согласование (до 10%). Результаты теоретических расчетов дают завышенные значения силовых параметров вытяжки с утонением стенки двухслойного материала.

10. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и создано программное обеспечение для ЭВМ по расчету технологических параметров вытяжки с утонением двухслойных анизотропных материалов. Разработан новый технологический процесс изготовления заготовок под закатку горловины баллонов БГ-7,3−30−30.001 из анизотропной стали 12ХЗГНМФБА+08Х13 с высокими эксплуатационными характеристиками. Новые технологические процессы приняты к внедрению в опытном производстве на Федеральном государственном унитарном предприятии «ГН1111 Сплав». Экспериментальные характеристики готовых изделий соответствуют всем техническим требованиям. Разработаны и внедрены мероприятия по использованию надежных технологических смазок на формоизменяющих операциях. Предложено в качестве смазки использовать «Препарат коллоидно-графитовый водный ПСВ». Гидростатические испытания баллонов высокого давления (опытных изделий) превышающими нагрузками показали их соответствие техническим требованиям на испытания. Отдельные материалы научных исследований использованы в учебном процессе на кафедрах «Автоматизированные процессы и машины бесструж-ковой обработки материалов» ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет» и «Механика пластического формоизменения» ГОУ ВПО «Тульский государственный университет».