Технология изготовления полых фланцевых деталей ответственного назначения вытяжкой с утонением стенки по внутреннему контуру тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.09, кандидат наук Лобов Василий Александрович

• Лобов Василий Александрович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Лобов Василий Александрович

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Способы изготовления втулок с торцовым фланцем

1.2 Оценка применяемых способов изготовления фланцевых изделий по основным показателям качества

1.3 Обзор теоретических и практических исследований процесса вытяжки

с утонением стенки по внутреннему контуру

1.3.1 Обоснование процесса вытяжки по внутреннему контуру

1.3.2 Методики расчета технологических параметров

1.3.3 Перспективы применения вытяжки с утонением стенки по внутреннему контуру в производстве фланцевых изделий

1.4 Неравномерность деформации при штамповке полых изделий

1.5 Методы исследования процесса вытяжки

1.5.1 Теоретические методы исследования

1.5.2 Экспериментальные методы исследования

1.6 Выводы и формулировка задач исследования

2 НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ЗАГОТОВКИ

В ПРОЦЕССЕ ВЫТЯЖКИ С УТОНЕНИЕМ СТЕНКИ ПО ВНУТРЕННЕМУ КОНТУРУ

2.1 Методические основы компьютерного моделирования МКЭ

2.2 Анализ результатов исследования

2.2.1 Силовой режим и характер течения металла

2.2.2 Форма и размеры очага пластической деформации

2.2.3 Анализ напряженно-деформированного состояния заготовки

2.3 Разработка методики прогнозирования неравномерности степени деформации в поперечном сечении

2.3.1 Методика экспериментального исследования

2.3.2 Результаты исследования неравномерности распределения интенсивности деформации по методу делительной сетки и

их сравнение с МКЭ

2.3.3 Оценка неравномерности упрочнения исследуемых образцов

2.3.4 Разработка математических моделей прогнозирования степени деформации

2.3.5 Оценка достоверности методики прогнозирования степени деформации

2.4 Выводы

3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОЦЕССА ВЫТЯЖКИ С УТОНЕНИЕМ СТЕНКИ ПО ВНУТРЕННЕМУ КОНТУРУ

3.1 Теоретический анализ процесса

3.1.1 Разработка модели взаимодействия инструмента и заготовки методом баланса мощностей

3.1.2 Оценка предельного состояния материала заготовки

3.2 Экспериментальное исследование процесса

3.2.1 Методика исследования

3.2.2 Результаты и сравнительный анализ

3.3 Качество получаемых полуфабрикатов и изделий

3.3.1 Оценка разностенности полуфабрикатов

3.3.2 Виды брака при вытяжке с утонением стенки

по внутреннему контуру

3.4 Выводы

4 МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВЫТЯЖКИ

С УТОНЕНИЕМ СТЕНКИ ПО ВНУТРЕННЕМУ КОНТУРУ

4.1 Этапы и последовательность расчета

4.2 Применение процесса вытяжки с утонением стенки по внутреннему контуру для изготовления фланцевых изделий

4.2.1 Совершенствование технологии изготовления корпуса подшипника к роликам ленточного конвейера

4.2.2 Разработка технологии штамповки втулки карбюратора

из трубного проката

4.3 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

П р и л о ж е н и е А. Чертежи втулки К151-1107123 и корпуса подшипника

127-204М

П р и л о ж е н и е Б. Механические испытания растяжением латуни Л63 и

стали 08пс

П р и л о ж е н и е В. Зависимости «P—h» по результатам моделирования

МКЭ

П р и л о ж е н и е Г. Значения деформационно-скоростных параметров при

моделировании МКЭ

П р и л о ж е н и е Д. Распределения интенсивности скорости деформации по

результатам моделирования МКЭ

П р и л о ж е н и е Е. Напряженно-деформированное состояние заготовок по

результатам моделирования МКЭ

П р и л о ж е н и е Ж. Зависимости «ег- — S/S0» по результатам

экспериментального исследования методом сеток

П р и л о ж е н и е И. Значения твердости внутренней и наружной

поверхности заготовок

П р и л о ж е н и е К. Функции отклика математических моделей

П р и л о ж е н и е Л. Исходные данные и результаты моделирования МКЭ

для плана типа Bk

П р и л о ж е н и е М. Распределения степени деформации в поперечном

направлении заготовок полученные расчетом,

экспериментально и компьютерным моделированием

П р и л о ж е н и е Н. Зависимости «сила — путь инструмента» по результатам

экспериментального исследования

П р и л о ж е н и е П. Результаты измерения толщины стенки и оценки

разностенности заготовок до и после деформации

П р и л о ж е н и е Р. Технология изготовления корпуса подшипника

модели 127-204М

П р и л о ж е н и е С. Акт о внедрении результатов работы в производство

фланцевых изделий

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология изготовления полых фланцевых деталей ответственного назначения вытяжкой с утонением стенки по внутреннему контуру»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности. Важными задачами развития современного машиностроения являются повышение эффективности производства, а также качества и конкурентоспособности выпускаемой продукции. В различных машиностроительных отраслях, как гражданских, так и военных, широкое применение имеют осесимметричные полые детали с торцовым фланцем и глубокой втулочной частью. Их используют в приборостроении, электро- и радиотехнике, редукторах, двигателях внутреннего сгорания, элементах гидро- и пневмооборудования, трубопроводов, авиа- и ракетостроения и во многих других областях. В связи с этим их конструкция, способы изготовления, условия эксплуатации и предъявляемые к ним требования существенно отличаются.

Традиционно такие детали изготавливают механической обработкой резанием, однако в последнее время все более широкое распространение находят способы ОМД, имеющие ряд преимуществ перед резанием и литьем, как в техническом, так и в экономическом отношении, заключающихся в улучшении механических характеристик готовой детали, высокой производительности работ, незначительном отходе материала и т.д. [1, 2].

Изготовление ответственных фланцевых изделий с утоненной стенкой втулочной части способами вытяжки, отбортовки или выдавливания ограничено технологическими и эксплуатационными причинами, что предопределяет поиск новых эффективных способов обработки, к которым относится процесс ВУСВК. Работа деталей при значительных нагрузках предъявляет ряд требований к конструкционной прочности и качеству внутренней, наиболее ответственной при сборке, поверхности изделия. Применение для их изготовления ВУСВК позволяет не только обеспечить требуемую геометрию, но и за счет интенсивной пластической деформации внутреннего поверхностного слоя повысить показатели прочности и износостойкости. Однако, внедрение этого процесса в производство высокоточных фланцевых деталей сопряжено с определенными трудностями, заключающимися в его недостаточной изученности и отсутствии научно-обоснованной методики расчета технологических параметров.

Исследованиям процесса ВУСВК посвящено сравнительно небольшое количество работ. Значительный вклад в развитие теории и практики процесса внесли Ю.А. Аверкиев, А.Э. Артес, Е.В. Башков, А.Л. Воронцов, В.В. Николаев, Е.Н. Сосенушкин и др. В их трудах заложены теоретические основы процесса и получены расчетные зависимости для определения основных технологических параметров, подтвержденные экспериментально. Однако, вопросы кинематики течения металла, напряженно-деформированного состояния (НДС) заготовки, предельных возможностей процесса, влияния различных факторов на показатели качества полуфабрикатов и изделий исследованы недостаточно.

Для обеспечения высоких эксплуатационных характеристик изделий особую актуальность приобретают новые подходы к технологии их изготовления, одним из которых является исследование градиентных структурных состояний в твердых телах. Широко распространенное допущение об однородности структуры изделия обычно принимается независимо от технологии его изготовления и характера эксплуатационных нагрузок. Однако, во многих случаях наличие ГС в материале детали позволяет повысить ее надежность и долговечность.

ГС могут формироваться как в объеме, так и на поверхности изделия. Степень распространения ГС возникающих при объемных способах обработки исходной заготовки, например, при ковке, прокатке, волочении, штамповке и пр. может быть даже больше, чем при поверхностном воздействии. В этих структурах по мере удаления от поверхности изменяются по определенным законам эксплуатационные и технологические характеристики - твердость, ресурс пластичности, коррозионная стойкость, внутренние напряжения и др.

Однако несмотря на интенсивное изучение ГС, представление о процессах их формирования в ОМД описаны недостаточно, а соответствующее научное направление находится на стадии накопления и осмысления теоретических и экспериментальных данных. Это обстоятельство сдерживает разработку и внедрение новых современных технологий.

В связи с этим Целью работы является разработка научно обоснованной методики расчета технологических параметров процесса ВУСВК для изготовления полых фланцевых деталей.

Объектом исследования выбраны полые осесимметричные детали с торцовым фланцем и утоненной стенкой - стальной (сталь 08пс ГОСТ 1050-2013) корпус подшипника 127-204М для ролика ленточного конвейера и латунная (латунь Л63 ГОСТ 15527-2004) втулка карбюратора К151 легкового автомобиля.

Научная новизна работы заключается:

- в выявлении формы и границ ОПД процесса ВУСВК, его характерных стадий, закономерностей изменения кинематики течения металла, параметров НДС и силового режима в зависимости от технологических факторов;

- в установлении характера изменения степени деформации в поперечном сечении заготовки и разработке математических моделей количественной оценки неравномерности ее распределения;

- в построении математической модели взаимодействия инструмента и заготовки с применением энергетического метода баланса мощностей, на основе которой получена зависимость для расчета максимальной силы деформирования;

- в установлении экспериментально подтвержденного критерия предельного состояния поверхностного слоя материала заготовки, позволяющего прогнозировать образование микротрещин.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- разработана научно-обоснованная методика расчета технологических параметров процесса ВУСВК, учитывающая формирование ГС деформации;

- разработана конструкция составного пуансона с «плавающими» роликами для уменьшения разностенности штампуемых полуфабрикатов;

- систематизированы виды технологических отказов при ВУСВК и даны рекомендации по их устранению;

- сформулированы рекомендации по эффективному применению процесса ВУСВК в производстве полых осесимметричных изделий с фланцем повышенной точности.

На защиту выносятся следующие положения:

- результаты исследования влияния технологических факторов на силовой режим, НДС и характер течения металла процесса ВУСВК;

- результаты исследования градиентного распределения степени деформации в поперечном сечении заготовки и математические модели ее количественной оценки;

- математическая модель взаимодействия инструмента и заготовки в процессе ВУСВК и расчетная зависимость максимальной технологической силы;

- методика расчета технологических параметров процесса, учитывающая неравномерность распределения деформации в поперечном сечении заготовки;

- разработанные рекомендации рационального применения процесса в производстве фланцевых изделий с повышенными требованиями по качеству внутренней поверхности.

Методы исследования. Комплекс проведенных в работе исследований выполнен с применением экспериментальных методов определения параметров НДС - делительной сетки и твердости, теоретического анализа энергетическим методом баланса мощностей и компьютерного моделирования МКЭ. Для обработки результатов исследования использована методика активного планируемого эксперимента.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием основополагающих законов механики сплошных сред и теории пластичности, научно обоснованных допущений при расчете технологических параметров процесса, применением апробированных экспериментальных и теоретических методов. Результаты численного моделирования подтверждены проведенными экспериментами, а разработанные по результатам исследований методики расчета сопоставлены с опытными данными.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях «Достижения и проблемы развития технологий и машин обработки давлением» (Краматорск, 2011), «Прогрессивные методы и технологическое оснащение процессов обработки металлов давлением» (Санкт-Петербург, 2014) и молодежных конференциях «Молодежь. Техника. Космос» (Санкт-Петербург, 2011, 2012, 2013). Результаты работы отражены в 10 публикациях, среди которых 4 статьи в рецензируемых изданиях включенных в перечень ВАК РФ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Способы изготовления втулок с торцовым фланцем

Технологические процессы изготовления деталей с торцовым фланцем и глубокой втулочной частью (рисунок 1.1) весьма разнообразны. Рациональный способ изготовления в каждом конкретном случае зависит от формы и габаритных размеров детали, соотношения объемов металла во фланце и втулке, марки материала и вида исходной заготовки, требований по точности размеров, шероховатости поверхности и прочностным свойствам детали, программы выпуска и т.д.

а б в г д

Рисунок 1.1 - Детали с торцовым фланцем: втулка карбюратора (а), втулка стартера (б), корпус

подшипника (в), втулка ступицы заднего колеса (г), трубопроводный фланец (д)

Технология формоизменения тонкостенных деталей с различной высотой втулочной части основана преимущественно на применении операций листовой штамповки: вытяжки, отбортовки, раздачи и т.д. Эти же операции обычно применяют и для деталей со средней толщиной стенки. Исходную штучную заготовку (обычно кружок) при этом получают вырубкой из листового материала.

Критерии, определяющие толстостенность или тонкостенность детали, могут существенно различаться и зависят от назначения детали, вида исходного проката, характера штамповочных операций и др. Например, по ГОСТ 3325-85 толстостенными считают полые корпуса при Sd > 0,1 (D0/d0 > 1,25). Для трубного проката по ГОСТ 8734-75, часто используемого при изготовлении полых фланцевых изделий, толстостенными считают трубы при 0,08 < Sd < 0,17, а тонкостенными - при 0,025 < Sd < 0,08. Также имеются особотолстостенные (Sd > 1,17) и осо-

ботонкостенные ^ < 0,025) трубы. В учебнике [3] выделяют несколько классификационных групп: < 0,02 - тонкостенные; 0,02 < < 0,19 - средней толщины стенки; 0,20 < < 0,39 - толстостенные; 0,40 < < 0,50 - сплошные. Эта классификация, как наиболее полная, и будет использована в дальнейшем.

В работе [4] рассмотрены некоторые основные способы изготовления фланцевых деталей. Как отмечают авторы, неглубокие втулки с толщиной фланца и дна примерно равной толщине исходного материала (полосы, ленты или листа) можно изготовить за одну операцию вытяжки без утонения (рисунок 1.2, а), а для получения глубоких деталей используют несколько вытяжных переходов. Более сложную форму изделия в виде полутора с дном и фланцем обеспечивают реверсивной вытяжкой [5...7] (рисунок 1.2, б).

Рациональной исходной заготовкой для относительно коротких сквозных втулок является плоское кольцо, из которого отбортовкой центральной кольцевой зоны формируют втулочную часть детали (рисунок 1.2, в).

а б в

Рисунок 1.2 - Схемы вытяжки (а), реверсивной вытяжки (б) и отбортовки (в) для получения неглубоких деталей с фланцем: 1 - исходная заготовка; 2 - пуансон; 3 - прижим;

4 - полуфабрикат (деталь); 5 - матрица

Для увеличения высоты втулочной части сквозных втулок применяют от-бортовку с утонением стенки (комбинированную отбортовку) [1, 8], в том числе ступенчатым пуансоном (рисунок 1.3, а). Детали с глубокой втулочной частью и толщиной дна большей толщины стенки целесообразно изготавливать вытяжкой с утонением стенки (рисунок 1. 3, б) с последующей наружной отбортовкой фланца (рисунок 1.3, в).

Такие технологические процессы имеют серьезные недостатки, подробно рассмотренные в работах [4, 9]. Здесь следует отметить, во-первых, большое ко-

личество формоизменяющих операций для получения деталей с высокой втулочной частью, что обусловлено ограниченностью величины деформации за один переход при вытяжке и требует введения промежуточного межоперационного отжига со вспомогательными операциями (травление, промывка и т. п.).

а б в

Рисунок 1.3 - Схема отбортовки с утонением стенки детали предохранителя (а), вытяжки с утонением стенки (б) и наружной отбортовки фланца (в): 1 - полуфабрикат; 2 - прижим; 3 - матрица; 4 - пуансон; 5 - заготовка

Вторым основным недостатком является низкий КИМ, являющийся прямым следствием существующего метода изготовления деталей и обычно не превышающий 50...70 % (значительная часть металла уходит в отход на первой операции вырубки кружка), а в себестоимости изготовления детали цена материала может составлять до 80%.

В качестве третьего недостатка необходимо отметить неблагоприятную схему напряженного состояния в зоне фланца при отбортовке (рисунок 1.3, в), что ограничивает возможности этого процесса. Наиболее деформированные волокна наружной кромки фланца находятся в условиях напряженного состояния, близкого к простому растяжению вследствие действия растягивающих окружных напряжений, что приводит к утонению периферийной зоны фланца и может привести к появлению трещин или разрыва по шву при отбортовке сварных трубных заготовок [10].

Для деталей, изготавливаемых вытяжкой, основным путем повышения КИМ является изменение формы исходной штучной заготовки. Вместо круглой, целесообразно применять квадратные или шестигранные заготовки, что снижает отход при раскрое листового материала на 20.25%, однако полуфабрикат после вы-

тяжки имеет корончатую неосесимметричную форму кромки (рисунок 1.4, а). Уменьшить фестонообразование позволяет комбинированный процесс вытяжки-выдавливания применяемый как для полых, так и для плоских исходных заготовок.

При вытяжке-выдавливании квадратных или шестигранных заготовок за счет перераспределения металла в зоне кромки (рисунок 1.4, б) удается значительно экономить металл и получать полуфабрикаты с минимальной косиной и разностенностью [11, 12]. Однако применение таких заготовок приводит к образованию неоднородно деформированных по периметру и высоте зон, что иногда вызывает образование продольных складок и трещин во фланце, а также служит причиной снижения надежности и долговечности готового изделия, в то же время, применяя вытяжку-выдавливание из круглых заготовок, этого недостатка можно избежать. Так же, ввиду частично сформированного вытяжкой-выдавливанием фланца, уменьшается вероятность брака при окончательной его отбортовке.

а б

Рисунок 1.4 - Внешний вид полуфабрикатов из квадратной заготовки полученных вытяжкой (а)

и последующей вытяжкой-выдавливанием (б)

Повысить КИМ на 10.15 % при изготовлении деталей достаточно сложной формы с отверстием в донной части можно, применяя совмещенный процесс вы-тяжки-отбортовки при рациональных режимах его проведения [13].

В отличие от тонкостенных, технология изготовления толстостенных деталей с фланцем сводится к использованию высокоэффективных процессов объемной штамповки, преимущественно процесса холодного выдавливания.

Исследования этого процесса показали увеличение КИМ за счет сокращения разделки сортового проката на штучные заготовки [4, 9, 14], а в некоторых случаях сокращение количества формоизменяющих операций по сравнению с процессами листовой штамповки, тем самым снизив трудоемкость изготовления, например, при штамповке деталей из труднодеформируемых сплавов [15]. Мно-

гообразие схем выдавливания позволяет получать разнообразные фланцевые детали с различным соотношением геометрических размеров. Вместе с тем, следует отметить тяжелые условия работы инструмента вследствие большой нагрузки и значительных сил трения на контактных поверхностях [2, 16].

Детали с высокой втулочной частью и фланцем на открытом торце изготавливают в основном по схеме продольного одноканального выдавливания. В работах [16.18] рассмотрены способы получения глубокого стакана с дном различной толщины из сплошной цилиндрической заготовки. Детали со сквозной втулочной частью целесообразно изготавливать из трубной (кольцевой) заготовки по схеме, представленной на рисунке 1.5, а.

а б в

Рисунок 1.5 - Схемы продольного одноканального выдавливания (а); высадки (б) и торцовой раскатки (в): 1 -заготовка; 2 - оправка; 3 - пуансон; 4 - матрица; 5 - полуфабрикат;

6 - выталкиватель; 7 - валок; у - угол наклона оси инструмента

Торцовый фланец в толстостенных глубоких втулках с дном целесообразно изготавливать высадкой (рисунок 1.5, б) взамен отбортовки, что позволит снизить брак из-за трещин в области фланца [4, 9]. Перспективной разновидностью высадки является процесс торцовой раскатки фланца (рисунок 1.5, в) [18, 19]. Технологические возможности процессов высадки и раскатки ограничиваются, главным образом, потерей устойчивости выставленной под высадку части в виде ее искривления с последующим складкообразованием, а в ряде случаев и разрушением. Предотвратить указанные виды брака можно уменьшением выставленной под высадку части или положительном смещении оси валка 5в > 0 [20].

Значительно увеличить номенклатуру изготовления фланцевых деталей из трубных заготовок позволяет сочетание прямого холодного выдавливания с обжимом, раздачей, редуцированием, вытяжкой с утонением и высадкой [21].

Широкими возможностями по изготовлению полых фланцевых деталей в условиях крупносерийного и массового производства обладают процессы комбинированного выдавливания [22]. Например, совмещение прямого и поперечного (радиального) выдавливания позволяет получать полусферические втулки с фланцем [23], детали с многоступенчатой наружной поверхностью [24] и др.

Наряду с холодной в производстве деталей с фланцем широко применяют и способы горячей или полугорячей штамповки, позволяющие получать детали (поковки) со сложной конфигурацией фланца и втулки с неблагоприятным соотношением геометрических размеров за небольшое число переходов.

В МГТУ «СТАНКИН» проводят исследования по рационализации штамповки крупногабаритных втулок с фланцем (фланцевых переходов) промышленной арматуры из трубных заготовок (сталь 20, 25, 09Г2С и др.) в условиях мелкосерийного производства. В работах [25.. .27] предложена технология полугорячей раздачи плоского фланца из стальной трубы, выполняемая последовательным деформированием двумя коническими пуансонами и одним плоским (рисунок 1.6, а).

Р

а б

Рисунок 1.6 - Схема полугорячей трехпереходной раздачи фланца (а) и поковка фланцевого перехода на БК 200 (б): 1 - конический пуансон; 2 - плоский пуансон; 3 - полуфабрикат; 4 - деталь

Данный способ применяют для штамповки фланцевых переходов на условный проход БШ50 и БК200. Кроме того полугорячей раздачей возможно и фор-

мообразование конусной втулочной части (рисунок 1.6, б). При этом уменьшается вероятность трещинообразования по сравнению с холодной штамповкой фланца отбортовкой или раздачей и отпадает необходимость межоперационного отжига. Так же, в сравнении с действующей технологией сварки плоского фланца с конической поковкой после раздачи существенно повышается КИМ и уменьшается трудоемкость производства.

Достаточно часто при горячей штамповке толстостенных кольцевых поковок с фланцем применяется и операция отбортовки без утонения, широко распространенная в листовой штамповке [28, 29]. Так же горячую штамповку применяют при изготовлении фланцев по схеме прямого продольного выдавливания [30.32], а в некоторых случаях фланцы изготавливают радиальной раскаткой [33].

Несмотря на многообразие различных способов изготовления втулок с торцовыми фланцами, направленных на сокращение временных, ресурсо- и энергозатрат, необходимо отметить, что очень часто определяющим параметром эффективности технологии изготовления является качество получаемой детали, влияющее на эксплуатационную надежность.

1.2 Оценка применяемых способов изготовления фланцевых изделий по основным показателям качества

Анализируя вышеперечисленные способы изготовления деталей с расположением фланца на открытом торце втулочной части, можно сделать вывод, что повышение конкурентоспособности такой продукции обеспечивается преимущественно двумя основными путями - это уменьшение затрат на производство изделий и повышение их качества.

Эффективное уменьшение затрат на изготовление деталей с фланцем возможно по трем направлениям:

1) повышение производительности труда путем применения средств механизации и автоматизации производства;

2) снижение трудоемкости и энергоемкости производства за счет сокращения количества формоизменяющих операций;

3) сокращение отходов в связи с высокими затратами на материал, достигающими 40...80% от стоимости изделия.

Другой путь повышения конкурентоспособности производства изделий с фланцем - это повышение качества продукции. Под качеством детали понимают совокупность наиболее существенных ее свойств, удовлетворяющих определенным требованиям в соответствии с ее назначением [3, 34, 35]. Оценку качества проводят по ряду наиболее значимых показателей - характеристик одного или нескольких свойств детали, определяющих ее качество. Отклонение свойств от заданных приводит к появлению различных дефектов изделия.

Не останавливаясь подробно на конструктивных (выбор формы и размеров детали, ее отдельных конструктивных элементов и т.п.) и экономических (невысокая стоимость и недефецитность материала и т.п.) факторах, необходимо отметить основополагающее влияние на эксплуатационные свойства различных деталей и на возможность появления отказов при их эксплуатации технологических факторов, к которым относят:

• свойства и качество исходного материала (проката), применяемого для изготовления детали;

• методы и способы изготовления детали;

• режимы обработки на технологических операциях (степень и скорость деформации, условия контактного трения на штамповочных операциях, режимы термической и химической обработки и т.д.);

• качество и точность изготовления инструмента;

• состояние технологического оборудования, оснастки, агрегатов и приспособлений.

На начальном этапе проектирования технологии изготовления изделия определяющим фактором влияния на качество детали является состояние исходного материала. Так, например, применение ресурсосберегающих технологий изготовления высокоточных сквозных втулок с фланцем из трубного проката вместо лис-

тового, сдерживается сравнительно невысоким качеством поставляемых труб. В соответствии с ГОСТ 8733-74 (для стальных) и ГОСТ 494-90 (для латунных) хо-лоднодеформированных труб в базовом исполнении допускаются отдельные поверхностные дефекты - мелкие плены, вмятины, забоины, углубления, риски, задиры, что в совокупности с весьма значительными отклонениями размеров по диаметру и толщине стенки, а также допускам по овальности и разностенности делает их малопригодными в производстве точных деталей.

Предельные отклонения по диаметру для поставляемого на производство трубного материала, как впрочем, и калиброванного стального (ГОСТ 7417-75) или латунного (ГОСТ 2060-2006) прутка, обычно соответствуют 11.12 квалитету точности, в то время как современный рынок высокоточных машиностроительных технологий требует продукцию, изготовленную по 9.10 квалитету точности и ниже [36]. При этом отклонения трубных заготовок по разностенности и овальности могут достигать 10. 20% и 1.1,5% соответственно.

Для уменьшения влияния этих недостатков применяют калибровку труб редуцированием [37], калибровку готовых изделий или их механическую доработку резанием, что усложняет технологию, повышая время изготовления детали и затраты на ее производство.

Технологический цикл изготовления детали включает в себя комплекс различных операций: разделительные, формоизменяющие, термические, химические, механической обработки резаньем и контрольные. Причем каждый метод обработки по-разному влияет на качество готового изделия.

Для ответственных фланцевых изделий контролируемые показатели качества зависят, в первую очередь, от условий эксплуатации и определяются техническими требованиями на изготовление. Даже для деталей, имеющих схожую геометрию, размеры и изготавливаемых из одинакового материала, качество могут оценивать по различным показателям в зависимости от назначения изделия.

Основными показателями качества высокоточных фланцевых изделий, контролируемыми в большинстве случаев, являются:

• геометрическая точность размеров (квалитет);

• обеспечение заданной шероховатости;

• обеспечение заданной твердости;

• минимальные отклонения формы (разностенность, овальность и т.д.);

• отсутствие дефектов, как на поверхности изделия, так и в структуре металла (царапин, трещин, складок и т.д.).

Квалитет точности размеров детали после какой-либо формоизменяющей штамповочной операции обусловлен влиянием целого ряда различных факторов, из которых важнейшими [1, 8, 38, 39] являются точность изготовления рабочего инструмента и исходной заготовки; величина износа инструмента, штамповой оснастки, оборудования и агрегатов; температурные и упругие деформации заготовки и инструмента, а также процессы, происходящие в материале при деформировании, т.е. вид операции и условия ее проведения.

Кроме квалитета понятие точности неразрывно связано с возникающими на штамповочных операциях отклонениями формы полуфабрикатов и изделий, наиболее трудноустранимым из которых является разностенность, заключающаяся в переменной толщине стенки поперечного сечения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лобов Василий Александрович, 2018 год

- -—

№

точки ->

—£г

~£е

£/, £

5 6

№

точки ->

ю

-£е

0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8

£г. £г. £ е д

— \

— —Л

1

- —

№

ТОЧКИ ->

-ег

-£г

—Ей

0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8

0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8

1

0,8 0,6 0,4 0,2 О -0,2 -0,4 -0,6 -0,8

£/. £П £е

\\

==- ___

, Л

— Ч. /

№ ТОЧКИ

~£г —£й

,£Л в £г> £л £е

N

—- / \

\\

1

№ точки

£г. £л £ е 9

/

1 1 ! 1 Г

/

- \ /

~£г

~£е

№ точки

-£, ~£г

-£е

(Ж 3 ы

Рисунок Е. 11 - Распределение ег-, 8-, 8Г, 8е на внутренней поверхности для заготовок с ^ = 0,2 при = 0,9 и а = 10° (а); = 0,9 и а = 20° (б); т, = 0,9 и а = 30° (в); т, = 0,8 и а = 10° (г); т, = 0,8 и а = 20° (д); т, = 0,8 и а = 30° (<?); т, = 0,7 и а = 10° (ж); т, = 0,7 и

ю

а = 20° (з); т, = 0,7 и а = 30° (г/)

£г> £л £е

£/, £п £е

£;, £;., £г. £е

0,8 0,6 0,4 0,2 о -0,2 -0,4 -0,6 -0,8

1

0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1

£/-, £9

№ точки

\

: 4 7 С 1 0 —£г

~£е

д £е

№ точки

*Ч \

• 1 о

—£,

-£г

~£е

0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8

0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8

£/, £г. £г> £е

-г-'

I 1

№

£г, £р £ 9 в

Ч_

Ч

7°

-£г -£е

№ точки

-£/ ~£г

-£е

(Ж 3 ы

Рисунок Е. 12 - Распределение ег-, 8-, ег, 8е на внутренней поверхности для заготовок с = 0,3 при да, = 0,9 и а = 10° (а); да, = 0,9 и а = 20° (б); да, = 0,9 и а = 30° (в); да, = 0,8 и а = 10° (г); да, = 0,8 и а = 20° (д); да, = 0,8 и а = 30° (<?); да, = 0,7 и а = 10° (ас); да, = 0,7 и а = 20° (з); да, = 0,7 и а = 30° (г/)

ю

Рисунок Е. 13 - Влияние угла конусности пуансона а на характер изменения ие на внутренней поверхности для заготовок с & = 0,1 при да, = 0,9 (а); да, = 0,8 (б); да, = 0,7 (б); с & = 0,2 при да, = 0,9 (г); да, = 0,8 (д); да, = 0,7 (е); с & = 0,3 при да, = 0,9 (ж); да, = 0,8 (з); да, = 0,7 (и)

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

-10°—20°—30° —10°—20°—30° —10°— 20°— 30°

а б в

Рисунок Е.14 - Влияние угла конусности пуансона а на характер зависимости «гг - £и/<$о» и ее линейную аппроксимацию в поперечном направлении для заготовок с & = 0,1 при да, = 0,9 (а); да, = 0,8 (б); да, = 0,7 (в)

Рисунок Е.15 - Влияние угла конусности пуансона а на характер зависимости «8г - £и/<$о» и ее линейную аппроксимацию в поперечном направлении для заготовок с & = 0,2 при да, = 0,9 (а); да, = 0,8 (б); да, = 0,7 (е)

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

—10° -20° —30° —10° -20° —30° —10° -20° —30°

а б в

Рисунок Е.16 - Влияние угла конусности пуансона а на характер зависимости «8г - 8ъ/8оу> и ее линейную аппроксимацию в поперечном направлении для заготовок с = 0,3 при да, = 0,9 (а); да, = 0,8 (б); да, = 0,7 (в)

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

Приложение Ж (справочное)

Зависимости «£, - Х/^о» по результатам экспериментального исследования методом сеток

Е;

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

I I I

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Зо/Эо ->

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

42

"Е/ср Е/'срап

-/2

I ср

-/ ср ап

а

б

-12 ср

в

— е

/ ср ап

Рисунок Ж. 1 - Распределения интенсивности деформации в поперечном направлении для двух половин (ел, £¿2) составного образца и среднее распределение (егср) аппроксимированное линейной функцией (егсрап) при & = 0,1; а = 20°; да, = 0,9 (а); да, = 0,8 (б); да, = 0,7 (е)

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 О,

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

/2

-/'ср

=7 ср ап

42

-/ср

-/ ср ап

-/2

I ср

-/ср ап

а

б

Рисунок Ж.2 - Распределения интенсивности деформации в поперечном направлении для двух половин (вя, £¿2) составного образца и среднее распределение (бгср) аппроксимированное линейной функцией (бгср ап) при ^ = 0,2; да, = 0,8; а = 10° (а); а = 20° (б); а = 30° (е)

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

-/ ср

— е

I ср ап

Е/1

-12

-I ср

— Е

/ ср ап

Е/1

-12

-1 ср

— е

/ср ап

а

б

Рисунок Ж.З - Распределения интенсивности деформации в поперечном направлении для двух половин (ел, £¿2) составного образца и среднее распределение (8гср) аппроксимированное линейной функцией (8гср ап) при & = 0,2; да, = 0,9; а = 10° (а); а = 20° (б); а = 30° (е)

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

42

-/ср

— е

7 ср ап

Рисунок Ж.4 - Распределение интенсивности деформации в поперечном направлении для двух половин (вя, £¿2) составного образца и среднее распределение (бгср) аппроксимированное линейной функцией (8гср ап) при ^ = 0,2; да, = 0,7; а = 20°

ю

Приложение И (справочное)

Значения твердости внутренней и наружной поверхности заготовок

Таблица И.1 - Значения твердости на наружной и внутренней поверхности образцов из латуни Л63

№ об- № измере- Поверхность № об- № измере- Поверхность

разца ния внутренняя наружная разца ния внутренняя наружная

1 159 149 1 173 164

2 155 146 2 174 163

14 3 163 143 5 3 170 163

4 159 154 4 176 160

5 158 152 5 176 163

среднее 159 149 среднее 174 163

1 169 159 1 174 169

2 167 161 2 176 172

12 3 175 157 9 3 172 170

4 172 155 4 177 169

5 172 163 5 177 167

среднее 171 159 среднее 175 169

1 179 179 1 164 157

2 180 174 2 165 157

13 3 182 173 10 3 165 159

4 178 173 4 167 157

5 178 174 5 164 157

среднее 179 175 среднее 165 157

1 180 175 1 165 150

2 178 173 2 161 151

4 3 177 177 6 3 166 153

4 177 177 4 166 153

5 176 175 5 165 150

среднее 178 175 среднее 165 151

1 171 160 1 168 150

2 174 158 2 167 151

7 3 171 163 8 3 165 151

4 171 162 4 167 151

5 173 163 5 169 153

среднее 172 161 среднее 167 151

Таблица И.2 - Значения твердости на наружной и внутренней поверхности образцов из стали 08пс

№ об- № измере- Поверхность

разца ния внутренняя наружная

1 180 171

2 183 166

11 3 183 164

4 181 165

5 181 165

среднее 181 166

1 183 174

2 183 176

22 3 181 174

4 183 174

5 182 173

среднее 182 174

1 186 179

2 184 181

33 3 183 179

4 185 180

5 184 180

среднее 184 180

Приложение К (справочное) Функции отклика математических моделей

Таблица К.1 - Значения е вн в соответствии с планом 23 линейной математической модели

№ опыта а, 0 Sd вн

1 0,9 30 0,3 0,509

2 0,7 30 0,3 0,719

3 0,9 10 0,3 0,240

4 0,7 10 0,3 0,583

5 0,9 30 0,1 0,445

6 0,7 30 0,1 0,552

7 0,9 10 0,1 0,161

8 0,7 10 0,1 0,447

9 0,8 20 0,2 0,387

10 0,8 20 0,2 0,396

11 0,8 20 0,2 0,409

12 0,8 20 0,2 0,380

13 0,8 20 0,2 0,371

Таблица К.2 - Значения ф в соответствии с планом 23 линейной математической модели

№ опыта а, о ф, °

1 0,3 30 0,9 31,63

2 0,1 30 0,9 24,80

3 0,3 10 0,9 13,22

4 0,1 10 0,9 4,86

5 0,3 30 0,7 37,16

6 0,1 30 0,7 16,44

7 0,3 10 0,7 27,97

8 0,1 10 0,7 8,75

9 0,2 20 0,8 15,22

10 0,2 20 0,8 14,01

11 0,2 20 0,8 15,84

12 0,2 20 0,8 14,68

13 0,2 20 0,8 16,45

Таблица К.3 - Значения в^ вн в соответствии с планом квадратичной математической модели

№ опыта а, 0 Sd в1 вн

1 0,9 30 0,3 0,509

2 0,5 30 0,3 1,129

3 0,9 10 0,3 0,240

4 0,5 10 0,3 1,008

5 0,9 30 0,05 0,442

6 0,5 30 0,05 0,895

7 0,9 10 0,05 0,142

8 0,5 10 0,05 0,795

9 0,9 20 0,175 0,270

10 0,5 20 0,175 0,962

11 0,7 30 0,175 0,583

12 0,7 10 0,175 0,477

13 0,7 20 0,3 0,648

14 0,7 20 0,05 0,441

Таблица К.4 - Значения ф в соответствии с планом квадратичной математической модели

№ опыта Sd а, о ф, °

1 0,3 30 0,9 31,63

2 0,05 30 0,9 24,08

3 0,3 10 0,9 13,22

4 0,05 10 0,9 3,26

5 0,3 30 0,5 50,93

6 0,05 30 0,5 16,28

7 0,3 10 0,5 44,89

8 0,05 10 0,5 8,14

9 0,3 20 0,7 32,74

10 0,05 20 0,7 6,50

11 0,175 30 0,7 21,90

12 0,175 10 0,7 13,33

13 0,175 20 0,9 12,30

14 0,175 20 0,5 32,62

Таблица К.5 - Вспомогательные константы для планов типа с ядром 2

Число коэффициентов Ъц в модели С1 С2 С3 С4 С5 С6 С7 С8 С9 С10

3 0,40625 0,15625 0,1 0,125 0,5 -0,0937 0,63738 0,31623 0,35355 0,63742

2 0,3461 0,1923 0,1 0,125 0,5 -0,1154 0,5883 0,31623 0,35355 0,62016

1 0,25 0,25 0,1 0,125 0,5 -0,15 0,5 0,31623 0,35355 0,59161

Приложение Л (справочное)

Исходные данные и результаты моделирования МКЭ для плана типа Би

Таблица Л.1 - Варьируемые параметры заготовок и рабочего инструмента для плана типа Бк

№ процесса т а, ° З0, мм З, мм йп, мм

1 0,3 0,9 30 7,5 6,75 11,5

2 0,3 0,5 30 7,5 3,75 17,5

3 0,3 0,9 10 7,5 6,75 11,5

4 0,3 0,5 10 7,5 3,75 17,5

5 0,05 0,9 30 1,25 1,125 22,75

6 0,05 0,5 30 1,25 0,625 23,75

7 0,05 0,9 10 1,25 1,125 22,75

8 0,05 0,5 10 1,25 0,625 23,75

9 0,175 0,9 20 4,375 3,938 17,124

10 0,175 0,5 20 4,375 2,188 20,624

11 0,175 0,7 30 4,375 3,063 18,874

12 0,175 0,7 10 4,375 3,063 18,874

13 0,3 0,7 20 7,5 5,25 14,5

14 0,05 0,7 20 1,25 0,875 23,25

Таблица Л.2 - Показатели оценки неравномерности 8г- (е) для плана типа Бк по результатам МКЭ

№ За а,° уравнение аппроксимации у = кх + Ь достоверность аппроксимации Я2 угол наклона прямой ф, ° 8 вн (е1 вн)

1 0,3 0,9 30 у = -0,616х + 0,509 0,787 31,63 0,509

2 0,3 0,5 30 у = -1,232х + 1,129 0,840 50,93 1,129

3 0,3 0,9 10 у = -0,235х + 0,240 0,808 13,22 0,240

4 0,3 0,5 10 у = -0,996х + 1,008 0,870 44,89 1,008

5 0,05 0,9 30 у = -0,447х + 0,442 0,890 24,08 0,442

6 0,05 0,5 30 у = -0,292х + 0,895 0,950 16,28 0,895

7 0,05 0,9 10 у = -0,057х + 0,142 0,979 3,26 0,142

8 0,05 0,5 10 у = -0,143х + 0,795 0,951 8,14 0,795

9 0,175 0,9 20 у = -0,218х + 0,270 0,963 12,30 0,270

10 0,175 0,5 20 у = -0,640х + 0,962 0,916 32,62 0,962

11 0,175 0,7 30 у = -0,402х + 0,583 0,957 21,90 0,583

12 0,175 0,7 10 у = -0,237х + 0,477 0,944 13,33 0,477

13 0,3 0,7 20 у = -0,643х + 0,648 0,822 32,74 0,648

14 0,05 0,7 20 у = -0,114х + 0,441 0,878 6,50 0,441

Приложение М (справочное)

Распределения степени деформации заготовок в поперечном направлении полученные расчетом, экспериментально и компьютерным моделированием

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

~ ~-- ~и

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 i расч в

"•'©¡эксп расч—6i лог -*- 6i мкэ

д е

Рисунок М.1 - Распределения et для заготовок из латуни Л63 с Sd = 0,2 при ms = 0,7, а = 20° (а);

а

б

Рисунок М.2 - Распределения ei для заготовок из латуни Л63 с Sd = 0,1 при а = 20°, ms = 0,9 (а); ms = 0,8 (б); ms = 0,7 (б)

в

а

Ае,

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

б

Гггг —

Su/S0

0 0.1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9