Ротационная вытяжка цилиндрических деталей из трубных заготовок на специализированном оборудовании

Важнейшими задачами, стоящими перед промышленностью, являются повышение качества выпускаемой продукции, экономия материала и повышение производительности труда. Удовлетворение потребностей в производстве изделий с высоким качеством поверхности и точными размерами с помощью механической обработки характеризуется высокой трудоёмкостью и низким коэффициентом использования металла. В связи с этим, одним из главных вопросов развития новых процессов изготовления изделий является сокращение потерь металла при условии обеспечения высокого качества изготавливаемой продукции.

Значительная роль в решении этих задач отводится методам обработки металлов давлением, позволяющим обеспечивать безотходное формоизменение металла вместо механической обработки резанием [1, 30, 39, 51, 66, 7173, 80, 103]. Однако обеспечение размерной точности, качества наружной и внутренней поверхности при изготовлении полых тонкостенных деталей, широко используемых в конструкциях машин и механизмов, встречает определённые трудности. Особенно остро стоит вопрос в изготовлении цилиндрических тонкостенных оболочек длиной более 1 м.

За последние годы, при изготовлении тонкостенных цилиндрических деталей, находят всё более широкое применение методы обработки давлением с созданием локального очага деформации. Одним из таких методов является ротационная вытяжка [13, 23, 39, 51, 58, 89, 100, 110]. Значительное место в общем объёме деталей, изготавливаемых ротационной вытяжкой, занимает производство тонкостенных цилиндрических деталей, для изготовления которых различными отечественными предприятиями и зарубежными фирмами созданы специализированные высоко производительные станки, позволяющие изготавливать детали диаметром от нескольких миллиметров до 6 м и более.

Наиболее эффективным метод ротационной вытяжки оказывается при изготовлении крупногабаритных тонкостенных цилиндрические деталей (длиной свыше 1 м). Изготовление таких деталей традиционными методами (глубокой вытяжкой и механической обработкой) не эффективно, характеризуется высокой трудоемкостью и связано с использованием большого количества крупногабаритного дорогостоящего прессового, химического и термического оборудования. Ротационная вытяжка позволяет изготавливать такие детали на специализированных станках, имеющих сравнительно малые габариты, вес и мощность, так как величина силы при ротационной вытяжке значительно ниже, чем при глубокой вытяжке, что связано с созданием локального очага деформации.

При разработке технологических процессов ротационной вытяжки в настоящее время используют эмпирические зависимости из различных справочных материалов, а также результаты теоретических исследований, в которых не в полной мере учитываются локальный характер формоизменения и механические свойства материала заготовки.

В связи с этим, важным для решения задач производства точных цилиндрических тонкостенных деталей на специализированном оборудовании является дальнейшее развитие теории пластического формоизменения с учетом локального характера деформирования и совершенствование процесса ротационной вытяжки, повышение его экономической эффективности и качества продукции, установление взаимосвязи условий деформирования с обеспечением точности изготавливаемых деталей.

Работа выполнена в соответствии с научно-технической программой «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» Минобразования Российской Федерации и грантом Президента РФ на поддержку ведущих научных школ на выполнение научных исследований «Механика формоизменения ортотропных и изотропных упрочняющихся материалов при различных температурах и скоростях деформации» (грант № НШ-1456.2003.8).

Цель работы. Интенсификация процесса ротационной вытяжки и повышение качества полых цилиндрических деталей путем теоретического и экспериментального обоснования технологических режимов деформирования.

Автор защищает результаты теоретических исследований геометриче-Ф. ских размеров очага пластической деформации, кинематики течения материала в очаге пластической деформации, напряженного и деформированного состояния, силовых режимов ротационной вытяжки коническими роликами цилиндрических деталейрациональные интервалы изменения технологических параметров и геометрии рабочего инструмента, обеспечивающие необходимые геометрические показатели качества деталей (относительных величин наплыва, разностенности и отклонения внутреннего диаметра детали от номинального значения) из стали 10 ротационной вытяжкой на специализированном оборудованиирезультаты экспериментальных исследований по влиянию вида предварительной термической обработки и последующей ротационной вытяжки с различными степенями деформации на механические свойства получаемых цилиндрических деталей из стали 10- алгоритмы и пакеты прикладных программ для ЭВМ IBM PC по расчету технологических параметров ротационной вытяжки цилиндрических деталей и разработанные технологические процессы изготовления цилиндрических деталей при обеспечении эксплуатационных требований и снижении трудоемкости их изготовления.

Научная новизна: > Разработана математическая модель формоизменения заготовки при ротационной вытяжке цилиндрических деталей с утонением стенки коническими роликами с учетом локального очага деформации.

Выявлены закономерности изменения кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояния, силовых режимов в зависимости от технологических параметров и геометрии рабочего инструмента ротационной вытяжки цилиндрических деталей.

Установлены рациональные режимы формоизменения, обеспечивающие требуемые геометрические показатели качества изготавливаемых деталей (относительных величин наплыва, разностенности и отклонения внутреннего диаметра детали от номинального значения) из стали 10 ротационной вытяжкой на специализированном оборудовании с разделением деформации.

Методы исследования.

Теоретические исследования процесса ротационной вытяжки выполнены с использованием основных положений механики сплошных сред и теории пластичности жесткопластического телаанализ напряженного и деформированного состояния заготовки в процессе ротационной вытяжки осуществлен численно методом конечно-разностных соотношений с использованием ЭВМ IBM PC путем совместного решения дифференциальных уравнений равновесия, уравнения состояния и основных определяющих соотношений при заданных начальных и граничных условиях.

Экспериментальные исследования проводились с использованием современных испытательных машин и регистрирующей аппаратурыобработка опытных данных осуществлялась с применением методов математической статистики и теории планирования экспериментарациональные интервалы изменения технологических параметров, геометрии ролика, обеспечивающие необходимые геометрические показатели качества цилиндрических деталей при ротационной вытяжке с утонением стенки, определялись итеративными методами поиска оптимума.

Достоверность результатов обеспечивается обоснованностью использованных 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 ценность и реализация работы.

• На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и созданы пакеты прикладных программ для ЭВМ по расчету технологических процессов, параметров рабочего инструмента и выбору схем ротационной вытяжки цилиндрических деталей на специализированном оборудовании.

• Экспериментально изучено влияние вида предварительной термической обработки и последующей ротационной вытяжки с различными степенями деформации на механические свойства получаемых цилиндрических деталей из стали 10.

• Разработаны новые технологические процессы изготовления тонкостенных цилиндрических деталей и сложнопрофильных оболочек с переменной толщиной стенки и наличием кольцевых центрирующих утолщений из стали 10, осесимметричных сложнопрофильных деталей из стали 10 на станках с ЧПУ с высокими эксплутационными свойствами, которые внедрены в производство на ФГУП «ГНПП Сплав» со значительным экономическим эффектом, полученным за счет снижения трудоемкости изготовления и обеспечения качества.

• Результаты исследований использованы в учебном процессе.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на IV международной научно-технической конференции «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов» (г. Ульяновск, 2001 г.), на второй Всероссийской научно-технической конференции «Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении» (г. Воронеж, 2001), на международной научно-технической конференции «Технологические системы в машиностроении» (г. Тула, 2002 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков» (г. Рыбинск, 2002 г.), на XXVIII, XXIX и XXX международных молодежных научных конференциях «Гага-ринские чтения» (г. Москва, 2002;2004 г. г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2000 — 2004 г. г.).

Публикации. Основные научные материалы проведенных исследований отражены в 12 статьях в межвузовских сборниках научных трудов и в 4 тезисах Всероссийских и международных научно-технических конференций.

Автор выражает глубокую благодарность к.т.н., доц. В. И. Трегубову, д.т.н., проф. С. П. Яковлеву и д.т.н., проф. А. И. Вальтеру 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 122 наименований, 3 приложений и включает 110 страниц основного машинописного текста, содержит 76 рисунков и 11 таблиц. Общий объем — 190 страниц.

5.4. Основные результаты и выводы.

1. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по расчету технологических процессов, параметров рабочего инструмента и выбору схем ротационной вытяжки цилиндрических деталей на специализированном оборудовании.

2. Разработаны новые технологические процессы изготовления тонкостенных цилиндрических деталей и сложнопрофильных оболочек с переменной толщиной стенки и наличием кольцевых центрирующих утолщений из стали 10, осесимметричных сложнопрофильных деталей из стали 10 на станках с ЧПУ с высокими эксплутационными свойствами, которые внедрены в производство на ФГУП «ГНПП Сплав» со значительным экономическим эффектом, полученным за счет снижения трудоемкости изготовления и обеспечения качества.

Новые технологические процессы позволили уменьшить трудоемкость изготовления корпусов головных частей на 45%- снизить металлоемкость производства до 37%: повысить качество и надежность изготавливаемых деталей за счет исключения сварных швов, точности геометрической формы и взаимного расположения поверхностей.

Использование новой схемы ротационной вытяжки с разделением деформации способствовало снижению потребных сил деформирования на 25.35%. При этом удалось исключить из технологического цикла изготовления ряд трудоёмких химических и прессово-термических операций.

3. Материалы диссертационной работы использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов, а также в ряде лекционных курсах при подготовке бакалавров направления 551 800 «Технологические машины и оборудование» и студентов, обучающихся по направлению 651 400 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 120 400 «Машины и технология обработки металлов давлением».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Работа посвящена решению важной народно-хозяйственной задачиинтенсификации процессов ротационной вытяжки и повышению качества полых цилиндрических и сложнопрофильных осесимметричных изделий путем теоретического и экспериментального обоснования технологических режимов деформирования.

В процессе теоретических исследований получены следующие результаты и сделаны выводы:

1. Разработана математическая модель формоизменения заготовки при ротационной вытяжке цилиндрических деталей с утонением стенки коническими роликами с учетом локального очага деформации, фактической подачи металла в очаг пластической деформации и упрочнения материала. Выполнены теоретические исследования ротационной вытяжки цилиндрических деталей с утонением стенки коническими роликами.

2. Выявлены особенности расчета силовых режимов для 3-х роликовой схемы ротационной вытяжки цилиндрических деталей с разделением деформации. Предложена методика расчета распределения суммарной степени деформации между тремя роликами, установленными в одной плоскости, имеющими различные углы рабочего конуса для новой схемы ротационной вытяжки с разделением деформации. Эта методика учитывает неравномерное распределение давления на контактной поверхности ролика и заготовки, величину фактической подачи, геометрических параметров используемых роликов и трубной заготовки, технологических параметров процесса и упрочнения материала детали на соответствующем участке деформирования.

3. Установлено влияние степени деформации в, угла конусности ролика а^, рабочей подачи S, геометрических размеров исходной трубной заготовки и ролика на геометрические размеры очага пластической деформации, кинематику течения материала в очаге пластической деформации, напряженное и деформированное состояния, силовые режимы ротационной вытяжки цилиндрических деталей. Разработан алгоритм расчета процесса ротационной вытяжки и программное обеспечение для ЭВМ.

3. Показано, что очаг пластической деформации при ротационной вытяжке имеет локальный характер, а геометрические размеры очага пластической деформации, который характеризуется углом контакта заготовки с роликом 9б, максимальной протяженностью контакта ролика с заготовкой в осевом направлении / и шириной зоны контакта материала заготовки с роликом Ъ, существенно зависят от степени деформации 8, угла конусности ролика ар, рабочей подачи S, геометрических размеров исходной трубной заготовки и ролика.

4. Установлено, что увеличение относительных величин 9 и F приводит к росту относительной величины радиальной составляющей скорости Vr. Увеличение относительной координаты z сопровождается уменьшением относительной радиальной составляющей скорости Vr. Уменьшение относительной величины 0 и рост г приводит к увеличению относительной тангенциальной составляющей скорости Vq. Относительная величина осевой составляющей скорости Vz существенно (более чем в 5 раз) увеличивается с уменьшением относительной координаты z от 0,971 до 0. Рост относительной величины 0 приводит к интенсивному увеличению Vz.

5. Зависимости изменения относительных величин среднего а, радиального аг, тангенциального Щ и осевого az напряжений от относительного угла 0 и относительного радиуса рассматриваемой точки г носит сложный характер. Увеличение относительного угла 0 сопровождается плавным ростом величин а, аг и ctq до их максимального значения. Дальнейшее увеличение относительного угла 0 приводит к плавному уменьшению исследуемых величин (а, стг и ад).

6. Показано, что с увеличением степени деформации относительные величины радиальных Рд, осевых Pz и тангенциальных Рх составляющих сил интенсивно растут. Интенсивность возрастания исследуемых составляющих сил существенно зависят от угла конусности ролика ар. Установлено, что с увеличением рабочей подачи S и угла конусности ролика ар все три относительных составляющие сил возрастают. Изменение условий трения на контактной поверхности оправки и заготовки существенно влияет на относительною величину осевой силы Р~. С ростом коэффициента трения на оправке величина относительной силы Pz возрастает.

7. Выполнено сопоставление результатов расчета силовых режимов процесса ротационной вытяжки роликами открытой калибровки и по схеме с разделением очага пластической деформации. Установлено, что при обработке деталей по схеме с разделением деформации радиальная PR и осевая Р2 силы имеют меньшие значения по сравнению с обработкой указанных деталей по однороликовой схемой обработки. Ротационная вытяжка с использованием трёхроликовых схем с разделением деформации позволяет снизить величины радиальных Pr сил деформирования на 25.30% по сравнению с аналогичной схемой обработки без разделения деформации. Величина тангенциальной Рт составляющей силы ротационной вытяжки практически не зависит от используемой схемы обработки. Сравнение результатов теоретических расчетов и экспериментальных данных по силовым режимам ротационной вытяжки указывает на их удовлетворительное согласование (до 15%).

8. Выполнен сопоставительный анализ влияния различных схем ротационной вытяжки (роликами с открытой и закрытой калибровкой, с использованием схемы с разделением деформации) на обеспечение характеристик качества изготавливаемых деталей при переменных режимах обработки и геометрических параметрах деформирующих роликов. Установлено, что при ротационной вытяжке цилиндрических деталей из стали 10 наиболее эффективной в части получения высоких исследуемых характеристик качества деталей является схема с разделением деформации по сравнению с другими исследованными схемами формоизменения.

9. Методами математической статистики и теории планирования эксперимента построены математические модели изменения геометрические показатели качества цилиндрических деталей (относительных величин наплыва, разностенности и отклонения внутреннего диаметра детали от номинального значения) из стали 10, изготавливаемых ротационной вытяжкой с разделением деформации на специализированном оборудовании, от степени деформации 8, величины рабочей подачи S, числа оборотов вращения заготовки п и относительного радиуса закругления ролика г.

10. Оптимизация полученных регрессионных зависимостей позволила выявить значения факторов в натуральном масштабе, при которых величины относительного наплыва Л//, разностенности детали bt, отклонения внутреннего диаметра детали от номинального значения будут минимальны и максимальны. Ротационная вытяжка по схеме с разделением деформации обеспечивает более высокие показатели по совокупности качественных характеристик изготавливаемых деталей.

11. Выполнены экспериментальные исследования по изучению характера упрочнения стали 10 в зависимости от вида предварительной термической обработки и последующей ротационной вытяжки с различными степенями деформации на механические свойства получаемой цилиндрической детали из стали 10. Экспериментально установлено, что механические свойства стали 10 после закалки, высокого отпуска и после нормализации незначительно отличаются по величине. Анизотропия механических свойств вдоль и поперек направления проката незначительна. Экспериментальные исследования показали возможность использования стали 10 в качестве исходного материала для ротационной вытяжки корпусных деталей с предварительной нормализацией заготовок (или закалкой с отпуском) и последующим упрочнением при пластическом деформировании.

12. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и создано программное обеспечение для ЭВМ по расчету технологических процессов, параметров рабочего инструмента и выбору схем ротационной вытяжки цилиндрических деталей на специализированном оборудовании, которые использованы на ФГУП «ГН1И1 Сплав» при изготовлении тонкостенных цилиндрических деталей и сложно-профильных оболочек с переменной толщиной стенки и наличием кольцевых центрирующих утолщений из стали 10, осесимметричных сложнопрофиль-ных деталей из стали 10 на станках с ЧПУ с высокими эксплутационными свойствами. Новые технологические процессы позволили уменьшить трудоемкость изготовления корпусов головных частей на 45%- снизить металлоемкость производства до 37%- повысить качество и надежность изготавливаемых деталей за счет исключения сварных швов, точности геометрической формы и взаимного расположения поверхностей. Материалы диссертационной работы также использованы в учебном процессе.