На правах рукописи

ЩЕРБАТОВ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОСАДКИ ЗАГОТОВОК МЕТОДОМ КОМБИНИРОВАННОГО НАГРУЖЕНИЯ НА УСТАНОВКЕ С НЕЗАВИСИМЫМ ПРИВОДОМ

Специальность: 05.02.09 –

Технологии и машины обработки давлением

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород – 2011

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете им.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

.

Научный консультант

кандидат технических наук, доцент

.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

;

заслуженный машиностроитель РФ, кандидат технических наук

Ведущая организация:

«Научно-исследовательский физико-технический институт» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. »

Защита состоится " 21 " декабря 2011 г. в 1400 час на заседании диссертационного совета Д 212.165.09 в Нижегородском государственном техническом университете , ауд. 1258 . Тел. для справок: (831), .

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета

Автореферат разослан " 21 " ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Актуальность работы.

Современное производство постоянно ставит перед наукой новые задачи. Появление новых материалов требует разработки новых способов для их обработки, постоянно растут требования к качеству и механическим свойствам готовых изделий. Кроме того, необходимо экономно расходовать ресурсы и отдавать предпочтение малоотходным технологиям. В связи с этими требованиями все чаще находят применение методы интенсивной пластической деформации (ИПД).

Среди существующих методов ИПД наиболее применимое для процессов штамповки является комбинированное нагружение по схеме сжатие с одновременным кручением или тангенциальным сдвигом.

Процесс осадки наряду с другими процессами, присущими обработке металлов давлением (ОМД) без снятия стружки, имеет следующие достоинства: легкость ее выполнения, относительная простота деформирующего инструмента, сравнительно малые величины удельных сил по сравнению с объемной штамповкой, как следствие более высокая стойкость деформирующего инструмента.

Основным недостатком процесса осадки в условиях однокомпонентного нагружения является неравномерность распределения деформации по объему осаженной заготовки, обусловленная условиями трения на контактных поверхностях, которая приводит к искажению формы осаженной заготовки (бочкообразность), к неравномерному распределению механических свойств по объему заготовки, к появлению остаточных напряжений, а следовательно к повышению сопротивления деформации и росту силы деформирования.

Существо процесса осадки с кручением заключается в том, что осадка производится между вращающимися друг относительно друга бойками. Ось вращения бойков совпадает с осью осаживаемой заготовки. За счет сил трения на контактной поверхности крутящий момент передается деформируемой заготовке и производит ее скручивание. В зависимости от шероховатости поверхностей заготовки и инструмента скручивание чередуется с проскальзыванием. В результате приложения к заготовке наряду с осевой силой крутящего момента возникает сложная схема напряженно-деформированного состояния.

В отечественных литературных источниках рассмотрены вопросы, касающиеся определения силовых и кинематических параметров осадки с кручением, исследования теплообмена при осадке с кручением, исследования процесса осадки с кручением тонкого слоя и др.

Большой вклад в науку о комбинированном нагружении в технологических процессах ОМД внесли ученые Уральского политехнического института: , , и др.

По результатам выполненных работ был сформулирован основополагающий вывод: комбинированное нагружение позволяет переводить процессы деформирования в класс процессов, управляемых по силовому режиму, напряжениям, деформациям и тепловому режиму.

В целом следует признать, что системных теоретических исследований, посвященных изучению закономерностей комбинированного нагружения в технологических процессах ОМД, проведено недостаточно.

Существенным недостатком экспериментальных работ, посвященных исследованию различных аспектов процесса осадки с кручением является то, что они выполнялись на модернизированном прессовом оборудовании (из-за отсутствия специализированного оборудования) при постоянном значении кинематического параметра, определяемого соотношением между линейной и угловой скоростями.

Таким образом, теоретические и практические аспекты процесса осадки в условиях комбинированного нагружения исследованы недостаточно.

Следовательно комплексное исследование процесса осадки в условиях комбинированного нагружения является актуальным.

Работа выполнена в рамках аналитической целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы «Рособразования» по ЕЗН № 000.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является совершенствование технологии осадки осесимметричных заготовок посредством комбинированного нагружения на установке с независимым приводом.

Для достижения поставленной цели ставятся следующие основные задачи:

1. Разработать алгоритм исследования напряженно-деформированного состояния, силовых параметров и распределения удельных нагрузок при осадке в условиях однокомпонентного и комбинированного нагружения посредством компьютерного моделирования;

2. Исследовать энергетические затраты при осадке заготовок без кручения и с кручением;

3. Разработать методику для определения температурного поля в зоне контактного трения образца и инструмента при осадке с кручением с помощью гидравлического моделирования;

4. Исследовать температурное поле при осадке с кручением с помощью гидравлического моделирования, компьютерного моделирования и путем прямого замера температуры с использованием термопары;

5. Определить предельную пластичность различных металлов при осадке образцов с кручением и без кручения;

6. Разработать инновационный ресурсосберегающий технологический процесс открытой прошивки цилиндрических заготовок с использованием комбинированного нагружения.

Методы исследований.

В работе использован комплексный метод исследований, включающий проведение предварительных экспериментов и на их основе теоретического анализа с экспериментальной проверкой предложенных технических решений в лабораторных условиях.

Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния, силового режима и удельных нагрузок при осадке образцов при однокомпонентном и комбинированном нагружении выполнены посредством компьютерного моделирования с использованием программного комплекса Deform 3D.

Экспериментальные исследования проводились на специально сконструированной установке с независимым приводом для комбинированного нагружения при ОМД (пат. на полезную модель 38304 РФ, МПК В21, J13/02) в лаборатории кафедры «МТК. ОД и СП» с применением общепринятых методов планирования эксперимента и статистической обработки результатов.

Научную новизну имеют следующие результаты:

– посредством компьютерного моделирования процесса осадки цилиндрических заготовок установлено, что наложение кручения на процесс осадки сопровождается следующими положительными эффектами:

• радикально повышается равномерность деформации по объему осаженных заготовок за счет снижения контактных сил трения и интенсификации сдвиговых деформаций, что позволяет получать заготовки и изделия с равномерным распределением механических свойств по объему;

• существенно (в 2…3 раза) уменьшается сила деформирования вследствие того, что коренным образом изменяется характер взаимодействия на поверхности контакта «заготовка – инструмент»;

• происходит «сглаживание» эпюры нормальных напряжений, а следовательно, уменьшается удельная нагрузка на рабочие части штампа, причем тем больше, чем больше скорость вращения инструмента;

– установлено, что осадка с кручением, характеризуемая совместным действием осевой и сдвиговой деформацией, является более энергонасыщенной и требует больших энергетических затрат по сравнению с обычной осадкой;

– расчетным путем показано, что основная работа деформации при комбинированном нагружении, переходящая в теплоту – это работа крутящего момента или работа сил касательного трения;

– опытным путем с использованием термопары для условий стесненной деформации (сдвиг) получены зависимости температуры от времени при разных осевых нагрузках в точках вблизи плоскости трения «инструмент – образец». Полученные зависимости коррелируют с работой трения, определяемой расчетными формулами;

– на основе гидравлической модели выполнен анализ теплового потока, близкого к одномерному. Предложена методика оценки средней температуры испытываемого образца при комбинированном нагружении. Показана возможность использования гидравлической модели для оценки температуры в рабочей зоне «инструмент – образец» с учетом масштабного коэффициента;

– предложена методика определения накопленной деформации при осадке с кручением на основе известных аналитических зависимостей. Показано, что «наложение» кручения на процесс деформации при осадке увеличивает величину как предельной пластичности, так и величину формоизменяющей деформации;

– экспериментально установлены этапы (стадии) процесса открытой прошивки, на которых при наложении кручения на процесс деформирования обеспечивается уменьшение перемычки в несколько раз (по сравнению с традиционной прошивкой) при минимальном искажении формы прошиваемой заготовки.

Практическую значимость имеют следующие результаты:

– спроектирована и изготовлена штамповая и инструментальная оснастка для проведения экспериментальных исследований по осадке заготовок в условиях комбинированного нагружения;

– разработана научно обоснованная усовершенствованная технология процесса осадки осесимметричных заготовок на основе положительных эффектов, свойственных комбинированному нагружению;

– разработана методика для определения температурного поля в зоне контактного трения образца и инструмента при осадке с кручением;

– разработана установка для получения кольцевых заготовок (защищена патентом на полезную модель);

– разработан способ изготовления деталей типа втулки (защищен патентом на изобретение);

– результаты выполненной научно-исследовательской работы используются в формах:

• при чтении лекций по курсу «Физико-математические основы формоизменяющих процессов»;

• при выполнении лабораторных работ по указанному курсу;

• при выполнении курсовых работ по указанному курсу;

• при выполнении курсовых проектов по курсу «Холодная объемная штамповка»;

• при чтении курса «Инновации в технологических процессах» на факультете «Экономика, менеджмент и инновации» (ФЭМИ);

• при проведении практических занятий по курсу «Технологические процессы в машиностроении» на факультете ФЭМИ.

Апробация работы.

Основные положения работы доложены и обсуждены на следующих семинарах:

– 15-ой Нижегородской сессии молодых ученых (технические науки). Нижегородская область, «Красный плес», 2010 г;

– на научных семинарах кафедры «Машиностроительные технологические комплексы. Обработка давлением и сварочное производство» с участием членов диссертационного совета по защитам докторских диссертаций, 2010 и 2011 г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в шести статьях в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК (Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением), а также в патенте на полезную модель и в патенте на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы. Текст диссертации содержит 160 машинописных страниц, включая 18 таблиц и 38 рисунков. Список литературы содержит 86 источников.

Автор защищает:

1. Положительные эффекты, сопровождающие процесс деформации при наложении кручения на процесс осадки: снижение силы деформирования, повышение равномерности распределения деформации по объему осаженных заготовок, сглаживание эпюры нормальных напряжений, а следовательно уменьшение удельных нагрузок на рабочие части штампа.

2. Аналитические зависимости для оценки энергетических затрат при осадке осесимметричных заготовок без кручения и с кручением.

3. Методику и результаты экспериментальных исследований по определению температурного поля в зоне контактного трения образца и инструмента при осадке с кручением.

4. Аналитические зависимости и результаты экспериментов по оценке предельной пластичности при осадке с кручением.

5. Усовершенствованный процесс осадки осесимметричных заготовок с учетом положительных эффектов комбинированного нагружения.

6. Установку для получения кольцевых заготовок.

7. Способ изготовления деталей типа втулки.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертационной работы и изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен литературный обзор работ, посвященных использованию комбинированного нагружения в технологических процессах ОМД. Рассмотрены вопросы напряженно-деформированного состояния при осадке без кручения и с кручением, вопросы, связанные с пластичностью и разрушением, тепловой эффект деформации.

Одним из первых процесс осадки с кручением начал исследовать американский физик . Сжав между наковальнями металлический образец давлением до 100-150 килобар, он затем проворачивал их друг относительно друга. В таких условиях П. Бриджмен обнаружил немало «тонких» физических эффектов в поведении металлов.

В ряде работ отмечается снижение деформирующей силы и нормальных напряжений, действующих на инструмент. По результатам экспериментов по осадке с кручением свинцовых образцов получены зависимости деформирующей силы, крутящего момента и эпюры контактных давлений от .

Исследования, выполненные рядом организаций, показали, что эффект снижения силы определяется двумя факторами: изменением кинематики контактного трения и развитием в теле деформируемой заготовки сдвиговых окружных деформаций.

Рис. 1. Схема кинематики трения при осадке с кручением

При осадке с кручением возникает тангенциальная компонента контактного напряжения , направленная в сторону вращения инструмента (рис. 1), вследствие чего происходит поворот вектора контактного трения также в этом направлении. Предельная величина модуля контактного трения не может превысить , поэтому радиальная компонента касательного напряжения будет уменьшаться с увеличением и в пределе при она обратится в нуль: , что, в конечном итоге, даст величину среднего касательного напряжения . Следовательно, целенаправленное изменение механики контактного взаимодействия заготовки и инструмента позволит исключить вредное влияние сил контактного трения, осуществить процесс в условиях, приближающихся к осадке без трения, и тем самым существенно повысить КПД деформации.

В последние годы на кафедре «МТК. ОД и СП» Нижегородского государственного технического университета им. был выполнен ряд работ, посвященных анализу процессов ОМД при комбинированном нагружении. Все экспериментальные исследования были проведены на специально спроектированной и изготовленной установке для комбинированного нагружения при обработке металлов давлением с независимым приводом (рис. 2), позволяющей проводить экспериментальные исследования в широком диапазоне значений кинематического параметра (), оказывающего влияние на напряженно-деформированное состояние деформируемой заготовки и энергосиловые параметры процесса осадки. По результатам выполненных работ было получено несколько патентов.

Рис. 2. Установка для комбинированного нагружения.

Изучены причины неравномерности распределения напряжений и деформаций при осадке без кручения, приводящие к искажению формы заготовок (бочкообразность).

Рассмотрены методы определения напряженно-деформированного состояния в пластической области. Показаны достоинства и недостатки следующих методов: метода координатных сеток, метода муар, поляризационно-оптического метода, метода измерения твердости, метода конечных элементов.

Рассмотрен тепловой эффект деформации, изучены методики измерения температуры по объему деформируемого тела.

По итогам литературного обзора сделаны следующие выводы:

1. Недостаточно изучены теоретические и технологические основы комбинированного нагружения.

2. Недостаточно изучены вопросы напряженно-деформированного состояния материала в очаге деформации при осадке с кручением.

3. Недостаточно изучены энергосиловые затраты при осадке заготовок в условиях комбинированного нагружения.

4. Отсутствует информация о нагреве заготовки за счет теплового эффекта и о распределении температурного поля при комбинированном нагружении.

5. В литературе отсутствуют данные о пластичности и предельной деформации при комбинированном нагружении.

6. Отсутствует информация о зарождении и образовании трещин при осадке с кручением.

Проведенный обзор позволил определить цель работы и ее задачи.

Во второй главе рассмотрены возможности программного комплекса Deform 3D для изучения напряженно-деформированного состояния цилиндрических заготовок при осадке с кручением.

Для исследования напряженно-деформированного состояния методом компьютерного моделирования были выбраны образцы из алюминиевых сплавов АД1, АМц и АМг3 высотой мм двух типов: 1) с отношением (низкие); 2) с отношением (высокие).

Моделирование процесса осадки осуществлялось со следующими параметрами:

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4