Научное обоснование технологических решений изготовления крупногабаритных осесимметричных деталей ответственного назначения из высокопрочных анизотропных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Научное обоснование технологических решений изготовления крупногабаритных осесимметричных деталей ответственного назначения из высокопрочных анизотропных материалов

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

Поликарпов Е.Ю.

Тула 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» и ЗАО «Завод экспериментального машиностроения ракетно-космической корпорации «Энергия» имени С.П. Королева»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Яковлев Сергей Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Калпин Юлий Григорьевич;

доктор технических наук, профессор

Субич Вадим Николаевич;

доктор технических наук, профессор

Сосенушкин Евгений Николаевич

Ведущая организация: ФГУП «Государственное научно-производственное предприятие «Сплав», г. Тула.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важной проблемой, стоящей перед современным машиностроением, является повышение эффективности и конкурентоспособности процессов изготовления изделий из металлов и сплавов методами обработки давлением, обеспечивающими необходимые эксплуатационные характеристики. Это актуально и для ракетно-космической техники, и для других отраслей промышленности.

Типовыми конструкциями изделий этих производств являются корпусные оболочки из листовых заготовок (оболочки емкостей, корпусные детали, сосуды высокого давления, днища баков, полуторы и т.д.). Эти конструкции требуют применения высокопрочных материалов, трудоемких в обработке. К таким материалам относятся специальные титановые и высокопрочные алюминиевые сплавы. Для изготовления тонкостенных днищ баков и полуторов из подобных материалов обычно используют многооперационную ступенчатую вытяжку в сочетании с реверсивной вытяжкой.

Качество обработки влияет на тактико-технические характеристики изделий и их надежность. Трудоемкость производства в настоящее время велика и составляет 70…80 % общей трудоемкости изделия. При этом требуется парк оборудования различного назначения: для прессования, сварки, электроэрозионной и механической обработки, сборки стапелей и др.

Методы технологической обработки на базе резания, сварки, соединения клепкой, сваркой, пайкой не всегда обеспечивают требуемый уровень качества, который определяется удельной прочностью изделий, точностью геометрии форм, герметичностью, коррозионной стойкостью, уровнем повреждаемости материала на стадиях обработки. При этом не маловажны расход основных материалов и трудоемкость производства.

В различных отраслях машиностроения, в частности наземном оборудовании ракетно-космической техники, широкое распространение нашли толстостенные осесимметричные детали, имеющие внутренние полости, изготавливаемые вытяжкой и вытяжкой с утонением стенки из листовых заготовок, а также операцией обратного выдавливания трубных заготовок.

Прокат, используемый для процессов холодного деформирования, как правило, обладает анизотропией механических свойств, которая зависит от физико-химического состава сплава, технологии его получения и температуры обработки. Анизотропия механических свойств заготовки оказывает существенное влияние на силовые, деформационные параметры процессов обработки металлов давлением, на качество получаемых изделий.

Технологические режимы пластического деформирования определяют степень формообразования, влияют на устойчивость деформаций, развитие несплошности материала и возможное разрушение. Они формируют качество изделий, что связано с анизотропией механических свойств, упрочнением материала, локальной потерей устойчивости заготовки и т.д. В этой связи научное обоснование технологических решений изготовления крупногабаритных осесимметричных деталей ответственного назначения методами пластического формоизменения на основе развития теории деформирования листовых и трубных заготовок, учитывающих анизотропию механических свойств, упрочнение материала заготовки, термомеханические режимы формоизменения и другие особенности процессов обработки металлов давлением, является крупной научно-технической проблемой большого народнохозяйственного значения.

Работа выполнена в соответствии с заказами Российского космического агентства, Департамента ракетно-космической промышленности Российской Федерации, с научно-технической программой «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» Минобразования Российской Федерации, грантом Президента РФ на поддержку ведущих научных школ на выполнение научных исследований (грант № НШ-4190.2006.8), государственным контрактом Федерального агентства по науке и инновациям № 02.513.11.3299 (2007 г.), грантами РФФИ № 05-01-96705 (2005-2006 гг.) и № 07-01-96409 (2007-2009 гг.) и научно-техническими программами Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 гг.)» (проект № РНП 2.1.2.8355) и «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.)» (проекты № РНП 2.1.2/730 и № РНП 335), Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (2009-2013 гг.)» (проект № П1123), а также рядом хоздоговорных работ с машиностроительными предприятиями Российской Федерации.

Цель работы. Создание и освоение производства крупногабаритных осесимметричных деталей ответственного назначения типа полусферических и полуторовых днищ, диафрагм, корпусных и толстостенных осесимметричных деталей, изготавливаемых обработкой металлов давлением, обеспечивающей повышение качества и эксплуатационных характеристик деталей, снижение металлоемкости, трудоемкости, сокращение сроков подготовки производства.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи исследований:

1. Разработка уравнений и соотношений для теоретического анализа операций пластического формообразования крупногабаритных осесиметричных деталей ответственного назначения из анизотропных листовых и трубных заготовок.

2. Разработка критерия потери устойчивости трубных заготовок, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, в виде образования симметричных складок при их осадке.

3. Создание математических моделей первой и многоступенчатой вытяжек, реверсивной вытяжки осесимметричных деталей с фланцем из трансверсально-изотропных материалов с учетом изменения толщины заготовки и упрочнения материала заготовки в процессе пластической деформации.

4. Разработка математических моделей вытяжки с утонением стенки толстостенных цилиндрических заготовок и обратного выдавливания толстостенных трубных заготовок, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, протекающих в условиях осесимметричного нерадиального течения материала.

5. Выявление теоретическим и экспериментальным путем влияния анизотропии механических свойств исходных материалов, технологических параметров, геометрических размеров заготовки и инструмента, степени деформации, условий трения контактных поверхностей инструмента и заготовки на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния заготовки, силовые режимы и предельные возможности формоизменения и формирование показателей качества изготавливаемых осесимметричных деталей (степени использования ресурса пластичности и разностенности).

6. Выполнение экспериментальных исследований многоступенчатой вытяжки, реверсивной вытяжки осесимметричных деталей с фланцем, вытяжки с утонением стенки толстостенных заготовок, а также обратного выдавливания трубных заготовок с целью оценки работоспособности предложенных математических моделей по силовым режимам и предельным возможностям формоизменения.

7. Выявление влияния кристаллографической текстуры на коэффициент нормальной пластической анизотропии гексагональных плотноупакованных (ГПУ) металлов. Исследование изменения текстуры многопереходной вытяжки полусферических днищ из листов титанового сплава ПТ-3Вкт.

8. Разработка научно обоснованных рекомендаций по выбору технологических параметров операций многоступенчатой вытяжки, реверсивной вытяжки крупногабаритных осесимметричных деталей с фланцем, вытяжки с утонением стенки и обратного выдавливания толстостенных заготовок из анизотропных материалов.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий теоретический анализ и экспериментальную проверку полученных результатов в лабораторных и производственных условиях.

Теоретические исследования первой и последующих операций многоступенчатой вытяжки, реверсивной вытяжки осесимметричных деталей с фланцем из трансверсально-изотропных материалов, вытяжки с утонением стенки и обратного выдавливания толстостенных заготовок, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, выполнены с использованием основных положений механики деформируемого твердого тела и теории пластичности жесткопластического анизотропного тела; анализ напряженного и деформированного состояний заготовки осуществлен численно методом конечно-разностных соотношений с использованием ЭВМ путем совместного решения дифференциальных уравнений равновесия, уравнений состояния и основных определяющих соотношений при заданных начальных и граничных условиях. Критерий потери устойчивости трубных заготовок из анизотропных материалов в виде образования симметричных складок разработан на основе статического критерия устойчивости. Предельные возможности формоизменения исследуемых процессов деформирования оценивались по величине максимального растягивающего напряжения на выходе из очага пластической деформации или сжимающего напряжения на входе в очаг пластической деформации, по степени использования ресурса пластичности, критериев локальной потери устойчивости и по условию потери устойчивости анизотропной трубной заготовки в виде образования симметричных складок.

Экспериментальные исследования выполнены с использованием современных испытательных машин (универсальная испытательная машина
«МИРИ-200К», испытательные машины Р-5 и ГМС-50) и регистрирующей аппаратуры; обработка опытных данных осуществлялась с применением методов математической статистики и теории планирования эксперимента. Текстура материала изучалась рентгеновским методом на дифрактометре ДРОН-0,5, применялся ультразвуковой толщиномер «Калипер-204».

Автор защищает:

- уравнения и соотношения для теоретического анализа операций пластического формообразования анизотропных листовых и трубных заготовок;

- критерий потери устойчивости трубных заготовок, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, в виде образования симметричных складок при ее осадке;

- математические модели первой и последующих операций многоступенчатой вытяжки, реверсивной вытяжки осесимметричных деталей с фланцем из трансверсально-изотропных материалов с учетом изменения начальной толщины заготовки в процессе пластического деформирования;

- математические модели операций вытяжки с утонением стенки цилиндрических заготовок в конических матрицах, обратного выдавливания толстостенных трубных заготовок коническим пуансоном, протекающих в условиях нерадиального течения и осесимметричного напряженного и деформированного состояний, из анизотропных материалов;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований первой и последующих операций многоступенчатой вытяжки, реверсивной вытяжки осесимметричных деталей с фланцем из трансверсально-изотропных материалов, вытяжки с утонением стенки цилиндрических заготовок в конических матрицах, обратного выдавливания толстостенных трубных заготовок, позволяющих выявить влияние анизотропии механических свойств исходных материалов, технологических параметров, геометрических размеров заготовки и инструмента, степени деформации, условий трения на контактных поверхностях инструмента и заготовки на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния заготовки, силовые режимы и предельные возможности деформирования;

- экспериментально выявленное влияние кристаллографической текстуры на коэффициент нормальной пластической анизотропии ГПУ металлов; результаты экспериментальных исследований по изменению текстуры многопереходной штамповки - вытяжки полусферических днищ из листов титанового сплава ПТ-3Вкт;

- результаты экспериментальных исследований листов и развивающейся текстуры детали из титанового сплава ПТ-3Вкт в процессе пластического деформирования рентгеновским методом; экспериментально выявленные рациональные режимы межоперационного отжига деталей из титанового сплава ПТ-3Вкт;

- разработанные рекомендации по выбору научно обоснованных технологических параметров операций многоступенчатой вытяжки, реверсивной вытяжки крупногабаритных осесимметричных деталей с фланцем из трансверсально-изотропных материалов, вытяжки с утонением стенки и обратного выдавливания толстостенных заготовок, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств;

- технологические процессы изготовления крупногабаритных тонколистовых полусферических днищ из высокопрочного титанового сплава ПТ-3Вкв многооперационной ступенчатой вытяжки, технологический процесс изготовления заготовок детали «Диафрагма» под калибровку и последующую ротационную вытяжку из алюминиевого сплава А5 операциями реверсивной вытяжки; технологический процесс изготовления точных заготовок типа полых цилиндров, имеющих внутренние полости, изделий ответственного назначения из стали 10 операциями обратного выдавливания; конкурентоспособный технологический процесс изготовления толстостенных цилиндрических полуфабрикатов для осесимметричных изделий ответственного назначения из стали 11ЮА операциями вытяжки с утонением стенки, обеспечивающими повышение качества детали, снижение металлоемкости, трудоемкости, сокращение сроков подготовки производства и повышение их эксплуатационных характеристик, а также методик их проектирования.

Научная новизна работы состоит в развитии теории деформирования листовых и трубных заготовок из анизотропных материалов и заключается в следующем:

Ш научно обоснованы технологические основы новых процессов изготовления крупногабаритных осесимметричных деталей с фланцем операциями многоступенчатой вытяжки и реверсивной вытяжки, вытяжки с утонением стенки цилиндрических заготовок в конических матрицах и обратного выдавливания трубных заготовок на базе развития теории пластического деформирования трансверсально-изотропных листовых заготовок с учетом изменения ее толщины в процессе пластического деформирования;

Ш создана теория деформирования полых толстостенных цилиндрических и трубных заготовок, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, протекающей в условиях нерадиального течения и осесимметричного напряженного и деформированного состояний;

Ш предложен критерий потери устойчивости трубной заготовки, обладающей цилиндрической анизотропией механических свойств, при ее осадке;

Ш выявлены закономерности изменения кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояний, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения по различным критериям устойчивого протекания процессов пластического деформирования и формирования показателей качества изготавливаемых осесимметричных деталей (степени использования ресурса пластичности и разностенности) в зависимости от анизотропии механических свойств исходных материалов, технологических параметров, геометрических размеров заготовки и инструмента.

Практическая значимость:

· разработаны на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований рекомендации и создано программное обеспечение для ЭВМ по выбору научно обоснованных технологических параметров операций многоступенчатой вытяжки, реверсивной вытяжки крупногабаритных осесимметричных деталей с фланцем из трансверсально-изотропных материалов, вытяжки с утонением стенки и обратного выдавливания толстостенных заготовок, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств;

· выявлено влияние кристаллографической текстуры на коэффициент нормальной пластической анизотропии ГПУ металлов;

· установлены рациональные режимы межоперационного отжига деталей из титанового сплава ПТ-3Вкт;

· показано, что способность листовых материалов к глубокой вытяжке может быть оценена по средним значениям косинуса угла между гексагональной осью и направлением нормали к плоскости листа, что для определения среднего значения коэффициента нормальной пластической анизотропии по данным о текстуре можно получить достаточную информацию из одной обратной полюсной фигуры (ОПФ), снятой с направления нормали к плоскости листа;

· показано, что для уменьшения вероятности образования микротрещин, выводящих деталь за предел допуска по толщине, следует так строить технологический процесс ступенчатого набора титановых листов, чтобы число зон, имеющих максимальное (8…10) число знакопеременных деформаций (перегибов), было минимальным.

Разработанные технологии и полученные на их базе конструкторско-технологические решения защищены 2 патентами Российской Федерации.

Реализация работы.

Созданы наукоемкие конкурентоспособные технологические процессы изготовления полуфабрикатов полусферических днищ из тонколистового титанового ПТ-3Вкт и алюминиевого А5М сплавов; разработаны прогрессивные технологические процессы изготовления полуфабрикатов полуторовых деталей из тонколистового алюминиевого сплава АМг6; усовершенствованы технологические процессы изготовления точных заготовок типа полых цилиндров, имеющих внутренние полости, изделий ответственного назначения из стали 10; предложены наукоемкие технологические процессы изготовления толстостенных цилиндрических полуфабрикатов для осесимметричных изделий ответственного назначения из стали 11ЮА, которые внедрены на ЗАО «ЗЭМ РКК им. С.П. Королева», на ОАО «ТНИТИ», на ФГУП «Научно-производственное объединение «Техномаш» и других предприятиях. Новые технологические процессы обеспечивают: увеличение удельной прочности - в 1,5...1,8 раза; уменьшение массы - в 1,5 раза; снижение трудоемкости - в 2...3 раза; увеличение коэффициента использования материала с 0,3 до 0,9.

Результаты диссертационной работы использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов, а также в лекционных курсах «Основы теории пластичности и ползучести», «Штамповка анизотропных материалов» и «Механика процессов пластического формоизменения» для бакалавров техники и технологии направления 150400 «Технологические машины и оборудование» и студентов, обучающихся по направлению 150200 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением».

Отдельные результаты использованы при подготовке кандидатских и магистерских диссертаций, исследовательских курсовых и дипломных проектов, выпускных квалификационных работ бакалавров.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на XIII Всероссийской научно-технической конференции по тепловой микроскопии «Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур» (г. Каунас, 1989 г.); на XI Уральской школе металловедов-термистов «Проблемы металловедения и термической обработки сталей и сплавов» (г. Свердловск-Пермь, 1989 г.); на Международной научно-технической конференции «Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование обработки материалов давлением» (Тула: ТулГУ, 2004 г.); на II Международной научно-технической конференции «Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование обработки материалов давлением» (г. Тула: ТулГУ, 2004 г.), на Международной научно-технической конференции «Прогрессивные методы и технологическое оснащение процессов обработки металлов давлением» г. СПб.: БГТУ «Военмех» им. Д.Ф. Устинова, 2005 г.), на Международной научно-технической конференции «Современные методы моделирования процессов обработки материалов давлением» (Украина, г. Краматорск: Донбасская государственная машиностроительная академия, 2006 г.), на Международной научно-технической конференции «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов давлением» (г. Санкт - Петербург: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2007 г.), на Международной научно-технической конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (АПИР-13) (г. Тула: ТулГУ, 2008 г.), на Всероссийской научно-технической конференции “Новые материалы и технологии” (НМТ-2008) (М.: МАТИ, 2008 г.), на Международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики», посвященной 85-летию со дня рождения Л.А. Толоконникова (г. Тула: ТулГУ, 2008 г.), на Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в обработке давлением (исследование, проектирование и освоение процессов и машин)» (Украина, г. Краматорск: Донбасская государственная машиностроительная академия, 2008 г.), на Третьей научно-технической конференции «Металлофизика, механика материалов, наноструктуры и процессы деформирования «Металлдеформ-2009» (г. Самара: СГАУ, 2009 г.), на Международном научном симпозиуме «Автостроение - 2009» (М.: МГТУ «МАМИ», 2009 г.), на Международной научно-технической конференции «Прогрессивные методы и технологическое оснащение процессов обработки металлов давлением» (Санкт - Петербург: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2009 г.), на Международной научно - технической конференции «Достижения и перспективы развития процессов и машин обработки давлением в металлургии и машиностроении» (Украина, г. Краматорск: Донбасская государственная машиностроительная академия, 2009 г.), на Международной научно-технической конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (АПИР-14) (г. Тула: ТулГУ, 2009 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (Тула, 2004 - 2010 гг.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано: одна монография; статьи в центральной печати и зарубежных рецензируемых изданиях и сборниках, входящих в «Перечень периодических научных и научно-технических изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук» - 48; статьи в различных межвузовских сборниках научно-технических трудов и материалах научно-технических конференций различного уровня - 19; авторские свидетельства и патенты - 2; в т.ч. статьи без соавторства - 31. Общий объем - 26,0 печ. л., авторский вклад - 18,5 печ. л.

Автор выражает глубокую благодарность д-ру техн. наук, проф. С.П. Яковлеву за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения и шести разделов, заключения, списка использованных источников из 198 наименований, 4 приложений и включает 265 страниц основного машинописного текста, содержит 176 рисунков и 11 таблиц. Общий объем - 345 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемых научно-технических проблем, сформулированы цель работы, положения, выносимые на защиту, научная новизна, методы исследования, практическая значимость и реализация работы, приводятся данные об апробации работы, о публикациях, структуре и объеме диссертационной работы, и дано краткое содержание разделов диссертации.

В первом разделе изложено современное состояние теории и технологии изготовления осесимметричных деталей и изделий методами глубокой вытяжки, рассмотрены существующие методы анализа процессов обработки металлов давлением, показано влияние начальной анизотропии механических свойств исходного материала на технологические параметры процессов глубокой вытяжки осесимметричных деталей. Обоснована постановка задач исследований.

Значительный вклад в развитие теории пластичности и методов анализа процессов обработки металлов давлением, теории вытяжки осесимметричных полуфабрикатов из изотропного и анизотропного материалов и их применения в промышленности внесли Ю.А. Аверкиев, А.Ю. Аверкиев, Ю.А. Алюшин, Ю.М. Арышенский, А.А. Богатов, В.Д. Головлев, Ф.В. Гречников, С.И. Губкин, Г.Я. Гун, Ю.И. Гуменюк, Г.А. Данилин, Г.Д. Дель, В.А. Демин, В. Джонсон, А.М. Дмитриев, Г. Закс, В.А. Жарков, А.А. Ильюшин, А.Ю. Ишлинский, Ю.Г. Калпин, Л.М. Качанов, В.Л. Колмогоров, Х. Кудо, В.Д. Кухарь, Н.Н. Малинин, В.С. Мамутов, А.Д. Матвеев, Э.Л. Мельников, И.А. Норицин, А.Г. Овчинников, В.А. Огородников, Е.А. Попов, Ю.Н. Работнов, И.П. Ренне, В.П. Романовский, К.И. Романов, Ф.И. Рузанов, А.И. Рудской, Г. Свифт, Е.И. Семенов, Е.Н. Сосенушкин, Л.Г. Степанский, В.Н. Субич, А.Д. Томленов, Е.П. Унксов, Р. Хилл, В.В. Шевелев, Л.А. Шофман, В.Н. Чудин, С.П. Яковлев и др.

В исследованиях этих ученых разработаны и усовершенствованы методы анализа процессов пластического формоизменения, даны примеры их применения к анализу деформирования листовых, цилиндрических и трубных заготовок. По результатам проведенного обзора работ установлено, что наибольшее распространение среди теорий пластичности ортотропного материала при анализе процессов обработки металлов давлением нашла теория течения анизотропного материала Мизеса - Хилла.

Несмотря на большое количество работ, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям операций многооперационной вытяжки и реверсивной вытяжки цилиндрических деталей, вопросы теории формоизменения крупногабаритных осесимметричных деталей с фланцами ответственного назначения из анизотропных материалов в настоящее время практически не разработаны. Мало внимания уделяется в научно-технической литературе исследованиям напряженного и деформированного состояний заготовки, силовых режимов операций многооперационной вытяжки и реверсивной вытяжки ступенчатых осесимметричных деталей. Предельные возможности деформирования в основном определялись по максимальной величине растягивающего напряжения на выходе из очага пластической деформации. Оценка устойчивого протекания операций многооперационной вытяжки и реверсивной вытяжки осесимметричных ступенчатых деталей по степени ресурса пластичности и критерию локальной потери устойчивости анизотропной заготовки не производилась. Не решен широкий круг вопросов, связанных с проектированием технологических процессов многооперационной вытяжки и реверсивной вытяжки осесимметричных ступенчатых деталей и определением рациональных условий ведения этих процессов, обеспечивающих изготовление изделий заданного качества (величины накопленных микроповреждений и разнотолщинности стенок изготавливаемых деталей). Существующие исследования носят в основном экспериментальный характер.

В настоящее время большое количество работ посвящены теоретическим и экспериментальным исследованиям операций вытяжки с утонением стенки в коническом канале и обратного выдавливания трубных заготовок коническим пуансоном (плоское деформированное состояние), однако вопросы теории пластического нерадиального течения полых заготовок, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, практически не разработаны. Мало внимания уделяется в научно-технической литературе исследованиям кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояний заготовки, силовых режимов и предельных возможностей операций вытяжки с утонением стенки толстостенных цилиндрических заготовок и обратного выдавливания толстостенных трубных заготовок.

Проблема повышения качества и точности осесимметричных деталей остро стоит перед всеми предприятиями, которые имеют листоштамповочное производство.

Во втором разделе приводятся основные уравнения и соотношения, необходимые для теоретического анализа напряженного и деформированного состояний анизотропной заготовки, описаны модель накопления микроповреждений в процессе пластического формоизменения анизотропного материала, критерий локальной потери устойчивости (шейкообразования) ортотропного упрочняющегося материала при плоском напряженном состоянии, условие устойчивости второго типа анизотропной трубной заготовки в виде образования симметричных складок.

Материал принимаем несжимаемым, жесткопластическим, ортотропным, для которого справедливы условие текучести Мизеса-Хилла:

(1)

и ассоциированный закон пластического течения

, (2)

где , , , , , - параметры, характеризующие текущее состояние анизотропии; - компоненты тензора напряжений в главных осях анизотропии; - компоненты тензора приращения деформаций; - коэффициент пропорциональности. Здесь , , - главные оси анизотропии.

Параметры анизотропии , , , , , связаны с величинами сопротивления материала пластическому деформированию известными соотношениями.

Величины коэффициентов анизотропии листовых материалов (), и () могут быть вычислены через параметры анизотропии и следующим образом:

; ; .

В случае изотропно-упрочняющегося начально ортотропного тела Р.Хиллом введены понятия интенсивности напряжений и приращения интенсивности деформации .

Предельные возможности формоизменения при пластическом деформировании часто оцениваются на базе феноменологических моделей разрушения по накоплению микроповреждений:

, (3)

где - среднее напряжение; , и - главные напряжения; - интенсивность напряжения; - предельная интенсивность деформации.

В зависимости от условий эксплуатации или последующей обработки изготавливаемого изделия уровень повреждаемости не должен превышать величины , т.е.

. (4)

При назначении величин степеней деформации в процессах пластического формоизменения в дальнейшем учитывались рекомендации по степени использования запаса пластичности В.Л. Колмогорова и А.А. Богатова. Согласно рекомендациям для ответственных деталей, работающих в тяжелых условиях эксплуатации, и заготовок, подвергающихся после штамповки термической обработке (отжигу или закалке), допустимой величиной степени использования запаса пластичности следует считать =0,25. Только для неответственных деталей допустимая степень использования запаса пластичности может быть принята =0,65.

Величина предельной интенсивности деформации находится по выражению

, (5)

где , , , , и - константы материала, определяемые в зависимости от рода материала согласно работам В.Л. Колмогорова и А.А. Богатова и уточняющиеся из опытов на растяжение образцов в условиях плоского напряженного состояния в зависимости от анизотропии механических свойств ортотропного тела.

В ряде случаев предельные возможности формоизменения могут быть ограничены локальной потерей устойчивости заготовки. Для анализа локализации деформаций анизотропного изотропно-упрочняющегося материала используется критерий, основанный на условии положительности добавочных нагрузок и позволяющий рассчитать предельную деформацию в условиях плоского напряженного состояния ():

,(6)

где ; ;

; .

Технологические возможности многих процессов штамповки лимитируются потерей устойчивости заготовки второго типа при ее формоизменении, т.е. явлением волнистости, складок, гофров на участках заготовки, деформируемых при сжимающих или сжимающих и растягивающих напряжениях. Анализ потери устойчивости цилиндрической заготовки выполнен на основании статического критерия устойчивости. Предложено выражение для определения критического напряжения, соответствующего потери устойчивости цилиндрической заготовки второго типа:

, (7)

где - радиус срединной поверхности исходной трубной заготовки; - касательный модуль упрочнения (); ; - исходная и текущая высота цилиндрической заготовки; - исходная и текущая толщина цилиндрической заготовки; - экспериментальные константы материалов;

;

;

;

; ; .

При рассмотрении трансверсально-изотропного материала необходимо в выражениях (6) и (7) принять ( - коэффициент нормальной анизотропии).

Теоретические исследования первой и многооперационной вытяжки ступенчатых деталей, реверсивной вытяжки осесимметричных деталей с фланцем выполнены в предположении, что материал принимается несжимаемым, трансверсально-изотропным, изотропно-упрочняющимся, для которого справедливы условие текучести Мизеса - Хилла (1) и ассоциированный закон течения (2).

Третий раздел посвящен теоретическим и экспериментальным исследованиям силовых и деформационных параметров первой и многооперационной вытяжкам ступенчатых осесимметричных деталей без утонения стенки в радиальных матрицах трансверсально-изотропного упрочняющегося материала.

Рассмотрена первая операция вытяжки (без утонения стенки) трансверсально-изотропного материала с прижимом через радиальную матрицу со степенью деформации , где - коэффициент вытяжки; ; - величина одностороннего зазора между пуансоном и матрицей (рисунок 1).

Предполагается, что процесс вытяжки протекает в условиях плоского напряженного состояния (). Очаг пластической деформации разбивается на характерные участки (Iа и Iб). На контактных границах реализуется закон трения Кулона.



Рисунок 1 - Схема первой операции вытяжки на радиальной матрице

Меридиональные и окружные напряжения на характерных участках очага пластической деформации определяются путем численного решения (методом конечных разностей) приближенных уравнений равновесия совместно с условием пластичности при граничных условиях в напряжениях. Установлено влияние технологических параметров (степени деформации, геометрических характеристик инструмента, условий трения на контактных поверхностях рабочего инструмента и заготовки, радиуса закругления матрицы) на силовые режимы процесса (силу, напряжение в стенке заготовки) и предельные возможности формоизменения.

Силовые режимы первой операции вытяжки исследовались применительно к изготовлению крупногабаритных деталей ракетно-космической техники ( мм) в зависимости от коэффициентов вытяжки , радиуса закругления матрицы , условий трения на контактных поверхностях рабочего инструмента и заготовки , а также давления прижима для титанового ПТ-3Вкт и алюминиевого А5М сплавов, механические свойства которых были следующие: алюминиевый сплав АМг6 - МПа; МПа; ; ; ; ; ; ; титановый сплав ПТ-3Вкт - МПа; МПа; ; ; ; ; ; .

Титановый сплав ПТ-3Вкт содержит в своем составе следующие легирующие элементы, в % массы:

Al	V	C	N2	Fe	Si	O2
3,8	1,4	0,08	0,04	0,07	0,02	0,13

Установлено, что относительная величина силы с уменьшением коэффициента вытяжки растет. Увеличение радиуса матрицы оказывает существенное влияние на изменение силовых режимов вытяжки при небольших значениях коэффициентов вытяжки . Так, увеличение относительного радиуса матрицы с 4 до 20 при =0,8 приводит к росту силовых режимов более чем в 2 раза. Установлено, что с ростом коэффициента трения на матрице величина относительной силы возрастает. Влияние коэффициента трения на контактной поверхности матрицы и заготовки усиливается с уменьшением коэффициента вытяжки . Увеличение давления прижима сопровождается ростом силовых режимов вытяжки.

Предельные возможности деформирования на первой операции вытяжки определялись на всем протяжении деформирования и устанавливались путем численных расчетов по максимальной величине радиального напряжения на выходе из очага пластической деформации (первый критерий), которая не должна превышать величину сопротивления материала пластическому деформированию в этом направлении с учетом упрочнения, допустимой степени использования ресурса пластичности (второй критерий) и критерия локальной потери устойчивости листовой заготовки (третий критерий).

Анализ результатов расчета показывает, что с ростом относительного радиуса закругления матрицы , уменьшением давления прижима и коэффициента трения на контактной поверхности заготовки и рабочего инструмента предельный коэффициент вытяжки снижается.

Рассмотрена многооперационная вытяжка ступенчатых осесимметричных деталей из анизотропного материала (рисунок 2). Сущность метода ступенчатого набора состоит в следующем: для устранения утонения стенок применяется предварительный набор металла, осуществляемый в штампах, которые выполнены с обязательным обеспечением степеней вытяжки (коэффициента вытяжки), свойственных штампуемому металлу; устранение радиального гофрообразования осуществляется путем применения каскада цилиндрических ступеней набора металла, по геометрии близкого к контуру вписанного радиуса днища; в предварительных операциях набор металла осуществляется не полностью (около 95 % расчетной заготовки). Недостающее количество металла в наборе восполняется в процессе окончательной вытяжки дотяжкой из фланца.

Рисунок 2 - Схема к анализу напряженного состояния заготовки при вытяжке ступенчатых деталей

Рассмотрен вопрос о распределении напряжений на последующих операциях вытяжки ступенчатой детали заключительного этапа деформирования в радиальной матрице (рисунок 2) с коэффициентом вытяжки .

На заключительном этапе деформирования очаг пластической деформации состоит из трех участков: торообразного (участок 1), контактирующего со скругленной кромкой прижима, плоского (участок 2) в промежутке между торообразными участками и торообразного (участок 3), контактирующего со скругленной кромкой матрицы. Операция вытяжки реализуется в условиях плоского напряженного состояния ().

В основу анализа положен метод расчета силовых параметров процесса, основанный на совместном решении приближенных дифференциальных уравнений равновесия и условия текучести с учетом сопряжений на границах участков, а также изменения направления течения материала. Получены выражения для оценки меридиональных и окружных напряжений, деформированного состояния, изменения толщины заготовки и силовых режимов операции реверсивной вытяжки осесимметричных деталей с фланцем из трансверсально-изотропной заготовки [3-6].

Силовые режимы последующих операций многоступенчатой вытяжки исследовались в зависимости от коэффициента вытяжки , радиусов закругления прижима и матрицы , условий трения на контактных границах рабочего инструмента и заготовки и величины давления прижима для титанового ПТ-3Вкт и алюминиевого А5М сплавов. Расчеты выполнены при мм; мм в следующих диапазонах изменения технологических параметров процесса: =...0,9; =2…20; =0,01...0,3; =0...10 МПа; ; ; - предельный коэффициент вытяжки.

Рассматривались два этапа деформирования заготовки: первый - совпадение центра закругления пуансона с верхней кромкой матрицы и второй этап - деформирование заготовки до определенной высоты цилиндрической части заготовки меньшего диаметра.

Анализ результатов расчетов показывает, что относительная величина силы процесса с уменьшением коэффициента вытяжки , радиусов закругления прижима и матрицы =, ростом коэффициента трения на контактных границах рабочего инструмента и заготовки и величины давления прижима возрастает. Максимальная величина силы процесса соответствует определенной величине перемещения пуансона, связи с перетяжкой части высоты предыдущей заготовки через кромку закругления прижима, а также вовлечению в процесс пластического деформирования большей части материала, находящегося в недеформированной части заготовки (стенки).

Предельные возможности процесса вытяжки ступенчатых деталей ограничиваются максимальной величиной осевого напряжения в стенке изделия на выходе из очага деформации, допустимой степенью использования ресурса пластичности (5) и критерием локальной потери устойчивости заготовки (6).

Графические зависимости изменения предельного коэффициента вытяжки на втором переходе вытяжки для титанового ПТ-3Вкт и алюминиевого А5М сплавов от относительных радиусов закругления прижима и матрицы = при 0 мм (момент совпадения верхней кромки пояска матрицы с радиусом закругления пуансона) и 150 мм ( МПа; ) приведены на рисунках 3 и 4 соответственно. Здесь кривые 1, 2, 3, 4 и 5 соответствуют величинам коэффициентов вытяжки , вычисленным по максимальному значению напряжения в стенке детали на выходе из очага деформации, по допустимой величине накопленных микроповреждений при , и и по критерию локальной потери устойчивости заготовки соответственно. Положения кривых 3, 4 и 5 определяют возможности деформирования заготовки в зависимости от технических требований на изделие. Положения кривых 1 и 2 указывают на возможность разрушения заготовки.

Рисунок 3 - Графические зависимости изменения от

Рисунок 4 - Графические зависимости изменения от

Анализ графиков и результатов расчета показывает, что предельные возможности формоизменения на последующих переходах многооперационной вытяжки ступенчатых осесимметричных деталей ограничиваются как первым, вторым, так и третьим критериями разрушения. Это зависит от механических свойств исходного материала, технологических параметров, геометрии рабочего инструмента ( и ) и величины давления прижима . Например, установлено, что предельные возможности деформирования на последующих операциях вытяжки алюминиевого сплава А5М ограничиваются допустимой величиной накопленных микроповреждений (см. рисунок 4), а для титанового сплава ПТ-3Вкт - величиной осевого напряжения на выходе из очага пластической деформации (см. рисунок 3).

Установлено, что с уменьшением относительной величины давления прижима и коэффициента трения , с увеличением относительных радиусов закругления прижима и матрицы = предельный коэффициент вытяжки снижается. Рост коэффициента трения увеличивает предельное значение коэффициента вытяжки при прочих равных условиях деформирования.

Оценено влияние анизотропии механических свойств материала заготовки на силовые режимы и предельные возможности формоизменения рассматриваемых процессов глубокой вытяжки. Показано, что увеличение нормального коэффициента анизотропии с 0,2 до 2 приводит к уменьшению величины предельного коэффициента первой операции вытяжки в 1,25 раза, а на последующих операциях - величины предельного коэффициента вытяжки в 1,3 раза.

Выполнены экспериментальные исследования многооперационной вытяжки ступенчатых осесимметричных деталей из анизотропных материалов. Показано, что способность листовых материалов к глубокой вытяжке может быть оценена по средним значениям косинуса угла между гексагональной осью и направлением нормали к плоскости листа. Полученное выражение позволяет учесть влияние текстуры на величину коэффициента нормальной пластической анизотропии. При этом введенные текстурные параметры () достаточно полно описывают пространственное распределение зерен в поликристалле. Для определения среднего значения коэффициента нормальной пластической анизотропии по данным о текстуре можно получить достаточную информацию из одной обратной полюсной фигуры (ОПФ), снятой с направления нормали к плоскости листа.

Экспериментально установлено, что при увеличении длительности отжига при температуре 650 °С в листах сплава ПТ-3Вкт наблюдаются изменения текстуры, способствующие усилению благоприятных для штампуемости ориентировок. Многократные отжиги донной части штамповок не будут приводить к снижению качества изделия. Показано, что для уменьшения вероятности образования микротрещин, выводящих деталь за предел допуска по толщине, следует так строить технологический процесс ступенчатого набора титановых листов, чтобы число зон, имеющих максимальное (8…10) число знакопеременных деформаций (перегибов), было минимальным. К резкому снижению пластичности и растрескиванию металла на тех или иных операциях ступенчатого набора приводит увеличение среднего размера зерна выше 50…60 мкм в исходных листах.

В четвертом разделе приведена разработанная математическая модель процесса реверсивной вытяжки осесимметричных деталей с фланцем из трансверсально-изотропного материала, показано влияние анизотропии механических свойств материала заготовки, технологических параметров и геометрии рабочего инструмента реверсивной вытяжки на силовые режимы, предельные возможности пластического формоизменения, относительную величину разностенности изготавливаемой детали и формирование показателей качества механических свойств материала осесимметричных деталей (степени использования ресурса пластичности).

Рассмотрен вопрос о распределении напряжений и деформаций на операции реверсивной вытяжки осесимметричных деталей с фланцем (рисунок 5) с коэффициентом вытяжки на радиальной матрице с прижимом.

Операция реверсивной вытяжки реализуется в условиях плоского напряженного состояния. Очаг пластической деформации состоит из шести участков.

Рисунок 5 - Схема реверсивной вытяжки осесимметричных деталей с фланцем

Участок 1 расположен на плоскости матрицы и ограничен краем заготовки с текущей координатой с одной стороны и постоянной координатой , точкой сопряжения плоского и криволинейного участков матрицы; участок 2 охватывает кромку матрицы и ограничен координатами и ; участок 3 цилиндрический; участок 4 охватывает кромку матрицы и ограничен координатами и ; участок 5 расположен на плоскости матрицы и ограничен координатами и ; участок 6 расположен на тороидальной поверхности матрицы и ограничен координатами и .

В основу анализа положен метод расчета силовых параметров процесса, основанный на совместном решении приближенных дифференциальных уравнений равновесия и условия текучести с учетом сопряжений на границах участков, а также изменения направления течения материала. Получены выражения для оценки напряженного и деформированного состояний, силовых режимов операции реверсивной вытяжки осесимметричных деталей с фланцем из трансверсально-изотропной заготовки [11, 12, 16, 17, 26, 35].

Графические зависимости изменения относительной величины силы процесса реверсивной вытяжки осесимметричных деталей с фланцем из титанового сплава ПТ-3Вкт от относительной величины перемещения пуансона при фиксированных значениях коэффициента вытяжки приведены на рисунке 6. Здесь - полный ход пуансона; мм; ; ; .

Анализ графических зависимостей и результатов расчетов показал, что изменение относительной величины силы операции реверсивной вытяжки осесимметричных деталей с фланцем от относительной величины перемещения пуансона имеет сложный характер. Относительная величина силы процесса увеличивается с уменьшением коэффициента вытяжки , радиусов закругления прижима и матрицы , ростом коэффициента трения и относительной величины давления прижима .

Предельные возможности процесса реверсивной вытяжки осесимметричных деталей с фланцем, соответствующие моменту совпадения центра закругления пуансона с верхней кромкой рабочего пояска матрицы, оценивались по максимальной величине осевого напряжения в стенке детали на выходе из очага деформации (кривая 1), по допустимой величине накопленных микроповреждений при (кривая 2), (кривая 3) и (кривая 4) и по критерию локальной потери устойчивости заготовки (кривая 5).



Рисунок 6 - Графические зависимости изменения от

На рисунке 7 представлены графические зависимости изменения предельного коэффициента вытяжки от коэффициента трения для алюминиевого сплава АМг6.

Установлено, что с уменьшением коэффициента трения на контактных границах рабочего инструмента и заготовки , относительной величины давления прижима и увеличением относительных радиусов закругления прижима и матрицы предельный коэффициент вытяжки снижается.

Рисунок 7 - Графические зависимости изменения от (; )

Анализ графиков и результатов расчета показывает, что предельные возможности формоизменения операции реверсивной вытяжки осесимметричных деталей с фланцем ограничиваются как допустимой величиной накопленных микроповреждений, так и максимальной величиной осевого напряжения на выходе из очага пластической деформации. Это зависит от механических свойств исходного материала, технологических параметров, геометрии рабочего инструмента, коэффициента трения на контактных границах рабочего инструмента и заготовки и величины давления прижима . Например, показано, что предельные возможности деформирования на операциях реверсивной вытяжки осесимметриичных деталей из алюминиевого сплава АМг6 ограничиваются как допустимой величиной накопленных микроповреждений, так и максимальной величиной осевого напряжения на выходе из очага пластической деформации (рисунок 7), а для титанового сплава ПТ-3Вкт - степенью использования ресурса пластичности ().

Оценено влияние анизотропии механических свойств материала заготовки на силовые режимы и предельные возможности реверсивной вытяжки трансверсально-изотропных материалов. Показано, что с увеличением коэффициента нормальной анизотропии относительная величина силы уменьшается. Влияние коэффициента анизотропии на силовые режимы процесса усиливается с уменьшением коэффициента вытяжки и коэффициента трения . В результате теоретических исследований установлено, что увеличение коэффициента нормальной анизотропии от 0,2 до 2 приводит к уменьшению величины предельного коэффициента утонения , определенного по степени использования ресурса пластичности, на 45 %, а для , вычисленного по максимальной величине осевого напряжения на выходе из очага пластической деформации, на 15 %.

Выполнены экспериментальные исследования операции реверсивной вытяжки осесимметричных деталей с фланцем. Сравнение результатов теоретических расчетов и экспериментальных данных по силовым режимам реверсивной вытяжки полуторовых днищ из алюминиевого сплава АМг6 указывает на их удовлетворительное согласование (до 15 %).

В пятом разделе изложена разработанная математическая модель операции вытяжки с утонением стенки толстостенных цилиндрических заготовок. Выявлено влияние анизотропии механических свойств материала заготовки, технологических параметров, геометрических размеров заготовки и детали, степени деформации, угла конусности матрицы, условий трения контактных поверхностей инструмента и заготовки на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния заготовки, силовые режимы и предельные возможности формоизменения. Приведены результаты экспериментальных исследований операции вытяжки с утонением стенки толстостенных цилиндрических заготовок.

Рассмотрена операция вытяжки с утонением стенки осесимметричной толстостенной цилиндрической заготовки. Материал заготовки жесткопластический, обладает цилиндрической анизотропией механических свойств. Течение материала принимается осесимметричным.

...