Разработка методов определения энергосиловых параметров и установление кинематики течения ротационного выдавливания тонкостенных труб на трехвалковых станах с целью совершенствования технологического процесса и улучшения качества изделий

Актуальность работы. Современная промышленность широко использует оболочки в виде тонкостенных трубчатых деталей, к которым предъявляют высокие требования по качеству — точности размеров, уровню механических характеристик и шероховатости поверхности.

Один из способов обработки металлов давлением для изготовления тонкостенных трубчатых оболочек деталей нашел процесс ротационного выдавливания (РВ) на трехвалковых станах. Этот процесс характеризуется локализацией очага пластической деформации и занимает значительное место при производстве деталей типа тел вращения.

На протекание процесса ротационного выдавливания тонкостенных оболочек влияют многие факторы, которые можно разделить на технологические и конструкторские. Эти факторы могут оказать существенное влияние на результаты процесса ротационного выдавливания (точности размеров, силовые и деформационные параметры).

В работах, относящихся к исследованию РВ, редко встречаются теоретические и экспериментальные, в которых рассматривают взаимодействие трех роликов и их влияние на результаты .

В связи с этим проведение теоретического анализа и экспериментальных исследований процесса РВ тонкостенных труб на трехвалковых станах с учетом влияния различных факторов (технологические и конструкторские) и их взаимодействия, представляет актуальную научно-техническую задачу, решение которой позволит существенно улучить условия применения процесса ротационного выдавливания.

Цель работырешение научно — технической задачи, состоящей в теоретическом и экспериментальном исследовании процесса РВ тонкостенных трубчатых оболочек с утонением при использовании трехвалковых станов и также разработка методики определения (выбора) конструкторско — технологических факторов, обеспечивающих ротационное выдавливание труб с заданными эксплуатационными характеристиками.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• разработка методики определения энергосиловых параметров ротационного выдавливания тонкостенных труб.

• установить влияние конструкторско — технологических факторов на качество изготавливаемых труб ротационным выдавливанием на трехвалко-вых станах.

• установить влияние степени утонения металла стенки заготовки на механические характеристики изделия;

• установить характер течения металла и определить рациональные степени (глубины) обжатия первым и последующими роликами.

Научная новизна:

• получены основные уравнения и необходимые соотношения для анализа скоростей течения металла в очаге пластический деформации (в продольном, радиальном и окружном направлениях);

• предложена методика экспериментального определения характера течения металла в процессе РВ тонкостенных труб;

• в результате экспериментальных исследовании установлены влияние факторов процесса РВ (межосевое расстояние между роликами, осевая подача, скорость вращения оправки и размеры роликов и оправки);

• установлены характеристика очага пластической деформации и определены факторы, влияющие на нее в зависимости от технологических режимов обработки и основных параметров деформирующего инструмента.

Автор защищает:

• основные уравнения и соотношения, необходимые для исследования процесса течения металла в процессе ротационного выдавливании тонкостенных трубчатых оболочек с утонением на трехвалковых станах;

• определение влияния различных факторов процесса РВ на качество изготавливаемых изделий;

• математический анализ влияния факторов процесса РВ на основании результатов экспериментальных исследований;

• методику определения течения металла с учетом влияния каждого ролика;

• методику определения энергосиловых параметров.

Методы исследования. Исследование процесса РВ осуществлялось с использованием теоретических и экспериментальных методов. Теоретическое исследование выполнено для разработанной расчетной модели процесса на основе инженерного метода с использованием положений теории верхней оценки.

Экспериментальные исследования проводины с использованием современных испытательных устройств, машины и регистрирующей аппаратуры.

В результате проведения экспериментальных исследований получены механические характеристики деформируемого металла и определено влияние технологических и конструкторских факторов процесса ротационного выдавливания трубчатых оболочек при использовании трехвалковых станов при проведении предварительных и планированных экспериментов из разных видов материалов и деформирующих инструментов.

Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием основных допущений и ограничений теоретических исследований — метода верхней оценки энергосиловых параметров, корректностью постановки, применением известных математических методов статистики при планировании экспериментов и обработке их результатов, оценкой адекватности расчетных моделей реальным процессомсходимостью данных расчета и эксперимента.

Практическая значимость и реализация работы. На основе теоретических исследований предложена методика расчета деформирующих сил, размеров глубины обжатия заготовки и определения энергосиловых параметров привода. Результаты экспериментальных исследований позволяют оценить качество изготавливаемых изделий и режимов обработки на стадии проектирования без проведения каких-либо наладочных работ.

Использование результатов исследований позволит ускорить сроки подготовки производства и улучшить качество изделий (точность размеров, шероховатость поверхности и механические характеристики).

Результаты исследований будут использовать на машиностроительных предприятиях в Сирии и металлургических заводах России.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на научных семинарах кафедры «Технологии обработки давлением» Московского государственного технического университета МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Публикации. Экспериментальное исследования точности размеров изготавливаемых тонкостенных оболочек в зависимости от технологических и конструкторских факторов при холодном ротационном выдавливании (РВ) на трехвалковых машинах // Кузнечно-штамповочное производство. — 2000.-№ 7, — С. 7.9.

Структура и объема диссертации: диссертация состоит из общей характеристики работы, трех глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Работа выполнена на 192 страницах машинописного текста, содержит 120 рисунков, 17 таблиц и список литературы из 22 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. На основании теоретических и экспериментальных исследований решена научно технологическая задача, состоящая в разработке методики определения энергосиловых параметров процесса ротационного выдавливания тонкостенных труб на трехвалковых станах, и оценка влияния конструторско-технологических факторов на качество изготавливаемых изделий, внедрение этих результатов в производство повышает конкурентную способность продукции на рынке сбыта.

2. В зависимости от проведенных исследований определены форма и размеры очага пластической деформации (ОПД) в процессе РВ, длина 1оч, ширина Ьоч и толщина (г03- гоп). 1оч зависит от переднего угла ролик а0, радиуса скругления роликов Я, и относительной осевой подачи /(мм/об). Ширина ОПД (Ьоч) зависит от Я, /, 5 и углов ролика (а° и Р°). Наружный диаметр ролика и заготовки не оказывают влияния на Ьоч.

3. Результаты теоретических исследовании показывают, что форма шероховатости поверхности изделия зависит от нескольких факторов. Установлены возможности образования четырех форм шероховатости в зависимости от значений II,/ и р°. С увеличением заднего угла ролика р° и относительной осевой подачи /(мм/об) возрастает шероховатость поверхности Яа, а при увеличении радиуса скругления ролика 11(мм) значительно уменьшается, а0, и 003 не оказывают влияний.

При этом поскольку третий ролик представляет собой последним и окончательным деформирующим инструментом влияющим на качестве поверхности изделии, поэтому для обеспечения требовании на качество поверхности рекомендуется выбор характеристики третьего ролика (II, а0, Р°), и также режиме или факторы влияющие на качество поверхности в частности относительной осевое подачи /(мм/об). Для высоких качество поверхности можно использовать ролики имеющие большого радиуса скругления Я, (Я более чем 4мм) и относительную подачу / (менее 0,5 мм/об).

4. При анализе результатов исследований влияния обжатия заготовки предыдущим роликом на подачу для последующих (межроликами течения металла) установлено, что уменьшение глубины обжатия вторым и третьим роликами 82 и 53 для определенных значений 81. Также установлено, что чем больше толщина стенки заготовки 803, тем меньше различие величин 5Ь 82,.

5з.

В этом случае для обеспечения равенства сил деформации на трех роликах рекомендуется использовать значения глубины обжатия 8[> 82> 83.

5. Разработана методика и проведены предварительные экспериментальные исследования по определению влияния следующих факторов: ЬГЬ2, У5, поп, и 8 на параметры (силы тока главного двигателя I, наружный и внутренний диаметры изделия Бои, ??", и диаметр наплыва Б0ь)-Установлено существенное влияние факторов на результаты и для разных материалов. Лучшие результаты получены при применении одинаковых величин межосевого расстояния между роликами Ц и Ь2.

Величинах Ц и Ь2 рекомендуются определить по формулам.

52+8ъ? + Ьх = ь2 —, или ьх — ь2 =¦

2−1%в ' 1 2 2¦tg0, где и Ь2 — расстояния между первым и вторым, и вторым и третьим роликами, мм;

8 — сумма глубины обжатия тремя роликами, (8=81+82+83) ммгде 8Ь 82 и 83 — глубина обжатия первым, вторым и третьим роликом. При этом необходимо отметить, что величину угла 9° выбирают при условиях в" <а2 и 0° <а°3 (значениях в пределах 15°-20°).

6. Для учета взаимовлияния различных факторов проведен многофакторный эксперимент (планирование) и построены модели для каждого параметра. В результате исследований установлено — наибольшее влияние на Оои и на образование наплыва оказывает отношение диаметров ролика и заготовки ВРЮШ. Величина в рамках предложенной модели оказывается зависимой от величины Вр/В03. Сила тока I (А) главного двигателя зависит от всех выбранных факторов. На изменение твердости оказывают влияние все факторы. Так увеличение отношения диаметра ролика и диаметра заготовки ВрЯ)0з, осевой подачи У5, межосевого расстояния (ЬГЬ2) приводит к увеличению твердости НВ. А увеличение 5, а0, Я к снижению НВ. Повышение прочности ав вызвано увеличением таких показателей как ЬГЬ2 и Ор/В03 8 и Я. Все остальные величины снижают показатели прочности.

7. На основании экспериментальных исследований характеристик используемого металла до и после деформации (испытания на твердости на поверхности и в сечениях образцов и на растяжение) установлено повышение твердости заготовки в зависимости от степени утонения стенки ?%=(80−81)/80. Интенсивность увеличения твердости возрастает с увеличением ?%. Максимальные значения твердости по сечением образцов, наблюдаются в слоях металла, находящихся в стороне от наружной поверхности изделия. В средних слоях стенки наблюдаются минимальные показатели твердости, а в близких к внутренней поверхности трубы опять резкое повышение.

Результаты испытаний на растяжение показывают, что с уменьшением толщины стенки заготовок (увеличения степени утонения) увеличиваются значения растягивающих напряжений, а интенсивность возрастания ав достигает примерно 20+40% при е%^75%.

8. Для выявлении формоизменения и характера течения металла в процессе РВ проведены серии экспериментальных исследований при использовании образцов с нанесенными линиями сетки. Результаты исследований позволяют нам создать общее представление о характере течения металла в процессе РВ.

Показано, что на наружной поверхности образцов деформация в касательном направлении противоположна направлению вращения оправки, а в зоне ОПД заметно скручивание в противоположном направлении по отношению к вращению оправки, но в изделии отмечено только скручивание в направлении вращения оправки.

Экспериментальные исследование макроструктуры показали деформирование металла в соответствии с формой профиля наружной поверхности инструментов (ролики и оправка).

9. Установлены кинематические возможные скорости течения металла в условиях РВ, что позволило найти кинематические возможные скорости деформации и интенсивность скоростей деформации. С использованием этих данных найдено выражение верхней оценки деформирующей силы при обжатии первым роликом.

Учитывая равенство деформирующих сил при РВ на трехвалковых станах и известном упрочнении материала дана методика определения обжатия вторым б2 и третьим оз роликами.

10. Предложена методика определения мощности электропривода трехвалкового стана.

11. На основе анализа удельной деформирующей силы, необходимой для РВ показана возможность рационального выбора переднего угла ролика, обеспечивающего возможность обработки толстостенных труб.