Разработка металлосберегающих технологий вытяжки-отбортовки осесимметричных деталей с отверстием в дне на основе анализа закономерностей деформации при наличии управляющих факторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.09, кандидат технических наук Титов, Антон Юрьевич

• Титов, Антон Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Титов, Антон Юрьевич

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ и символов.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ С ОТВЕРСТИЕМ В ДНЕ.

1.1. Классификация и применение осесимметричных деталей с отверстием в дне.

1.2. Основные технологические процессы производства осесимметричных деталей с отверстием в донной части, резервы экономии материалов и применяемые материалы.

1.3. Технологичность и требования к деталям, полученным вы-тяжкой-отбортовкой.

1.3.1. Технологичность и требования к деталям, полученным вытяжкой.

1.3.2. Технологичность и требования к выполнению отбортовки.

1.4. Анализ теоретических исследований отбортовки, вытяжки и вытяжки, совмещенной с отбортовкой.

1.5. Схемы и способы производства полых деталей, интенсифицирующие их формообразование.

1.6. Оборудование для производства осесимметричных деталей с отверстием в донной части.

Выводы и задачи исследования.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО -ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ ВЫТЯЖКЕ, СОВМЕЩЕННОЙ С ОТБОРТОВКОЙ ПРИ НАЛИЧИИ УПРАВЛЯЮЩИХ ФАКТОРОВ.

2.1. Классификация осесимметричных деталей и определение видов деталей для исследований.

2.2. Исходные уравнения теории пластичности для анализа процессов вытяжки-отбортовки.

2.3. Основные допущения и расчётная схема процесса.

2.3.1. Допущения.

2.3.2. Расчётная схема.

2.4. Раздача отверстия коническим пуансоном - оправкой.

2.4.1. Начальный этап контакта заготовки и пуансона-оправки.

2.4.2. Этап деформирования, связанный с прилеганием заготовки к оправке.

2.5. Анализ деформирования донной части заготовки.

2.5.1. Деформационные параметры.

2.5.2. Действующая сила формообразования дна.

2.5.3. Напряжения в дне при действии управляющих факторов.

2.5.4. Дрейф нейтральной окружности и влияние торцового нагружения на предельный коэффициент неполной отбортовки.

2.6. Анализ деформирования фланцевой части заготовки.

2.6.1. Силовые факторы.

2.6.2. Напряжённо-деформированное состояние фланца.

2.7. Динамика процесса вытяжки-отбортовки и соотношение радиальных напряжений фланца и дна.

Выводы.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ КОЛЬЦЕВЫХ ЗАГОТОВОК ВЫТЯЖКОЙ СОВМЕЩЕННОЙ С НЕПОЛНОЙ ОТБОРТОВКОЙ.

3.1. Материалы экспериментальных исследований.

3.1.1. Механические свойства и химический состав.

3.1.2. Механические испытания на растяжение.

3.1.3. Результаты испытаний.

3.2. Исследование технологической схемы вытяжки, совмещенной с неполной отбортовкой.

3.2.1. Влияние толщины материала.

3.2.2. Влияние радиуса скругления кромки пуансона.

3.2.3. Влияние диаметра отверстия.

3.3.4. Влияние удельной силы прижима.

3.2.5. Влияние силы торцового поджатия.

3.2.6. Силовые параметры процесса. Адекватность математической модели

3.3. Определение предельного деформирования.

3.3.1. Экспериментальные исследования предельного деформирования.

3.3.2. Исследование предельного деформирования при торцовом поджатии.

3.3.3. Проверка адекватности модели.

3.4 Исследование деформаций методом делительных сеток.

3.5 Исследование микроструктуры и твёрдости образцов.

Выводы.

4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Методика разработки металлосберегающих технологических процессов.

4.1.1. Основные этапы разработки технологических процессов.

4.1.2. Алгоритм проектирования металлосберегающих технологий.

4.1.3. Программа расчета основных технологических параметров вытяжки-отбортовки.

4.2 Разработка металлосберегающих технологических процессов и внедрение результатов исследований.

4.3. Конструкторско-технологические решения осуществления процесса вытяжки, совмещенной с отбортовкой.

4.3.1. Новые устройства для вытяжки, совмещенной с отбортовкой.

4.3.2. Штампы для изготовления деталей «Каскад» и «Сепаратор».

4.4. Использование результатов работы в учебном процессе.

4.4. Экономические расчеты.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка металлосберегающих технологий вытяжки-отбортовки осесимметричных деталей с отверстием в дне на основе анализа закономерностей деформации при наличии управляющих факторов»

Основной тенденцией современного машиностроения является применение металлосберегающих технологий, обеспечивающих высокое качество продукции при изготовлении деталей, в частности листовой штамповкой. В номенклатуре изделий, получаемых листовой штамповкой, значительную долю составляют детали типа тел вращения с отверстием в донной части. Традиционно такие детали изготавливаются вытяжкой с последующей пробивкой отверстия. При этом коэффициент использования металла составляет 0,5 - 0,75; особенно он мал при изготовлении деталей с относительно большим отверстием типа ободков, колец, оправ, сепараторов подшипников и т.п.

Повысить производительность (за счёт сокращения числа переходов) и существенно увеличить коэффициент использования металла можно путем совмещения операций вытяжки и отбортовки (вытяжка-отбортовка). Деталь изготавливается из плоской заготовки (или полуфабриката, полученного вытяжкой или формовкой), с предварительно пробитым отверстием, размеры которого меньше размеров отверстия в дне готовой детали. Формообразование детали в этом случае осуществляется не только за счет течения металла с периферийной части заготовки (за счет вытяжки), но и интенсивного деформирования внутренней ее части, примыкающей к отверстию, т.е. за счет неполной отбортовки.

Несмотря на очевидные преимущества процесса вытяжки-отбортовки, он не получил широкого распространения в листоштамповочном производстве ввиду того, что при деформировании периферийная часть заготовки и внутренняя часть, примыкающая к отверстию, упрочняются с разной степенью и процесс не отличается стабильностью. Недостаточная изученность особенностей формоизменения заготовки при вытяжке-отбортовке в зависимости от условий осуществления процесса, возникновение различных дефектов заготовок при формообразовании, отсутствие данных о предельных деформациях и коэффициентах вытяжки-отбортовки, отсутствие научнообоснованных рекомендаций и методик проектирования - все это сдерживает применение вытяжки-отбортовки в промышленности. Создание методики расчёта и проектирования процессов вытяжки, совмещенной с отбортовкой, на основе научно обоснованных моделей формоизменения является важной задачей, стоящей перед современным производством.

Работа посвящена выработке технических решений, направленных на металлосбережение и повышение качества осесимметричных деталей с отверстием в дне, изготавливаемых вытажкой - отбортовкой с учётом управляющих факторов на основе теоретических и экспериментальных исследований, что подтверждает актуальность выбранной темы.

Цель работы: Повышение эффективности изготовления осесимметричных деталей с отверстием в дне вытяжкой-отбортовкой с учётом управляющих факторов.

Объектом исследования являлись процессы вытяжки-отбортовки и средства их реализации. Предметом исследования было повышение эффективности изготовления осесимметричных деталей с отверстием в дне вытяжкой-отбортовкой с учётом управляющих факторов, направленное на металлосбережение, снижение трудоёмкости и повышение качества.

Методологической и теоретической основой для разработки служили работы отечественных и зарубежных исследователей в предметной области: Ю.А. Аверкиева и А.Ю. Аверкиева, Ю.М. Арышенского, Ф.В. Гречникова, В.И. Ершова, В.А. Жаркова, 3. Марчиньяка, А.Д. Матвеева, Г.А. Матвеева, А.Г. Овчинникова, Е.А. Попова, Л.А. Шофмана, С.П. Яковлева и С.С. Яковлева и других ученых.

Информационной базой работы служили монографии, учебники, справочники, описания патентов, информационные ресурсы Интернет и публикации в отечественных и зарубежных журналах.

Методы исследования: 1) методы теории ОМД; 2) металлографические методы и измерение твёрдости; 3) методы измерений линейных и угловых характеристик; 4) метод полно-факторного эксперимента и статистического анализа (обработку данных проводили в пакете StatGraphics Centurion).

Лично автором и с его участием разработаны: классификатор осесимметричных деталей (60%), математические модели вытяжки-отбортовки с учётом управляющих факторов (70%), регрессионная модель вытяжки-отбортовки (80 %), методика и алгоритм расчёта и проектирования технологии (80%). На основе проведенных соискателем экспериментальных исследований выработаны рекомендации по назначению оптимальных технологических режимов, предложены технические решения, направленные на металлосбережение и повышение качества продукции; а также технические решения по конструкции штампов и вспомогательных устройств, на которые получены шесть охранных документов патентного ведомства РФ (доля участия соискателя - 30 - 35 %).

Соискателем лично разработано технологическое оснащение, проведен авторский надзор за его изготовлением, проведены экспериментальные исследования, изготовлены образцы и проведены их испытания; при непосредственном участии соискателя внедрены процессы и технологическое оснащение на ОАО «Утёс» (г. Ульяновск). Лично автором разработана в среде Delphi-5, опробирована и внедрена на ОАО «УАЗ» программа расчёта процессов вытяжки-отбортовки. Творческий вклад автора в опубликованных работах приведен в заключении УлГТУ (организации, где выполнена работа).

Научная новизна работы заключается в разработке математических моделей процесса вытяжки-отбортовки при наличии управляющих факторов, позволяющих определять преимущественный вид деформирования, рассчитывать предельные возможности формообразования и назначать рациональные режимы формообразования и рассчитывать размеры исходной заготовки. Раз-работаные шесть основных и вспомогательных устройств, позволяющие расширить технологические возможности процесса вытяжки - отбортовки, обладают новизной и защищены патентами РФ на полезную модель.

Практическая значимость заключается в разработке и практическом применении алгоритма и программы расчёта параметров металлосберегающих процессов вытяжки-отбортовки. Практическая ценность работы подтверждается промышленным внедрением технологии изготовления деталей «Каскад», «Обод», «Сепаратор» (повышающей коэффициент использования металла на 7 -г- 13% и качество деталей) на промышленных предприятиях РФ с суммарным годовым экономическим эффектом 377 тыс. рублей.

Достоверность результатов обеспечена применением альтернативных методов исследования: теоретических и экспериментальных. Экспериментальные исследования подтвердили достоверность применяемых теоретических моделей с точностью от 5 до 15 %, что представляется удовлетворительным для практических целей.

Автор защищает полученные результаты работы, определённые задачами, сформулированными в конце разд. 1.

Основные результаты диссертации опубликованы в 23 печатных работах, в том числе 6 патентах на полезную модель, а также 1 статье в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Международной НТК «Современные проблемы машиностроения и транспорта» (г. Ульяновск, 2003 г.), ежегодных НТК Ул-ГТУ (2003 -2010), зональных НТК «Молодежь Поволжья науке будущего» (г. Ульяновск, 2003 г.) и «Актуальные вопросы промышленности и прикладных наук» (г. Ульяновск, 2004 г.), всероссийской НТК «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении» (г. Бийск, 2003 г.), «Молодежном инновационном форуме» (г. Ульяновск, 2009 г.), всероссийской НТК «Студенческая научная весна 2011: Машиностроительные технологии» (г. Москва, МГТУ), кафедре «Материаловедение и ОМД» Ульяновского государственного технического университета. Научные работы соискателя были удостоены дипломов и грамот университета в 2009 и 2011 гг. по результатам конкурсов на лучшую научную работу.

Работа, изложенная на 148 страницах (основной текст), включает 115 рисунков, 37 таблиц, 126 источников литературы и приложения.

Работа выполнена в Ульяновском государственном техническом университете (кафедра «Материаловедение и ОМД») в соответствии с тематическим планом кафедры и по договору Д10-195/20-УП от 20.10.2006 на создание научно-технической продукции «Интенсификация формообразования заготовок» с ООО НИЦ «МИТОМ» (г. Ульяновск), а также по договорам с ОАО «Утёс» (г. Ульяновск) и ОАО «Волжский подшипниковый завод».

Работа состоит из четырех разделов, списка литературы и приложений, включающих экспериментальные данные, программу в среде Delphi-5 и акты внедрения. В первом разделе рассмотрены вопросы применения осе-симметричных деталей в промышленности и их технологичности, проведён технико-экономический анализ различных способов их изготовления, способов интенсификации процессов, рассмотрено применяемое оборудование и используемые материалы. Здесь же проанализированы дефекты деталей, а также технологические и теоретические работы, выделен круг задач, подлежащих решению в рамках данной работы. Второй раздел посвящен разработке математических моделей процессов формообразования осесимметрич-ных деталей с отверстием в дне с учётом управляющих факторов. В третьем разделе дано описание экспериментальных исследований для создания регрессионных моделей и верификации разработанных математических моделей. Четвертый раздел описывает новый алгоритм и программу разработки технологии производства осесимметричных деталей с использованием результатов проведённых исследований. Здесь же рассматриваются вопросы разработки основного и вспомогательного технологического оснащения на базе патентов автора, а также вопросы внедрения результатов работы.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю и коллегам за оказанную помощь и поддержку в процессе подготовки работы.

Заключение диссертации по теме «Технологии и машины обработки давлением», Титов, Антон Юрьевич

Основные результаты и выводы

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное народнохозяйственное значение для отрасли маширостроения и состоящая в повышении эффективности изготовления осесимметричных деталей с отверстием в донной части вытяжкой-отбортовкой на основе разработанных устройств для формообразования и установленных научно обоснованных параметров технологических процессов пластического деформирования листовых заготовок с отверстиями, обеспечивающих снижение металлоёмкости и повышение качества деталей.

В процессе выполнения работы получены новые основные результаты и сделаны следующие выводы:

1. Анализ применения в промышленности осесимметричных деталей с отверстием в донной части показал, что их целесообразно изготавливать вытяжкой отбортовкой, позволяющей на 6 - 13% снижать расход металла. Изучение патентной и технической литературы по теме позволило выявить проблемы, определить эффективные способы изготовления деталей, наиболее применимые материалы, оборудование и номенклатуру деталей для исследования, сформулировать задачи работы.

2. Математическое моделирование процессов с учётом упрочнения металла на основе разработанного конструкторско-технологического классификатора позволило установить, что при торцовом поджатии конической оправкой уровень радиальных напряжений существенно зависит от толщины заготовки и от радиуса отверстия, в то время как влияние угла образующей оправки несущественно. Показано, что предельный коэффициент отбортовки увеличивается с глубиной формовки, а при торцевом поджатии, превышающем 0,16 ст3, возникает изгиб заготовки. Показано, что при использовании эластичной среды для раздачи и контрприжима на уровень относительных радиальных напряжений можно влиять варьированием таких факторов как коэффициент трения, сила прижима, торцовое поджатие и радиус скругления пуансона. Показано влияние каждого из указанных факторов на предельные коэффициенты отбортовки. Установлено, что при действии сжимающих напряжений торцового поджатая и растягивающих радиальных напряжений на границе наружного контура кольцевой зоны дрейф нейтрального слоя напряжений зависит не только от текущей конфигурации дна, но и от суммы действующих внешних радиальных напряжений. Найденное инженерным методом решение задачи деформирования фланца с учётом упрочнения показывает его зависимость от геометрии инструмента и заготовки, а также условий трения и силы прижима. Введённая индикаторная функция преимущественного деформирования позволяет прогнозировать развитие процесса формообразования в зависимости от сочетания управляющих факторов.

3. В результате экспериментальных исследований установлено, что при уменьшении толщины заготовки от 2,5 до 0,9 мм уровень радиальных напряжений донной части заготовки увеличивается на 9,5% с уменьшением утонения на 2,3%, а увеличение радиуса скругления кромки пуансона от 3 до 9 мм приводит к утонению заготовки на 3 - 4% при увеличении конечного диаметра отверстия до 8,3%, что указывает на малую действенность данного фактора. Выявлено, что с увеличением диаметра отверстия на 30% (до 30 мм) деформация фланцевой части заготовки прекращается, а отбортовка становится доминирующим видом деформации, приводящим утонение кромки отверстия к 25%-му уровню, сопровождающемуся трещинообразованием. Показано, что увеличение давления прижима до 3,0 МПа позволяет увеличить конечный диаметр отверстия до 18%. Построенная регрессионная модель, связывающая коэффициент предельного деформирования с параметрами заготовки и инструмента, адекватна при 95%-ом уровне вероятности и позволяет определять предельно допустимый диаметр пробиваемого отверстия. Установлено, что с увеличением относительной толщины материала S0/d0 от 0,01 до 0,09 коэффициент предельного деформирования уменьшается на 15 - 25%, а при увеличении относительного диаметра пробиваемого отверстия do/Dn от 0,2 до 0,9 коэффициент предельного деформирования уменьшается на 20 -37%, в то время как увеличение относительного радиуса скругления кромки пуансона уменьшает коэффициент предельного деформирования на 4-6%. Установлено что давление торцового поджатия уменьшает коэффициент предельного деформирования на 25%. Показано, что расхождение экспериментальных данных и данных теоретических моделей лежит в пределах от 5 до 15 % для различных параметров процесса, что свидетельствует о приемлемости моделей для разработки ресурсосберегающих технологий вытяжки-отбортовки.

4. На основе теоретических и экспериментальных моделей и логической схемы процесса вытяжки-отбортовки осесимметричных деталей разработан алгоритм проектирования технологии с учётом управляющих факторов, а также программа в среде Бе1рЫ-5, реализующая указанный алгоритм.

5. Разработанные автором технические решения, направленные на интенсификацию процесса деформирования и металлосбережение и защищён-ные шестью патентами на полезную модель, использованы при разработке технологии и изготовлении штамповой оснастки для производства деталей «Каскад», «Обод» и «Сепаратор».

6. Разработаны и внедрены металлосберегающие технологические процессы изготовления деталей «Каскад», «Обод» и «Сепаратор» с учётом управляющих факторов на ОАО «Утёс» (г. Ульяновск) с экономическим эффектом 377 тыс. руб. Разработана, опробирована и внедрена на ОАО «УАЗ» программа расчета основных технологических параметров процесса вытяжки - отбортовки. Результаты работы также использованы в учебном процессе на кафедре «Материаловедение и ОМД» УлГТУ при выполнении курсовых и дипломных работ по листовой штамповке и при разработке интерактивных методов обучения и создании виртуальных учебно-методических пособий по дисциплине «Технология листовой штамповки».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Титов, Антон Юрьевич, 2011 год

1. Арышенский, Ю.М. Теория и расчеты пластического формоизменения анизотропных материалов / Ю.М. Арышенский, Ф.В. Гречников. - М.: Металлургия, 1990. - 304 с.

2. Голавлев, В.Д. Расчеты процессов листовой штамповки / В.Д. Голав-лев. — М.: Машиностроение, 1974. 136 с.

3. Килов A.C., Килов К.А. Производство заготовок. Листовая штамповка. Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. - 182 с.

4. Гречников Ф.В., Дмитриев A.M., Кухарь В.Д. и др. Прогрессивные технологические процессы холодной штамповки / Под общей редакцией А.Г. Овчинникова. -М.: Машиностроение, 1985. 184с.

5. Аверкиев Ю.А. Теория холодной штамповки / Ю.А.Аверкиев, А.Ю. Аверкиев. М.: Машиностроение, 1989. - 304 с.

6. Zharkov V.A. Theory of the drawing of cylindrical parts from sheet materials // Journal of Materials Processing Technology, 1992, No. 31. P. 379-392.

7. Горбунов M.H. Технология заготовительно-штамповочных работ в производстве летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1981. — 224 с.

8. Современные технологии авиастроения / Под ред. А.Г. Братухина и Ю.Л. Иванова. М.: Машиностроение, 1999. - 832 с.

9. Технология самолётостроения: Учебник для авиационных вузов / Под ред. А.Л. Абибова. М.: Машиностроение, 1982. - 551 с.

10. Ананченко И.Ю. Классификация автокузовных панелей для оценки их технологичности // Кузнечно-штамповочное производство, 1990, №8. С. 30-33.

11. Филимонов, В. И. Конструктивно технологические особенности коробчатых деталей, изготовляемых вытяжкой отбортовкой / В. И. Филимонов, Ш. Г. Калимуллин // Автомобильная промышленность. -2003.-№9.-С. 21-23.

12. Берлет, Ю.Н. Металлосберегающие процессы штамповки деталей типа тел вращения на основе вытяжки-отбортовки / Ю.Н. Берлет, Ю.А. Титов, А.Ш. Мурасов, В.И. Филимонов. Ульяновск: УлГТУ, 2003. -71 с.13.