Разработка металлосберегающих технологий вытяжки-отбортовки осесимметричных деталей с отверстием в дне на основе анализа закономерностей деформации при наличии управляющих факторов

Основной тенденцией современного машиностроения является применение металлосберегающих технологий, обеспечивающих высокое качество продукции при изготовлении деталей, в частности листовой штамповкой. В номенклатуре изделий, получаемых листовой штамповкой, значительную долю составляют детали типа тел вращения с отверстием в донной части. Традиционно такие детали изготавливаются вытяжкой с последующей пробивкой отверстия. При этом коэффициент использования металла составляет 0,5 — 0,75- особенно он мал при изготовлении деталей с относительно большим отверстием типа ободков, колец, оправ, сепараторов подшипников и т. п.

Повысить производительность (за счёт сокращения числа переходов) и существенно увеличить коэффициент использования металла можно путем совмещения операций вытяжки и отбортовки (вытяжка-отбортовка). Деталь изготавливается из плоской заготовки (или полуфабриката, полученного вытяжкой или формовкой), с предварительно пробитым отверстием, размеры которого меньше размеров отверстия в дне готовой детали. Формообразование детали в этом случае осуществляется не только за счет течения металла с периферийной части заготовки (за счет вытяжки), но и интенсивного деформирования внутренней ее части, примыкающей к отверстию, т. е. за счет неполной отбортовки.

Несмотря на очевидные преимущества процесса вытяжки-отбортовки, он не получил широкого распространения в листоштамповочном производстве ввиду того, что при деформировании периферийная часть заготовки и внутренняя часть, примыкающая к отверстию, упрочняются с разной степенью и процесс не отличается стабильностью. Недостаточная изученность особенностей формоизменения заготовки при вытяжке-отбортовке в зависимости от условий осуществления процесса, возникновение различных дефектов заготовок при формообразовании, отсутствие данных о предельных деформациях и коэффициентах вытяжки-отбортовки, отсутствие научнообоснованных рекомендаций и методик проектирования — все это сдерживает применение вытяжки-отбортовки в промышленности. Создание методики расчёта и проектирования процессов вытяжки, совмещенной с отбортовкой, на основе научно обоснованных моделей формоизменения является важной задачей, стоящей перед современным производством.

Работа посвящена выработке технических решений, направленных на металлосбережение и повышение качества осесимметричных деталей с отверстием в дне, изготавливаемых вытажкой — отбортовкой с учётом управляющих факторов на основе теоретических и экспериментальных исследований, что подтверждает актуальность выбранной темы.

Цель работы: Повышение эффективности изготовления осесимметричных деталей с отверстием в дне вытяжкой-отбортовкой с учётом управляющих факторов.

Объектом исследования являлись процессы вытяжки-отбортовки и средства их реализации. Предметом исследования было повышение эффективности изготовления осесимметричных деталей с отверстием в дне вытяжкой-отбортовкой с учётом управляющих факторов, направленное на металлосбережение, снижение трудоёмкости и повышение качества.

Методологической и теоретической основой для разработки служили работы отечественных и зарубежных исследователей в предметной области: Ю. А. Аверкиева и А. Ю. Аверкиева, Ю. М. Арышенского, Ф. В. Гречникова, В. И. Ершова, В. А. Жаркова, 3. Марчиньяка, А. Д. Матвеева, Г. А. Матвеева, А. Г. Овчинникова, Е. А. Попова, Л. А. Шофмана, С. П. Яковлева и С. С. Яковлева и других ученых.

Информационной базой работы служили монографии, учебники, справочники, описания патентов, информационные ресурсы Интернет и публикации в отечественных и зарубежных журналах.

Методы исследования: 1) методы теории ОМД- 2) металлографические методы и измерение твёрдости- 3) методы измерений линейных и угловых характеристик- 4) метод полно-факторного эксперимента и статистического анализа (обработку данных проводили в пакете StatGraphics Centurion).

Лично автором и с его участием разработаны: классификатор осесимметричных деталей (60%), математические модели вытяжки-отбортовки с учётом управляющих факторов (70%), регрессионная модель вытяжки-отбортовки (80%), методика и алгоритм расчёта и проектирования технологии (80%). На основе проведенных соискателем экспериментальных исследований выработаны рекомендации по назначению оптимальных технологических режимов, предложены технические решения, направленные на металлосбережение и повышение качества продукцииа также технические решения по конструкции штампов и вспомогательных устройств, на которые получены шесть охранных документов патентного ведомства РФ (доля участия соискателя — 30 — 35%).

Соискателем лично разработано технологическое оснащение, проведен авторский надзор за его изготовлением, проведены экспериментальные исследования, изготовлены образцы и проведены их испытанияпри непосредственном участии соискателя внедрены процессы и технологическое оснащение на ОАО «Утёс» (г. Ульяновск). Лично автором разработана в среде Delphi-5, опробирована и внедрена на ОАО «УАЗ» программа расчёта процессов вытяжки-отбортовки. Творческий вклад автора в опубликованных работах приведен в заключении УлГТУ (организации, где выполнена работа).

Научная новизна работы заключается в разработке математических моделей процесса вытяжки-отбортовки при наличии управляющих факторов, позволяющих определять преимущественный вид деформирования, рассчитывать предельные возможности формообразования и назначать рациональные режимы формообразования и рассчитывать размеры исходной заготовки. Раз-работаные шесть основных и вспомогательных устройств, позволяющие расширить технологические возможности процесса вытяжки — отбортовки, обладают новизной и защищены патентами РФ на полезную модель.

Практическая значимость заключается в разработке и практическом применении алгоритма и программы расчёта параметров металлосберегающих процессов вытяжки-отбортовки. Практическая ценность работы подтверждается промышленным внедрением технологии изготовления деталей «Каскад», «Обод», «Сепаратор» (повышающей коэффициент использования металла на 7 -г- 13% и качество деталей) на промышленных предприятиях РФ с суммарным годовым экономическим эффектом 377 тыс. рублей.

Достоверность результатов обеспечена применением альтернативных методов исследования: теоретических и экспериментальных. Экспериментальные исследования подтвердили достоверность применяемых теоретических моделей с точностью от 5 до 15%, что представляется удовлетворительным для практических целей.

Автор защищает полученные результаты работы, определённые задачами, сформулированными в конце разд. 1.

Основные результаты диссертации опубликованы в 23 печатных работах, в том числе 6 патентах на полезную модель, а также 1 статье в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Международной НТК «Современные проблемы машиностроения и транспорта» (г. Ульяновск, 2003 г.), ежегодных НТК Ул-ГТУ (2003 -2010), зональных НТК «Молодежь Поволжья науке будущего» (г. Ульяновск, 2003 г.) и «Актуальные вопросы промышленности и прикладных наук» (г. Ульяновск, 2004 г.), всероссийской НТК «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении» (г. Бийск, 2003 г.), «Молодежном инновационном форуме» (г. Ульяновск, 2009 г.), всероссийской НТК «Студенческая научная весна 2011: Машиностроительные технологии» (г. Москва, МГТУ), кафедре «Материаловедение и ОМД» Ульяновского государственного технического университета. Научные работы соискателя были удостоены дипломов и грамот университета в 2009 и 2011 гг. по результатам конкурсов на лучшую научную работу.

Работа, изложенная на 148 страницах (основной текст), включает 115 рисунков, 37 таблиц, 126 источников литературы и приложения.

Работа выполнена в Ульяновском государственном техническом университете (кафедра «Материаловедение и ОМД») в соответствии с тематическим планом кафедры и по договору Д10−195/20-УП от 20.10.2006 на создание научно-технической продукции «Интенсификация формообразования заготовок» с ООО НИЦ «МИТОМ» (г. Ульяновск), а также по договорам с ОАО «Утёс» (г. Ульяновск) и ОАО «Волжский подшипниковый завод».

Работа состоит из четырех разделов, списка литературы и приложений, включающих экспериментальные данные, программу в среде Delphi-5 и акты внедрения. В первом разделе рассмотрены вопросы применения осе-симметричных деталей в промышленности и их технологичности, проведён технико-экономический анализ различных способов их изготовления, способов интенсификации процессов, рассмотрено применяемое оборудование и используемые материалы. Здесь же проанализированы дефекты деталей, а также технологические и теоретические работы, выделен круг задач, подлежащих решению в рамках данной работы. Второй раздел посвящен разработке математических моделей процессов формообразования осесимметрич-ных деталей с отверстием в дне с учётом управляющих факторов. В третьем разделе дано описание экспериментальных исследований для создания регрессионных моделей и верификации разработанных математических моделей. Четвертый раздел описывает новый алгоритм и программу разработки технологии производства осесимметричных деталей с использованием результатов проведённых исследований. Здесь же рассматриваются вопросы разработки основного и вспомогательного технологического оснащения на базе патентов автора, а также вопросы внедрения результатов работы.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю и коллегам за оказанную помощь и поддержку в процессе подготовки работы.

Основные результаты и выводы.

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное народнохозяйственное значение для отрасли маширостроения и состоящая в повышении эффективности изготовления осесимметричных деталей с отверстием в донной части вытяжкой-отбортовкой на основе разработанных устройств для формообразования и установленных научно обоснованных параметров технологических процессов пластического деформирования листовых заготовок с отверстиями, обеспечивающих снижение металлоёмкости и повышение качества деталей.

В процессе выполнения работы получены новые основные результаты и сделаны следующие выводы:

1. Анализ применения в промышленности осесимметричных деталей с отверстием в донной части показал, что их целесообразно изготавливать вытяжкой отбортовкой, позволяющей на 6 — 13% снижать расход металла. Изучение патентной и технической литературы по теме позволило выявить проблемы, определить эффективные способы изготовления деталей, наиболее применимые материалы, оборудование и номенклатуру деталей для исследования, сформулировать задачи работы.

2. Математическое моделирование процессов с учётом упрочнения металла на основе разработанного конструкторско-технологического классификатора позволило установить, что при торцовом поджатии конической оправкой уровень радиальных напряжений существенно зависит от толщины заготовки и от радиуса отверстия, в то время как влияние угла образующей оправки несущественно. Показано, что предельный коэффициент отбортовки увеличивается с глубиной формовки, а при торцевом поджатии, превышающем 0,16 ст3, возникает изгиб заготовки. Показано, что при использовании эластичной среды для раздачи и контрприжима на уровень относительных радиальных напряжений можно влиять варьированием таких факторов как коэффициент трения, сила прижима, торцовое поджатие и радиус скругления пуансона. Показано влияние каждого из указанных факторов на предельные коэффициенты отбортовки. Установлено, что при действии сжимающих напряжений торцового поджатая и растягивающих радиальных напряжений на границе наружного контура кольцевой зоны дрейф нейтрального слоя напряжений зависит не только от текущей конфигурации дна, но и от суммы действующих внешних радиальных напряжений. Найденное инженерным методом решение задачи деформирования фланца с учётом упрочнения показывает его зависимость от геометрии инструмента и заготовки, а также условий трения и силы прижима. Введённая индикаторная функция преимущественного деформирования позволяет прогнозировать развитие процесса формообразования в зависимости от сочетания управляющих факторов.

3. В результате экспериментальных исследований установлено, что при уменьшении толщины заготовки от 2,5 до 0,9 мм уровень радиальных напряжений донной части заготовки увеличивается на 9,5% с уменьшением утонения на 2,3%, а увеличение радиуса скругления кромки пуансона от 3 до 9 мм приводит к утонению заготовки на 3 — 4% при увеличении конечного диаметра отверстия до 8,3%, что указывает на малую действенность данного фактора. Выявлено, что с увеличением диаметра отверстия на 30% (до 30 мм) деформация фланцевой части заготовки прекращается, а отбортовка становится доминирующим видом деформации, приводящим утонение кромки отверстия к 25%-му уровню, сопровождающемуся трещинообразованием. Показано, что увеличение давления прижима до 3,0 МПа позволяет увеличить конечный диаметр отверстия до 18%. Построенная регрессионная модель, связывающая коэффициент предельного деформирования с параметрами заготовки и инструмента, адекватна при 95%-ом уровне вероятности и позволяет определять предельно допустимый диаметр пробиваемого отверстия. Установлено, что с увеличением относительной толщины материала S0/d0 от 0,01 до 0,09 коэффициент предельного деформирования уменьшается на 15 — 25%, а при увеличении относительного диаметра пробиваемого отверстия do/Dn от 0,2 до 0,9 коэффициент предельного деформирования уменьшается на 20 -37%, в то время как увеличение относительного радиуса скругления кромки пуансона уменьшает коэффициент предельного деформирования на 4−6%. Установлено что давление торцового поджатия уменьшает коэффициент предельного деформирования на 25%. Показано, что расхождение экспериментальных данных и данных теоретических моделей лежит в пределах от 5 до 15% для различных параметров процесса, что свидетельствует о приемлемости моделей для разработки ресурсосберегающих технологий вытяжки-отбортовки.

4. На основе теоретических и экспериментальных моделей и логической схемы процесса вытяжки-отбортовки осесимметричных деталей разработан алгоритм проектирования технологии с учётом управляющих факторов, а также программа в среде Бе1рЫ-5, реализующая указанный алгоритм.

5. Разработанные автором технические решения, направленные на интенсификацию процесса деформирования и металлосбережение и защищён-ные шестью патентами на полезную модель, использованы при разработке технологии и изготовлении штамповой оснастки для производства деталей «Каскад», «Обод» и «Сепаратор».

6. Разработаны и внедрены металлосберегающие технологические процессы изготовления деталей «Каскад», «Обод» и «Сепаратор» с учётом управляющих факторов на ОАО «Утёс» (г. Ульяновск) с экономическим эффектом 377 тыс. руб. Разработана, опробирована и внедрена на ОАО «УАЗ» программа расчета основных технологических параметров процесса вытяжки — отбортовки. Результаты работы также использованы в учебном процессе на кафедре «Материаловедение и ОМД» УлГТУ при выполнении курсовых и дипломных работ по листовой штамповке и при разработке интерактивных методов обучения и создании виртуальных учебно-методических пособий по дисциплине «Технология листовой штамповки».