Разработка технологий обработки длинномерных заготовок на основе пластического кручения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.05, кандидат технических наук Хван, Александр Дмитриевич

• Хван, Александр Дмитриевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хван, Александр Дмитриевич

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1. Пластическое кручение как технологическая задача в обработке металлов давлением.

1.2. Кручение при немонотонных процессах деформирования цилиндрических заготовок.

1.3. Технологическая оснастка для пластической обработки длинномерных цилиндрических заготовок.

1.4. Выводы и задачи исследования.

Глава 2. Пластическое деформирование цилиндрических заготовок в условиях монотонного нагружения.

2.1. Напряженно - деформированное состояние при осадке (растяжении) заготовок с кручением.

2.2. Устойчивость длинномерных заготовок при их осадке с кручением.

2.3. Устойчивость цилиндрических заготовок при растяжении с кручением.

2.4. Построение диаграмм пластичности.

2.5. Выводы.

Глава 3. Пластическое деформирование заготовок в условия немонотонного нагружения.

3.1. Определение характеристик сопротивления материалов пластическому деформированию.

3.2. Увеличение критической деформации удлиняемых заготовок.

3.3. Реверсивное кручение круглых заготовок.

3.4. Изотропное упрочнение материалов реверсивным кручением.

3.5. Выводы.

Глава 4. Разработка конструкций технологической оснастки для осадки с кручением длинномерных цилиндрических заготовок.

4.1. Устройства для осадки с кручением заготовок с применением винтового механизма.

4.2. Устройство для осадки с кручением заготовок с использованием гидромеханизма.

4.3. Штамп двустороннего действия для осадки с кручением заготовок.

4.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологий обработки длинномерных заготовок на основе пластического кручения»

Актуальность темы. В последние десятилетия в машиностроении все шире разрабатываются и применяются наряду с совершенствованием традиционных видов обработки (вытяжка, прокатка, осадка, обжим и др.) и нетрадиционные способы пластического формоизменения заготовок с целью придания нужных эксплуатационных свойств элементам конструкций. В связи с этим такая классическая задача теории пластичности, как кручение призматических стержней, может быть успешно использовано в сочетании с осадкой для разработки новых технологий в обработке давлением. При этом пластическое кручение в условиях немонотонного нагружения может быть применено для упрочняющейся обработки многих технических сплавов, не подвергающихся по тем или иным причинам термической обработке, и для придания необходимых технологических свойств с целыо улучшения качества получаемых пластическим формоизменением поковок.

Интенсивное внедрение в производство технологий механо термической обработки (МТО) требует их непрерывного совершенствования. Поэтому традиционно применяемые в МТО виды механических обработок (обжим и прокатка) следовало бы заменить в некоторых случаях на пластическое кручение, осадку или их сочетание, которые будут более эффективными, в особенности при обработке длинномерных цилиндрических заготовок (с длиной более 2-3 их диаметра).

Для обоснования и реализации новых нетрадиционных технологий обработки давлением с использованием кручения необходимо иметь решения соответствующих задач и конструктивные разработки штамповой оснастки для пластического деформирования длинномерных цилиндрических заготовок без искривления.

Диссертационная работа выполнялась по Госбюджетной НИР кафедры «Самолетостроение» ВГТУ (Г. Б. 01.40 «Математическое моделирование процессов проектирования и изготовления самолетов») в соответствии с основными направлениями фундаментальных исследований РАН РФ по разделу технических наук - 2.3.7. «Математическое моделирование перспективных конструкций, материалов и технологий в авиации, ракетной и атомной технике, судостроении, наземном транспорте, станкостроении и приборостроении».

Цель работы: Создание технологических основ для разработки высоких технологий обработки длинномерных заготовок с применением пластического кручения.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи.

1. Определить напряженно - деформированное состояние (НДС) при осадке с кручением длинномерных цилиндрических заготовок из упрочняющегося материала в условиях монотонного нагружения.

2. Исследовать устойчивость при осадке с кручением длинномерных заготовок с целыо определения поперечных поддерживающих нагрузок.

3. Определить НДС при пластическом кручении цилиндрических заготовок при немонотонном нагружении на основе предложенной Г. Бакхаузом модели анизотропно упрочняющегося тела.

4. Разработать конструкции штамповой оснастки для реализации пластической осадки с кручением длинномерных цилиндрических заготовок без искривления.

5. Внедрить результаты исследований в промышленность и учебный процесс.

Автор защищает результаты теоретических исследований процессов осадки с кручением в условиях монотонного нагружения и немонотонного пластического кручения цилиндрических заготовок; установленные зависимости напряженно- деформированного состояния, деформирующих усилий от кинематических параметров и характеристик материалов; полученные соотношения для определения поперечных поддерживающих нагрузок; установленные эффекты изотропного упрочнения металлов и увеличения критической деформации удлиняемых заготовок; конструкции штамповой оснастки для осадки с кручением длинномерных заготовок без искривления, техпроцессы улучшения технологических показателей и свойств заготовок.

Научная новизна.

1. Получены соотношения для оценки напряженно-деформированного состояния и деформирующих усилий при осадке с кручением длинномерных цилиндрических заготовок с учетом упрочняемости металла.

2. На основе критерия положительности работы добавочных нагрузок исследована устойчивость при осадке с кручением длинномерных цилиндрических заготовок с учетом действия, препятствующих искривлению, поперечных нагрузок.

3. На основе модели анизотропно упрочняющегося тела Г. Бакхауза установлены эффекты увеличения критической деформации удлиняемых заготовок в циклах нагружения растяжение - кручение — растяжение -кручение и т. д., а также изотропного упрочнения металлов реверсивным кручением.

4. Установлена возможность определения наследственной функции и характеризующего эффект Баушингера параметра испытанием образцов в цикле нагружения растяжение - кручение.

Практическая ценность и реализация работы.

1. Расширены технологические возможности МТО применительно к длинномерным цилиндрическим деталям (сверла, зенкеры, развертки и др.) для повышения их эксплуатационных свойств.

2. Разработанные конструкции штамповой оснастки позволят реализовать новые технологии МТО в производственных условиях.

3. Показано, что эффект изотропного упрочнения может быть использован для повышения механических характеристик металлов, которые но тем или иным техническим причинам не подвергаются термообработке.

4. Подтверждено, что эффект увеличения критической деформации удлиняемых заготовок может быть применен для повышения пластичности материала заготовок.

5. Внедрение результатов исследований осуществлено в ФГУП ГНЦ РФ НПО «ЦНИИТМАШ» (г. Москва) и в ОАО ВАСО (г. Воронеж) при разработке технологий обработки длинномерных цилиндрических заготовок и проектировании штамповой оснастки для реализации новых технологий (ПМТО).

6. Отдельные материалы исследований используются в учебном процессе в ВГТУ при изучении курса «Технологическая механика» специальности 160201 «Самолето-и вертолетостроение». v Методы исследований. Теоретические исследования выполнены на основе аппарата теории пластичности, теории анизотропного упрочнения Г. Бакхауза, критерия положительности работы добавочных нагрузок. Все расчеты проводились численно методом конечно — разностных соотношений с использованием ЭВМ. Опытные данные обрабатывались методами математической статистики. Эксперименты проводились с использованием современных испытательных машин и регистрирующих приборов.

Достоверность результатов исследований обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задач, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов расчета с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями.

Апробации работы. Результаты исследований доложены на XXVII международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (г. Москва, 2001 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении» (г.

Воронеж, 2001 г.), на региональной научно-технической конференции

Компьютерные технологии в промышленности и связи» (г. Воронеж, 2002 г.), на 5-й международной конференции «АКТ - 2004» (г. Воронеж, 2004 г.), на 2-й международной конференции «Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование ОМД» (г. Тула, 2004 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГТУ (г. Воронеж, 2001-2004 г. г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ (1 монография; 2 патента; 1 заявка с п. р. о выдаче патента; 10 статей). Личный вклад соискателя составляет: в /2/ - предложена принципиальная схема оснастки; в /3/ и /4/ - решение задач; в /5/ - основные разделы 5-й главы; в /6/ -расчет основных параметров устройства; в 111 - решение задачи; в /11/ -конструкция штампа; в /12/ - соотношение для составления программы испытаний.

Автор выражает глубокую благодарность кандидату технических наук доценту А. А. Воропаеву за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 73 наименований, 3-х приложений и включает 156 страниц машинописного текста, содержит 62 рисунка и одну таблицу. Общий объем - 160 страниц.

Заключение диссертации по теме «Технологии и машины обработки давлением», Хван, Александр Дмитриевич

13. Результаты исследования НДС и устойчивости длинномерных заготовок при их осадке с кручением используются в ФГУП «ЦНИИТМАШ» при выполнении проектных работ по внедрению новых технологий ПМТО (МТО) на инструментальных заводах с целыо повышения стойкости концевых фрез, разверток и зенкеров диаметром более 16 мм.

Изготовленные штампы с винтовым механизмом внедрены на Воронежском акционерном самолетостроительном обществе для разработки новой технологии ПМТО с целью повышения стойкости двусторонних концевых фрез диаметром 16 мм из стали 9ХС. Годовой экономический эффект от внедрения разработанной технологии составил 93 тыс. руб. по сравнению с базовым вариантом.

14. Решения задачи о немонотонном пластическом кручении включены в рабочую программу по учебной дисциплине «Технологическая механика» для студентов специальности 160201 «Самолето — и вертолетостроение». Изучение студентами теории пластического формоизменения, основанной на модели анизотропно - упрочняющегося тела Г. Бакхауза позволит повысить уровень подготовки инженеров в области авиастроения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хван, Александр Дмитриевич, 2004 год

1. Сен Венан. Мемуары о кручении призм. Мемуар об изгибе призм //М.: 1961.252 с.

2. Boussinesq I. Application des potentieles. Memories de la Sosiete des Sciences de l'Agriculture et des Arts de Lille. Donel, 1885.

3. Prandtl L. Eain neue Darstellungen der Torsionsspannungen bei prismatischen Staben von beliebiegen Querschnitt, Deutsch. — Math. Ver., 13, 1904.

4. Мусхелишвили II. И. Некоторые основные задачи математической теории упругости // М.: Изд. АН СССР, 1954. 850 с.

5. Арутюнян Н. X., Абрамян Б. А. Кручение упругих тел // М.: Физматгиз, 1963. 750 с.

6. Малинин Н. II. Прикладная теория пластичности и ползучести // М.: Машиностроение, 1975. 400 с.

7. Качанов JI. М. Основы теории пластичности // М.: Изд. Наука, 1969.420 с.

8. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел // М.: Изд. иностранной литературы, 1954. Т. 1. 647 с.

9. Огородников В. А. Оценка деформируемости при обработке металлов давлением // Киев: Вища школа, 1983. 175 с.

10. ГОСТ 3565-80. Металлы. Методы испытаний на кручение // М.1980.

11. Людвик П. Основы технологической механики // Расчеты на прочность. М.: Машиностроение, 1920. Вып. 15. С. 130-166.

12. Дель Г. Д. Технологическая механика // М.: Машиностроение, 1976.180 с.

13. Теория ковки и штамповки. Под общей редакцией Унксова Е. П., Овчинникова А. Г. // М.: Машиностроение, 1992. 720 с.

14. Буркин С. П., Картан Б. Р., Леванов Л. И. Усилия, моменты и давления при осадке с кручением // Кузнечно штамповочное производство, 1975. Л»9. С. 8-9.

15. Леванов Л. Н. Технологическая эффективность осадки и штамповки с активным действием сил трения // Кузнечно — штамповочное производство, 1995. №2. С. 6-8.

16. Ганаго О. А., Субич В. И., Степанов Б. А. и др. Исследование процессов осадки с кручением тонкого слоя // Изв. Вузов. Машиностроение, 1980. №6. С. 110-113.

17. Субич В. Н., Ганаго О. А., Степанов Б. А. и др. Штамповка поковок тонкостенных дисков осадкой вращающимся инструментом // Кузнечно — штамповочное производство, 1981. №6. С. 31 32.

18. Субич В. Н., Ганаго О. А., Степанов Б. А. и др. Пластическое течение тонкого слоя при сжатии с одновременным сдвигом // Изв. вузов. Машиностроение, 1981. №1. С. 122- 126.

19. Хван Д. В., Амрахов И. Г., Воропаев А. А., Хван А. Д. Технологические задачи пластического кручения // Воронеж: Изд-во Воронежского государственного университета, 2001. 160 с.

20. Левитас Б. И. Большие упругонластические деформации материалов при высоком давлении //Киев: Наукова думка, 1987. 231 с.

21. Данилов В. Л. К формулировке закона деформационного упрочнения // Изв. Ан СССР. Механика твердого тела, 1971. №6. С. 146 150.

22. Baltov A., Sawchuk A. A rule of anisotropic harolening // Acta Mechanica, 1965. Vol. 1. №2. P. 81-92.

23. Бакхауз Г. Анизотропия упрочнения. Теория в сопоставлении с экспериментом // Изв. АН СССР. Механика твердого тела, 1976. №6. С. 12129.

24. Хван Д. В. Повышение эффективности в обработке металлов давлением // Воронеж, Воронеж: Изд-во Воронежского государственного университета, 1995. 224 с.

25. Талыпов Г. Б. Исследование эффекта Баушингера// Изв. ЛИ СССР. Механика и машиностроение, 1964. №6. С. 131 — 137.

26. Вольмир Л. С. Устойчивость деформируемых систем // М.: Наука, 1967. 984 с.

27. Илыошин Л. Л. Пластичность //М.: Изд. АН СССР, 1963. 271 с.

28. Бернштейн М. JI. Термомеханическая обработка металлов и сплавов // М.: Металлургия, 1968. Т. 2. 489 с.

29. Хван А. Д., Баранников С. А. Устройство для сжатия длинномерных цилиндрических заготовок // Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении. Труды 2-й Всероссийской научно — технической конференции. Воронеж, 2001. Ч. 1.С. 142- 145.

30. Хван Д. В. Устойчивость при пластической осадке длинномерной цилиндрической заготовки // Техника машиностроения, 1998. №3. С. 40 41.

31. Дель Г. Д., Хван Д. В., Балакирев А. II. Об устойчивости пластического растяжения анизитропно упрочняющихся тел // Изв. вузов. Машиностроение, 1983. №7. С. 8 9.

32. Федосьев В. И. Сопротивление материалов // М.: Наука, 1986. 512 с.

33. Хван Д. В. Изотропное упрочнение начально изотропных металлов //Изв. АН СССР. Металлы, 1992. №1. С. 171 - 175.

34. Талыпов Г. Б. Исследование эффекта Баушингера // Изв. АН СССР. Механика и машиностроение, 1964. №6. С. 131 137.

35. ГОСТ 1497 84. Металлы. Методы испытаний на растяжение // М.: 1984. Введен с 01.02.88 г.

36. Ишлинский А. Ю. Общая теория пластичности с линейным упрочнением // Украинский математический журнал, 1954. Т. 6. №3. С^ 314 -325.

37. Хван Д. В. Анизотропное упрочнение при немонотонном деформировании// Изв. вузов. Черная металлургия, 1993. №7. С. 33 36.

38. Талыпов Г. Б. Анализ экспериментальных данных по эффекту Баушингера и их теоретическое истолкование // Инженерный журнал. МТТ, 1966. №2. С. 108-113.

39. Backhaus G. Plastic deformation in Form of Strain Trajectories of Constant Curvature Theory and Comparison with Experimental Results // Acta Mechanica, 1979. 34. P. 193-204.

40. Backhaus G. Constitutive Equations for the Plastic Bekaviour of Metals and the Influence of the Deformation Induced Rotation // Acta Mechanica, 1981. №41. P. 73-83.

41. Хван А. Д., Пустовалов С. В. растяжение тонкостенной трубки после ее закручивания // XXVII Гагаринские чтения. Тезисы докладов Международной молодежной конференции. М.: Изд. «ЛАТМЭС», 2001. Т. 2. 177 с.

42. Корольков В. И., Воропаев А. А., Хван А. Д. Критическая деформация стержней при немонотонном нагружении // Новые материалы и технологии НМТ 2000. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции. 24 - 25 октября. М.: 2000. С. 63 - 64.

43. Цеханов Ю. А. Рябцев В. А., Хван А. Д. Устройство для получения больших продольных деформаций // Изобретатели — машиностроению, 2000. №3. С. 40.

44. Хван А. Д., Воропаев А. А., Хван Д. В. Увеличение критической деформации удлиняемых цилиндрических заготовок // Кузнечно -штамповочное производство. Обработка материалов давлением, 2002. №8. С. 13 16.

45. Корольков В. И., Хван Л. Д. Штамп для осадки с кручением длинномерных цилиндрических заготовок // Заготовительные производства в машиностроении, 2004. №2. С. 16-18.

46. Воропаев Л. Л., Цеханов Ю. Л., Розенберг О. Л., Мозгалин В. JI., Хван А. Д. Осадка с кручением длинномерных цилиндрических заготовок // Журнал Aconianii технолопв машинобуд1вник1в Украши. Сучасне Машинобудування. Киев: 2000. №1-2. С. 88 - 92.

47. Патент РФ №2109264, МКИ 6 GO 1 N3/08. Устройство для испытания на сжатие длинномерных образцов / Хван А. Д. и др №96110940. Заявлено 30.05.1996 г. Опубл. 20. 04. 98 г. Бюл. №11.

48. Патент РФ №2103383, МКИ 6С21Д7/00. Способ повышения конструкционной прочности материалов / Хван А. Д. и др. №96110941. Заявлено 30.05.1996 г. Опубл. 27.01.1998 г. Бюл. №3.

49. Патент РФ №2217508, МКИ 7 C21D7/00. Способ улучшения технологических свойств металлов / Хван А. Д. и др. №2002102129. Заявлено 23.01.2002 г. Опубл. 27.11.2003 г. Бюл. №33.

50. Хван А. Д. Определение характеристик сопротивления материалов пластическому деформированию // Машиностроитель, 2003. №6. С. 34 35.

51. Хван А. Д. Упрочнение металлов реверсивным кручением // Техника машиностроения, 2003. №2. С. 33 35.

52. Палей М.М. Технология производства режущего инструмента // М.: Машгиз, 1963. 355 с.

53. Алексеев И. В. К вопросу о напряженном состоянии сверл при кручении // Труды Уфимского авиационного института, вып. 7. Уфа, 1967. С. 35-45.

54. Карпунин В. Л., Бармин Д. П. Исследование несущей способности заневоленных пружин // Повышение прочности деталей машин поверхностным деформированием. Пермь, 1967. С. 76-85.

55. Коновалов Л. Л., Михайлов Н. Е. К вопросу расчета винтовых пружин прямоугольного сечения // Вопросы прочности упругих элементов машин. Удмуртия, 1967. С. 57-68.

56. Пономарев С. Д. Расчет заневоленных пружин с учетом кривизны витков // Расчеты на прочность. Вып. 6. М.: Машгиз, 1962. С. 72-90.

57. Семенченко И. И. и др. Проектирование металлорежущих инструментов // М.: Машгиз, 1962. 650 с.

58. Шапошников И.А. Механические испытания металлов // М.: Машгиз, 1951. 530 с.

59. Джонсон У., Меллор П. Теория пластичности для инженеров // М.: Машиностроение, 1979. 567 с.

60. Корольков В. И. Математическое, методическое и программное обеспечение ротационной вытяжки из листа и труб // Воронеж, 1997. 250 с.

61. Шофман Л. А. Теория и расчеты процессов холодной штамповки // М.: Машиностроение, 1964. 376 с.

62. Смирнов Аляев Г. А. Механические основы пластической обработки металлов// JI.: Машиностроение, 1968. 271 с.

63. Грейфер А. X. Об устойчивости заготовок при осадке и высадке // Кузнечно штамповочное производство, 1970. №11. С. 11-13.

64. Биллигман И. Высадка и другие методы объемной штамповки // М.: Машгиз, 196. 467 с.

65. Хван Д. В. Устойчивость при пластической осадке длинномерной цилиндрической заготовки //Техника машиностроения, 1998. №3. С. 40.

66. Хван Д. В. Устойчивость цилиндрических стержней при сжатии с кручением // Техника машиностроения, 2000. №1. С. 78 79.

67. Циглер Г. Основы теории устойчивости конструкций // М.: Мир,1971. 192 с.

68. Хван Л. Д., Корольков В. И. Построение диаграмм пластичности // «Аэрокосмические технологии» «АКТ 2004». Труды 5-й Международной научно-технической конференции. 22-24 сентября. Воронеж, 2004. С. 86-88.

69. Хван А. Д. Изотропное упрочнение начально изотропных тел // Изв. ТулГУ. Серия «Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением». Вып. 2. Тула: Изд - во ТулГУ, 2004. С. 21 - 28.

70. Заявка №2003117579/28 (018643) от 11. 06. 2003 г. Устройство для пластической осадки длинномерных заготовок / Хван А. Д. и др. Положительное решение о выдаче патента от 27. 09. 2004 г.