Размещено на http://www.allbest.ru/

Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ВИГОТОВЛЕННЯ БАГАТОГРАННИХ ТРУБ ГІДРОВИБУХОВИМ ШТАМПУВАННЯМ

Троцко Олег Валерійович

Луганськ - 2011

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Подальший інтенсивний розвиток космічної техніки, літакобудування, атомної енергетики, суднобудування, хімічної, засобів зв'язку й інших галузей промисловості вимагає створення нових високоміцних матеріалів і їхнього впровадження в цих галузях, що веде до різкого збільшення потужностей ковальсько-штампувального устаткування, необхідного для перетворення цих матеріалів у вироби. В ряді випадків це викликає розрив між потребами народного господарства й технологічними можливостями виробництва. Нові технологічні процеси імпульсної металообробки вже сьогодні розширили технологічні можливості виробництва й дозволили поліпшити якість машин і виробів, що випускаються.

У заготовельно-штампувальних цехах галузевих заводів, виробляються десятки тисяч видів деталей з листового металу, профілів і труб з різних матеріалів, що становить близько 60% загальної номенклатури всіх деталей. Проблематичними залишаються процеси виготовлення деталей складної форми з товстолистових матеріалів, що не можуть бути відштамповані за допомогою двоінструментної схеми (тверді пуансонматриця), а існуюче устаткування для виготовлення цих деталей із застосуванням гідростатики або інших методів надзвичайно дороге, складне й у багатьох випадках ненадійне.

В зв'язку з цим виробництво покладає більші надії на імпульсні методи обробки, які вже міцно завоювали позиції в одиничному й дрібносерійному виробництві, а в деяких випадках є єдиним методом одержання деталей з листових матеріалів. Маючи необмежені енергетичні можливості, високу мобільність та інші переваги, ці методи могли б зробити технічну революцію в галузі обробки металів і одержання нових матеріалів, якби процеси обробки вибухом можна було ввести в серійне й масове виробництво, механізувати й автоматизувати їх, збільшити стійкість оснащення й терміни служби устаткування, привести у відповідність питання обслуговування установок і безпеки робіт, що проводяться на них.

Значні труднощі виникають при виготовленні товстолистових деталей з циліндричних заготовок, зокрема багатогранних труб в тому числі з циліндричним кінцем. Існуючі технології їх виготовлення мають низьку продуктивність, пов'язану зі значними затратами ресурсів, матеріалу та інструменту. Тому виникає потреба в дослідженнях пов'язаних з розробкою технології виготовлення багатогранних труб з циліндричних заготовок.

Таким чином, тема дисертаційної роботи присвяченої удосконаленню та розробці технології виготовлення багатогранних труб на основі моделювання процесу імпульсного деформування та застосування способу гідровибухового штампування у розбірних матрицях є актуальною.

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

Дисертація виконана в рамках тематичних планів науково-дослідних робіт кафедри технології машинобудування Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського. Робота відповідає вимогам закону України «Про пріоритетні напрями розвитку науки й техніки», п. 6 статті 7 «Новітні технології й ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості й агропромисловому комплексі». В основу дисертації покладені результати науково-дослідних робіт виконаних за участю автора в Кременчуцькому національному університеті імені Михайла Остроградського протягом 20032010 років, а також як виконавця: держбюджетна науково-дослідна робота 23Д/11-ТМаш № держ. рєєстрації 0111U001901 і госпдоговірна науково-дослідна робота 202/10ТМаш-Кредмаш.

Мета і завдання досліджень. Мета роботи - підвищення ефективності процесів штампування багатогранних труб на основі розробки та удосконалення процесів гідровибухового штампування та конструювання технологічного оснащення, що забезпечує підвищення якості та зниження собівартості продукції.

Відповідно до цієї мети в роботі поставлені й розв'язані наступні завдання:

надана оцінка техніко-економічних показників, технологій одержання багатогранних товстостінних труб методами обробки металів тиском;

виявлені механізм та закономірності деформації товстостінної циліндричної заготовки шляхом формалізації залежності параметрів ударно-хвильового навантаження імпульсно-деформованого елемента, для визначення деформацій по стінках заготовки;

розроблені числові математичні моделі й програмні засоби автоматизованого розрахунку параметрів вибухового навантаження й пружно-деформованого стану формозміни товстолистових багатогранних труб з холоднотягнутих циліндричних заготовок з мідних сплавів;

проведена експериментальна перевірка розроблених математичних моделей, прийнятих допущень і отриманих аналітичних залежностей;

розроблені й апробовані технічні рішення й практичні рекомендації, спрямовані на підвищення техніко-економічних показників процесу гідровибухового штампування й технологічного оснащення для виготовлення багатогранних труб з мідних сплавів.

Об'єкт дослідження. Технології й оснащення для штампування багатогранних труб.

Предмет дослідження. Параметри процесів, конструкції оснащення і закономірності підвищення ефективності виготовлення багатогранних труб гідровибуховим штампуванням з товстолистових трубчастих заготовок.

Методи дослідження. У роботі використано метод дослідження, що містить теоретичний аналіз і експериментальну перевірку прийнятих гіпотез та отриманих результатів.

Основу теоретичних досліджень становлять: основні положення механіки суцільних середовищ, теорії пластичності, фізики вибуху, метод спільного рішення рівнянь рівноваги й пластичності, наближений метод розв'язання динамічної задачі пружно-пластичного деформування з числовою реалізацією кінцево-різницевого аналога диференціальних рівнянь руху заготовки при здійсненні операції роздачі вибухом.

Застосовано сучасні методи вимірювання з використанням сучасної апаратури й обробки експериментальних даних, використано тензометричний метод вимірювання динамічних деформацій і параметрів вибухового навантаження з використанням п'єзоелектричних датчиків.

Наукова новизна роботи. Полягає в наступному:

дістало подальший розвиток механізм впливу параметрів ударно-хвильового навантаження й швидкісного режиму деформування при реалізації процесу формозміни багатогранних труб з циліндричних товстолистових заготовок з мідних сплавів;

удосконалено числові математичні моделі пружно-деформованого стану металу й розрахунку параметрів вибухового навантаження товстолистової циліндричної оболонки системою циліндричних зарядів, відмінною рисою яких є облік ударних навантажень при ударі заготовки об матрицю, нерівномірність деформаційного зміцнення матеріалу заготовки в процесі формозміни, а також дія поперечних хвиль навантаження й поперечний плин матеріалу від зон зіткнення контакту з матрицею, що дозволило прогнозувати остаточну форму відштампованої деталі й граничні радіуси в кутових зонах;

вперше на підставі теорії плину тонкого шару по твердих поверхнях стосовно умов ударно-хвильового навантаження одержані аналітична залежність радіальних напруг від товщини й густини матеріалу та швидкості зіткнення і залежність динамічних напружень у заготовці від параметрів вибухового навантаження, що дало можливість підвищити ефективність процесів штампування багатогранних труб.

Практичне значення отриманих результатів. Практичну цінність роботи представляють такі її результати:

розроблено технологію виготовлення квадратних гільз кристалізаторів із суцільнотягнених товстолистових циліндричних заготовок з мідних сплавів;

запропоновано способи формозміни циліндричних заготовок і технологічне оснащення, конструкції матриць і бандажів. Розроблено практичні рекомендації стосовно промислової технології формозміни гільз кристалізаторів;

теоретичні положення й результати досліджень упроваджені в навчальний процес при виконанні лабораторних робіт з курсів «Нові й високоефективні технології в машинобудуванні» і «Спеціальні процеси обробки металів тиском».

теоретичні розробки і практичні рекомендації в даний час використовуються на провідних підприємствах України: ВАТ «Крюківський вагонобудівний завод» м. Кременчук, ВАТ ХК «АвтоКрАЗ» м. Кременчук, ЗАТ НВП «Трансмаш» м. Кременчук, ТОВ НВП «Тангстен» м. Світловодськ.

Особистий внесок здобувача. Основні матеріали й результати досліджень отримані автором особисто. Результати досліджень опубліковані персонально й у співавторстві, автором розроблені методи розрахунку математичної моделі й програмні засоби для розрахунку пружно-деформованого стану процесу формозміни трубчастих заготовок. Запропоновано методи розрахунку параметрів навантаження й граничних деформацій у кутових зонах.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення й результати дисертаційної роботи доповідались, обговорювались й отримали позитивну оцінку на Міжнародній науково-технічній конференції «Технология и оборудование современного машиностроения» (м. Кременчук, КДПУ, 2006 р.); на VIII Міжнародній науково-технічній конференції «Авіа-2007» (м. Київ, НАУ, 2007 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції «Современное состояние использования импульсных источников энергии в промышленности» (м. Харків, «ХАІ», 2007 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції «Машини і пластична деформація металів» (м. Запоріжжя, Запорізький національний технічний університет, 2008 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції «Достижения и перспективы развития процессов и машин обработки давлением в металлургии и машиностроении» (м. Краматорськ, ДДМА, 2010 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми створення нових машин і технологій» (м. Кременчук, КДУ імені Михайла Остроградського, 2010 р.); на науково-технічних семінарах кафедри «Технологія машинобудування» КНУ імені Михайла Остроградського протягом 20052010 років.

Публікації. Матеріали дисертації викладені у 8 друкованих роботах у спеціалізованих виданнях ВАК України, у 1 тезах доповідей, подано заявку №u201106997 від 03.06.2011 р. на корисну модель «Пристрій для вибухового штампування багатогранних труб» та отримано позитивне рішення про видачу деклараційного патенту.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаної літератури й додатків.

Загальний обсяг роботи 181 сторінки, у тому числі 145 сторінок основного тексту, 61 рисунок і 11 таблиць, список використаних джерел з 138 найменувань на 13 сторінках і 2 додатків на 8 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета й завдання дослідження, наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, показано зв'язок роботи з науковими планами та темами, наведено відомості про особистий внесок здобувача, результати апробації та впровадження.

У першому розділі розглянуті найбільш ефективні способи виготовлення виробів з циліндричних заготовок та виконана систематизація існуючих методів виготовлення оболонок, принципіальних схем їх формозміни. При аналітичному огляді літератури окреслені етапи розвитку теорії процесів імпульсного деформування металів та групи завдань, що розв'язуються в цій області. Представлено аналіз методів розрахунку параметрів пружно-деформованого стану (ПДС) метала при виконані операцій роздачі листової циліндричної заготовки та силових і енергетичних параметрів вибухового навантаження. Проведено огляд експериментальних досліджень задля встановлення характеру плину матеріалу при роздаванні циліндричної заготовки в прямокутну і квадратну матриці.

Успішному розвитку процесів формозміни циліндричних заготовок сприяли роботи багатьох вітчизняних і зарубіжних учених: І.С. Алієва, В.Д. Голавлева, Г.Д. Деля, В.І. Дорошка, В.А. Євстратова, В.І. Єршова, М.Є. Зубцова, Є.І. Ісаченкова, В.В. Калюжного, В.Д. Кухаря, В.А. Огородникова, В.І. Стеблюка, М.Є. Тараненка, В.В. Чигиринського й ін. Значний внесок у розвиток теорії й удосконалення практики застосування процесів гідровибухового штампування внесли вчені Ю.Н. Алексєєв, О.Д. Антоненков, М.А. Анучін, В.К. Борисевич, В.І. Зав'ялова, Ю.С. Навагін, Р.В. Піхтовников, С.М. Поляк, Є.А. Попов. Безпосередньо в теорію процесів формозміни з використанням імпульсних джерел енергії циліндричних заготовок істотний внесок внесли Ю.Н. Алексєєв, Ф.З. Абдулін, В.К. Борисевич, С.А. Бичков, Є.А. Фролов і ін. Безпосередньо технологією магнітно-імпульсної роздачі багатогранних труб займалися В.Д. Кухар, С.П. Яковлев.

В результаті проведеного аналізу встановлено наступне:

в металургійній промисловості існує значна номенклатура товстостінних деталей, що представляють собою квадратну трубу з циліндричним кінцем, виготовлення яких є трудомістким і потребує значних матеріальних та енергетичних затрат;

існуючі методи та методики аналізу ПДС метала заготовки в процесі його роздачі в багатогранну матрицю не дозволяють в повній мірі врахувати: деформаційно-швидкісне зміцнення метала заготовки, умови ударно-хвильового навантаження заготовки при контакті з інструментом, наявність зон плаского, об'ємного й пружного ПДС на довжині заготовки, зміни товщини заготовки в кутових зонах та інші фактори;

при виборі та проектуванні технологічних процесів формозміни товстолистових циліндричних заготовок доцільно використовувати методи гідровибухового штампування, що потребує уточнення методів розрахунку технологічних параметрів процесу та конструктивних аспектів проектування штампової оснастки для умов виготовлення гільз кристалізаторів, виконаних у вигляді квадратної труби з циліндричним кінцем;

У другому розділі обґрунтовано напрямки і методи теоретичних та експериментальних досліджень процесів формозміни заготовок при імпульсному навантажені. Враховуючи, що деталі даного класу методом гідровибухового штампування раніше не виготовлялися, а деформації в кутових зонах близькі до граничних, навіть при умові їх рівномірності й те що геометрична подоба не забезпечує неадекватне моделювання процесу імпульсного деформування, дослідження було запропоновано почати з попередньої оцінки можливостей отримання гільз кристалізаторів. Визначено, що найбільш прийнятним методом, в якості універсального теоретичного аналізу процесу деформування трубчатої заготовки в квадратну трубу з циліндричним кінцем при впливі на заготовку імпульсного навантаження, є метод кінцевих різниць для інтегрування системи диференційних рівнянь, який добре узгоджується з рівняннями динаміки пружно-пластичних середовищ.

Для якісного аналізу пластичної деформації при імпульсному навантажені трубчастої заготовки з міді марки М2Р розглянуто її одномірний плин. Використано метод розв'язання наближених рівнянь рівноваги разом з умовою пластичності. Інерційні складові динамічних параметрів процесу було визначено з рівності імпульсу прикладеної до даної маси сили й елементарної енергії, необхідної для зміни швидкості деякої нескінченно малої маси у центрі деформації.

Для перевірки результатів числового моделювання технологічного процесу імпульсного деформування вибухом трубчастої заготовки запропоновано провести експерименти з використанням методу реєстрації динамічних тисків і напруг. Для вимірювання деформацій, що виникають при ударно-хвильових навантаженнях, і високочастотних деформацій використовується потенціометрична схема включення тензорезисторів, які живляться від джерела постійного струму. Апаратура для динамічного прикладення повинна мати необхідну чутливість, лінійність, стабільність, певні частотну й фазову характеристики.

Враховуючи, що реакція матеріалу на зовнішній динамічний вплив у технологічних процесах штампування, зміцнення й компактування вибухом досить різноманітна, кожний із процесів при комплексному розгляді поєднує процеси пружної й пластичної деформації, релаксації внутрішніх напружень, схоплювання, структурних і фазових перетворень, руйнування й компактування, характеризується аномально високим зміцненням і підвищенням деформованості.

У третьому розділі наведено класифікацію методів об'ємного формоутворення гільз кристалізаторів та виявлено переваги й недоліки цих методів. Визначено, що найкращим методом отримання гільз кристалізаторів є метод гідровибухового штампування.

Представлено формулювання загальної постановки задачі оптимальної гідровибухової формозміни циліндричної заготовки. Розв'язання задачі проводиться за умови мінімуму функціоналів Гауса, що відображують збіг кінцевої конфігурації поверхонь виробу і штампованої заготовки і різнотовщинності отриманої деталі. Внутрішнім циклом розв'язання задачі є визначення параметрів пружно-деформованого стану та кінематичних параметрів при впливі імпульсного навантаження. Розглядається заготовка, що складається з трьох зон: І зона зона, що здеформована в квадратну (багатогранну) трубу; ІІ зона перехідна зона, де відбувається сполучення квадратної труби з циліндричним кінцем; ІІІ зона зона циліндричного кінця. Обирається інерційна система декартових координат Y^j (j = 1, 2, 3), в якій задається положення заготовки, що штампується вибухом.

Заготовка покривається просторовою лагранжевою сіткою Х¹Х², яку зв'язуємо із серединною поверхнею. Використовуємо «вузлову схему», в якій усі шукані величини визначаємо у вузлових точках розрахункової сітки. При такій побудові різницевої схеми задовільно апроксимуються другі похідні за просторовими координатами. Переміщення вузлів серединної поверхні в початковий момент часу, визначаємо з рівняння руху заготовки, на наступних кроках інтегрування використовуємо розкладання в ряд Тейлора поблизу точки (  час). Положення кожного вузла серединної поверхні заготовки (переміщення заготовки в заданий момент часу) визначаємо як суму переміщень за кроком. За допомогою переміщень визначаються компоненти тензора прирощення деформацій через прирощення тензора кривизни.

Враховуючи, що заготовка товстостінна й те що у випадку великої швидкості деформації остання локалізується в поверхні прикладання імпульсного навантаження, прирощення тензора деформацій на пружну, пластичну й інерційну компоненти, остання знаходиться або при завданні закону розподілу інерційних деформацій за товщиною, або з використанням багатошарової моделі. В останньому випадку заготовку поділяємо на 810 шарів рівної товщини, де сконцентровано матеріал. За прирощенням деформацій в кожному вузлі та шарі дослідної заготовки визначаємо напруження. Пружні компоненти тензора напруг визначаються з узагальненого закону Гука. Прирощення пластичних компонент тензора напруг, визначається за теорією пластичного потенціала. Умову плину використовуємо у формі ГубераМізесаГенки. Для І і ІІІ зони вона записується як для плаского пружного стану, для ІІ зони як для об'ємного пружного стану. Після визначення напруг в кожному шарі і в кожному вузлі сітки, проводиться обчислення нормальних сил та згинаючих моментів , враховуючи, що товщина стінки заготовки не велика ( 0,5).

Розв'язання задачі проводимо за умови мінімуму швидкісного функціоналу W, що характеризує різницю між дійсним та потрібним значеннями швидкостей підходу m, n - го вузла заготовки до поверхні матриці:

,(1)

де , відповідно необхідна (потрібна) і дійсна швидкості підходу m, n - го вузла заготовки до поверхні матриці.

Необхідна для виготовлення деталі потрібної конфігурації швидкість підходу заготовки до поверхні матриці знаходиться за умови мінімальної різнотовщинності деталі:

,(2)

де відносна зміна товщини деталі; , відповідно максимальна та мінімальна товщини заготовки; початкова товщина заготовки; абсолютна зміна середньої товщини стінки заготовки при формозміні.

Початковий імпульс, прикладений до заготовки задаємо у вигляді:

,(3)

де час дії імпульсу тиску; , , відповідно маса, початкове прискорення й відстань, пройдена найбільш віддаленим від поверхні матриці вузлом заготовки.

Протилежна задача визначення потрібного імпульсного силового навантаження зводиться до розв'язання задачі математичного програмування з цільовою функцією у вигляді квадратичних функціоналів Гауса.

Визначення координат і маси зарядів вибухової речовини проводиться градієнтним методом за аналогією до задачі визначення потрібного навантаження.

Встановлення механізму деформації циліндричної заготовки проводилося з використанням інженерного методу.

Для розв'язання задачі вісесиметричного деформування стінки труби приймемо, що процес проходить в три етапи. Перший етап - вісесиметричний рух стінки труби до зіткнення з матрицею. На цьому етапі приймемо припущення про можливість нехтування енергією деформації мідної труби, у порівнянні з кінетичною енергією її руху. Другий етап - інерційний рух заготовки та її зіткнення з поверхнею матриці. Закономірності другого етапу обумовлені тим, що час дії вибуху складає десятки мікросекунд, а деформування заготовки мілісекунди. Третій етап деформація заготовки після зіткнення з матрицею.

Рівняння руху елемента труби під впливом змінного тиску:

,(4)

де b(r) - товщина стінки труби; _м - щільність матеріалу труби; t - час;

r - поточний радіус труби; P_m - тиск на поверхні заготовки в момент виходу ударної хвилі на її вільну поверхню; постійна часу спаду тиску продуктів детонації.

Розв'язання рівняння руху елемента труби під дією змінного тиску:

,(5)

де r₀ - радіус труби; m - маса одиниці площі труби.

Рис. 1. Елемент труби на радіусі заокруглення	Рис. 2. Елемент пласкої ділянки труби

Рівняння рівноваги труби на радіусі заокруглення:

,(6)

де , відповідно радіальна та широтна напруги в стінці труби;

товщина даного елемента заготовки.

Рівняння рівноваги пласкої ділянки труби:

.(7)

Його рішення має вигляд:

,(8)

де ; р ? тиск, що діє на внутрішню поверхню заготовки при вибуху; ? коефіцієнт Лоде; ? межа плинності; R ? радіус внутрішньої поверхні заготовки; максимальна напруга при ударі:

.(9)

Швидкість переміщення заготовки в момент зіткнення з поверхнею матриці:

,(10)

де U_x - масова швидкість заготовки в момент виходу ударної хвилі на її поверхню.

Значення P_m максимального тиску:

,(11)

де Q маса вибухової речовини; R дистанція вибуху.

Значення постійної часу спаду тиску в ударній хвилі:

.(12)

Результати розрахунку процесу деформування заготовки в квадратну матрицю представлені на рис. 3 і рис. 4.

Рис. 3. Положення поперечного перерізу заготовки в дискретні моменти часу: 1 240мкс; 2 480мкс; 3 720мкс; 4 960мкс	Рис. 4. Залежність інтенсивності напруг від часу

У четвертому розділі наведено результати та описано комплекс експериментальних досліджень для визначення поля зовнішнього навантаження. Визначено залежності розподілу тиску та його імпульсу по утворюючій від величини заряду. Залежності представлені у вигляді графіків рис. 6, 7.

Модельне оснащення це товстостінний циліндр 450 мм і висотою 250 мм. В оснащенні підривався заряд вибухової речовини, що розташовувався по осі на відстані, що дорівнює половині висоти. Проводилося вимірювання поля тиску уздовж утворюючої залежно від часу.

Вимірювальний комплекс і схема установки зображені на рис. 5. Вимірювання тиску від часу проводилося за допомогою п'єзоелектричного стрижневого перетворювача. Запис сигналу проводився на осцилограф. Розшифровка отриманих осцилограм, їх обробка проводилася з використанням апарата математичної статистики. Побудовані залежності Р= f(G) і J = f(G) та розподілу тиску і імпульсу по утворюючій для даного оснащення, геометрія якого є копією реального оснащення, що використовується для штампування серійних деталей.

Рис. 5. Вимірювальний комплекс (а) і схема установки (б): 1 датчик "612"; 2 датчик "621"; 3 датчик "611"

Рис. 6. Розподіл тиску С й імпульсу тиску J по утворюючій: 1заряд 3 г; 2заряд 5 г; 3заряд 7,5 г; 4заряд 10 г; 5 два заряди по 10 г

Із графіків видно, що тиск розподілено по утворюючій нерівномірно. Максимальні тиски виникають на відстані = 0,5, тому що тут мінімальна дистанція до вибухової речовини. За теорією, тиски у точках = 0 і = 1,0 повинні бути рівні, але цього не спостерігається, так як кільцеве оснащення стоїть на металевій плиті, що утворює дно. Тому виникаючі відбиті хвилі мають Р_max у дна вище, ніж у верхнього зрізу оснащення. Відповідно зі збільшенням величини заряду тиск і імпульс тиску зростають по всій утворюючій.

Для перевірки результатів числових розрахунків проводилося вимірювання деформацій. У якості тензоперетворювачів використовувалися стандартні датчики 2ФКПА3100ГВ і спеціальні датчики ФК2100 розроблені з базою виміру 210^-3 м, опором 86100 Ом, чутливістю що дорівнює двом.

Досліджувалися різні положення датчиків, проводилося їх тарування, оцінювалися статичні й динамічні гранично можливі деформації, для вимірювання використовувалася спеціальна високочастотна апаратура. При вимірюванні динамічних деформацій і проведенні статичного тарування застосовувався спеціально спроектований високочастотний тензопідсилювач.

На рис. 7 зображені характерна осцилограма виміру поперечних деформацій залежно від часу. Масштаб за часом 10010^-6 с, деформації 2,0•10^-2 в клітинці.

Рис. 7. Осцилограма зміни поперечних деформацій залежно від часу в центральній точці заготовки



Рис. 8. Відформований зразок (а) і технологічне оснащення (б)

Було встановлено що процес деформування являє собою складну картину. Навантаження, а отже, і процес руху заготовки нерівномірний. Однак для деформацій, у порівняні з переміщеннями, цей процес виражений менш яскраво.

Суттєвий вплив на деформацію кутових зон квадратної труби здійснює форма заряду вибухової речовини. Експериментально визначено, що при наближені форми перетину заряду до квадратної, деформації в кутових зонах збільшуються й спостерігається руйнування на ділянках сполучення радіусу заокруглення з прямолінійною стінкою.

В результаті експериментів також встановлено вплив величини заглиблення заряду на формування циліндричного кінця і периферійних зон квадратної труби, а також відстані між двома циліндричними зарядами на формування центрального перетину квадратної труби.

У п'ятому розділі наведені результати апробації і впровадження у виробництво. Наведено рекомендації щодо вибору вибухових камер. Запропоновано конструкції технологічного оснащення. Наведені виробничі випробування.

Для вибухового штампування дослідної партії гільз кристалізаторів використовувалась матриця, що складалася з чотирьох плит зі сталі 45, бандажованих стяжками (рис. 9).

Матриця 1 у складеному вигляді встановлювалася на килимок з еластичної гуми, який розташовувався на металевій плиті. У порожнину циліндричної заготовки заливалась вода 2 й поміщався заряд вибухової речовини з електродетонатором (рис. 10).

Рис. 9. Матриця з трубчастою заготовкою: 1 - заготовка гільзи кристалізатора; 2 - плита; 3 - бандаж матриці	Рис. 10. Схема процесу штампування гідровибухом гільз кристалізаторів: 1 - складена матриця; 2 - заготовка гільзи кристалізатора; 3 - передавальне середовище; 4 - заряд вибухової речовини з електродетонатором; 5 - елементи бандажа матриці

Використовувалися два циліндричні заряди, з'єднані детонуючим шнуром. Відстань між зарядами й глибина їх занурення приймалася таким чином, щоб деформація охоплювала весь об'єм. Підрив зарядів проводився від центра детонуючого шнура. Необхідно зазначити, що при штампуванні вибухом гільз кристалізаторів відбувається не тільки формозміна заготовки, а й деформаційно-швидкісне зміцнення її матеріалу (міді). Максимальне зміцнення міді досягається при тисках порядку 23-25 ГПа. Відбувається підвищення тимчасового опору й границі плинності в 1,251,7 раза, а твердості в 2 рази.

Відштамповані деталі показані на рис. 11.



Рис. 11. Гільзи кристалізаторів

багатогранний труба циліндричний формозміна

Товщина стінки готової деталі кристалізатора по всьому периметру квадрата однакова й становить 10 мм, тобто в кутових зонах стоншення стінки таке саме, як і на прямолінійних ділянках. Це свідчить про рівномірність деформації стінки заготовки.

Виконувались маркетингові дослідження та розрахунок економічної ефективності запропонованої технології. За розрахунками очікуваний ефект буде становити приблизно 200 у.о. на одну гільзу.

Таким чином, були сформовані наступні положення: штампування вибухом мідних гільз кристалізаторів доцільно виконувати за один перехід; гільзи, отримані методом гідровибухового штампування, не потребують додаткової обробки внутрішньої поверхні; різностінність гільз відсутня; розроблена технологія забезпечила підвищення ефективності виробництва, покращення якості, зниження металоємності.

Запропоновані різні варіанти технологічної оснастки для виготовлення багатогранних труб. Головна перевага якої універсальність і висока стійкість щодо дії ударно-хвильових навантажень.

Результати роботи використані на провідних підприємствах України: ВАТ «Крюківський вагонобудівний завод» м. Кременчук, ВАТ ХК «АвтоКрАЗ» м. Кременчук, ЗАТ НВП «Трансмаш» м. Кременчук, ТОВ НВП «Тангстен» м. Світловодськ.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота є завершеною науково-дослідною роботою, в якій здійснено вирішення актуальної наукової задачі, що полягає у підвищенні ефективності процесів штампування багатогранних труб з товстолистових трубчастих заготовок з мідних сплавів методами гідровибухового штампування у металургії й машинобудуванні, для підвищення ефективності даного технологічного процесу і якості штампованих деталей.

У процесі виконання роботи отримані наступні наукові висновки та практичні результати:

1. На основі аналізу існуючих технологій, устаткування й технологічного оснащення виготовлення товстостінних багатогранних труб і тенденцій їхнього розвитку встановлено, що найбільш ефективно (за техніко-економічними показниками) використовувати метод гідровибухового штампування в розбірних бандажованих матрицях, для успішного освоєння якого необхідно розвивати математичні моделі розрахунку пружно-деформованого стану й параметрів навантаження; спрощені методи розрахунку динаміки взаємодії стінок трубчастої заготовки, що обґрунтовують суть явищ, які відбуваються під час високошвидкісної деформації, методики і рекомендації щодо проектування технологій і технічного оснащення.

2. На основі теорії плинності тонкого шару по твердих поверхнях з урахуванням динамічних явищ, що відбуваються при високошвидкісному деформуванні, установлено характер плинності металу заготовки, пов'язаний з виникненням поперечних хвиль навантаження при її зіткненні з матрицею, при якій забезпечується рівномірність деформацій по товщині отриманої деталі, у тому числі й у кутових зонах.

3. З використанням числових методів розв'язання рівнянь кінцево-різницевої форми за умови динамічної рівноваги, виділених елементарних обсягів з масою, прикладеної до вузлів Лагранжевої сітки, отриманих шляхом розбивки зони пластичного плину по двох взаємно-перпендикулярних площинах з наступною трансформацією, одержала розвиток математична модель пружно-деформованого стану формозміни пружно-пластичного матеріалу, що має можливість деформаційно й кінематично зміцнюватися при реалізації процесу роздачі трубчастої заготовки в багатогранну трубу з урахуванням ударної взаємодії вузлів заготовки зі стінками матриці.

4. На основі методу кінцевих різниць визначено оптимальне поле імпульсно-прикладеного до заготовки навантаження для забезпечення прилягання останньої за відсутності в ній різностінності й за одну штампувальну операцію до профілю матриці з використанням оптимизаційного пошуку, заснованого на методі градієнтів другого порядку.

5. Адекватність математичного моделювання динаміки пружно-пластичного деформування товстолистової циліндричної заготовки дозволила зробити висновок, що експериментальні значення кінематичних і силових параметрів процесу імпульсного деформування належать закону нормального розподілу; відтворюваність експерименту підтверджується критерієм Кохрена; адекватність математичного моделювання для визначення кінематичних і силових параметрів підтверджується критерієм Фішера при довірчій імовірності 0,95; межі похибки, розраховані за дисперсією адекватності, складають ±4,6 % для кінематичних параметрів й ±14,2 % для тисків системи зарядів вибухової речовини при рівні значимості 0,05.

6. Встановлено, що застосування системи двох циліндричних зарядів забезпечує оптимальне поле тисків і повне прилягання торця й зони сполучення відштампованих гільз кристалізаторів до профілю матриці при зануренні верхнього заряду щодо вільної поверхні води на глибину більшу (1,810,26)D₀ діаметра заряду вибухової речовини й нижнього (2,40,28)D₀ до торця заготовки. Відстань між зарядами не повинна перевищувати (2,560,224)D₀.

7. На основі теоретичних і експериментальних досліджень встановлено:

усунення поперечної різнотовщиності квадратних гільз кристалізаторів забезпечується при погонній масі заряду вибухової речовини, в межах 7,8-8,15% від погонної маси заготовки при відстані заготовки до поверхні заряду вибухової речовини (0,44-0,52)D₀;

мінімально досяжний радіус сполучення стінок квадратної труби досягає 0,82₀ товщини стінки труби.

8. Розроблено рекомендації щодо проектування технологічних процесів гідровибухового штампування й технологічного оснащення для виробництва багатогранних труб. Результати роботи використані на підприємствах: ВАТ «Крюківський вагонобудівний завод» м. Кременчук, ВАТ ХК «АвтоКрАЗ» м. Кременчук, ЗАТ НВП «Трансмаш» м. Кременчук, ТОВ НВП «Тангстен» м. Світловодськ.

Отримані результати показали, що очікуваний економічний ефект складатиме 120180 тис. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Троцко О.В. Многофакторность физических явлений при взрывной металлообработке / В.К. Борисевич, В.В. Драгобецкий, О.В. Троцко // Авиационно-космическая техника и технология: научно-технический журнал / М-во освіти і науки України, Нац. аерокосм. ун-т ім. М.Є. Жуковського «ХАІ». - Х., 2007. - Вып. 11(47). - С. 62-73.

2. Троцко О.В. Уточнение метода расчета двумерной задачи механики процесса листовой штамповки заготовки прямоугольного контура в плане / О.В. Троцко, В.В. Драгобецкий, А.А. Плющ // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - Луганськ., 2007. - № 7(113). - С. 29-32.

3. Троцко О.В. Выбор оптимальных параметров деформации при формоизменении листовых заготовок в процессе вытяжки // В.В. Драгобецкий, О.В. Троцко, Е.А. Наумова, Ю.А. Бойко // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. Володимира Даля. - Луганськ, 2008. - № 6(124), ч. 1. - С. 22-25.

4. Троцко О.В. Метод расчета оптимального процесса формоизменения листовых деталей вагонных конструкций / О.В. Троцко // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. - Кременчук, 2008. - № 1(48), ч. 2. - С. 40-44.

5. Троцко О.В. Оптимизация геометрических и технологических параметров процесса формоизменения листовых деталей с рациональным выбором интенсифицирующих факторов / В.В. Драгобецкий, Н.Н. Мороз, О.В. Троцко // Вестник национального технического университета «ХПИ». - Х., 2009. - № 32. - С. 38-43.

6. Троцко О.В. Упрощенный метод расчета работы деформирования при изготовлении многогранных толстостенных труб взрывной штамповкой / Н.Н. Мороз, О.В. Троцко, В.В. Драгобецкий // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. Володимира Даля. - Луганськ, 2010. - № 3(145), ч. 2. - С. 20-24.

7. Троцко О.В. Гидровзрывная штамповка медных гильз кристаллизаторов для непрерывной разливки стали / О. В. Троцко, В.В. Драгобецкий, Н.Н.Мороз // Обработка материалов давлением. - Краматорск, ДГМА. - 2010. - № 2 (23). - С. 131-136.

8. Троцко О.В. Новые триботехнологии плакирования с применением взрывного нагружения / В.В. Драгобецкий, О.В. Троцко, Д.Л. Пирогов // Матеріали VIII Міжнародної науково-технічної конференції «Авіа-2007», 2527 квітня 2007 р. - К., 2007. - С. 32.60-32.63.

9. Троцко О.В. Развитие комбинированных методов обработки с использованием импульсных источников энергии / В.В. Драгобецкий, О.В. Троцко, Д.Л. Пирогов, О.Б. Марцинюк // Современное состояние использования импульсных источников энергии в промышленности: междунар. науч.-техн. конф., 35 окт. 2007 г.: тезисы докл. - Х., 2007. - С. 9192.

Размещено на Allbest.ru

...