Размещено на http://www.allbest.ru/

ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Кириця Інна Юріївна

УДК 621.7.014.2

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

УДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСІВ ХОЛОДНОГО ПЛАСТИЧНОГО ДЕФОРМУВАННЯ ПРИ ОТРИМАННІ ВІСЕСИМЕТРИЧНИХ ЗАГОТОВОК З Глухим отвором

Спеціальність 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском

Вінниця - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:доктор технічних наук, професор Огородніков Віталій Антонович, Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри опору матеріалів та прикладної механіки.

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор Алієв Іграмотдін Серажутдінович, Донбаська державна машинобудівна академія, м. Краматорськ, проректор з наукової роботи і міжнародних зв'язків, завідувач кафедри обробки металів тиском;

кандидат технічних наук, доцент Кухар Володимир Валентинович, Приазовський державний технічний університет, м. Маріуполь, доцент кафедри охорони праці і навколишнього середовища.

Захист відбудеться “ 10 ” квітня 2008 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 05.052.03 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ауд. 210, ГУК.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Вінницького національного технічного університету (21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ГУК).

Автореферат розісланий “ 07 ” березня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.В. Дерібо.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Тенденція підвищення якості виробів в сучасному машинобудуванні стимулює впровадження прогресивних технологій обробки металів тиском. Однак можливості холодного пластичного деформування методом видавлювання використовуються ще недостатньо. Причина цьому те, що при проектуванні процесів видавлювання основна увага приділяється енергосиловим параметрам, а граничне формозмінення часто визначають експериментально.

Інформація про напружено-деформований стан необхідна для визначення використаного ресурсу пластичності - величини, яка прийнята нами в якості показника, що впливає на якість готових виробів. Тому актуальними є задачі подальшого удосконалення та розробки методів оцінки деформуємості заготовок при об'ємному холодному пластичному деформуванні. Необхідність таких досліджень обумовлена також тим, що значно підвищились вимоги до якості готових деталей, тобто формоутворення виробів різного профілю має відбуватись з мінімальним накопиченням пошкоджень металу в процесі деформації, із сприятливою технологічною спадковістю і без втрати стійкості пластичного деформування. Для забезпечення вищевказаних вимог потрібне вивчення процесів об'ємного холодного пластичного деформування із застосуванням прикладної теорії пластичності, а також феноменологічної теорії деформуємості, яка дозволяє оцінити вплив параметрів процесу формозмінення на інтенсивність накопичення пошкоджень. Такий підхід дозволяє при заданих параметрах процесу оцінити величину гранично допустимого формозмінення, або, управляючи параметрами процесу досягти необхідного формозмінення при заданому рівні пошкодженості.

Наукові основи вищезазначених теорій представлено в роботах І.С. Алієва, В.А. Бабічкова, Я.Є. Бейгельзімера, П. Бріджмена, Ю.Г. Важенцева, С.І. Губкіна, Г.Д. Деля, В.О. Євстратова, А.А. Ільюшина, Л.М. Качанова, В.Л. Колмогорова, Н.Н. Малініна, В.М. Михалевича, А.Г. Овчіннікова, В.А. Огороднікова, О.М. Розенберга, О.О. Розенберга, І.О. Сивака, Г.О. Смирнова-Аляева, М.Б. Штерна та інш.

Технологічні процеси, що розглядаються в дисертаційній роботі: зворотне видавлювання циліндричних виробів з глухим отвором та формування внутрішніх шліцьових поверхонь в глухих отворах, об'єднує однотипність схеми напруженого стану (об'ємний напружений стан), а також спосіб формоутворення - холодне пластичне деформування.

Однотипність схеми напруженого стану вищевказаних технологічних процесів дає можливість їх удосконалення на основі феноменологічної теорії деформуємості та суттєво полегшує оцінку ресурсу пластичності в областях, найбільш близьких до руйнування.

Для дослідження деформуємості заготовок необхідна інформація про залежність пластичності від схеми напруженого стану, що в свою чергу вимагає побудову діаграм пластичності. Діаграма пластичності - одна із функцій, яка формує “технологічний паспорт” матеріалу. Проблема побудови діаграми пластичності в області великих пластичних деформацій все ще залишається нерозв'язаною.

Тому удосконалення процесів об'ємного холодного пластичного деформування, спрямоване на підвищення якості вісесиметричних заготовок з глухим отвором, є актуальним і має важливе значення для машинобудівної промисловості України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає пріоритетним напрямкам розвитку науки і техніки, які визначені в Законі України від 11.07.2001 р. за № 2623 - ІІІ “Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки”; науковому напряму “Розвиток феноменологічної теорії руйнування суцільних, пористих та композиційних матеріалів при великих пластичних деформаціях” провідної наукової школи Вінницького національного технічного університету.

Автор брала участь у виконанні держбюджетної теми “Розробка методик визначення енергії при пластичному та ударному навантаженнях транспортних засобів“ (№ держ. реєстрації 0105U002418).

Мета та завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення якості вісесиметричних заготовок з глухим отвором, отриманих зворотним видавлюванням та формуванням внутрішніх шліцьових поверхонь.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані такі завдання:

– розробити елемент штампу для зворотного холодного видавлювання виробів типу “стакан” з глухим отвором, який дозволить усунути недоліки пов'язані із нерівномірним розподілом деформацій в куточках матриці та при контакті пуансона із заготовкою;

– уточнити метод розрахунку напружено-деформованого стану при зворотному холодному видавлюванні виробів типу “стакан” з глухим отвором при створенні математичної моделі;

– розробити експериментально-розрахунковий метод визначення напружено-деформованого стану при зворотному холодному видавлюванні виробів типу “стакан” з глухим отвором;

– дослідити напружено-деформований стан в новому технологічному процесі формування внутрішніх шліцьових поверхонь з глухим отвором;

– удосконалити метод оцінки деформуємості заготовок при об'ємному напруженому стані, який має місце при зворотному видавлюванні, шляхом використання поверхні граничних деформацій;

– удосконалити метод оцінки деформуємості заготовок в процесі формування внутрішніх шліцьових поверхонь з глухим отвором з врахуванням впливу третього інваріанта тензора напружень;

– розробити метод побудови діаграм пластичності, який би враховував особливості локалізації деформації при розтягу та базувався на аналізі напружено-деформованого стану в шийці розтягнутого зразка без долучення гіпотези Хаара-Кармана.

– розробити рекомендації з удосконалення технологічних процесів, які розглядаються в даній роботі.

Об'єкт дослідження - процеси вісесиметричного холодного пластичного деформування.

Предмет дослідження - деформуємість металу при отриманні вісесиметричних заготовок з глухим отвором в процесах обробки тиском.

Методи дослідження. Рішення поставлених в роботі задач здійснено методами математичної і прикладної теорії пластичності, а також феноменологічної теорії деформуємості. Використано також метод твердості, експериментально-розрахунковий метод сіток та наближений інженерний метод для розрахунків напружено-деформованого стану. Результати досліджень опрацьовано методами математичної статистики.

Експериментальні дослідження виконанні з використанням методів фізичного моделювання. Фізико-механічні властивості досліджуваних матеріалів визначали на стандартному обладнанні. Використовувались також спеціально виготовлені пристосування. Досліди проводились в лабораторних та виробничих умовах.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукову новизну дисертації складають такі результати:

– отримав подальший розвиток метод розрахунку параметрів діаграм пластичності матеріалу, який дозволяє врахувати локалізацію деформації в області шийки при розтягу;

– уточнено метод розрахунку напружено-деформованого стану при зворотному холодному видавлюванні виробів типу “стакан” з глухим отвором при створенні математичної моделі;

– розроблено експериментально-розрахунковий метод визначення напружено-деформованого стану при зворотному холодному видавлюванні виробів типу “стакан” з глухим отвором, що враховує зміцнення металу;

– удосконалено методи оцінки деформуємості заготовок в умовах об'ємного напруженого стану, шляхом врахування впливу третього інваріанта тензора напружень на пластичність.

Практичне значення отриманих результатів. Практичну цінність дисертаційної роботи складають:

– розроблено елемент штампу (вкладиш з кільцевою проточкою) для зворотного холодного видавлювання виробів типу “стакан”, за допомогою якого створюються умови гідростатичного тиску і відповідно підвищується якість отримуваних заготовок;

– методики розрахунку використаного ресурсу пластичності заготовок в процесах холодного пластичного деформування при отриманні вісесиметричних заготовок з глухим отвором, що можуть бути використані для оцінки граничного формозмінення при розробці нових технологічних процесів, в яких має місце об'ємний напружений стан та для прогнозування технологічної спадковості виробів;

– моделювання процесів зворотного видавлювання циліндричних виробів з глухим отвором та формування внутрішніх шліцьових поверхонь в глухих отворах для інших матеріалів з відомою діаграмою пластичності базуючись на результатах досліджень механіки формоутворення заготовок;

– сформовані моделі досліджуваних матеріалів, параметри яких уточнені шляхом дослідження закономірностей накопичення пошкоджень при механічних випробуваннях;

– рекомендації з удосконалення процесів зворотного видавлювання циліндричних виробів з глухим отвором та формування внутрішніх шліцьових поверхонь в глухих отворах.

Результати роботи використано в Інституті надтвердих матеріалів ім. В. Н. Бакуля НАН України (м. Київ) при удосконалюванні процесу формування внутрішніх шліцьових поверхонь з глухим отвором.

Результати досліджень, виконані в умовах зворотного видавлювання без застосування гідростатичного підпору та з використанням останнього при формуванні циліндричних виробів типу “стакан” з глухим отвором, впроваджено та використано для виготовлення дослідної партії у відкритому акціонерному товаристві завод “Будмаш” (м. Вінниця).

Окремі результати роботи використовуються в навчальному процесі Вінницького національного технічного університету і Вінницького державного аграрного університету в розділах курсів “Опір матеріалів”, “Числові та експериментально-розрахункові методи визначення напружено-деформованого стану”, “Основи моделювання технологічних процесів” та “Динаміка та міцність машин”.

Особистий внесок здобувача. В дисертації не використовувались ідеї співавторів публікацій. Всі принципові теоретичні і експериментальні результати роботи отримано автором самостійно.

При виконанні досліджень, результати яких опубліковані в співавторстві, автором отримано такі результати:

[1] - розроблено метод оцінки напружено-деформованого стану заготовок при зворотному видавлюванні; [3] - розроблено метод оцінки деформуємості заготовок при формуванні внутрішніх шліцьових поверхонь; [4] - уточнено метод розрахунку напружено-деформованого стану при зворотному видавлюванні при створенні математичної моделі; [5] - розроблено метод побудови діаграми пластичності, що враховує особливості локалізації деформації при дослідженні матеріалів на розтяг; [6] - запропонована і обґрунтована ідея застосування гідростатичного підпору при зворотному видавлюванні.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на наукових конференціях та наукових семінарах, серед них: ХХХІІ - ХХХVІ науково-технічні конференція (НТК) професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів університету з участю працівників науково-дослідних організацій та інженерно-технічних працівників підприємств м. Вінниці та області впродовж 2003 - 2007 рр.,); міжнародна НТК “Застосування теорії пластичності в сучасних технологіях обробки тиском і автотехнічних експертизах” (м. Вінниця, 29 травня - 1 червня, 2006); міжнародна НТК “Новые методы и средства исследования процессов и машин обработки давлением” (м. Краматорськ, 25-28 квітня 2005); міжнародна НТК “Современные методы моделирования процессов обработки материалов давлением” (м. Краматорськ, 25-28 квітня 2006); науково-практична конференція присвячена пам'яті В.Ф. Потапкіна “Розвиток методів розрахунку, удосконалення технологій та обладнання процесів обробки металів тиском” (м. Краматорськ, 25-28 квітня 2007); засідання наукових семінарів кафедри опору матеріалів і прикладної механіки Вінницького національного технічного університету (2005 - 2007 рр.). технологічний деформований пластичність

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи викладено в 10 друкованих працях, із них 5 в наукових фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України, 4 статті в збірниках, виданих за матеріалами науково-технічних конференцій. Новизну одержаних результатів підтверджено 1 патентом України на винаходи.

Обсяг і структура дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5 розділів, основних висновків, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг дисертації складає 207 сторінок, з них 143 основної частини, 102 рисунки, 40 таблиць, список використаних джерел становить 115 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність та необхідність проведення досліджень, сформульовано мету роботи та шляхи її досягнення, визначено об'єкт і предмет дослідження, викладено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, а також їх впровадження. Наведено відомості про апробацію результатів роботи.

У першому розділі проведено огляд літературних джерел, присвячених дослідженням механіки формоутворення заготовок в технологічних процесах зворотного видавлювання циліндричних виробів з глухим отвором та формування внутрішніх шліцьових поверхонь.

Аналіз процесів холодного пластичного деформування з метою отримання заготовок з глухим отвором показав, що:

- основним недоліком при зворотному холодному видавлюванні виробів типу “стакан” є велика нерівномірність деформації, особливо в кутках матриці та при контакті пуансона із заготовкою, тому необхідно розробити елемент штампу для зворотного холодного видавлювання, який дозволить усунути зазначені недоліки;

- новий технологічний процес формування внутрішніх шліцьових поверхонь з глухим отвором, розроблений в Інституті надтвердих матеріалів ім. В. Н. Бакуля НАН України у відділі № 20 під керівництвом О. О. Розенберга, дозволяє отримувати готові вироби із рельєфною поверхнею з глухим отвором при холодному пластичному деформуванні, але має недолік, який пов'язаний з тим, що висота зуба шліца не досягає 10 - 15% необхідного заповнення.

Із огляду методів оцінки деформуємості заготовок при об'ємному напруженому стані випливає, що в критеріях деформуємості залежність пластичності від схеми напруженого стану описується діаграмами пластичності, а історія навантаження задається плоскими кривими. В роботах В.А. Огороднікова звертається увага на неточність таких критеріїв при об'ємному напруженому стані. Тому необхідні подальші дослідження деформуємості заготовок при об'ємному напруженому стані.

Виконаний аналіз механіки формоутворення заготовок в технологічних процесах зворотного видавлювання циліндричних виробів з глухим отвором та формування внутрішніх шліцьових поверхонь, вивчення робіт, присвячених методам розрахунку напружено-деформованого стану та деформуємості заготовок дозволили сформулювати мету та поставити завдання досліджень.

У другому розділі представлено методи вивчення напружено-деформованого стану. На даний час для досліджень найбільш ефективно застосовується метод ділильних (координатних) сіток як на поверхні, так і у внутрішніх областях заготовок та метод твердості.

Для визначення напружено-деформованого стану та оцінки використаного ресурсу пластичності при зворотному видавлюванні циліндричних заготовок з глухим отвором типу “стакан” нами використано метод ділильних сіток, а для оцінки деформуємості заготовок при формуванні внутрішніх шліцьових поверхонь з глухим отвором - метод твердості.

В даному розділі також наведено методики визначення механічних характеристик досліджуваних матеріалів. В сучасній феноменологічній теорії деформуємості властивості матеріалів розглядаються у вигляді різних функцій, таких як крива течії матеріалу; діаграма пластичності; тарувальний графік: твердість -інтенсивність напружень - інтенсивність деформацій. Ці функції формують “технологічний паспорт матеріалу”.

При побудові діаграм пластичності матеріалів залишається незрозумілим спосіб їх побудови при розтягу зразків, що утворюють шийку. Як випливає із результатів розрахунків, гранична деформація, визначена по діаметру шийки в місці розриву, є завищеною, і для деяких матеріалів досягає величини, що перевищує величину граничної деформації при зсуві, ?.

Нами розроблено метод побудови діаграми пластичності, що враховує особливості локалізації деформації при випробуванні матеріалів на розтяг.

Для більш точної оцінки величини з і провели експерименти сутність яких зводиться до розтягу трьох зразків із маловуглецевої сталі Ст3 до різних ступенів деформації (зр. № 1 - = 2,56 %; зр. № 2 - = 15,92%; зр № 3 - = 20,92 %) з вимірюванням всіх геометричних параметрів шийки і використанням дефектоскопії, що дозволяє виявити зародження макротріщини в перерізі зразка.

Для розрахунку показника напруженого стану - з, необхідна інформація про поточний радіус кривизни меридіонального перерізу шийки зразка R. Однак визначення R практично не висвітлено в літературі, тому нами запропонована методика його розрахунку:

, (1)

де h - глибина впадини шийки;

l - хорда.

Таким чином, маючи значення d_ш і R для різних ступенів деформації, побудували графік. Для зручності використання графіка і формул, введене позначення - кривизна меридіонального перерізу.

Отримана експоненціальна залежність, яка дозволяє визначити н в будь-який момент деформування, по діаметру зразка в місці шийкоутворення:

, (2)

де D = 1,318 мм^-1; f = 1,86 мм; d_ш - діаметр зразка в місці утворення шийки, мм.

Експериментальним шляхом виявлено і підтверджено, що початок руйнування в шийці зразка при розтягу відбувається в центрі ваги меридіонального перерізу, а повному відриву в області шийки передує поява макротріщини. Тому для оцінки граничного ступеня деформації та показника напруженого стану при побудові діаграми пластичності дослідженням на розтяг необхідно використовувати формули (3, 4).

, (3)

де - діаметр робочої частини зразка до деформування; d_ст - діаметр циліндричного зразка в місці рівномірної стійкої деформації.

, (4)

де - значення діаметра, який визначають в момент зародження макротріщини.

Розроблено метод розрахунку напружено-деформованого стану в шийці зразка при розтягу без долучення гіпотези Хаара-Кармана. Метод є експериментально-розрахунковим, враховує об'ємність схеми напруженого стану і базується на методі виявлення волокнистої макроструктури, методі ділильних сіток і вимірюванні твердості деформуємого металу.

По отриманим поздовжнім волокнам, відновили поперечні лінії “природної” ділильної сітки, попередньо збільшивши в 20 раз фотографії меридіонального перерізу з поздовжніми волокнами.

Поле деформацій розраховували за допомогою прийомів, запропонованих І.П. Ренне і В.А. Огородніковим. Параметри деформованої сітки заміряли на збільшеній у 20 разів фотографії меридіонального перерізу.

При розробці експериментально-розрахункового методу визначення напружено-деформованого стану в циліндричних зразках здеформованих до різних ступенів деформації було використано роботи Г. Д. Деля та В. А. Огороднікова.

За допомогою розробленого методу побудовано діаграми пластичності досліджуваних матеріалів: Ст3, АД0, М1, сталь 20Х (І і ІІ партії).

Сформовані моделі матеріалів лягли в основу оцінки деформуємості, а також розрахунку напружено-деформованого стану при зворотному видавлюванні циліндричних заготовок типу “стакан” з глухим отвором (АД0, М1) та формуванні внутрішніх шліцьових поверхонь в глухих отворах сталь 20Х (І і ІІ партії).

Третій розділ присвячено теоретичним та експериментальним дослідженням напружено-деформованого стану та деформуємості в процесі зворотного видавлювання циліндричних заготовок типу “стакан” з глухим отвором.

Осередок пластичних деформацій представлений у вигляді двох областей.

Область І - кільцева область з границями 1 < (R/r). Область ІІ - циліндрична область під пуансоном з границями 0 < <1, де R - радіус матриці, r - радіус пуансона. Схема напруженого стану в області І близька до схеми, яка має місце в трубі, навантаженій внутрішнім і зовнішнім тиском. В області ІІ напружено-деформований стан близький до напружено-деформованого стану при осадці з боковим підпором. Використовуючи підхід Ф.А. Мартиросяна, в якому дано наближене визначення поля напружень в осередку пластичних деформацій, нами уточнено математичну модель розрахунку напружено-деформованого стану в процесі зворотного видавлювання, з метою визначення граничної деформації, показників напруженого стану, використаного ресурсу пластичності та небезпечних областей в процесі отримання заготовок.

Запропонована нами модель базується на розв'язанні системи диференційних рівнянь рівноваги для вісесиметричної деформації, умови пластичності, диференціального рівняння отриманого з умови нестисливості

, (5)

де - компоненти вектора швидкості переміщення точки.

Значення _z в області І визначали за залежністю

_z = A(z + ц), (6)

а в області ІІ

_z = ВЩ, (7)

де А, В - сталі, ц = ц(), Щ = Щ (z) - функції, які за своєю будовою близькі до функцій току.

Використовуючи співвідношення теорії течії, компоненти тензора напружень для двох областей отримані в аналітичному вигляді. В області І

, (8)

, , (9)

де - радіус поверхні, на якій _z = 0; - коефіцієнт тертя; _Т - напруження текучості.

В першому наближені вважали, що ц(с) є сталою величиною, тому ц^/ = 0.

В області ІІ компоненти тензора напружень мають такий вигляд

. (10)

Сталу С₆ визначали із умови, що при = 1, = Р₁, де Р₁ - тиск з боку кільцевої області І на область ІІ, який можна отримати, якщо прийняти в виразі (8) = 1.

Отриману інформацію про напружено-деформований стан та закон його зміни використовували для оцінки використаного ресурсу пластичності за критерієм

, (11)

де - поверхня граничних деформацій для сталі 10, - параметр Надаі-Лоде, е_u - накопичена інтенсивність деформації.

Основна відміна критерію (11) від відомих полягає в тому, що залежність пластичності від схеми напруженого стану описується поверхнею граничних деформацій e_р (, ), а історія навантаження задається просторовою траєкторією e_u (, ). Значення , і е_u для небезпечних точок розраховували по відомих формулах. Таким чином отримували залежності е_u від і , які апроксимували квадратичними кривими, використовуючи метод найменших квадратів.

Поверхню граничних деформацій сталі 10 апроксимували залежністю

, (12)

яка отримана І.О. Сиваком.

Використаний ресурс пластичності розраховували для двох випадків (R/r = 14/9, R/r = 14/10).

та

Із аналізу залежностей від випливає, що найбільш небезпечними з точки зору руйнування є точки заготовки з координатами = 1, z = 0.

Експериментальні дослідження процесу зворотного видавлювання проводились за двома схемами: без гідропідпору і по запропонованій нами новій схемі - з гідропідпором, захищеній патентом України на винаходи.

Використані заготовки з алюмінієвого сплаву АД0 і міді М1 з нанесеною ділильною сіткою. Видавлювання проводили постадійно.

Елементи деформованої сітки заміряли на інструментальному мікроскопі. Поле деформацій розраховували за допомогою прийомів, запропонованих І.П. Ренне і В.А. Огородніковим.

З аналізу отриманих результатів випливає, що використання гідростатичного підпору значно поліпшує однорідність розподілу накопиченої деформації по об'єму видавлюваної заготовки. При наявності гідростатичного підпору grad e_u в області контакту пуансона з заготовкою зменшується майже в 4,0…5,0 разів.

Нами розроблено експериментально-розрахунковий метод визначення напружено-деформованого стану. Застосовані диференціальні рівняння рівноваги при осесиметричній деформації, інтегральне рівняння рівноваги та співвідношення теорії течії. Радіальне напруження в точці А границі розраховували за формулою

, (13)

де ; S_ij - компоненти девіатора напружень; _ij - компоненти тензора напружень; R - радіус деформуємого тіла; Р - зусилля, яке визначається при деформуванні досліджуємого тіла, _rz - дотичне напруження.

В подальшому інформацію про напружено-деформований стан використовували для розрахунку показників напруженого стану та використаного ресурсу пластичності циліндричних заготовок з глухим отвором при зворотному видавлюванні з урахуванням та без урахування гідростатичного підпору.

Результати розрахунків напружено-деформованого стану були використані також для оцінки значень використаного ресурсу пластичності .

З отриманих результатів використаного ресурсу пластичності випливає, що теоретичні розрахунки підтвердились експериментальними результатами. Небезпечними виявилися точки при контакті пуансона із заготовкою. Використання гідростатичного підпору дозволило зменшити ступінь використання ресурсу пластичності, отримати рівномірніший його розподіл, підвищити якість заготовок і покращити технологічну спадковість готових виробів.

Четвертий розділ присвячено дослідженню технологічного процесу формування внутрішніх шліцьових поверхонь у глухих отворах методом холодного пластичного деформування, профіль яких відповідає профілю елемента сервокерування гідротрансмісії в тихохідних машинах. Цей процес має схему напруженого стану, однотипну зі схемою, що реалізується при зворотному видавлюванні циліндричних виробів типу “стакан” з глухим отвором.

Суть процесу полягає в тому, що заготовка, разом з розміщеною усередині профільною (шліцьовою) оправкою, проходить через спеціальне пристосування для багатоступінчастого редукування внутрішніх шліцьових поверхонь у глухих отворах. Напрямна частина, внутрішній штовхач і шліцьова оправка спроектовані таким чином, щоб після завершення процесу деформування автоматично відбувалося скидання заготовки з профільної оправки. З метою усунення недоліків, що існують при формуванні шліцьових заготовок, нами проведено комплексне дослідження процесу.

Для визначення найраціональнішої схеми видавлювання шліцьових поверхонь з глухим отвором дослідили напружено-деформований стан металу п'яти досліджуваних заготовок (зі сталі 20Х - І партія) за методикою, запропонованою В.А. Огородніковим, О.В. Нахайчуком, І.Г. Савчинським. Суть методики полягає в тому, що при створенні математичної моделі для розрахунку напруженого стану процес отримання шліцьового профілю розглядався як двохетапний, оскільки одночасно відбувається обтиск зовнішньої поверхні втулки матрицею, вдавлювання шліців оправки в матеріал заготовки і течія металу в міжзубовий простір оправки. При цьому застосовано метод вимірювання твердості, який дозволив врахувати зміцнення металу.

Найбільше значення твердості, а відповідно у_u і е_u, спостерігається поблизу центральної частини впадини шліцьової поверхні, а найменше значення - поблизу зуба шліцьової поверхні.

Найсприятливішою, з точки зору використаного ресурсу пластичності, є комбінована схема навантаження (ш = 0,3 - поблизу центральної частини впадини шліцьової поверхні; ш = 0,31 - поблизу зуба шліцьової поверхні).

З метою оцінки граничного формозмінення заготовок було проведено поетапне формування внутрішніх шліцьових поверхонь з глухим отвором. Для поліпшення протікання процесу, нами під керівництвом професора О. О. Розенберга (Інститут надтвердих матеріалів ім. В. Н. Бакуля НАН України) було запропоновано змінити конструкцію пристрою для формування внутрішніх шліцьових поверхонь з глухим отвором шляхом заміни чотирьох волок в обоймі на сім, з можливістю зняття заготовки для дослідження після проходження через 2, 4, 6, 7 волоки.

Для вивчення розподілення твердості заготовки на переходах поетапного формування розрізали і вирізали зразки, які заливали в спеціальній обоймі епоксидним клеєм для вимірювання твердості за Віккерсом. З результатів розрахунків напружено-деформованого стану випливає, що найбільш небезпечними є області поблизу центральної частини впадини шліцьової поверхні та поблизу зуба шліцьової поверхні и = 30є. Використаний ресурс пластичності розраховували за критерієм - Деля - Огороднікова - Нахайчука, що враховує вплив історії деформування, (І₃ (Т_у) = 0) (див. табл. 1, стр. 14). При формуванні внутрішніх шліцьових поверхонь з глухим отвором реалізується об'ємний напружений стан. У зв'язку з цим необхідно врахувати третій інваріант тензора напружень І₃ (Т_у). Використовуючи методику, запропоновану В.А. Огродніковим, для врахування впливу І₃ (Т_у) на величину граничної деформації, розрахували показник напруженого стану за критерієм для різних значень показника з (-2 ? з ? 0), визначили f(з) за функціональною залежністю і з виразу визначили . Величина визначає “зміщення” вздовж вісі з кривої , що побудована при І₃ (Т_у) ? 0 відносно кривої , побудованої при І₃ (Т_у) = 0. Таким чином, нами було введено поправку на діаграмі пластичності пов'язану з впливом показника ч.

Розрахунок використаного ресурсу пластичності виконували за критерієм В. А. Огороднікова

, (14)

де .

В таблиці 1 показані результати розрахунків використаного ресурсу пластичності за критерієм (14), що враховує вплив третього інваріанту тензора напружень для небезпечних з точки зору руйнування областей.

Таблиця 1 Результати розрахунків використаного ресурсу пластичності

	Волока №2	Волока №4	Волока №6	Волока №7
(поблизу впадини шліцьової поверхні)	І3 (Ту) = 0	0,17	0,3	0,36	0,48
	І3 (Ту) ? 0	0,23	0,36	0,45	0,6
(поблизу зуба шліцьової поверхні и = 30є)	І3 (Ту) = 0	0,19	0,58	0,69	0,78
	І3 (Ту)?0	0,25	0,64	0,75	0,84

Показано, що врахування третього інваріанта тензора напружень (І₃ (Т_у)) при оцінці використаного ресурсу пластичності приводить до пониження граничної до руйнування деформації, а відповідно до збільшення використаного ресурсу пластичності. Інформація про використаний ресурс пластичності дозволила рекомендувати необхідність введення проміжних відпалів в процесі формування внутрішніх шліцьових поверхонь з глухим отвором.

У п'ятому розділі викладено основні аспекти практичного використання та впровадження результатів досліджень.

З метою покращення схеми напруженого стану, її пом'якшення та підвищення граничного формозмінення рекомендується застосовувати гідростатичний підпор.

Запропоновано штамп для холодного зворотного видавлювання циліндричних виробів типу “стакан” з глухим отвором, в якому за рахунок нового виконання елементів досягається ліквідація областей ускладненої деформації в кутках матриці, зменшення залишкових напружень в металі, який деформується, та зменшення нерівномірності деформації, що підвищує стійкість інструменту та якість отриманих виробів.

Результати досліджень, виконаних в умовах зворотного видавлювання без застосування гідростатичного підпору та з використанням останнього при формуванні циліндричних виробів типу “стакан” з глухим отвором, впроваджені та використані для виготовлення дослідної партії у відкритому акціонерному товаристві завод “Будмаш” (м. Вінниця).

З результатів, отриманих в розділі 4 випливає, що найсприятливішою схемою навантаження при формуванні внутрішніх шліцьових поверхонь з глухим отвором є комбінована схема навантаження, яка полягає в наступному: при проходженні через перші волоки навантаження прикладається до хвостовика профільної (шліцьової) оправки, а через наступні - до зовнішнього штовхача, що давить на торець заготовки. На основі аналізу немонотонності деформування, що призводить до збільшення граничної до руйнування деформації, рекомендується збільшити число переходів з чотирьох волок на сім.

За результатами поетапного формування внутрішніх шліцьових поверхонь в глухих отворах використаний ресурс пластичності, з урахуванням третього інваріанту тензора напружень, склав 0,84 ? ш ? 0,5. Визначені області найбільш близькі до руйнування: поблизу центральної частини впадини шліцьової поверхні та поблизу зуба шліцьової поверхні. Для підвищення продуктивності даного процесу, зменшення використаного ресурсу пластичності та збільшення величини коефіцієнту заповнюємості шліцьового профілю рекомендовано проводити проміжний відпал, а також перехід до схеми деформування з обмеженою осьовою течією металу.

Результати досліджень процесу формування внутрішніх шліцьових поверхонь з глухим отвором використані в Інституті надтвердих матеріалів ім. В. Н. Бакуля НАН України (м. Київ).

Отримані в роботі результати можуть бути застосовані для оцінки граничного формозмінення в подібних технологічних процесах для виробів, що виготовляються з інших марок сталей шляхом моделювання відповідних процесів. Це твердження основане на широко підтвердженій гіпотезі, сутність якої полягає в тому, що шляхи деформування частинок матеріалу в координатах з (е_и) практично не залежать від властивостей матеріалу, а відповідно з'являється можливість моделювання подібних технологічних процесів.

висновки

Дисертаційна робота присвячена дослідженню процесів холодного пластичного деформування, що супроводжуються об'ємною схемою напруженого стану. Роботу спрямовано на вирішення актуальних завдань машинобудівного виробництва - забезпечення якості готових виробів та підвищення коефіцієнту використання металу. В результаті проведених досліджень досягнута поставлена мета роботи - підвищено якість вісесиметричних заготовок з глухим отвором, отриманих зворотним видавлюванням та формуванням внутрішніх шліцьових поверхонь.

1. На основі аналізу технологій холодного пластичного деформування показана недостатність експериментальних даних про вплив об'ємності схеми напруженого стану на пластичність деформованих металів. Тому необхідне удосконалення методів досліджень і проектування технологічних процесів для яких характерна однотипність схеми напруженого стану, а також обґрунтування вибору показників, що безпосередньо описують вплив історії навантаження на пластичність при об'ємному напруженому стані.

2. Уточнено метод розрахунку напружено-деформованого стану при зворотному видавлюванні при створенні математичної моделі, яка базується на розв'язку системи диференційних рівнянь рівноваги для вісесиметричної деформації, умови пластичності, а також функцій, які по своїй будові близькі до функцій току. Встановлено вплив схеми та основних параметрів процесу зворотного видавлювання на ступінь використання та розподіл використаного ресурсу пластичності по об'єму деформуємої заготовки. При збільшенні відношення радіуса матриці до радіуса пуансона від 1,4 до 1,55 величина використаного ресурсу пластичності зменшується на 28 %. Даний підхід використано для вибору раціональних параметрів процесу на стадії його проектування.

3. Розроблено експериментально-розрахунковий метод визначення напружено-деформованого стану при зворотному видавлюванні, який включає в себе метод ділильних сіток, систему диференціальних рівнянь рівноваги для вісесиметричної деформації, інтегральне рівняння рівноваги, а також враховує зміцнення металу.

4. Удосконалено метод оцінки деформуємості заготовок при об'ємному напруженому стані, який має місце при зворотному видавлюванні шляхом використання поверхні граничних деформацій замість діаграм пластичності, що дозволило уточнити розрахунок використаного ресурсу пластичності.

5. Досліджено напружено-деформований стан в новому технологічному процесі формування внутрішніх шліцьових поверхонь з глухим отвором. Удосконалено метод оцінки деформуємості виробів в процесі формування внутрішніх шліцьових поверхонь з глухим отвором шляхом врахування об'ємності схеми напруженого стану використовуючи вплив третього інваріанта тензора напружень на пластичність, що дозволило підвищити точність розрахунків використаного ресурсу пластичності на 25 %. Інформація про використаний ресурс пластичності дозволила рекомендувати найсприятливішу схему навантаження при формуванні внутрішніх шліцьових поверхонь з глухим отвором - комбіновану (яка враховує характер прикладання навантаження), введення проміжних відпалів в процесі формування внутрішніх шліцьових поверхонь з глухим отвором, а також рекомендувати перехід до схеми деформування з обмеженою осьовою течією металу.

6. Розроблено метод побудови діаграми пластичності, що враховує особливості локалізації деформації при випробуванні матеріалів на розтяг. Метод базується на аналізі напружено-деформованого стану в шийці розтягнутого зразка в області локалізації деформації без долучення гіпотези Хаара-Кармана і дозволяє визначити граничні деформації при розтягу пластичних матеріалів.

7. Розроблено елемент штампу (вкладиш з кільцевою проточкою) для зворотного холодного видавлювання виробів типу “стакан” з глухим отвором, за допомогою якого створюються умови гідростатичного тиску, внаслідок чого зменшується ступінь використаного ресурсу пластичності (на 40…50%) і градієнт деформації (в 4…5 разів), що покращує якість отримуваних заготовок і технологічну спадковість готових виробів.

8. Результати дослідження напружено-деформованого стану в процесах зворотного видавлювання при виготовленні циліндричних виробів типу “стакан” з глухим отвором та формування внутрішніх шліцьових поверхонь з глухим отвором, представлених у вигляді шляхів деформування в небезпечних областях, дозволяють рекомендувати моделювання вказаних процесів для інших матеріалів з відомою діаграмою пластичності.

9. Сформовані моделі досліджуваних матеріалів, параметри яких уточнені шляхом дослідження закономірностей накопичення пошкоджень при механічних випробуваннях.

10. Розроблені рекомендації щодо удосконалення процесу формування внутрішніх шліцьових поверхонь з глухим отвором використані в Інституті надтвердих матеріалів ім. В. Н. Бакуля НАН України (м. Київ). Результати досліджень, виконаних в умовах зворотного видавлювання без застосування гідростатичного підпору та з використанням останнього при формуванні циліндричних виробів типу “стакан” з глухим отвором, впроваджені та використані для виготовлення дослідної партії у відкритому акціонерному товаристві завод “Будмаш” (м. Вінниця). Окремі результати роботи використовуються в навчальному процесі Вінницького національного технічного університету і Вінницького державного аграрного університету.

Список опублікованих праць за темою дисертації Нікітіну І. Ю. вважати Кириця І. Ю. у зв'язку з одруженням і зміною прізвища.

1. Сивак І.О., Нікітіна І.Ю. Деформовність заготовок в процесі оберненого видавлювання // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2004. - № 6. - С. 70-73.

2. Кириця І.Ю. Процес формування внутрішніх шліцьових поверхонь у глухих отворах методом холодного пластичного деформування // Вісник Хмельницького національного університету. - 2007. - № 1. - С. 34-37.

3. Розенберг О.А., Студенец С.Ф., Мельниченко В.В., Кирица И.Ю. Деформируемость металла при формировании внутренних шлицевых поверхностей в глухих отверстиях методом холодного пластического деформирования (Сообщение 1) // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії: Зб. наук. праць. - Краматорськ, 2007. - № 1(7). - С. 117-120.

4. Огородников В.А., Сивак И.О., Кирица И.Ю. Определение напряженно - деформированного состояния и деформируемости заготовок при обратном выдавливании // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Зб. наук. праць. - Краматорськ, 2005. - С. 152 - 158.

5. Огородников В.А., Кирица И.Ю., Музычук В.И. Диаграммы пластичности и особенности их построения // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Зб. наук. праць. - Краматорськ, 2006. - С. 251 - 255.

6. Пат. 14662 А Україна, МПК⁷ B 21 J 13/02. Штамп для холодного зворотного видавлювання порожнистих виробів типу стакан / Огородніков В.А., Сивак І.О., Кириця І.Ю. - № 11932; Заявл. 12.12.2005; Опубл. 15.05.2006., Бюл. №5. - 2 с.

7. Нікітіна І.Ю. Дослідження кінематики процесу оберненого видавлювання // ХХХІІ наук.-тех. конференція проф.-виклад. складу, співробітників та студентів університету з участю працівників наук.-дослід. орг. та інженерно-тех. працівників підприємств м. Вінниці та області. Вінниця, 21 - 24 березня. 2003 р. - Вінниця, 2003. - С. 186.

8. Нікітіна І.Ю. Напружений стан при оберненому видавлюванні циліндричних заготовок // ХХХІІІ наук.-тех. Конференція проф.-виклад. складу, співробітників та студентів університету з участю працівників наук.-дослід. орг. та інженерно-тех. працівників підприємств м. Вінниці та області, присвяченої 80 - річчю професора І.В. Кузьміна. Вінниця, 21 - 24 березня. 2004 р. - Вінниця, 2004. - С. 140.

9. Кирица И.Ю. Оценка деформируемости заготовок при обратном выдавливании // Застосування теорії пластичності в сучасних технологіях обробки тиском і автотехнічних експертизах: Міжнар. науково - технічна конференція. Вінниця, 29 травня - 1 червня. 2006 р. - Вінниця, 2006. - С. 117-119.

10. Кирица И.Ю. Механика формирования внутренних шлицевых поверхностей в глухих отверстиях холодным редуцированием // Розвиток методів розрахунку, удосконалення технологій та обладнання процесів обробки металів тиском: науково - практична конференція присвячена пам'яті В.Ф. Потапкіна. Краматорськ, 25-28 квітня. 2007 р. - Краматорськ. - С. 73.

АнотаціЇ

Кириця Інна Юріївна. Удосконалення процесів холодного пластичного деформування при отриманні вісесиметричних заготовок з глухим отвором. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском. - Вінницький національний технічний університет, Вінниця, 2008.

Дисертація присвячена удосконаленню процесів холодного пластичного деформування при отриманні вісесиметричних заготовок з глухим отвором.

Робота направлена на розв'язання актуальних задач машинобудівного виробництва - забезпечення якості готових виробів та підвищення коефіцієнту використання металу.

У роботі досліджені технологічні процеси зворотного видавлювання циліндричних виробів типу “стакан” з використанням гідропідпору та формування внутрішніх шліцьових поверхонь в глухих отворах, профіль яких відповідає профілю елемента сервокерування гідротрансмісії в тихохідних машинах. Ці процеси об'єднує однотипність схеми напруженого стану (об'ємний напружений стан), а також спосіб формоутворення - холодне пластичне деформування, що полегшує створення розрахункового апарату, який дозволяє оцінювати граничне формозмінювання заготовок і забезпечити необхідну якість готових виробів. Використання гідропідпору в процесі зворотного видавлювання дозволило значно зменшити ступінь використано ресурсу пластичності.

Для удосконалення розглянутих технологічних процесів досліджено їх механіку. Детально проаналізована інформація про напружено-деформований стан, що дозволило дати кількісну оцінку використаного ресурсу пластичності, який визначає якість виробів. Методи дослідження напружено-деформованого стану і деформуємості заготовок в процесах з однотипною схемою напруження засновані на використанні математичної і прикладної теорії пластичності, а також феноменологічної теорії деформуємості. Використано також макроструктурний аналіз, метод твердості, експериментально-розрахунковий метод сіток та наближений інженерний метод.

Ключові слова: напруження, деформації, пластичність, граничне формоутворення, зворотне видавлювання, гідростатичний підпор, внутрішні шліцьові поверхні, якість виробів.

Кирица Инна Юрьевна. Усовершенствование процессов холодного пластического деформирования при получении осесимметричных заготовок с глухим отверстием. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - процессы и машины обработки давлением. - Винницкий национальный технический университет, Винница, 2008.

Диссертация посвящена усовершенствованию процессов холодного пластического деформирования при получении осесимметричных заготовок с глухим отверстием.

Работа направлена на решение актуальных задач машиностроительного производства - обеспечения качества готовых изделий и повышения коэффициента использования металла.

В работе рассмотрены и изучены технологические процессы обратного выдавливания цилиндрических изделий типа “стакан” и формирования внутренних шлицевых поверхностей в глухих отверстиях, профиль которых отвечает профилю элемента сервоуправления гидротрансмиссии в тихоходных машинах. Эти процессы объединяет однотипность схемы напряженного состояния (объемное напряженное состояние), а также способ формообразования - холодная пластическая деформация, что облегчает создание расчетного аппарата, позволяющего оценивать предельное формоизменение заготовок и обеспечивать необходимое качество готовых изделий.

При решении задач усовершенствования рассматриваемых технологических процессов исследовали механику вышеуказанных процессов, при этом детально проанализирована информация о напряженно деформированном состоянии, позволяющая дать количественную оценку использованного ресурса пластичности, определяющего качество изделий. Методы исследования напряжено-деформированого состояния и деформируемости заготовок в процессах с однотипной схемой напряжения базируются на использовании математической и прикладной теории пластичности, а также феноменологической теории деформируемости. Использовался также макроструктурный анализ, метод твердости, экспериментально-расчетный метод сеток и приближенный инженерный метод.

Получил дальнейшее развитие метод построения диаграмм пластичности материалов в области образования шейки при растяжении цилиндрических образцов. Метод основан на анализе напряжено-деформированого состояния в шейке растянутого образца в области локализации деформации без привлечения гипотезы Хаара-Кармана.

На основе теоретических и экспериментальных исследований процесса обратного выдавливания цилиндрических изделий типа “стакан” установлено, что опасными с точки зрения разрушения оказались точки при контакте пуансона с заготовкой. Использование гидростатического подпора позволило не только уменьшить степень использованного ресурса пластичности, а также получить более равномерное его распределение, тем самым повысив качество получаемых заготовок и улучшив технологическое наследие готовых изделий.

При оценке деформируемости заготовок учтены все три инварианта тензора и девиатора напряжений, что позволило с помощью феноменологических критериев разрушения оценить использованный ресурс пластичности, а соответственно дать рекомендации по повышению качества путем использования гидростатического подпора при обратном выдавливании изделий типа “стакан” и рекомендовать при формировании внутренних шлицевых поверхностей с глухим отверстием наиболее благоприятную схему нагружения - комбинированую, введение промежуточных отжигов, а также представляет практический интерес возможность перехода к схеме деформирования с ограничением осевого течения металла.

Результаты исследования механики процессов обратного выдавливания изделий типа “стакан” и формирование внутренних шлицевых поверхностей в глухих отверстиях, представленных в виде путей деформирования в опасных областях, позволяют рекомендовать моделирование указанных процессов для других материалов с известной диаграммой пластичности.

...