Разработка и освоение технологии электровысадки цилиндрических заготовок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.05, кандидат технических наук Подрабинник, Леонид Израилевич

• Подрабинник, Леонид Израилевич
• кандидат технических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат технических наук Подрабинник, Леонид Израилевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ.

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ НАПЕШЕННО-ДШРМИРО

ВАННОГО И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЙ КРУГЛОЙ

ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ЗАГОТОВКИ ПРИ ЭЛЕКТРОВЫСАДКЕ.

2.1. Математическая модель пластического формообразования поковки при электровысадке.

2.2. Основные уравнения осесимметричного пластического-течения жестко-пластического тела

2.3. Численные алгоритмы построения сетки характеристик, полей напряжений и скоростей для решения краевых задач осесимметричного пластического течения

2.4. Построение сетки характеристик, полей напряжений и скоростей при осесиммет-ричной электровысадке.

2.5. Определение силовых и кинематических параметров процесса электровысадки

2.6. Нагрев заготовки при электровысадке и определение величины тока нагрева.

2.7. Выводы.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОШСАДКЙ КРУГЛЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК.

3.1. Задачи экспериментального исследования и методика проведения экспериментов.

3.2. Оборудование,технологическая оснастка, образцы и приборы, применявшиеся при проведении экспериментов

3.3. Проведение экспериментов и анализ их результатов.

3.4. Выводы.

Глава 4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТУ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОШСАДКЙ КРУГЛЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК.

4.1. Составление чертежа поковки и заготовки.

4.2. Расчет параметров процесса электровысадки.

4.3. Проектирование технологической оснастки

4.4. Выводы.

Глава 5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и освоение технологии электровысадки цилиндрических заготовок»

Дальнейшее повышение эффективности производства деформируемых полуфабрикатов связано с разработкой, совершенствованием и внедрением технологических процессов, обеспечивающих максимальную экономию металла и энергии, выпуск высококачественных поковок, не требующих значительной последующей обработки.

Одним из таких процессов является процесс электровысадки, используемый для набора значительных по объему и сечению утолщений на концах или в средней части заготовки с удлиненной осью.

Детали с удлиненной осью и большими изменениями площади поперечного сечения по длине: торсионы, клапаны двигателей, турбинные и компрессорные лопатки и т.п. используются в различных отраслях промышленности: авиационной, оборонной, автомобильной и других. Эти детали, как правило, являются ответственными элементами узлов машин и механизмов и подвергаются большим нагрузкам как при обычных, так и при повышенных температурах. Поэтому они изготавливаются из высокопрочных легированных и жаростойких сталей и сплавов, обработка заготовок из которых традиционными методами металлообработки связана со значительными техническими трудностями, а в некоторых случаях невозможна.

Эффективным методом получения таких изделий может быть электровысадка. Сейчас в нашей стране эксплуатируется несколько десятков электровысадочных машин иностранного и отечественного производства, осваивается их серийный выпуск. Однако недостаточная изученность процесса электровысадки препятствует его широкому распространению.

В данной работе изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса электровысадки круглых цилиндрических заготовок, которые должны содействовать ускорению успешного внедрения этого цроцесса в промышленность.

В первой главе проанализированы сведения о процессе, опубликованные в технической литературе. В результате проведенного анализа определена цель исследований. Детальное рассмотрение процесса выявило задачи, которые необходимо решить душ ее достижения.

Теоретический анализ напряженно-деформированного и термодинамического состояний заготовки цроведен во второй главе. Анализ напряженно-деформированного состояния проводится на основе теории течения идеального жестко-пластического тела методом характеристик. Дифференциальные соотношения вдоль характеристик интегрировались численно с помощью специально написанного комплекса BASIC - программ, реализованного на мини -- ЭВМ Р6060. Теоретическое исследование термодинамического состояния заготовки проводилось методами теории теплопроводности твердого тела.

В результате проведенных исследований получены соотношения для определения значений параметров процесса электровысадки в зависимости от требующихся размеров высаженной поковки, исходных размеров заготовки, а также механических и физических характеристик её материала. Выявлены причины образования торцевых дефектов при электровысадке заготовок из труднодеформируе-мых сталей и сплавов и способы их предотвращения.

В третьей главе даны методика постановки экспериментов, описание оборудования, технологической оснастки, образцов и приборов применявшихся в экспериментах.

Анализ результатов, полученных в ходе экспериментальных исследований, подтвердил справедливость основных допущений еделанных при построении математических моделей пластического течения и нагрева заготовки при электровысадке, показал удовлетворительную сходимость экспериментальных и расчетных данных. Экспериментальные данные обрабатывались методами математической статистики.

Рекомендации по составлению чертежа поковки и заготовки, расчету технологических параметров и проектированию технологической оснастки при электровысадке круглых цилиндрических заготовок изложены в четвертой главе. Они разработаны на основе результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований.

В заключительной, пятой, главе приведены сведения о производственном освоении процесса электровысадки поковок длинных торсионов с малой площадью поперечного сечения из специальных легированных сталей и дано содержание разработанных методических рекомендаций: "Расчет технологических процессов электровысадки".

В работе содержатся также выводы, список использованной литературы и приложения. В приложениях помещены тексты BASIC-программ, результаты расчетов, технические характеристики электровысадочных машин, акты внедрения разработанных процессов электровысадки в промышленность, расчет ожидаемой экономической эффективности от внедрения процесса электровысадки.

Заключение диссертации по теме «Технологии и машины обработки давлением», Подрабинник, Леонид Израилевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Электровысадка является эффективным процессом получения утолщений на концах круглых цилиндрических заготовок с удлиненной осью и может найти достаточно широкое применение в различных отраслях машиностроения. Однако до настоящего времени процесс недостаточно изучен и в технической литературе отсутствуют данные необходимые душ разработки и освоения технологических процессов электровысадки новых изделий. Поэтому исследование электровысадки с целью разработки методики расчета параметров процесса и рекомендаций по проектированию технологической оснастки для его осуществления является актуальным.

2. Получение электровысадкой качественных поковок с заданными размерами возможно только при правильном соотношении между размерами изделия и параметрами процесса: усилием высадки, током нагрева, скоростью перемещения упорного электрода, а также при благоприятном распределении температуры вдоль заготовки.

3. На основе модели изотермического осесимметричного пластического течения идеального жестко-пластического тела проведен теоретический анализ напряженно-деформированного состояния круглой цилиндрической заготовки при электровысадке. Напряженно-деформированное состояние определялось методом характеристик, который был дополнен алгоритмами построения линии разрыва напряжений и жестко-пластической границы и вычисления в их узловых точках напряжений и скоростей перемещений.

4. В результате проведенного теоретического анализа напряженно-деформированного состояния установлена аналитическая зависимость усилия высадки от величины высаживаемого утолщения,диаметра заготовки, скорости деформирования, сопротивления деформированию материала заготовки при температуре деформации, определены формы и размеры переходных частей утолщений, максимальная величина утолщения.

5. Исследование термодинамического- состояния заготовки на установившейся стадии электровысадки, проведенное методами теории теплопроводности твердых тел, позволило установить аналитическую зависимость между током нагрева, скоростью высадочного плунжера и температурой в очаге деформации заготовки.

6. Качественный анализ влияния различных факторов на характер распределения температуры в приторцевой зоне заготовки на начальной стадии процесса позволил определить три способа создания условий нагрева, которые обеспечивают благоприятное распределение температуры вдоль заготовки.

7. Экспериментальные исследования подтвердили достоверность построенных математических моделей пластического течения и нагрева заготовки при электровысадке и пригодность полученных зависимостей для расчета параметров процесса.

8. Установлено, что наиболее простым и надежным способом предотвращения образования торцевых дефектов на заготовках из труднодеформируемых материалов является подогрев рабочей части упорного электрода с помощью специально разработанной оснастки.

9. Результаты металлографических исследований показывают, что высаженные заготовки имеют качественную структуру, незначительно отличающуюся от исходной. Установлена возможность формообразования утолщений на заготовках из титановых сплавов практически без альфированного слоя.

10. Электровысадка является эффективным способом получения предварительных заготовок малогабаритных турбинных и компрессорных лопаток из теплостойких сталей, титановых и жаропрочных сплавов под последующую штамповку.

11. При модернизации конструкций отечественных электровысадочных машин с целью их технологических возможностей целесообразно обеспечить наличие: встроенных узлов нагрева инструмента и стабилизации тока нагрева; системы контроля и регулирования температуры в очаге пластических деформаций заготовки.

12. Разработана теоретически обоснованная, проверенная экспериментально и на практике методика проектирования технологических процессов электровысадки круглых цилиндрических заготовок, которая включает в себя рекомендации по составлению чертежа поковки и исходной заготовки, рекомендации по выбору схемы электровысадки, методику расчета технологических параметров процесса, рекомендаций по выбору схем, конструкций и материалов технологической оснастки. Составлены и изданы методические рекомендации: "Расчет технологических процессов электровысадки", которые приняты к использованию на нескольких предприятиях.

13. Разработан и внедрен на одном из машиностроительных заводов с экономическим эффектом 28 тыс.руб. процесс электровысадки поковок изделий типа длинных торсионов с малой площадью поперечного сечения из специальных легированных сталей.

Экономический эффект от внедрения процесса электровысадки предварительных заготовок компрессорных лопаток из титановых сплавов может составить более 60 тыс.рублей.

14. Номенклатура поковок, получаемых электровысадкой может быть расширена за счет возможности высадки заготовок с малой площадью поперечного сечения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Подрабинник, Леонид Израилевич, 1984 год

1. Алберг Дж., Нильсон Э., Уолш Дж. Теория сплайнов и ее приложения. - М.: Мир, 1972. - 309 е., ил.

2. Бишоп Дж., Грин А., Хилл Р. Замечание о деформируемой области в жесткопластическом теле. Механика, 1957, № 4, сЛ)8--100.

3. Воронов В.К., Полухин П.И., Фотопластичность. М.;Металлур-гия. 1969. - 400с, ил.

4. Дель Г.Д. Технологическая механика. М.; Машиностроение, 1978 - 174 с, ил.

5. Джонсон У., Меллор П. Теория пластичности для инженеров. М.: Машиностроение, 1979. - 567 е., ил.

6. Друянов Б.А. 0 прокатке полосы при условии максимального трения. В кн.: Пластическое течение металлов, М.: Наука, 1968 - с I02-II3.

7. Жалкин В.А., Ивлев Д.Д., Мищенко B.C. О вдавливании кольцевого штампа в пластическое полупространство. Прикладная механика и техническая физика, 1961, JJ» 6, с. 153-154.

8. Запрягайло Б.И., Леонтьев И.А., Клубис Б.И. Электровысадка концов стальных труб. Кузнечно-штамповочное производство, 1978, № 8, с.40-42.

9. Ивлев Д.Д. Теория идеальной пластичности. М.: Наука, 1966. 232с, ил.

10. Ивлев Д.Д., Непершин Р.И. Внедрение гладкого сферического штампа в жестко-пластическое полупространство. Изв.

11. АН СССР, Механика твердого тела, 1973, № 4, с.159-166.

12. Ишлинский А.Ю. Осесимметричная задача и проба Бринеля. -Прикладная математика и механика, 1944, т.8, в.З, с.201.

13. Карапетян Ж.А., Непершин Р.И., Сенькин И.Т. Теоретическоеисследование процесса электровысадки полосы.- В кн.: Исследование пластического течения металлов, М.; Наука, 1970, с.III--117.

14. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел, М.: Наука, 1964.-488с., ил.

15. Качалов Л.М. Основы теории пластичности.- 2-е изд.перераб. и доп. М.; Наука, 1969.-402с., ил.

16. Койтер В. Соотношения между напряжениями и деформациями. -Механика, I960, J£ 2, C.II7-I2I.

17. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы.-М.: Наука, 1973 832с.

18. Лишан Г. Теория главных траекторий при осесимметричной пластической деформации.- Механика, 1963, № 3, с.155-167.

19. Натанзон Е.И., Тельнов Г.М. Электронагрев методом сопротивления и электровысадка 2-е издание, перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1964 - 136с., ил.

20. Непершин Р.И. 0 решении кинематически определимых задач осесимметричного пластического течения.-Машиноведение,1972, Ш 2, с.94-99.

21. Непершин Р.И. Осесимметричное прессование с малыми и большими обжатиями.- В кн: Расчеты процессов пластического течения металлов, М.: Наука, 1973, с.71-83.

22. Непершин Р.И. Теоретические исследования осесимметричных процессов пластического течения металлов.: Автореф.Дис. док. техн.наук.- Москва, 1973. 44с.

23. Патент кл. B2I С 37/04 № I2I0278 (Великобритания). Способ электровысадки головки соединительной тяги&ewtd Wl\m, Watthias Lush. Заявл. 25.06.69, опубл. в Б.И. 28.10.70.

24. Патент кл. B2I J 9/08 54-37049 (Япония). Способ охлаждения матрицы на электровысадочной машине /Мапумура Хидэл, Фудзи-ко Акихиро, Мотода Итиро. Судзуки кидзоку коге К.К., К.К. Мацумура сэйсакусё . Заяв. 29.08.77, В 52-103785, опубл. в Б.И, 19.03.79.

25. Патент кл. B2I 7 9/06 56-17143 (Япония). Электровысадочная машина /Кусибэ Сюки. Сакано Тэйити, Инадура Дзгондзи, Яхата Акидзи. Мицубиси дзюкоге К.К. . Заявл. 19.07.79,№ 54-90910 опубл. в Б.И. 18.02.81.

26. Патент кл. B2I J 9/08, B2I JO 43/10, J6 56-17144 (Япония). Многопозиционная электровысадочная машина /Кусибе Сюки, Йосиоко Хиромицу, Яхата Акидзи. Мицубиси дзюкоге К.К. Заявл. 18.07.79, № 54-90282, опубл. в Б.И. 18.02.81г.

27. Перевозчиков Б.С., Никольский Л.Н., Сенькин И.Т. и др. Метод расчета процессов электровысадки.- В кн: Методы получения точных заготовок обработкой давлением. Воронеж, 1977,с.3-29.

28. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела.- М.: Наука, 1979.- 744с., ил.

29. Расчет технологических процессов электровысадки. Методические рекомендации /И. Т.Сенькин, Л.И.Подрабинник. Воронеж, ЭБЖМАШ, 1982. - 136с., ил.

30. Романов Д.И. Электроконтактный нагрев металлов. 2-е изд., перераб. и доп.- М.; Машиностроение, 1981, - 168с., ил.

31. Романов К.И. Исследование методом конечных элементов горячей осесимметричной осадки. Машиноведение, 1978, № 5,с.79--86.

32. Сегал В.М. Технологические задачи теории пластичности. -Минск: Наука и техника, 1977.- 256 е., ил.

33. Сегал В.М., Макушок Е.М., Резников В.И. Исследование пластического формоизменения металлов методом муара.- М.: Металлургия, 1974. 200с., ил.

34. Седов Л.М. Механика сплошной среды, т.2.-2-е изд., исправ. и доп. М.: Наука, 1973. - 584с., ил.

35. Сенышн И.Т., Бойцов В.В., Подрабинник Л.И. Профилирование заготовок для турбинных лопаток методом электровысадки.

36. В кн.: Горячее формообразование металлов. Процессы и оборудование, Воронеж, 1978- с.30-43.

37. Сенькин И.Т., Подрабинник Л.И. К вопросу о тепловом режиме при электровысадке.- В кн.; Горячее формообразование металлов. Процессы и оборудования, Воронеж, 1978, с.44-52.

38. Сенькин И.Т., Протопопов О.В., Харченко А.И. Расчет параметров электровысадки тонкостенных труб. Кузнечно-штамповоч-ное производство, 1973, II, с.13-16.

39. Соколов Л. Д. Сопротивление деформации сталей. М.: ЦЦИИЧМ, 1963.-78с., ил,

40. Соколовский В.В. Теория пластичности.- 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1969.-608с., ил.

41. Томас Т. Пластическое течение и разрушение в твердых телах. М.: Мир, 1964.-308с., ил.

42. Томленов А.Д. Теория пластического деформирования металлов. М.: Металлургия, 1972.-408с., ил.

43. Третьяков А.В., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. Справочник.- М.: Металлургия, 1973.-224с., ил.

44. Трофимов И. Д., Стоколов В.Е. Оборудование для горячей штамповки с электронагревом.- М.: Машиностроение, 200 е., ил.

45. Унксов Е.П. Инженерная теория пластичности. Методы расчета усилия деформирования.- 2-е изд.перераб.- М.: Мажгиз, 1959.328с., ил.

46. Физические свойства сталей и сплавов, применяемых в энергетике. Справочник под ред. Б.Е.Неймарка.- М.;- Л.; Энергоиз-дат, 1967, 300 с., ил.

47. Хайкин Б.Е., Тарновский И.Я., Одиноков В.И., Глазунов В.Г. Метод дискретизации в задачах обработки давлением. Сообщение I, Изв. ВУЗов, Черная металлургия, 1973, № 3, с.73-77.

48. Хилл Р. Математическая теория пластичности. М.: Гос.изд. технико-теоретической литературы. 1956.- 407с., ил.

49. Чиченов Н.А., Кудрин А.Б., Полухин П.И. Методы исследования процессов обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1977.- 311с., ил.

50. Шилд Р. 0 пластическом течение металлов в условиях осевой симметрии.- Механика, 1957, № I, с.102-122.

51. Шнейберг В.М., Акаро И.Л. Кузнечно-штамповочное производство Волжского автомобильного завода.- М.: Машиностроение, 1977.- 302с., ил.

52. EcisonG-.,ShieLd /?.! The plasfic indentation of a semi-infinite solid Syaperiecfly "loughcncnloi puncht9iis chmiii fiii ommndle Waihemaiik mi Phpik (Z/\MP)jm:vDLXl,p.33^3.-232 ,

53. Electrostauchen: Verfahren und Mashinen Ш und VG / Hasenclever, Dusseldorf, 1977,-I4p. 53» Golf E.H. Electricupsetting speeds forging production.- Precission Mettall, 1978, 36, N^, p.25-28.

54. Guyon J. bes machines a refouler electriques.- Metaux deformation, 1978, N49, p.27-32.

55. Kusner J.J., Edwards Т.Е. Gathering metall for heading.- Precission Metall, 1972, Februray, p.30-31.