Актуальность темы
: Современное машиностроение развивается по следующим направлениям: ресурсосбережение, содержащее в себе экономию трудозатрат, металла, электроэнергии и т. д.- повышение качества получаемых изделий, зависящего от точности используемых заготовок, оптимальных технологических режимов и точности настройки оборудованияконкурентоспособность, заключающаяся в улучшении товарного вида изделий, экологичности технологий и себестоимости деталей.
Процессы холодного выдавливания из всех штамповочных операций наиболее полно соответствует выше перечисленным критериям, особенно, если получаемые изделия и полуфабрикаты являются конструктивно усложненными, в этом случае холодному выдавливанию соответствует максимальный коэффициент использования материала, повышенная точность изделия и достаточно низкая себестоимость их изготовления.
Непрерывно усложняющиеся конструкции машин и оборудования, а также применение новых материалов для изготовления деталей, требуют совершенствования технологий, в том числе и обработки металлов давлением.
В связи с этим необходимы так же непрерывные улучшения традиционных процессов холодного выдавливания и переход от простых базовых процессов к более сложным — многоканальным. К таким операциям относится комбинированное выдавливание высокопрочных материалов, в частности деформируемых сталей.
В технической литературе практически отсутствует информация по применению комбинированного выдавливания в изготовлении длинноосных цилиндров, с отношением высоты к диаметру > 5, из стальных заготовок, в частности, с использованием технологий двойного выдавливания. К длинноосным стальным изделиям относятся: баллоны огнетушителей, газовые баллоны сифонов, корпуса амортизаторов, пневматических пружин и т. д. В связи с этим возникает необходимость изучения характера течения металла при комбинированном выдавливании ступенчатых полуфабрикатов и совершенствования способов изготовления длинноосных тонкостенных стальных цилиндров.
Часть исследований выполнена при поддержке Российским фондом фундаментальных исследований (№ 03−01−96 377, тема «Исследование закономерностей нестационарного течения при обратном выдавливании заготовок в сложнопрофильной матрице», 2003 г.- № 04−01−96 705, тема «Технологическая деформируемость плакированных биметаллических сталь-никелевых заготовок в условиях плоской и объемной деформации» и гранта Президента РФ для поддержки ведущих научных школ № НШ 1456.2003.8 и №НШ 4190.20 068.
Цель работы: Повышение эффективности изготовления стальных тонкостенных длинноосных цилиндров за счет применением прогрессивных процессов комбинированного выдавливания.
Задачи исследования:
1. Исследовать процесс комбинированного выдавливания полых заготовок из высокопрочных материалов.
2. Учесть кинематику течения материала, геометрию инструмента и граничные условия процесса для установления силовых и деформационных параметров на основании разработанных математических моделей.
3. Экспериментально исследовать характер деформирования металла и силовые параметры при комбинированном выдавливании полуфабрикатов и сопоставить данные с теоретическими результатами.
4. Изучить предельные технологические возможности разработанной технологии по относительной длине изготавливаемых стальных изделий при заданных толщине стенки и наружного диаметра.
5. Усовершенствовать технологию получения стальных тонкостенных длинноосных цилиндров на примере пневмогидравлического амортизатора.
Методы исследования: Режимы деформирования определялись энергетическим методом, основанным на экстремальном принципе теории пластичности. Экспериментальные исследования проводились методами текстурного анализа и электротензометрирования с использованием современных испытательных машин и регистрирующей аппаратуры. Сопрягаемость деталей и узлов штамповой оснастки при проектировании проверялась методом твердотельного моделирования.
Научная новизна: Выявлены закономерности для комбинированного выдавливания ступенчатых деталей с прямой и наклонной перемычкой, связывающие силовые, деформационные и кинематические параметры процессов с размерами заготовок и изделий, с механическими свойствами материалов, трением на контактных границах и геометрией инструмента с помощью выведенных математических моделей в виде опорных решений для различных стадий деформирования и видов пластического течения металла;
Экспериментальным путем установлен характер течения материала и силовые параметры при комбинированном выдавливании ступенчатых деталей с образованием глобальных поверхностей разрыва при переходе от стационарной к конечной нестационарной стадии.
Практическая значимость: Разработаны рекомендации по проектированию базовых технологий получения стальных тонкостенных корпусов на примере изготовления рабочего цилиндра пневмогидравлического амортизатора;
Созданы алгоритм и программа для расчета оптимальных параметров технологии, с помощью которых получены зависимости предельной относительной длины стальных тонкостенных корпусов от толщины стенки готового изделия при их изготовлении с применением двойного выдавливания по схеме «обратное + комбинированное»;
Спроектирована специальная конструкция штампа для комбинированного выдавливания с динамической настройкой по разностенности детали, оптимизированная на твердотельной модели.
Реализация работы: Методика расчёта технологических режимов процесса комбинированного выдавливания длинноосных стальных цилиндров была использована на ОАО «Щегловский вал» (г. Тула), а результаты работ — в учебном процессе ГОУ ВПО «ТулГУ».
Апробация работы: Материалы настоящей работы представлялись на следующих конференциях и выставках:
— ежегодных профессорско-преподавательских конференциях кафедры МПФ ТулГУ (2004 — 2006 гг.);
— Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ — РГТУ им. К. Э. Циолковского, 2000, 2002 гг.);
— Российской молодёжной научной и инженерной выставке «Шаг в будущее» / RYP SF Fair (Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1999, 2002 гг.);
— Втором Международном конгрессе студентов, молодых ученых и специалистов «Молодежь и наука — третье тысячелетие"/У8ТМ'02 (Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002 г.);
— IX Международной выставке молодежных научно-технических проектов «ЭКСПО-НАУКА 2003», Международном молодежном научном конгрессе «Молодежь. Наука. Общество», Ассамблее Международного молодежного научного движения под девизом «Судьба планеты в руках молодых» (Москва, ВВЦ, 2003 г.).
Полученные награды:
— Диплом победителя за первое место в Региональной выставке «Шаг в будущее — Центр России» (Россия, Липецк, 1999 г.);
— Диплом лауреата и Свидетельство кандидата в сборную РФ на Лондонский международный молодежный научный форум на Национальном соревновании молодых ученых Европейского Союза «Шаг в будущее» (Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1999 г.);
— Медаль с удостоверением Министерства образования РФ «За лучшую студенческую работу» в Открытом конкурсе на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в высших учебных заведениях РФ (2000 г.);
— Диплом I степени за победу в конкурсе студенческих научных работ в рамках Международного конгресса автомобилестроителей «ФИЗИТА -2002» (Финляндия, Хельсинки, 2002 г.);
— Диплом лауреата Всероссийского конкурса молодежных проектов «Ползуновские гранты» (Россия, Барнаул, 2002 г.);
— Медаль и Диплом лауреата IX Международной выставки молодежных научно-технических проектов «ЭКСПО-НАУКА 2003 (ESI'2003, Moscow)» и Международного молодежного научного конгресса «Молодежь. Наука. Общество» (Москва, ВВЦ, 2003 г.);
— Серебряная медаль и Диплом Международного Жюри, Диплом почтения и благодарности на VII Московском Международном салоне промышленной собственности «Архимед 2004» (Москва, ВЦ «Сокольники», 2004 г.).
Публикации: за время проведения исследований было опубликовано по теме диссертации 15 научных работ (Общий объем — 2,4 п.л.- личный вклад -1,8 п.л.).
Структура и объём диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 93 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок, 9 таблиц и 105 наименований библиографического списка. Общий объём работы 126 страниц.
ВЫВОДЫ.
1. Разработана базовая технология получения стальных цилиндров пневмогидравлических амортизаторов диаметром 35 мм, длиной 227 мм, толщиной стенки 2,5 мм с учетом теоретических и экспериментальных исследований. Показано, что при такой технологии увеличивается коэффициент использования материала, снижается себестоимость и повышается производительность.
2. На основании разработанной методики проектирования, алгоритма расчета и анализа полученных зависимостей по определению максимальной длины стальных изделий установлено, что при использовании допустимых степеней деформаций на каждой из трех формоизменяющих операций можно получать изделия с относительной длиной до ктах 12,5, что соответствует максимальному значению по длине 640 мм, при наружном диаметре 55 мм и толщиной стенки 1,5 мм.
3. Разработана конструкция штампа для комбинированного выдавливания с регулировкой инструмента по разностенности полуфабриката в заданном поперечном сечении по результатам предварительного деформирования.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное значение для промышленности и состоящая в повышении эффективности производства длинноосных стальных цилиндров за счет применения комбинированного выдавливании в технологической системе двойного холодного выдавливания.
В процессе теоретических и экспериментальных исследований достигнуты следующие основные результаты и сделаны выводы:
1. Установлено, что на стационарной стадии комбинированного выдавливания инструментом с прямыми и наклонными кромками скорости деформирования определяются скоростным параметром у4 или скоростью перемещения непродеформированной части заготовки. Причем скорость перемещения заготовки в инструменте вызывают активные силы трения гк: на контейнере — в пользу обратного выдавливания, а на оправке — в пользу прямого. При этом скорость прямого выдавливания Уб больше скорости обратного выдавливания у3 даже при одинаковых степенях деформации гоб = гпр на величину несущей скорости У/.
2. Выявлено, что на нестационарной стадии комбинированного выдавливания инструментом с прямыми кромками возникают три вида деформирования: комбинированное выдавливание при 5 > 0, чистовая резка сдвигом при 5 = 0 и комбинированное редуцирование при 5 < 0. На этой стадии деформирования между кромками инструмента появляется поверхность глобального разрыва, по обе стороны которой материал движется на встречу друг другу. Причем при комбинированном выдавливании на этой поверхности действуют сжимающие напряжения, при комбинированном редуцированиирастягивающие, а при чистовой резке — напряжения сдвига.
Переход от стационарной к нестационарной стадии по мере уменьшения толщины перемычки осуществляется при равенстве технологических сил и сопровождается трансформацией очага деформации и скачкообразным изменением его параметров.
3. Экспериментальные исследования ступенчатых полуфабрикатов по текстуре детали показали, что при комбинированном выдавливании всех рассмотренных видов существует глобальная поверхность разрыва в виде изломов линий текстуры и мертвые зоны в углах инструмента. Установлены также формы и размеры пластических областей.
По силовым параметрам, определенным тензометрированием, найдено расхождение экспериментальных и теоретических данных, которое в среднем составило: для комбинированного выдавливания — 10,3%- для чистовой резки -22%- для редуцирования — 20,7%- для прямого — 37,3% и для обратного — 26,6%.
4. На основании разработанных методики проектирования и алгоритма расчета и анализа полученных зависимостей по определению предельной длины длинноосных стальных изделий установлено, что при использовании предельных степеней деформаций на каждой из трех формоизменяющих операций можно получать изделия с относительной длиной ктах 12,5, что соответствует абсолютному значению по длине — 640 мм.
5. Разработана базовая технология получения стальных цилиндров пневмогидравлических амортизаторов диаметром 35 мм, длиной 227 мм, толщиной стенки 2,5 мм. Показано, что при такой технологии увеличивается коэффициент использования материала, снижается себестоимость и повышается производительность. Спроектирована конструкция штампа для комбинированного выдавливания с динамической регулировкой инструмента по разностенности полуфабриката в заданном поперечном сечении. Методика расчёта технологии на стальные цилиндры использовалась на ОАО «Щегловский вал», г. Тула.
Научные разработки внедрены в учебный процесс при подготовке лекций и лабораторных работ по дисциплинам «Компьютерное моделирование технологических процессов объемной штамповки» и «Экспериментальные методы исследования напряжений и деформаций».
