Разработка и исследование технологии ротационной вытяжки жаропрочных и коррозионно-стойких сплавов при производстве сложнопрофильных деталей из листового проката тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.05, кандидат технических наук Качалин, Алексей Александрович

• Качалин, Алексей Александрович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Качалин, Алексей Александрович

Введение.

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Характеристика объекта исследования.

1.2 Процессы производства деталей исследуемого типа.

1.2.1 Общий обзор возможных технологических процессов.

1.2.2 Обзор разновидностей и схем процесса ротационной вытяжки.

1.3 Анализ современного состояния процессов ротационной вытяжки.

1.3.1 Анализ используемого оборудования

1.3.2 Современное состояние теории процессов ротационной вытяжки.

1.4 Выводы.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ.

2.1 Анализ деформированного состояния металла в ходе ротационной вытяжки.

2.2 Определение площади контакта металла с роликом.

2.3 Анализ влияния отклонения от «закона синуса» на площадь контакта металла с роликом.

2.4 Определение параметров кривых упрочнения исследуемых сплавов.

2.5 Результаты расчетов по предложенной методике.

2.6 Выводы.

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1 Задачи экспериментальных исследований.

3.2 Материалы и образцы.

3.3 Экспериментальное оборудование и оснастка.

3.4 Методы экспериментальных исследований, измерительная аппаратура и инструмент.

3.5 Планирование экспериментов.

3.6 Экспериментальные исследования.

3.7 Определение величины упругих деформаций ролика в ходе ротационной вытяжки методом модельного эксперимента.

3.7.1 Методика исследований.

3.8 Исследование изменения микроструктуры и механических свойств материала в результате ротационной вытяжки.

3.9 Выводы.

4 ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ

МЕТОДИК И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ПРОЦЕССА РОТАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКИ ИЗ ЛИСТОВОГО ПРОКАТА.

4.1 Общие принципы разработки технологии РВ с использованием станков типа РЫС/СЫС.

4.2 Разработка технологического процесса производства деталей «Экран» и «Обечайка».

4.3 Виды технологических дефектов при ротационной вытяжке из листового проката.

4.4 Ротационная вытяжка со штамповкой прижимом.

4.5 Программная реализация методики автоматизированного проектирования.

4.6 Оценка экономической эффективности внедрения процесса ротационной вытяжки в серийное производство.

4.7 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование технологии ротационной вытяжки жаропрочных и коррозионно-стойких сплавов при производстве сложнопрофильных деталей из листового проката»

Для современного машиностроения актуальным вопросом является разработка новых способов обработки металла, отвечающих требованиям экономии, многономенклатурности, высоким уровнем автоматизации, а также высокими механическими свойствами деталей.

Особенно остро этот вопрос стоит в отрасли авиационного двигателестроения, где используются дорогостоящие материалы, потеря которых в стружку при механической обработке, приносит значительные финансовые расходы производителю. Не менее важен вопрос получения деталей с высокими механическими свойствами, ведущих к уменьшению веса двигателя и, как следствие, улучшению его эксплуатационных характеристик. И конечно, учитывая то, что в данной области производства выпуск изделий ведется в основном мелкими сериями, крайне важным является поиск технологии, обеспечивающей быстрый переход от производства одного изделия к другому.

За последние годы в различных отраслях машиностроения значительное развитие получили процессы пластического формоизменения с локальным приложением нагрузки, позволяющие экономить материал, повышать производительность и снижать энергозатраты при их реализации. Одним из таких процессов является ротационная вытяжка (РВ), представляющаяся собой формоизменение плоских или полых заготовок на вращающейся оправке при помощи перемещающихся деформирующих элементов.

Ротационная вытяжка, при уместном ее применении успешно конкурирует с механической обработкой по производительности и позволяет использовать более простые по форме и способу получения заготовки. Причем стоит отметить, что наиболее эффективное использование процесса ротационной вытяжки дает использование специализированного оборудования, оснащенного специальными устройствами центровки, снятия заготовок, проведения доделочных операций, а также позволяющего быстро менять инструмент в процессе деформирования.

Все вышеупомянутые преимущества процесса являются весомыми причинами для использования ротационной вытяжки в отечественном авиадвигателестроении. К тому же, проведя анализ конструкции современных газотурбинных двигателей (ГТД), становится ясно, что в этой отрасли данная технология просто необходима, учитывая то, что 60 -70% деталей ГТД (в том числе и наиболее нагруженные) являются именно сложнопрофильными осесимметричными деталями, наиболее подходящими для изготовления ротационной вытяжкой.

Значительное различие в механике деформирования имеют между собой ротационная вытяжка из листа и ротационная вытяжка из трубы. Данное различие сказывается и на устройстве и принципах работы оборудования для ротационной вытяжки, а также на различных подходах к построению математических моделей процессов. Но, рассматривая группу процессов ротационной вытяжки, как единое целое становится ясно, что процесс охватывает собой достаточно широкий диапазон типоразмеров и форм деталей.

Однако до последнего времени ротационная вытяжка находила очень ограниченное применение в данной области машиностроения. В первую очередь это обусловлено недостаточной изученностью процесса применительно к деталям из жаропрочных и коррозионно-стойких сплавов и нехваткой современного специализированного оборудования на предприятиях отрасли.

Исследование особенностей процесса ротационной вытяжки при изготовлении деталей из жаропрочных и коррозионно-стойких сплавов и установление зависимостей энергосиловых параметров процесса и геометрических параметров получаемых деталей от варьируемых факторов процесса, а также создание простых и удобных в использовании методик разработки новых технологических процессов является актуальной задачей для машиностроительных предприятий, в первую очередь - предприятий авиационной и ракетно-космической отрасли.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Экспериментально установлены зависимости геометрических параметров деталей от технологических факторов при ротационной вытяжке жаропрочного сплава ХН60ВТ, а также построены математические модели процесса в виде уравнений регрессии.

2. Разработана математическая модель для определения площади пятна контакта ролика и заготовки с учетом их упругих деформаций и отклонения от «закона синуса».

3. Установлены причины возникновения, предложены методы устранения и предупреждения возможных технологических дефектов при РВ деталей исследуемого типа.

4. Экспериментально установлены взаимосвязи показателей механических свойств и изменений микроструктуры, происходящих при ротационной вытяжке, а также в сочетании ее с последующей термообработкой.

5. Методами математического моделирования построены зависимости, позволяющие определить упругие деформации роликового узла в ходе ротационной вытяжки.

6. Разработана методика автоматизированного проектирования технологических переходов РВ сложнопрофильных осесимметричных деталей из листового проката.

Практическая полезность работы состоит в том, что:

1. Предложена и прошла экспериментальное и опытно-промышленное апробирование технология производства деталей «Экран» из жаропрочного сплава ХН60ВТ и «Обечайка» из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т методом РВ на специализированном ротационно-вытяжном станке Ье1ГеШ Р№> 111.

2. Полученные результаты экспериментальных исследований позволили оценить качество изготавливаемых деталей и определить оптимальные режимы обработки на стадии проектирования без проведения дополнительных наладочных работ.

3. За счет предложенного метода ротационной вытяжки со штамповкой прижимом на станке уменьшена себестоимость изготовления сложнопрофильной детали «Дно» путем сокращения количества операций и оборудования задействованного в техпроцессе.

4. Разработана программная реализация методики определения технологических параметров процесса ротационной вытяжки.

5. Использование результатов работы позволяет существенно увеличить эффективность производства сложнопрофильных осесимметричных деталей из листового материала, ускорить сроки его подготовки при переходе на новую технологию и улучшить точностные параметры получаемых деталей.

В основу исследований автором положены работы по теории процессов ротационной вытяжки и поперечной прокатки В.И. Королькова, А.И. Вальтера,

B.Ф. Баркая, Н.И. Могильного, М.А Гредитора., A.C. Маленичева, Л.Г. Юдина,

C.П. Яковлева и других.

В первой главе проведен анализ предшествующих теоретических, экспериментальных и прикладных исследований и сформулированы основные задачи работы.

Во второй главе выполнен теоретический анализ процесса РВ на ротационно — вытяжных станках и определены деформационные параметры процесса.

В третьей главе приведены методика и результаты экспериментальных исследований геометрических, энергосиловых параметров, а также состояния поверхности получаемых деталей в зависимости от варьируемых факторов процесса.

В четвертой главе приводятся рекомендации по использованию разработанных в ходе работы методик и приемов, описания возможных технологических отказов, методы их устранения.

С целью практической реализации результатов работ была разработана методика автоматизированного проектирования технологического процесса ротационной вытяжки.

С использованием данной методики спроектирован технологический процесс изготовления деталей «Экран» и «Обечайка».

Работа выполнена по заказу ФГУП «ММПП «Салют», г. Москва.

Заключение диссертации по теме «Обработка металлов давлением», Качалин, Алексей Александрович

5. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. С использованием данных научно-технической и патентной литературы проанализированы базовые варианты технологии изготовления сложнопрофильных осесимметричных деталей ГТД и ГТА из жаропрочных и коррозионно-стойких сплавов. Наиболее целесообразным как с технологической, так и с экономической точки зрения процессом для изготовления деталей данного типа является их ротационная вытяжка из листового проката на специализированных станках с ЧПУ.

2. Разработана методика определения деформационных параметров процесса РВ. На основе данной методики определены значения основных технологических параметров процесса для деталей «Экран» и «Обечайка».

3. Установлены взаимосвязи параметров процесса и основных технологических факторов и построены математические модели исследуемых величин в виде уравнений регрессии, позволившие выбирать режимы процесса на стадии проектирования. Показано, что для достижения высокого качества поверхности необходимо использование ролика с большой величиной рабочего радиуса (ориентировочно >5мм.) или же снижение величины подачи на оборот при выполнении последних проходов.

4. Построены зависимости упругих деформаций роликового узла от рабочего усилия, радиуса ролика и его типа, и что позволяет ускорить разработку технологического процесса РВ.

5. Проведены исследования микроструктуры и механических свойств жаропрочных и коррозионно-стойких сплавов после РВ. Выявлено отсутствие анизотропии механических свойств после РВ. Установлено, что неравномерность механических свойств по толщине листа после РВ устраняется последующей термообработкой. Исследование микроструктуры материала деталей показало соответствие величины зерна требованиям чертежа деталей.

6. Исследованы возникающие в процессе ротационной вытяжки технологические дефекты, установлены причины их появления и предложены методы их устранения.

7. Разработан способ производства сложнопрофильных деталей, с применением штамповки прижимом на станке ротационной вытяжки, что позволяет снизить себестоимость деталей. Данный способ применим в следующем интервале относительных глубин деталей H/D =1:10, 2:10.

8. Разработана методика автоматизированного проектирования процесса ротационной вытяжки сложнопрофильных осесимметричных деталей данного типа.

9. Разработана технология РВ деталей «Экран» из жаропрочного сплава ХН60ВТ и «Обечайка» из коррозионно-стойкого сплава 12Х18Н10Т.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Качалин, Алексей Александрович, 2006 год

1. Алексеев H.H. Разработка методики проектирования и технологического процесса ротационной вытяжки с утонением тонкостенных цилиндрических оболочек в шариковой матрице Афтореферат.к.т.н. М.: МВТУ-1986.-16с.

2. Алямовский A.A. SolidWorks/COSMOSWorks М.: ДМК Пресс 2004432с.

3. Баркая В.Ф. К теории расчета усилий и точности процессов ротационного формообразования. Труды ГПИ им Ленина. 1975 с. 173-175.

4. Баркая В.Ф., Рокотян С.Е., Рузанов Ф.И. Формоизменение листового металлам.: Металлургия, 1976.-262с.

5. Бородин Н.М., Бочаров В.Б. Расчет параметров заготовки для ротационного выдавливания деталей типа «оболочка». Гидродинамика лопаточных машин и общая механика. Воронеж 1971. с.214-219.

6. Бородин Н.М., Бочаров В.Б., Ефремов Д.И. Повышение надежности оболочек вращения с продольными и винтовыми ребрами жесткости, полученных ротационным выдавливанием. Гидродинамика лопаточных машин и общая механика. Вып. 1. Воронеж 1973. с. 114-116.

7. Вальтер А.И. Ротационная вытяжка с утонением стенки. Дисс. д.т.н. Тула. 1997 506с

8. Горский В.Г., Адлер Ю.П. «Планирование промышленных экспериментов». М.: Металлургия. 1974, 290с.

9. Гредитор М.А. Давильные работы и ротационное выдавливание М.: Машиностроение, 1971.-240с.

10. Григорьев П.Ф. Исследование процесса теплой ротационной вытяжки оболочек из нержавеющих сталей аустенитного класса. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н. Краматорск. 1980, 24с

11. Девятов В.В. Малоотходная технология обработки металлов давлением. М: Машиностроение, 1986. 288 с.

12. Добровольский И.Г., Степаненко A.B., Шиманович И.М. Шероховатость поверхности при ротационной вытяжке. Металлургия. Минск, 1988. №19 с 6-8.

13. Добровольский И.Г., Степаненко A.B. Определение силовых параметров процесса ротационной вытяжки тонкостенных оболочек. Новости академии наук Белорусской ССР №4, 1983 с.2-7.

14. Казакевич И.И., Анализ процесса холодной поперечной прокатки (ротационного выдавливания). К1ТТП, № 7, 1973.

15. Кайбышев O.A., Утяшев Ф.З. Сверхпластичность, измельчение микроструктуры и обработка труднодеформируемых сплавов М.: Наука, 2002. - 300 с.

16. А.Б.Каплун, Е.М.Морозов, М.А.Олферьева, ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. М.: Эдиториал УРСС. 2003,272с.

17. Капорович В.Г. Обкатка металлоизделий в производстве. М.: Машиностроение, 1973. - 166 с

18. Корольков В.И. Технология и оборудование процессов ротационной вытяжки., Воронеж: Изд-во ВГТУ, 1999.-115с.

19. Корольков В. И. Математическое, методическое и программное обеспечение процессов ротационной вытяжки из листа и труб. Дисс.д.т.н. Воронеж, 1997, 460с.

20. Корольков В.И. Моделирование деформированного состояния заготовки при ротационной вытяжке без преднамеренного утонения, М.: КШП, 2001 с 40-44

21. Корольков В.И., Захаров Е.Е., Чернов В.М. Моделирование многопроходной ротационной вытяжки с учетом деформированного состоянияфлацна Труды международной научно технической конференции. Воронеж., 2002. с 107-112.

22. Маленичев A.C. Ротационная вытяжка роликовыми раскатными устройствами. Автореферат .к.т.н. Тула, 1984 24с.

23. Маленичев A.C., Дербичев В.И., Литвинов В.Г., Смирнов В.В., Юдин Л.Г., Толкачев А.Ф. Влияние нестационарной стадии ротационного выдавливания на качество изделий. Технология машиностроения № 29, Тула 1983 с. 10-13.

24. Маленичев A.C., Ренне И.П., Смирнов В.В. Выбор оптимальных технологических параметров и режимов ротационной вытяжки роликовыми раскатными устройствами КШП, 1985 №4, с 36-38

25. Меннер A.M. Инструмент для ротационной вытяжки М.: КШП, 1991 № 12 с.30-32

26. Могильный Н.И. Ротационная вытяжка оболочковых деталей на станках М.: Машиностроение 1983г.-190с.

27. Могильный Н.И., Григорьев П.Ф., Моисеев В.М., Кочетов И.В., Афанасьев С.Г. Технологические возможности автоматизированных токарно-давильных станков (АТДС). КШП, 1984, №11, с. 29-31.

28. Могильный Н.И., Кочетов И.В, Григорьев П.Ф. Обжим тонкостенных оболочек роторным давильным инструментом. КШП 1985, №5, с 30-31.

29. Могильный Н.И., Моисеев В.М. Универсальный токарно-давильный полуавтомат. КШП, 1975, №8 с 43-45.

30. Могильный Н.И., Моисеев В.М. Статистический анализ разностенности и оптимизация технологических параметров при ротационной вытяжке оболочек. ОМД в машиностроении, Харьков, 1980, №16, с. 15-22.

31. Могильный Н.И., Моисеев В.М. Выдавливание глубоких оболочковых деталей из алюминиевых сплавов на автоматизированных -давильных станках. Технология и организация производства, 1974, №10, с 4245.

32. Моисеев В.М., Могильный Н.И., Бутенко А.И. Исследование энергосиловых параметров ротационной вытяжки оболочек на токарно-давильных станках. ОМД в машиностроении, Харьков, 1980, №16, с.39-46.

33. Огородников В.А, Шестаков H.A. Деформируемость металла при ротационном обжатии. Изв. вузов. Машиностроение №1, 1975 с. 147-152.

34. Папшев Д.Д. О площадке контакта при обкатывании наружных цилиндрических поверхностей шариком и роликом Изв. Вузов. Машиностроение.-1971 .-№ 10.-с. 45-48.

35. Попов Е.А., Ковалев В.Г., Шубин И.Н. Технология и автоматизация листовой штамповки, М.: Издательство МГТУ им Н.Э. Баумана 2000г.-480с.

36. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке Д., Машиностроение. 1971 г. 782 с.

37. Ротационная вытяжка на станах СРГ Руководящий технический материал. М.: 1983.

38. Рудницкий В.А, Смирнов В.В. Выбор оптимального профиля давильного элемента для ротационной вытяжки раскатными головками. Технология легких сплавов, 1984, №10. с 15-18.

39. Сиротинский М.С., Сухов C.B., Зиновьев В.Н. Современное состояние процессов раскатки тел вращения. Технолония легких сплавов №10 М. 1978 с.126-133.

40. Смирнов-Аляев Г.А., Чикидовский В.П. Экспериментальные исследования в обработке металлов давлением. JL: Машиностроение 1972, -360с.

41. Смирнов В.В., Рене И.П., Юдин Л.Г., Маленичев A.C. Теоретическое и экспериментальное изучение силовых параметров ротационного выдавливания Технология машиностроения вып. 30, Тула 1983 с. 19-23.

42. Соловьев В.П. Басюк С.Т. Кулешов М.Я. Изготовление бесшовных тонкостенных труб и оболочек. КШП №11, 1964.

43. Сторожев М. В., Попов Е. А., Теория обработки металлов давлением, 3 изд., М.: Машиностроение, 1977.-423 с.

44. Третьяков А.В. Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1973. - 224 с

45. Уик Ч. Обработка металла без снятия стружки. М.: Издательство «Мир», 1965 .-548с.

46. Филлипов Ю.К., Калпина Н.Ю., Бондаренко С.К., Смирнов И.В. Диаграмма пластичности никелевого сплава. Всероссийская научно — техническая конференция «НМТ -2004» М: Изд-во МАТИ с 20-21

47. Д.Н. Шамшин, В.М. Чернов, В.И. Корольков Статистическая модель процесса однопроходной ротационной вытяжки. Труды международной научно - технической конференции. Воронеж., 2004. с 111-114.

48. Шванев В.И. Устранение вибраций и обеспечение качества изделий на машинах для ротационного выдавливания заготовок. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н. М. 2003 14с.

49. Шмелев В.А., Соколов И.А., Шарманов Г.П., Уральский В.И. Влияние режимов ротационного выдавливания на качество изделий Сб. трудов Уральского НИИЧЕРМЕТ. вып 24 1975 с 20-21.

50. Юдин Л.Г., Яковлев С.П. Ротационная вытяжка цилиндрических оболочек. М.¡Машиностроение, 1984. 128с.

51. Becker J. Spin heads or tails you win. . Sheet metal industries. 1979, №4, p.312-316.

52. Chen K.X. Shi L.K., Zhang S.F. Metal spinning technique in China and throughout the world in 1980. Proceedings of international conference Beijing, China, 1989, p.75-80.

53. Cisling Y., Coursaris A. Spinning of metals. The metallurgist and materials technologist. 1984, №12, p. 644 648.

54. Delin W., Dong L. The spinning of a thing walled revolving part with a big diameter and three different sections of generatrix on a PNC spinning machine. Proceedings of international conference Beijing, China, 1989, p. 140-145.

55. Dexian Xu Thickness reduction spinning of the thin walled cylinder with inner stiffeners. Rotary forming. Proceedings of international conference Beijing, China, 1989, p. 97-102.

56. Haga E., Jeswiet J. A review of conventional and modern single-point sheet metal forming metods. IMechE 2003. p 213-225.

57. Honglie Xu, Wengang F. A research of the spinnability of normal steel castings. Rotary forming. Proceedings of international conference Beijing, China, 1989, p. 89-93.

58. Hongxiang Zhu. Desighn of swivelling template of conventional spinning machine. Rotary forming. Proceedings of international conference Beijing, China, 1989, p. 131-134.

59. Kang D.C., Cheng Q.M., Shen G.R., Quan Z.C. Developement of spinning machine with a playback system. Rotary forming. Proceedings of international conference Beijing, China, 1989, p. 53-58.

60. Ken-Ichi Kawai A fact data base on spinning technology. Rotary forming. Proceedings of international conference Beijing, China, 1989, p.59-62.

61. Noyes R.B. Forming diagrams. Sheet metal industries. 1983 №5. p.264293.

62. Packham C.L. Metal Spinning and shear and flow forming. Mettalurgia and metal forming 1976, №6. p. 168-170.

63. Packham C.L. Metal Spinning and shear and flow forming. Part 2. Spinning. Mettalurgia and metal forming 1976, №7. p.203-206.

64. Packham C.L. Metal Spinning and shear and flow forming. Part 3: Shear forming. Mettalurgia and metal forming 1976, №8. p.250-252.

65. Packham C.L. Metal Spinning and shear and flow forming. Part 4: Flow forming. Mettalurgia and metal forming 1976, №9. p.281-285

66. Runge M. Numerical playback control on spinning machines. Sheet metal industries. 1984 №12. p.673-674.

67. Satriani J. A practical look at spinning and flow turning. Sheet metal industries. 1975 №1, p.9-11.

68. Shangtong Lu, Zhonguy Wu, Chengtai W. An experimental investigation of the technology for spinning automobile rims. Rotary forming. Proceedings of international conference Beijing, China, 1989, p. 120-121.

69. Shoucheng Cui. Discussion on the causes of scaling cracks on the outside surface of shear spun conical workpieces. Rotary forming. Proceedings of international conference Beijing, China, 1989, p. 128-130.

70. Tao W., Wang Z., Quang W. Development of a heavy flanging machine with a new motion mechanism for pressure rollers. Rotary forming. Proceedings of international conference Beijing, China, 1989, p. 94-96.

71. Tao W., Wang Z., Quang W. The slipline fields of thickness reduction spinning and the engineering calculation of spinning forces. Proceedings of international conference Beijing, China, 1989, p. 135-139.

72. Trioleyre M, Bourrel F. CAD-CAM System and spinning processing. Rotary forming. Proceedings of international conference Beijing, China, 1989, p.63-66.

73. Wang J.B., Li S.X., Ma Z.E. Analysis of internal dieless spinning of cones. Rotary forming. Proceedings of international conference Beijing, China, 1989, p. 114-119.

74. Wang Z.R., Lu Gan. A suggestion on the standartisation of English technical terminology used in rotary forming. Rotary forming. Proceedings of international conference Beijing, China, 1989, p. 38-45.

75. Yingchun H., Zhaoguang S., Shengdi W. Hot spinning technology for thickening the bottom from pipe billets. Rotary forming. Proceedings of international conference Beijing, China, 1989, p. 109-113.

76. Yunhao Z., Guixiang S., Xiaoyun Xu. Influences of flow forming upon the microstructure of a welding seam of TA2 titanium. Rotary forming. Proceedings of international conference Beijing, China, 1989, p. 122-127.