Актуальність теми. Важливою проблемою на сучасному етапі формування вітчизняної ринкової економіки є виробництво конкурентоспроможної продукції. Забезпечити високу якість і низьку вартість продукції можна створенням і впровадженням в промисловість маловідхідних, енергозберігаючих та екологічно чистих технологій. Проте в Україні і досі в багатьох випадках використовуються енергомісткі та екологічно шкідливі технології, зокрема промислове виготовлення крутозігнутих колін методом гарячого протягування через рогоподібний сердечник.

Співробітниками Інституту надтвердих матеріалів під керівництвом проф.О. О. Розенберга розроблено спосіб одержання крутозігнутих колін під назвою "Новий метод холодного пластичного деформування крутозігнутих колін" (ХПД), в основі якого лежить одночасне протягування зі згинанням заневоленої труби. Розроблена на основі цього методу технологія дозволяє одержувати вироби з різних сталей, у тому числі із нержавіючих. Вона має суттєві переваги в порівняні з іншими за економічністю та екологічністю і за своїми ознаками відноситься до розряду високих. Необхідність даної технології зростає через відсутність в Україні промислового виготовлення колін з нержавіючої сталі, необхідних для атомної, хімічної і харчової галузей. Вартість колін із нержавіючих сталей, які закуповуються за рубежем, у 5-7 разів перевищує вартість колін із сталі 20, одержуваних в Україні.

Однак, для нового перспективного методу штампування відсутній науково обґрунтований розрахунковий апарат, за допомогою якого можна спрогнозувати якість виробів та відповідність стандартам і визначати необхідні параметри технологічного процесу на стадії його проектування, що є важливою умовою впровадження технології в промисловість.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Роботу виконано у відповідності до плану кафедри опору матеріалів і прикладної механіки Вінницького державного технічного університету в рамках пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки, визначених Верховною Радою України, зокрема "Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології”.

Мета і задачі дослідження.

Мета дисертаційної роботи - створення науково обґрунтованого розрахункового апарату, який дозволить визначити напружено-деформований стан (НДС) крутозігнутих колін у процесі їх формозмінювання новим методом ХПД, і на цій основі спрогнозувати якість деталей розрахунковим шляхом, а також визначити енергосилові характеристики, основні закономірності й особливості нового процесу формоутворення колін.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані такі задачі роботи:

дослідити спосіб формоутворення колін новим методом ХПД для виявлення основних його особливостей;

дослідити НДС заготовок у процесі їх формоутворення;

вивчити історію деформування матеріалу заготовок, розробити методи оцінювання використаного ресурсу пластичності і залишкової пластичності;

розробити метод оцінювання можливості гофроутворення при згинанні заготовок;

розробити методи оцінювання зусиль і стоншення стінки;

розробити комплексний метод оцінювання якості колін на стадії проектування технологічного процесу.

Об'єкт дослідження - процес формоутворення крутозігнутих колін новим методом ХПД.

Предмет дослідження - механіка формоутворення крутозігнутих колін, одержуваних новим методом ХПД як основа прогнозування параметрів якості та енергосилових характеристик процесу.

Методологічною основою дослідження є положення математичної теорії пластичності і феноменологічної теорії деформуємості металів без руйнації.

Теоретичними джерелами дослідження виступили фундаментальні роботи відомих вчених в галузі теорії пластичності й обробки металів тиском: І.С. Алієва, Я. Є. Бейгельзімера, Г.Д. Деля, А.М. Дмитрієва, В.О. Євстратова, О.О. Ільюшина, Ю.Г. Калпіна, Л.М. Качанова, М.М. Малиніна, Є.М. Мошніна, А.Г. Овчинникова, С.С. Одинга, В.А. Огороднікова, Є.О. Попова, І.П. Ренне, Л.М. Соколова, В.І. Стеблюка, О. /О. Розенберга, Г.О. Смирнова-Аляєва, М.В. Сторожева, Є.П. Унксова, Д.В. Хвана, Р. Хілла, Ю.О. Цеханова, Ю. Є. Шамаріна, М.Б. Штерна, С.П. Яковлєва та ін.

Для досягнення мети були використані такі методи дослідження: теоретичні (вивчення бібліографічних джерел; аналіз механіки процесів формоутворення колін та показників якості виробів; упорядкування теоретичних моделей тощо), експериментальні (експеримент; побудова кривих течії, діаграм пластичності; визначення НДС методом ділильних сіток), експериментально-розрахункові (визначення НДС із застосуванням моментної теорії оболонок; розроблення математичних моделей деформованості, гофроутворення, стоншення стінки, залишкової пластичності).

Механічні властивості матеріалу визначено випробуванням на розтяг плоских зразків, вирізаних із труби. Аналіз НДС виконано методом ділильних сіток із застосуванням деформаційної теорії пластичності. Моделі НДС складено із притягненням моментної теорії оболонок для матеріалу, що зміцнюється та аналогій гіпотези плоских нормалей. Для оцінювання ресурсу пластичності, залишкової пластичності матеріалу застосовано феноменологічну теорію деформованості металів без руйнування. Аналіз гофроутворення внутрішньої стінки коліна проведено із застосуванням енергетичного критерію втрати стійкості оболонки.

Наукова новизна дисертаційної роботи полягає в наступному:

удосконалено математичну модель визначення напруженого стану оболонок з подвійною кривизною у вигляді крутозігнутих колін, які виготовляються новим методом ХПД;

вперше одержано модель розподілу тангенціальних логарифмічних деформацій у перерізі коліна при наявності нерівномірно розподілених дотичних напруг;

удосконалено методи розрахунку використаного ресурсу пластичності матеріалу в процесі монотонного складного навантаження;

дістали подальший розвиток методи розрахунку та прогнозування параметрів якості колін у вигляді оцінювання: критичного радіуса вигину за критерієм гофроутворення, залишкової пластичності при розтягу і навантаженні внутрішнім тиском, стоншення стінки заготовки;

дістав подальший розвиток метод розрахунку необхідної деформувальної сили при формуванні коліна.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані в дослідженні результати дозволяють спрогнозувати без додаткових експериментів відповідність параметрів якості коліна (у вигляді використаного ресурсу пластичності, залишкової пластичності, геометричних відхилень) різним стандартам або розрахувати технологічні параметри, які забезпечать належну якість виробу. Крім того, запропонований розрахунковий апарат дозволяє визначити деформувальні зусилля, необхідні для вибору пресу і розрахунку основних елементів конструкції пристрою. Для зручного використання отриманих результатів складені програми на ЕОМ.

Основні практичні результати роботи у вигляді розрахункових методик показників якості виробів і деформувальних зусиль визнані актуальними і використані при впровадженні в промислове виробництво колін методом ХПД приватним малим науково-впроваджувальним інноваційним підприємством (ПМ НВІП)"Струм" м. Вінниці, що підтверджено відповідним актом.

Особистий внесок автора в дослідження:

розробка методу визначення компонентів НДС колін у процесі їх формоутворення пластичним деформуванням [1];

розробка методів оцінки граничної деформуємості і залишкової пластичності заготовок в умовах пластичного згинання колін новим методом ХПД, визначення стоншення стінки коліна [2];

розробка математичної моделі оцінки можливого гофроутворення колін [3];

аналіз критеріїв деформованості з рекомендаціями їх застосування [4];

теоретичне обґрунтування та розробка методу побудови діаграм оцінки ресурсу пластичності різних матеріалів при складному навантаженні [5];

експериментальні дослідження механіки пластичного деформування колін за допомогою методу ділильних сіток [6];

експериментальні дослідження з визначення механічних характеристик матеріалів [7];

Апробація роботи. Матеріали дисертації доповідались на таких конференціях і семінарах:

IV Міжнародна науково-технічна конференція "Контроль і управління в технічних системах" (КУТС-97); м. Вінниця, 21-23 жовтня 1997 р.;

Міжнародна науково-технічна конференція "Перспективні технології та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії"; м. Краматорськ, 18-20 квітня 2000 р.;

Університетські щорічні науково-технічні конференції професорсько-викладацького складу (ВДТУ), співробітників і студентів за участю інженерно-технічних робітників підприємств м. Вінниці та області (1996-2000);

На засіданнях наукових семінарів кафедри опору матеріалів і прикладної механіки Вінницького державного технічного університету (1998-2000) і науковому семінарі в Інституті надтвердих матеріалів НАН України м. Києва.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 6 статей у наукових фахових журналах і збірниках і 1 стаття в книзі матеріалів міжнародної наукової конференції.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, списку літератури і додатків загальним обсягом 193 сторінки. Робота містить 45 рисунків, 7 таблиць, список літератури з 107 найменувань і 3 додатки, які в сукупності займають 70 сторінок.

Зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, необхідність даного дослідження для України в сучасних економічних умовах. Визначено мету, об'єкт, предмет та поставлено задачі дослідження, розкрита наукова новизна роботи і її практична цінність.

У першому розділі дисертації проведено аналіз досліджень процесів формоутворення вигнутих ділянок труб, зокрема крутозігнутих колін. Розглянуто існуючі процеси виготовлення колін. Зазначено нерозробленість даного аспекту проблеми: відмічено що, теоретичні дослідження формоутворення крутозігнутих трубчастих виробів методом пластичного деформування в своїй більшості спрямовані на оцінку енергосилових параметрів процесу (А.І. Гальперін, М.Н. Горбунов, Є.Н. Мошнін, С.І. Янов та інші), деякі роботи присвячені аналізу пластичної втрати стійкості у вигляді гофроутворення, оцінці відхилення геометричних параметрів, були зроблені спроби визначення граничного формозмінювання (Ю.Н. Алексєєв, А.Г. Єршов, А.Н. Кліменков). Проте дослідження прогнозування використаного ресурсу пластичності та технологічної спадщини матеріалу крутозігнутих колін (на стадії проектування технологічного процесу) навіть для раніше досліджених технологій практично відсутні.

В даному розділі проведено аналіз геометричних та фізико-механічних показників якості колін, які регламентуються ГОСТ 17375-83. Відзначено, що при жорстких умовах експлуатації (при циклічному навантаженні внутрішнім тиском у сполученні з високою температурою) комплексними показниками якості колін є використаний ресурс пластичності та залишкової пластичності металу коліна.

В другому розділі представлено загальну методику проведення дисертаційного дослідження, розкриті методи розрахунків, характеристики апаратури, наведені методи розв'язання задач і їх порівняльні оцінки.

Механічні характеристики матеріалів визначаються кривими течії, діаграмами пластичності, відносним залишковим видовженням і звуженням. Для побудови відповідних графіків проводили випробування на розтяг плоских зразків, вирізаних із гарячекатаної труби (ГОСТ 11701-84).

В розділі проведено аналіз експериментальних і експериментально-розрахункових методів дослідження НДС в процесі формоутворення колін. Показано, що кількісний аналіз картин деформованих ділильних сіток є найбільш універсальним і простим способом експериментального визначення НДС. При цьому похибка обчислених значень на всіх етапах залишається сумірною з точністю завдання вихідних даних і основних передумов сучасної теорії.

Проведено аналіз методів прогнозування параметрів якості колін у процесі їх формоутворення. Зроблено огляд методик оцінки деформованості заготовок. Показано, що для оцінки деформованості заготовок, які знаходяться в умовах складного монотонного навантаження при плоскому напруженому стані слід віддавати перевагу деформаційному критерію Г.Д. Деля - В.А. Огороднікова - В.Г. Нахайчука (ДОН), а при простому навантаженні - критерію Г.О. Смирнова-Аляєва (скалярній моделі накопичення ушкоджень); для визначення залишкової пластичності або деформуємості заготовок, які знаходяться в умовах немонотонного навантаження необхідно користуватись тензорними моделями накопичення ушкоджень (наприклад, критеріями Г.Д. Деля або В.М. Михалевича).

Для оцінювання критичного радіуса вигину за параметром гофроутворення внутрішньої зони крутозігнутого коліна користувались методикою Ю.Н. Алексєєва, в основу якої покладено енергетичний критерій втрати стійкості.

У третьому розділі проведено експериментально-теоретичне дослідження механіки формоутворення колін новим методом ХПД. Розглянуто передумови використання комбінованої схеми, яка сполучає у собі деформувальне протягування з одночасним вигином труби. Досліджено геометричні параметри якості отриманих типорозмірів колін. Складено модель НДС у процесі формування колін із застосуванням методу ділильних сіток та моментної теорії оболонок.

Наведено схему та принцип дії пристрою для штампування крутозігнутих колін. Основним елементом технологічного устаткування досліджуваного процесу є пристрій для формування крутозігнутих колін, схема якого показана на рисунку 1. Пристрій складається з корпусу 1 в якому закріплені обертовий ролик 2 і деформувальний елемент (дорн) 3. На одній осі з роликом закріплено важіль 4. У центральний отвір корпусу вставлена гільза 5 із закріпленим у ній дорном, який слугує напрямною для штовхача 6. Спочатку важіль знаходиться у горизонтальному положенні. Трубна заготовка встановлюється на верхній частині деформувального елемента. Плита преса тисне на торець штовхача і заготовка проходить робочою частиною дорну, в результаті чого відбувається роздавання і калібрування внутрішнього діаметру заготовки. При подальшому переміщенні заготовка входить у захоплювальну ділянку важеля і разом із важелем переміщується робочою поверхнею ролика. Радіусний хвостовик деформувального елемента перешкоджає появі овальності в поперечному перерізі коліна за межами допуску і слугує напрямною для внутрішньої поверхні заготовки. Після закінчення формування коліна відштампована заготовка подається через вікно в корпусі.

Аналіз існуючих методів гнуття труб показав, що процесу ХПД крутозігнутих колін властива низка особливостей, притаманних іншим методам: введення в трубу елемента жорсткості, накладення деформацій зсуву на вигин внаслідок деформування коротких заготовок, осьове зусилля. Відмінною рисою досліджуваного методу є внутрішнє заневолювання трубчастої заготовки дорном-протяжкою.

Комплексне дослідження точності геометричних розмірів виготовлених за досліджуваною технологією крутозігнутих колін на відповідність технічним вимогам ГОСТ 17380-83 здійснювалося в Інституті IFQ (Німеччина) на вимірювальному комплексі "LEITZ PMM 866", який дозволяє робити виміри на криволінійних поверхнях колін із точністю до 0,0001 мм. Результати дослідження геометричних параметрів показали відповідність ГОСТу всіх виміряних розмірів.

Виконано розрахунок НДС колін (90⁰89х4,5, 90⁰57х4, 90⁰45х2.5 із сталі 20 та Х18Н9Т) в процесі їх формоутворення методом ділильних сіток із використанням залежностей деформаційної теорії пластичності за методикою І.П. Ренне. Встановлено, що в пластичній області при формуванні заготовки реалізується плоский напружений стан. На бічних поверхнях заготовки спостерігаються наявність деформації зсуву, із досягненням максимального значення на серединній зоні біля краю заготовки.

Складено математичну модель НДС на основі залежностей моментної теорії оболонок і теорії вигину. Вважали, що матеріал ізотропний і має властивість зміцнюватись по експоненціальному закону. Тертя не враховувалося внаслідок застосування високоефективних мастил.

Для розрахунків складено диференціальні рівняння рівноваги моментів і сил у перерізі заготовки. Отримана система доповнювалася рівняннями зв'язку згинального моменту із головними напругами, які виведені В.І. Вершиніним. В результаті отримано компоненти тензора напруг:

;

,

де і - головні напруги в меридіональному й окружному перерізах відповідно, - кут повороту перерізу коліна, - товщина стінки труби, - радіус вигину центральної осі заготовки, - зовнішній діаметр заготовки, А та n - параметри зміцнення матеріалу (визначаються експериментально з графіка побудованої кривої течії для досліджуваного матеріалу), - накопичена інтенсивність деформацій у кінцевій точці на дузі, яка відповідає куту _1,2, _{1,2 -} параметр, який характеризує інтенсивність накопичення пластичних деформацій.

Встановлено, що геометричні розміри виробу майже не впливають на параметри _1,2 і q_1,2. При /2 - ₁=30⁰, q₁=0,5; при 3/2 - ₂=60⁰, q₂=1. Якщо усереднити, то _1,2=45⁰, q_1,2=0,75.

Похибка розрахунку і складає не більш 15%.

Модель дозволяє визначити поля напруг і деформацій із задовільною точністю лише для небезпечних зон - на зовнішній і внутрішній стороні коліна ( /2 і 3/2). Це пов'язано з тим, що при згинанні колін методом ХПД спостерігаються нерівномірно розподілені по перерізу дотичні напруги.

Деформований стан описано за аналогією гіпотези плоских перерізів. При виконанні цієї гіпотези існує фіксована нейтральна поверхня деформацій для даного перерізу труби. В нашому випадку така поверхня відсутня внаслідок наявності дотичних напруг. Ми припустили, що існує деяка уявна нейтральна поверхня деформацій і для кожної точки обраного перерізу буде своя проекція цієї поверхні. Форма поверхні знаходилася експериментальним шляхом. Виявилося, що її описує еліпс. Подальший розрахунок вели за співвідношеннями гіпотези плоских перерізів () із притягненням даних дослідження напруженого стану.

Отримані співвідношення дозволяють розрахувати компоненти тензора логарифмічних деформацій (позначення по рис.2):

,

, ,

де ; - розмір зсуву центру еліпса по осі У від центру перерізу (при виконанні гіпотези плоских перерізів величина є зсувом нейтральної осі від серединної поверхні вигину); - коефіцієнт, який характеризує зсув; - коефіцієнти. Одна піввісь еліпса в напрямку осі Х дорівнює , інша в напрямку осі У - . Коефіцієнт характеризує виконання гіпотези плоских перерізів (, при еліпс вироджується в пряму, яка є нейтральною поверхнею при чистому згині).

крутозігнуте коліно деформований стан

Виявилося, що параметри практично не залежать від розмірів заготовок. Для досліджених процесів ці коефіцієнти виявилися рівні =1.23, =0.4, =0.59 (45⁰). При цьому точність опису розрахунку розподілу тангенціальних деформацій у перерізі досягає 95%.

В такий спосіб ми одержали можливість розрахувати НДС для будь-яких типорозмірів і матеріалів в межах зовнішньої і внутрішньої зон коліна.

В четвертому розділі запропоновано методи оцінювання параметрів якості виробів за використаним ресурсом пластичності, деформуємістю, залишковою пластичністю, гофроутворенням, стоншенням стінки, а також запропоновано метод визначення деформувального зусилля.

Для оцінки деформованості і розрахунку використаного ресурсу пластичності була застосована феноменологічна теорія формозмінювання металів без руйнування. Аналізом накопичення пошкоджень матеріалу коліна, отриманого методом ХПД, виявлено 3 небезпечні зони - зовнішня (1), серединна (2) і облойна (3) ділянки (рис.3). Облойна ділянка обрізається наступними технологічними операціями і факт її руйнації не впливає на якість кінцевого виробу.

Шляхи деформування точок в небезпечних зонах зображені на рисунку 4. З рисунку видно, що матеріал в околі точок 1 і 2 перебуває в умовах складного, а точки 3 - простого навантаження. Для розрахунку ресурсу пластичності матеріалу в зонах 1, 2 використовували критерій ДОН, а для частинки, яка належить околу точки 3 - критерій Г.О. Смирнова-Аляєва.

Шлях деформування точки 2 апроксимували поліномом 2-го ступеня, точки 3 - прямою. Коефіцієнти апроксимуючих функцій одержано за допомогою лінійної регресійної моделі з використанням інформації НДС по методу ділильних сіток. Траєкторію деформування точки 1 одержано експериментально-аналітичним шляхом. Виявилося, що при розрахунку використаного ресурсу пластичності частинки матеріалу в околі точки 1 можна з успіхом користуватися критерієм Г.О. Смирнова-Аляєва, оскільки основне накопичення пошкоджень матеріалу відбувається при = 2.

Максимальний використаний ресурс пластичності матеріалів (сталь 20 і Х18Н9Т) досліджених типорозмірів не перевищує 0.4, що дозволяє зробити висновок про достатньо високий рівень якості колін.

Для оцінки деформованості або ресурсу пластичності за критерієм ДОН (складне деформування і монотонність) запропоновано використовувати діаграму оцінки деформованості, яка є геометричним представленням математичної моделі деформованості заготовки процесі її обробки тиском. Важливими умовами при її побудові є апроксимація діаграми пластичності за двома точками по кожну сторону від осі ординат е_і. Матеріал характеризує точка або деякий окіл точки при наявності статистичних даних на площинах - .

Важливим показником якості колін є технологічна спадщина у вигляді залишкової пластичності. Її розрахунок виконано для небезпечної зовнішньої зони коліна, в якій найбільше вичерпується пластичність з урахуванням експлуатаційних навантажень. З використанням тензорної моделі Г.Д. Деля розраховували відносне залишкове подовження при розтягуванні і залишкову пластичність при навантаженні коліна внутрішнім тиском. В останньому випадку вважали, що при роздачі реалізується схема плоского деформування. Отримані дані вказують на достатньо високу пластичність деформованого металу і на відповідність за цим параметром якості. Для досліджених типорозмірів і матеріалів, рекомендованих стандартом, величина залишкової пластичності при роздачі тиском склала не менше 0.2 в логарифмічних деформаціях, а при розтягуванні зразків - не менше 0.4. Результати вказують, що отримані вироби можна експлуатувати без наступної термічної обробки. Перевірка моделі показала відповідність (85%) розрахункових даних експерименту.

Критичний радіус вигину за критерієм гофроутворення внутрішньої стінки коліна розраховували за методикою Ю.Н. Алексєєва. В основне рівняння стійкості підставляли дані розрахунку НДС у функціональному виді і функцію прогинів елемента, який випинається. Вважали, що випинання труби відбувається у вигляді подвійної синусоїдальної поверхні. В результаті отримано розрахункову залежність визначення відносного критичного радіуса вигину. Для досліджених типорозмірів критичний радіус виявився суттєво меншим за дійсний, при цьому гофрів на виробах не було. Виявилось, що ця умова виконується для всіх типорозмірів, рекомендованих ГОСТ 17380-83, отже, дана технологія цілком задовольняє критерію деформування колін без гофроутворення.

При проектуванні технологічного процесу необхідно знати величину деформувального зусилля з метою вибору преса і розрахунку основних елементів пристрою. У нашому випадку зусилля знаходили інтегруванням поля осьових напруг з урахуванням сили протягування. Розраховані значення сили достатньо точно відповідають експериментальним із розбіжністю не більше 20%, що задовольняє інженерному розрахунку. Запропоновано метод визначення мінімальної товщини стінки заготовки. Розрахунок стоншення цілком підтвердився експериментальним виміром. Приведені факти вказують на правильність прийнятих гіпотез розрахунку НДС.

Для зручного використання отриманих результатів складено необхідні алгоритми і програми на ЕОМ для розрахунку всіх досліджених параметрів якості крутозігнутих колін, яких отримують новим методом ХПД.

Висновки