Теория и технология изотермического деформирования осесимметричных деталей жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести




НазваниеТеория и технология изотермического деформирования осесимметричных деталей жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести
страница1/5
Дата конвертации09.05.2013
Размер0.68 Mb.
ТипАвтореферат
  1   2   3   4   5



На правах рукописи


Черняев Алексей Владимирович




ТЕОРИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО

ДЕФОРМИРОВАНИЯ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ

ЖЕСТКИМ ИНСТРУМЕНТОМ

В РЕЖИМЕ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ


Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки

давлением


А в т о р е ф е р а т


диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук


Тула 2011


Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»



Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

Яковлев Сергей Сергеевич













Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Овчинников Анатолий Георгиевич;





доктор технических наук, профессор

Дёмин Виктор Алексеевич;





доктор технических наук, профессор

Талалаев Алексей Кириллович







Ведущая организация:

ОАО «Центральное конструкторское бюро аппаратостроения», г. Тула



Защита состоится «31» мая 2011 г. в 14 час. на заседании
диссертационного совета Д 212.271.01 при ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300012, г. Тула, ГСП, просп. Ленина, д. 92, 9-101).


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тульский государственный университет».


Автореферат разослан « ___ » __________ 2011 г.



Ученый секретарь

диссертационного совета




А.Б. Орлов


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 максимально возможные эксплуатационные характеристики.

Совершенствование конструкций изделий ответственного назначения определяет применение высокопрочных труднодеформируемых материалов, таких как алюминиевые, титановые, магниевые сплавы со специальными свойствами, обладающие величиной относительного удлинения менее 2…4 % при испытаниях на одноосное растяжение стандартных образцов в условиях холодной деформации, и изготовление деталей и узлов с высокими эксплуатационными характеристиками. К числу наиболее перспективных и принципиально новых технологических процессов, направленных на совершенствование современного производства, относятся процессы изотермического формоизменения материала в режиме кратковременной ползучести, которые позволяют значительно повысить пластические свойства материала и снизить силу деформирования, а также достичь больших степеней деформации.

Материал, подвергаемый штамповке, как правило, обладает анизотропией механических свойств, которая может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов обработки металлов давлением при различных термомеханических режимах деформирования.

В ракетно-космической технике широкое распространение нашли конические пустотелые тонкостенные изделия, изготавливаемые методами глубокой вытяжки, обжима и раздачи. Значительной экономии металла в штамповочном производстве при их изготовлении можно добиться за счет применения трубной заготовки вместо цилиндрической, полученной методами глубокой вытяжки из листовой заготовки. При этом коэффициент использования металла повышается в несколько раз и соответственно уменьшается обработка резанием.

В машиностроении на современном этапе широкое распространение нашли цилиндрические изделия, изготавливаемые методами глубокой вытяжки. Технологические принципы формоизменения листовых заготовок в режиме кратковременной ползучести могут быть применены в производстве цилиндрических деталей из анизотропных высокопрочных сплавов.

В различных отраслях машиностроения, в частности наземном оборудовании ракетно-космической техники, широкое распространение нашли полые толстостенные осесимметричные детали, имеющие наружные и внутренние утолщения, которые изготавливаются механической обработкой трубных заготовок из высокопрочных материалов. Технологические принципы формоизменения трубных заготовок в режиме кратковременной ползучести могут быть применены в производстве толстостенных осесимметричных деталей из анизотропных высокопрочных сплавов.

Летательные аппараты и связанное с ними наземное оборудование ракетно-космической техники имеют сложную систему гидротрубопроводов. Высокие давления и криогенная температура требуют применения высокопрочных материалов. Соединительные элементы труб (фланцевые втулки, переходники, законцовки, угольники, тройники, крестовины и др.) рационально изготавливать изотермической штамповкой, что обеспечивает их точность под сборку и качественную сварку без потери прочности и герметичности. При изотермической штамповке существенна зависимость давления, степени формообразования, повреждаемости материала от температурно-скоростных условий деформирования. Процессы формообразования элементов трубопроводов целесообразно производить в режиме кратковременной ползучести.

При разработке технологических процессов операций изотермического обжима, раздачи, вытяжки с утонением, обратного выдавливания трубных заготовок и изотермического формообразования соединительных элементов трубопроводов используются эмпирические зависимости из различных справочных материалов, а также результаты теоретических исследований, в которых не в полной мере учитываются анизотропия механических свойств исходных заготовок, особенности протекания технологических процессов деформирования. Во многих случаях это приводит к необходимости экспериментальной отработки перечисленных выше процессов обработки металлов давлением, что удлиняет сроки подготовки производства изделия. Развитие теории деформирования анизотропных трубных заготовок в режиме кратковременной ползучести с учетом анизотропии, скоростного и деформационного упрочнения, неоднородности механических свойств и создание на ее основе научно обоснованных режимов технологических процессов изотермического обжима, раздачи, вытяжки с утонением стенки, обратного выдавливания и изотермического формообразования элементов трубопроводов является крупной научно-технической проблемой хозяйственного значения.

Работа выполнялась в соответствии с грантами Президента Российской Федерации на поддержку ведущих научных школ по выполнению научных исследований (гранты № НШ-1456.2003.8 и № НШ-4190.2006.8), государственными контрактами № 02.513.11.3299, № 14.740.11.0038 и № 14.740.11.0580 в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы Министерства образования и науки Российской Федерации, грантами РФФИ № 05-01-96705, № 07-01-96409, № 10-08-97526-р_центр_а и № 10-01-00085-а, научно-технической программой Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы» (проект № РНП 2.1.2.8355), государственным контрактом Министерства образования и науки Российской Федерации (№ 14.740.11.0038).

Цель работы - повышение эффективности производства осесимметричных изделий в части снижения трудоемкости и металлоемкости, сокращения сроков подготовки производства новых изделий с обеспечением заданного качества и надежности их эксплуатации на основе развития теории деформирования анизотропных трубных заготовок в режиме кратковременной ползучести с учетом анизотропии механических свойств, упрочнения, вязких и пластических свойств материала и создание на ее основе научно обоснованных режимов операций изотермического обжима, раздачи, вытяжки с утонением стенки, обратного выдавливания и формообразования элементов трубопроводов.

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

1. Разработка критерия потери устойчивости стенки анизотропной трубной заготовки на основе статического критерия устойчивости при кратковременной ползучести.

2. Создание математических моделей и разработка основных уравнений и соотношений для анализа операций изотермического обжима и раздачи трубных заготовок, вытяжки с утонением стенки и обратного выдавливания толстостенных трубных заготовок из высокопрочных материалов, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, протекающих в условиях осесимметричного нерадиального вязкого течения материала.

3. Разработка математических моделей операций изотермического прямого и ортогонального выдавливания, выдавливания фланцевых заготовок, высадки фланцевых утолщений и формообразования законцовок трубопроводов в режиме вязкопластического течения.

4. Выполнение теоретических и экспериментальных исследований операций изотермического обжима конической матрицей и раздачи коническим пуансоном трубных заготовок, вытяжки с утонением стенки цилиндрических деталей, обратного выдавливания коническим пуансоном трубных заготовок из анизотропных материалов, операций изотермического прямого и ортогонального выдавливания, выдавливания фланцевых заготовок, высадки фланцевых утолщений и формообразования законцовок трубопроводов.

5. Выявление влияния анизотропии механических свойств материала заготовки, технологических параметров, скорости перемещения пуансона, геометрии рабочего инструмента, условий трения на контактной поверхности заготовки и инструмента на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния, силовые режимы, предельные возможности формообразования операций изотермического обжима и раздачи трубных заготовок, вытяжки с утонением стенки цилиндрических деталей, обратного выдавливания трубных заготовок, операций прямого и ортогонального изотермического выдавливания, выдавливания фланцевых заготовок, высадки фланцевых утолщений и формообразования законцовок трубопроводов из высокопрочных материалов.

6. Разработка рекомендаций и создание пакета прикладных программ для ЭВМ по расчету рациональных технологических параметров операций изотермического обжима и раздачи трубных заготовок, вытяжки с утонением стенки цилиндрических деталей, обратного выдавливания трубных заготовок из анизотропных материалов режиме вязкого течения.

7. Выполнение экспериментально-технологических работ операций прямого и ортогонального изотермического выдавливания, выдавливания фланцевых заготовок, высадки фланцевых утолщений и формообразования законцовок трубопроводов в режиме вязкопластического течения с целью отработки технологических процессов.

8. Использование результатов исследований в промышленности и учебном процессе.

Методы исследования. Теоретические исследования процессов изотермического обжима и раздачи трубных заготовок, вытяжки с утонением стенки, обратного выдавливания и изотермического формообразования элементов трубопроводов выполнены с использованием основных положений механики деформируемого твердого тела и теории кратковременной ползучести анизотропного материала. Критерии локальной потери устойчивости (шейкообразования) анизотропного упрочняющегося материала при плоском напряженном, плоском напряженном и деформированном состояниях анизотропных заготовок получены на основе условия положительности добавочных нагрузок. Критерий потери устойчивости стенки трубных заготовок из анизотропных материалов разработан на основе статического критерия устойчивости. Анализ напряженного и деформированного состояний заготовки в исследуемых процессах формоизменения осуществлен численно методом конечно-разностных соотношений с использованием ЭВМ путем совместного решения дифференциальных уравнений равновесия, уравнения состояния и основных определяющих соотношений при заданных начальных и граничных условиях. Расчет силовых режимов операций изотермического прямого и ортогонального выдавливания, выдавливания фланцевых заготовок, высадки фланцевых утолщений и формообразования законцовок трубопроводов из высокопрочных материалов в режиме кратковременной ползучести осуществлен, исходя из экстремальной верхнеграничной теоремы. Предельные возможности формоизменения исследуемых процессов деформирования оценивались по степени использования ресурса пластичности, по абсолютной максимальной величине осевого напряжения на входе (обратное выдавливание) или на выходе из очага деформации (вытяжка с утонением стенки), по критерию локализации деформации и условию потери устойчивости трубной заготовки в виде образования симметричных складок.

Экспериментальные исследования выполнены с использованием современных испытательных машин (универсальная испытательная машина «МИРИ-200К», испытательные машины Р-5, ГМС-50, Р100), гидравлических прессов моделей П2234, П238, П311 со встроенной системой плавного управления скоростью перемещения ползуна и регистрирующей аппаратурой, установки для многоплунжерной штамповки УЗТМ, изотермического блока; обработка опытных данных осуществлялась с применением методов математической статистики и теории планирования эксперимента.

Автор защищает:

- критерий потери устойчивости стенки анизотропной трубной заготовки, полученный на основе статического критерия устойчивости при кратковременной ползучести;

- основные уравнения и соотношения для анализа операций изотермического обжима и раздачи, вытяжки с утонением стенки и обратного выдавливания толстостенных трубных заготовок из высокопрочных материалов, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, протекающих в условиях осесимметричного нерадиального вязкого течения материала;

- основные уравнения и соотношения для анализа операций изотермического прямого и ортогонального выдавливания, выдавливания фланцевых заготовок, высадки фланцевых утолщений и формообразования законцовок трубопроводов в режиме вязкопластического течения;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований операций изотермического обжима и раздачи, вытяжки с утонением стенки и обратного выдавливания толстостенных трубных заготовок, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, протекающих в условиях осесимметричного нерадиального течения материала, изотермического прямого и ортогонального выдавливания, выдавливания фланцевых заготовок, высадки фланцевых утолщений и формообразования законцовок трубопроводов в режиме кратковременной ползучести, позволяющих выявить влияние анизотропии механических свойств исходной заготовки, технологических параметров, скорости перемещения пуансона, условий трения на контактных поверхностях инструмента и заготовки, геометрических параметров заготовки и инструмента на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния заготовки, силовые режимы и предельные возможности деформирования;

- рекомендации по расчету и проектированию технологических процессов изготовления деталей ответственного назначения операциями изотермического обжима и раздачи анизотропных трубных заготовок, вытяжки с утонением стенки, обратного выдавливания трубных заготовок из анизотропных материалов в режиме вязкого течения и формообразования элементов трубопроводов в режиме вязкопластического течения;

- экспериментально подтвержденные рациональные технологические режимы операций прямого и ортогонального изотермического выдавливания и выдавливания фланцевых заготовок из высокопрочных материалов;

- технологические схемы операций изотермического обжима и раздачи трубных заготовок для изготовления конических пустотелых тонкостенных деталей «корпус» с высокими эксплуатационными характеристиками, технологические схемы изотермической глубокой вытяжки для изготовления детали «патрубок газовода» из титанового сплава ВТ6С, технологические схемы операцией изотермического обратного выдавливания толстостенных трубных заготовок для изготовления осесимметричных толстостенных полых деталей, имеющих наружные и внутренние утолщения, из алюминиевого АМг6 и титанового ВТ6С сплавов с высокими эксплуатационными характеристиками, а также технологические схемы операций изотермического прямого выдавливания, изотермического набора утолщений и изотермического ортогонального выдавливания для изготовления элементов трубопроводов: детали корпуса датчиковой аппаратуры, детали «переходник» и детали «крестовина» из титановых сплавов типа ВТ14, ВТ20; алюминиевых АМг6, Д16, 1420; сталей типа 12Х18Н10Т и др.

Научная новизна работы состоит в развитии теории деформирования тонко- и толстостенных трубных заготовок с учетом анизотропии механических свойств, упрочнения, вязких и пластических свойств материала в режиме кратковременной ползучести и заключается в следующем:

- предложен критерий потери устойчивости стенки анизотропной трубной заготовки, позволяющий уточнить оценку предельных возможностей деформирования при кратковременной ползучести;

- выявлены закономерности изменения кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояний, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения по различным критериям разрушения в зависимости от анизотропии механических свойств исходной заготовки, технологических параметров, скорости перемещения инструмента, условий трения на контактных поверхностях инструмента и заготовки, геометрических параметров заготовки и инструмента на основе разработанных математических моделей операций изотермического обжима и раздачи, вытяжки с утонением стенки, обратного выдавливания трубных заготовок, осесимметричного прямого и ортогонального выдавливания, выдавливания фланцевых заготовок, высадки фланцевых утолщений и формообразования законцовок трубопроводов из высокопрочных анизотропных материалов в режиме кратковременной ползучести. Полученные закономерности позволили выявить рациональные режимы деформирования.

Научная значимость. Научная значимость работы состоит в развитии теории деформирования анизотропных трубных заготовок в режиме кратковременной ползучести с учетом анизотропии механических свойств, упрочнения, неоднородности деформации, вязких и пластических свойств материала. Предложенный критерий потери устойчивости стенки трубной заготовки и выполненные теоретические исследования расширяют возможности и подходы к анализу процессов деформирования анизотропных заготовок в условиях кратковременной ползучести.

Практическая ценность. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации, обеспечивающие снижение трудоемкости и металлоемкости, сокращения сроков подготовки производства новых изделий, повышение качества и надежности эксплуатации изделий ответственного назначения, и создано программное обеспечение для ЭВМ по расчету технологических параметров изотермического обжима и раздачи трубных заготовок, вытяжки с утонением стенки, обратного выдавливания толстостенных трубных анизотропных заготовок и операций изотермического формообразования элементов трубопроводов, экспериментально подтверждены рациональные технологические режимы операций прямого и ортогонального изотермического выдавливания и выдавливания фланцевых заготовок в режиме кратковременной ползучести.

Реализация работы. Разработаны прогрессивные технологические схемы операций изотермического обжима и раздачи трубных заготовок для изготовления конических пустотелых тонкостенных деталей «корпус» с высокими эксплуатационными характеристиками; созданы технологические схемы операций изотермической осесимметричной глубокой вытяжки для изготовления детали «патрубок газовода» из титанового сплава ВТ6С; предложены технологические схемы операций изотермического обратного выдавливания толстостенных трубных заготовок для изготовления осесимметричных толстостенных полых деталей, имеющих наружные и внутренние утолщения, из алюминиевого АМг6 и титанового ВТ6С сплавов; разработаны технологические схемы операций изотермического прямого выдавливания, изотермического набора утолщений и изотермического ортогонального выдавливания в режиме кратковременной ползучести для изготовления элементов трубопроводов: детали корпуса датчиковой аппаратуры, детали «переходник» и детали «крестовина», которые внедрены в опытном производстве на ОАО «ТНИТИ», на ФГУП «Научно-производствен­ное объединение «Техномаш», ФГУП «ГНПП «Сплав» и других предприятиях.

Технико-экономическая эффективность разработанных наукоемких конкурентоспособных технологических процессов связана с уменьшением трудоемкости изготовления деталей в 1,5…2 раза, повышением удельной прочности изделий в 1,2…1,5 раз при снижении общей массы, повышением коэффициента использования металла с 0,5 до 0,9 по сравнению с существующими технологическими процессами, сокращением сроков подготовки производства новых изделий в 2 раза.

Отдельные материалы научных исследований использованы в учебном процессе на кафедре «Механика пластического формоизменения» ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»:

- при чтении лекций, проведении лабораторных и практических занятий при подготовке бакалавров направления 150400 «Технологические машины и оборудование» и студентов специальности 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением», а также в научно-исследовательской работе студентов;

- при подготовке магистерских диссертаций, исследовательских курсовых и дипломных проектов, выпускных квалификационных работ бакалавров.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на Межвузовской научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы металлургии» (Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2002 г.); на Международной научно-технической конференции, посвященной памяти выдающихся ученых И.А. Коганова и С.И. Лашнева (Тула: ТулГУ, 2002 г.); на межвузовской научно-технической конференции (Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2003 г.); на Международной научно-технической конференции (М.: МГТУ «МАМИ», 2003 г.); на Всероссийском совещании обработчиков давлением (Ульяновск: УлГТУ, 2007 г.); на Международной научно-технической конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (Тула: ТулГУ, 2008, 2009, 2010 гг.); на Международной научно-технической конференции «Прогрессивные методы и технологическое оснащение процессов обработки металлов давлением» (СПб: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2009 г.); на Научно-технической конференции «Металлофизика, механика материалов, наноструктуры и процессы деформирования «Металлдеформ-2009» (Самара: СГАУ, 2009 г.); а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ГОУ ВПО «Тульский государственный университет (Тула, 2000-2010 гг.).

За значительный вклад в развитие науки и техники в области машиностроения и новых технологий автор в составе коллектива в 2008 г. был удостоен звания лауреата премии им. С.И. Мосина.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 82 работы, среди них: монографий - 2; статей в 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» - 45; статей в различных сборниках научно-технических трудов – 35. Общий объем – 47,5 печ. л., авторский вклад – 22,5 печ. л.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи разделов, заключения, списка использованных источников из 252 наименований, 7 приложений и включает 351 страницу основного текста, содержит 169 рисунков и 13 таблиц. Общий объем - 366 страниц.

Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, профессору Яковлеву Сергею Петровичу за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания, рекомендации и предложения.

  1   2   3   4   5

Добавить в свой блог или на сайт

Похожие:

Теория и технология изотермического деформирования осесимметричных деталей жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести iconНаучное обоснование технологических решений изготовления крупногабаритных осесимметричных деталей ответственного назначения из высокопрочных анизотропных материалов
Научное обоснование технологических решений изготовления крупногабаритных осесимметричных деталей ответственного назначения

Теория и технология изотермического деформирования осесимметричных деталей жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести iconДеформирования и упрочнения материалов введение. Достоверность теоретического исследования
В рассматриваемом случае это значит, что из определяющих уравнений модели упруговязкопластического деформирования как частные или...

Теория и технология изотермического деформирования осесимметричных деталей жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести iconОписание деформации травяного жома при многократном ударном воздействии
Е и временем t, при описании реальных процессов деформации растительного материала, должны носить интегро-дифференциальный характер,...

Теория и технология изотермического деформирования осесимметричных деталей жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести iconТеория идеальной ползучести Кулона-мора и новые решения краевых задач
В каждом из рассматриваемых состояний определены напряжения и время возникновения предельного состояния в условиях ползучести, т...

Теория и технология изотермического деформирования осесимметричных деталей жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести iconПрограмма-минимум кандидатского экзамена по специальности
В основу настоящей программы положены следующие дисциплины: сопротивление материалов, теория упругости, пластичности и ползучести;...

Теория и технология изотермического деформирования осесимметричных деталей жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести iconУчебники и учебные пособия для студентов высших учебных заведений
«технология машиностроения» входят все методы получения за­готовок (отливкой, штамповкой, сваркой и др.), механическая и термическая...

Теория и технология изотермического деформирования осесимметричных деталей жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести iconЛабораторная работа №4 Изучение изотермического процесса. Проверка закона Бойля-Мариотта
Цель работы: изучить параметры изотермического процесса, экспериментально проверить справедливость закона Бойля-Мариотта

Теория и технология изотермического деформирования осесимметричных деталей жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести iconРабочая учебная программа дисциплины технология конструкционных материалов (технологические процессы в машиностроении) Образовательная программа 120600 «Оборудование и технология повышения износостойкости и восстановления деталей машин и аппаратов»
...

Теория и технология изотермического деформирования осесимметричных деталей жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести iconПрограмма и задания вступительного экзамена для магистрантов по специальности 6М071000 «материаловедение и технология новых материалов»
Теория и технология термической обработки/Конструкционные материалы и термическая обработка/Теория и технология обработки порошковых...

Теория и технология изотермического деформирования осесимметричных деталей жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести iconТриз – технология творчества
«головах»: работники умственного труда должны знать приёмы и технологии умственного труда. Мощным инструментом для генерации новых...


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница