Изотермическая вытяжка с утонением стенки тонко-и толстостенных цилиндрических заготовок из анизотропных материалов в режиме кратковременной ползучести

Актуальность темы

Важной задачей, стоящей перед современным машиностроением, является повышение эффективности и конкурентоспособности процессов изготовления изделий из металлов и сплавов методами обработки давлением, обеспечивающих необходимые эксплуатационные характеристики. Совершенствование конструкций изделий ответственного назначения определяет применение анизотропных высокопрочных материалов и изготовление деталей узлов со специальными, зависящими от условий эксплуатации, характеристиками. К числу наиболее перспективных и принципиально новых технологических процессов, направленных на совершенствование современного производства, относятся процессы медленного горячего формоизменения в режиме вязкого течения материала.

В различных отраслях машиностроения широкое распространение нашли цилиндрические изделия, изготавливаемые методами глубокой вытяжки. Технологические принципы формоизменения листовых заготовок в режиме вязкого течения материала могут быть применены в производстве цилиндрических деталей из анизотропных высокопрочных сплавов.

Материал, подвергаемый штамповке, как правило, обладает анизотропией механических свойств, которая может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов обработки металлов давлением при различных термомеханических режимах деформирования.

Широкое внедрение в промышленность процессов изотермической вытяжки с утонением стенки цилиндрических деталей из высокопрочных материалов сдерживается недостаточно развитой теорией медленного деформирования при повышенных температурах с учетом реальных свойств материала, позволяющей оценить кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояние заготовки, силовые режимы, предельные возможности формообразования и энергозатраты процесса. Решение этой народнохозяйственной задачи может быть достигнуто за счет максимального использования внутренних резервов формообразования высокопрочных материалов путем создания научно-обоснованных технологических процессов изотермической штамповки, учитывающих анизотропию механических свойств, упрочнение, вязкие свойства материала заготовки, термомеханические режимы формоизменения и другие особенности процессов обработки металлов давлением. Таким образом, разработка теории и технологии изготовления цилиндрических деталей из анизотропных материалов в режиме кратковременной ползучести является актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с грантом Президента РФ на поддержку ведущих научных школ на выполнение научных исследований (гранты № НШ-1456.2003.8 и № НШ-4190.2006.8), грантом РФФИ № 04−01−378 «Теория формоизменения мембран и тонколистовых заготовок из анизотропного труд-нодеформируемого материала в условиях кратковременной ползучести» (20 042 006 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. Интенсификация технологических процессов изотермической вытяжки с утонением цилиндрических деталей из анизотропных упрочняющихся материалов, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, обеспечивающих заданное качество их изготовления, уменьшение трудоемкости и металлоемкости деталей, сокращение сроков подготовки производства новых изделий.

Методы исследования. Теоретические исследования процессов изотермического деформирования выполнены на основе теории кратковременной ползучести анизотропного материала. Анализ напряженного и деформированного состояния заготовки в процессах изотермической вытяжки с утонением стенки цилиндрических заготовок из анизотропных высокопрочных материалов осуществлен численно методом конечно-разностных соотношений с использованием ЭВМ путем решения приближенных уравнений равновесия с уравнением состояния анизотропного материала при кратковременной ползучести. Предельные возможности формоизменения оценивались по феноменологическим критериям разрушения (энергетическому или деформационному) анизотропного материала, связанного с накоплением микроповреждений. При проведении экспериментальных исследований использованы современные испытательные машины и регистрирующая аппаратура. Обработка опытных данных проводилась методами математической статистики.

Автор защищает:

— математические модели изотермической вытяжки с утонением стенки цилиндрических заготовок в конических матрицах, протекающих в условиях плоского деформированного (вытяжка с утонением тонкостенных заготовок) или осесимметричного напряженного состояния (вытяжка с утонением толстостенных заготовок) из анизотропных материалов в режиме кратковременной ползучести;

— результаты теоретических и экспериментальных исследований изотермической вытяжки с утонением стенки цилиндрических деталей из анизотропных материалов в конических матрицах в режиме кратковременной ползучести;

— установленные зависимости влияния технологических параметров, скорости перемещения пуансона, условий трения на контактных поверхностях рабочего инструмента и заготовки, анизотропии механических свойств материала заготовки на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния заготовки, силовые режимы и предельные возможности деформирования, связанные с допустимой величиной накопленных микроповреждений;

— результаты экспериментальных исследований операций изотермической вытяжки с утонением стенки тонкостенных и толстостенных цилиндрических заготовок из анизотропных высокопрочных материалов;

— разработанные рекомендации по проектированию технологических процессов:

— технологический процесс изготовления цилиндрических деталей из титанового сплава ВТ6.

Научная новизна: установлены закономерности изменения кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояний заготовки, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения в зависимости от технологических параметров, скорости перемещения пуансона и анизотропии механических свойств материала заготовки на основе разработанных математических моделей течения анизотропного материала в клиновом канале в условиях плоского деформированного состояния и в конической матрице в условиях осесимметричного напряженного и деформированного состояния в режиме кратковременной ползучести.

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 использованием результатов работы в промышленности.

Практическая значимость. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и созданы пакеты прикладных программ для ЭВМ по расчету технологических параметров операций вытяжки с утонением стенки тонкостенных и толстостенных цилиндрических заготовок из высокопрочных анизотропных материалов, что позволяет получать детали с повышенными точностными характеристиками по диаметру и толщине с более упрочненной стенкой, а также достигать больших степеней деформации по сравнению с другими видами вытяжки, значительно сократить число операций технологического процесса.

Реализация работы. Разработан технологический процесс изготовления цилиндрических деталей с высокими эксплуатационными характеристиками. Технологический процесс принят к внедрению в опытном производстве на ФГУП «ГНПП «Сплав» (г. Тула). Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе 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 «Штамповка анизотропных материалов» и «Механика процессов пластического формоизменения», а также использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на международных молодежных научных конференциях XXIX — XXXIII «Гагаринские чтения» (г. Москва: МГТУ «МАТИ», 2003;2007 гг.), на международной научно-технической конференции «Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование обработки материалов давлением» (г. Тула: ТулГУ, 2004 г.) — на международной научно-технической конференции «Образование, наука, производство и управление» (г. Старый Оскол: Старооскольский технологический институт, 2007 г.), на 1-й Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Идеи молодых — Новой России» (г. Тула: ТулГУ, 2004 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (2002;2007 гг.).

Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 8 статьях в рецензируемых изданиях, внесенных в список ВАК, 5 тезисах и материалах Всероссийских и международных научно-технических конференций объемом 4.3 печ. л.- из них авторских — 2.4 печ. л.

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору С. С. Яковлеву и д.т.н., профессору Ю. Г. Нечепуренко 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 148 наименований, 3 приложений и включает 96 страниц машинописного текста, содержит 47 рисунков и 6 таблиц. Общий объем — 178 страниц.

5.5. Основные результаты и выводы.

1. Выполнены экспериментальные работы по исследованиям силовых режимов изотермической вытяжки с утонением стенки тонкостенных и толстостенных цилиндрических заготовок из алюминиевого АМгб и титанового ВТ6 сплавов. Сравнение теоретических расчетов и экспериментальных данных по силовым режимам операции изотермической вытяжки с утонением стенки указывает на удовлетворительное их согласование (расхождение не превышает 10%).

2. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по расчету технологических параметров процессов изотермической глубокой вытяжки цилиндрических деталей в режиме ползучести, которые использованы при разработке нового технологического процесса изготовления цилиндрической заготовки детали «Патрубок» из титанового сплава ВТ6.

3. Материалы диссертационной работы использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов, а также в ряде лекционных курсов при подготовке бакалавров направления 150 400 «Технологические машины и оборудование» и студентов, обучающихся по направлению 150 200 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 150 201 «Машины и технология обработки металлов давлением».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное народнохозяйственное значение в ракетно-космической, оборонной, авиационной, судостроительной, транспортной и других отраслях машиностроения, состоящая в разработке теории и технологии изготовления цилиндрических деталей из анизотропных материалов в режиме кратковременной ползучести с целью интенсификации технологических процессов изотермической вытяжки с утонением цилиндрических изделий из высокопрочных анизотропных упрочняющихся материалов, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, 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 изотермической вытяжки с утонением стенки тонкостенных и толстостенных цилиндрических деталей из анизотропных материалов. Принимается, что материал заготовки жесткопла-стический, обладает цилиндрической анизотропией механических свойств. Упругими составляющими деформации пренебрегаем. Течение материала принимается осесимметричным. Допускается, что условия трения на контактной поверхности инструмента с заготовкой подчиняется закону Кулона. Течение материала принимается установившееся.

2. Получены основные уравнения и необходимые соотношения для анализа кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояния, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения изотермической осесимметричной вытяжки с утонением стенки тонкостенных и толстостенных цилиндрических деталей из анизотропных материалов в режиме ползучести. Разработаны алгоритм расчета кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояний, силовых режимов и предельных возможностей формообразования, а также программное обеспечение для ЭВМ.

3. Выполнены теоретические исследования изотермической вытяжки с утонением цилиндрических деталей при вязком и вязкопластическом течении анизотропного материала. Процессы изотермической вытяжки рассмотрены для групп материалов, для которых справедливы уравнения энергетической и кинетической теорий кратковременной ползучести и повреждаемости.

4. Установлены закономерности изменения напряженного и деформированного состояния заготовки, силовых режимов и предельных возможностей исследуемых технологических процессов вытяжки с утонением стенки, связанных с допустимой величиной накопленных микроповреждений, от технологических параметров, угла конусности матрицы, скорости перемещения пуансона, условий трения на рабочем инструменте и заготовке и исходной анизотропии механических свойств материала заготовки.

5. Показано, что с увеличением угла конусности матрицы а, уменьшением коэффициента утонения т3 и величины £>о /относительная величина осевого напряжения а2 возрастает. Установлено, что с увеличением скорости пуансона ¥-п от 0,01 мм/с до 0,04 мм/с относительная величина осевого напряжения о2 при вытяжке с утонением цилиндрических заготовок из алюминиевого сплава АМгб возрастает на 40%, а при вытяжке с утонением титанового сплава ВТ6 увеличение ¥-п от 0,005 мм/с до 0,02 мм/с приводит к росту относительного осевого напряжения <т2 в 2 раза. Выявлено существование оптимальных углов конусности матрицы в пределах 12. 24°, соответствующие наименьшей величине силы, при коэффициентах утонения т5 > 0,6. При величинах коэффициентов утонения т8 < 0,6 увеличение угла конусности матрицы, а приводит к уменьшению относительной силы Р. Величина оптимальных углов конусности матрицы, а с уменьшением коэффициента утонения т5 смещается в сторону больших углов. Величина силы существенно зависит от скорости перемещения пуансона и коэффициента утонения. Показано, что с увеличением скорости перемещения пуансона ¥-п величина относительной силы Р возрастает. Интенсивность роста увеличивается с уменьшением коэффициента утонения. Изменение условий трения на контактной поверхности пуансона и матрицы существенно влияет на относительную силу Р. С ростом коэффициента трения на матрице хм (при хМ=1п) величина Р возрастает. Этот эффект проявляется существенно при малых величинах коэффициента утонения т$. С увеличением коэффициента утонения т3 относительная величина силы Р уменьшается. Установлено, что относительная величина Д)/ ¿-о не оказывает существенного влияния на Р.

6. Количественно определены предельные возможности формообразования при вытяжке с утонением стенки анизотропных цилиндрических заготовок, связанные с допустимой величиной накопленных микроповреждений. Показано, что при вытяжке с утонением высокопрочных материалов, поведение которых описывается энергетической теорией ползучести и повреждаемости, с увеличением угла конусности матрицы, а и скорости перемещения пуансона Уп предельный коэффициент утонения тзпр увеличивается, т. е. ухудшаются условия утонения. Результаты расчетов показывают, что предельные возможности формоизменения вытяжки с утонением стенки цилиндрических деталей из материала, поведение которого подчиняется кинетической теории ползучести и повреждаемости, в режиме ползучести не зависят от скорости перемещения пуансона. Установлено, что с увеличением угла конусности матрицы, а и скорости перемещения пуансона Уп предельный коэффициент утонения ттр возрастает. Рост коэффициента трения на пуансоне ц/7 (при фиксированном коэффициенте трения на матрице ц^) снижает предельное значение коэффициента утонения тзпр.

7. Оценено влияние анизотропии механических свойств на силовые режимы и предельные возможности формообразования изотермической осе-симметричной вытяжки с утонением стенки в режиме ползучести. Установлено, что величины относительного напряжения az и силы Р уменьшаются с ростом коэффициента анизотропии R и увеличением коэффициента утонения ms для материалов, подчиняющихся энергетической теории ползучести и повреждаемости. Для материалов, подчиняющихся кинетической теории ползучести и повреждаемости величины относительного напряжения а2 и силы Р увеличиваются с ростом коэффициента анизотропии R и уменьшением коэффициента утонения ms. Увеличение коэффициента анизотропии R от 0,2 до 2 приводит к росту относительных величин осевого напряжения az на 40%, а силы Р — на 25%. Показано, что с увеличением коэффициента анизотропии R предельный коэффициент утонения msnp уменьшается для материалов, подчиняющихся энергетической теории ползучести и повреждаемости, а для материалов, подчиняющихся кинетической теории ползучести и повреждаемости увеличение коэффициента анизотропии R приводит к увеличению предельного коэффициента утонения msnp.

8. Проведены экспериментальные работы по исследованиям силовых режимов изотермической вытяжки с утонением стенки цилиндрических деталей из алюминиевого АМгб и титанового ВТ6 сплавов. Сравнение теоретических расчетов и экспериментальных данных по силовым режимам операции изотермической вытяжки с утонением стенки указывает на удовлетворительное их согласование (расхождение не превышает 10%).

9. Применение метода изотермической вытяжки с утонением стенки в режиме ползучести позволяет получать детали с повышенными точностными характеристиками по диаметру и толщине с более упрочненной стенкой, а также достигать больших степеней деформации по сравнению с другими видами вытяжки, что значительно сокращает число операций технологического процесса.

10. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по расчету технологических параметров глубокой вытяжки цилиндрических деталей с толстым дном и тонкой стенкой в режиме ползучести, которые использованы при разработке технологического процесса изготовления цилиндрической заготовки детали «Патрубок газовода» из титанового сплава ВТ6. Отдельные результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе.