ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КОЦЮБІВСЬКА Катерина Іванівна

УДК 621.73.011

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПРОЦЕСІВ ХОЛОДНОГО ПОПЕРЕЧНОГО ВИДАВЛЮВАННЯ ОСЕСИМЕТРИЧНИХ ЗАГОТОВОК З ФЛАНЦЕМ ЗА РАХУНОК ВИКОРИСТАННЯ ПРОТИТИСКУ

Спеціальність 05.03.05 – процеси та машини обробки тиском

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вінниця – 2007

Дисертацією є рукопис

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

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, доцент

Бурєнніков Юрій Анатолійович,

Вінницький національний технічний університет,

професор кафедри технології та автоматизації машинобудування. |

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Штерн Михайло Борисович,

Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, м. Київ, завідувач відділу мікромеханіки, реології та обробки тиском порошкових та композиційних матеріалів;

кандидат технічних наук, доцент

Калюжний Володимир Леонідович,

Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, доцент кафедри механіки пластичності матеріалів та ресурсозберігаючих процесів.

Захист відбудеться „ 20 „ грудня 2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 05.052.03 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ауд. 210, ГУК.

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

Автореферат розісланий „ 14 „ листопада 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.В. Дерібо

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Холодне об’ємне штампування видавлюванням у порівнянні з іншими способами обробки металів дозволяє отримувати більш високу точність заготовок, кращу якість поверхні, підвищені надійність, зносостійкість та довговічність готових деталей, зменшену трудомісткість виготовлення. Основним недоліком холодного штампування є великий опір деформуванню. Ускладнює застосування цього способу і недостатня пластичність більшості металів. Якщо в окремих випадках деформаційне зміцнення є корисним, то для розширення можливостей холодного об’ємного штампування необхідно вирішувати проблеми, пов’язані з пластичністю металів, яка залежить не тільки від фізико-механічних властивостей металів, але і від схеми напруженого стану та історії навантаження.

Особливо актуальною ця проблема є для процесів холодного поперечного видавлювання осесиметричних заготовок, оскільки в зоні кромки фланця виникає несприятлива схема напруженого стану, яка обмежує можливості цих процесів. Значного підвищення пластичності металів в процесах холодного видавлювання можна досягти використанням протитиску, який може бути створений пластичним робочим середовищем. При цьому для одержання якісних заготовок з відповідною технологічною спадковістю, необхідно оцінити вплив основних параметрів процесу на величину використаного ресурсу пластичності. Точність розрахунків цього показника в значній мірі залежить від достовірності експериментальних даних про залежність пластичності матеріалу заготовки від схеми напруженого стану та історії навантаження, яка визначається параметрами процесу.

На сьогодні немає способу вирішення цієї задачі для процесу поперечного видавлювання, коли метал заготовки деформується спільно з допоміжним матеріалом, який забезпечує протитиск. Недостатньо оцінено також вплив геометричних характеристик порожнини та механічних властивостей металу, який видавлюється в дану порожнину, на величину протитиску. Не вирішеними залишаються питання залежності необхідної величини протитиску від фізико-механічних властивостей металу, що видавлюється.

Тому задача підвищення ефективності процесів видавлювання заготовок з використанням протитиску та розширення на цій основі сфер застосування процесів поперечного видавлювання деталей з фланцем є актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає науковому напрямку „Розробка феноменологічної теорії руйнування суцільних та пористих матеріалів та удосконалення на цій основі технологій обробки металів тиском” однієї з провідних наукових шкіл Вінницького національного технічного університету. Робота виконана в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт, передбачених планами Міністерства освіти і науки України (№ держ. реєстр. 0102U002270, 0105U002422), а також в рамках ряду госпдоговірних науково-дослідних робіт (автор брала участь у виконанні всіх тем як виконавець).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розширення технологічних можливостей процесів холодного поперечного видавлювання осесиметричних заготовок з фланцем на основі удосконаленого методу визначення раціональних параметрів процесу видавлювання з протитиском.

Для досягнення зазначеної мети в роботі поставлені такі завдання:

- розробити математичні моделі процесів поперечного видавлювання з протитиском деталей з фланцем і оцінити вплив параметрів процесу на силові режими та пластичність металів, що деформуються;

- установити закономірності накопичення пошкоджень при пластичній деформації металів в умовах об’ємного напруженого стану;

- на основі експериментальних досліджень впливу протитиску на пластичність перевірити адекватність моделей, розроблених шляхом теоретичного аналізу, а також установити можливості технологічних схем видавлювання з використанням протитиску;

- розробити рекомендації з проектування технологічних процесів поперечного видавлювання з протитиском деталей з необхідною технологічною спадковістю;

- підготувати результати досліджень для впровадження у виробництво у вигляді удосконалених технологій та рекомендацій.

Об’єкт дослідження - процес поперечного видавлювання осесиметричних заготовок.

Предмет дослідження - закономірності пластичного деформування осесиметричних заготовок з фланцем в процесі поперечного видавлювання з протитиском.

Методи дослідження. Для теоретичних досліджень використані наближені методи прикладної теорії пластичності, метод скінчених елементів та методи феноменологічної теорії деформуємості. Експериментальні дослідження виконані в лабораторних умовах із застосуванням спеціально розроблених пристроїв та використанням стандартного обладнання. Результати досліджень опрацьовані методами математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукову новизну дисертаційної роботи складають такі результати і положення:

- отримав подальший розвиток метод оцінювання пластичності металів при складному навантаженні в умовах об’ємного напруженого стану, що дозволило оцінити граничне формозмінення заготовок в процесах поперечного видавлювання з протитиском;

- вперше встановлено вплив форми порожнини, в яку видавлюється допоміжний метал, та величини протитиску на початку процесу видавлювання на ступінь спотворення форми фланця;

- розроблено метод визначення характеристик напружено-деформованого стану для процесу поперечного видавлювання з протитиском стержневих та трубчастих заготовок, який враховує характер зміни величини протитиску в залежності від співвідношення механічних властивостей матеріалу заготовки та матеріалу, що створює протитиск, а також геометричних характеристик порожнини, в яку видавлюється допоміжний матеріал;

- шляхом використання методів прикладної теорії деформуємості вперше отримані залежності між коефіцієнтами апроксимації діаграм пластичності та поверхонь граничних деформацій і на цій основі запропоновано метод апроксимації поверхонь граничних деформацій;

- для сталі 10 отримані залежності величини відновлення ресурсу пластичності при проміжних відпалах від використаного ресурсу пластичності перед відпалом та кількості відпалів. Установлено, що ефективність кожного наступного відпалу, з точки зору відновленого запасу пластичності, зменшується.

Практичне значення одержаних результатів. Практичне значення мають такі основні результати дисертаційної роботи:

- методики розрахунку напружено-деформованого стану та оцінки його залежності від параметрів процесу поперечного видавлювання з протитиском стержневих та трубчастих заготовок;

- залежність величини використаного ресурсу пластичності від механічних характеристик матеріалу заготовки, величини протитиску та розмірів фланця, що видавлюється;

- методики оцінки впливу величини протитиску та його зміни в процесі деформації на пластичність металу заготовки;

- методика визначення граничного формозмінення заготовок при поперечному видавлюванні з протитиском;

- рекомендації з проектування технологічних процесів холодного поперечного видавлювання деталей з фланцем з використанням протитиску.

Новизна запропонованих способів підтверджена патентами України.

Запропоновані в дисертаційній роботі технологічні рекомендації та розроблені на їх основі технології і режими поперечного видавлювання з протитиском стержневих та трубчастих заготовок зі збільшеним фланцем використані на ВАТ "Брацлав" (м. Брацлав) для виготовлення дослідної партії деталей.

Основні наукові результати роботи та методики досліджень використовуються на кафедрі „Технологія та автоматизація машинобудування” ВНТУ при викладанні курсів „Основи моделювання технологічних процесів”, „Проектування та виробництво заготовок деталей машин”.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача полягає в обґрунтуванні мети роботи, розробці основних ідей та методик досліджень, постановці та вирішенні завдань дисертаційної роботи.

Під час проведення досліджень, результати яких опубліковані у співавторстві, автором здійснені постановка задачі математичного моделювання, розробка наближених та числових методів розрахунків напружено-деформованого стану та виконано аналіз впливу параметрів процесу на технологічну спадковість і граничне формозмінення [1,3,4,6,21]. Запропонована методика апроксимації поверхонь граничних деформацій та способи оцінки впливу параметрів процесу на пластичність металів при поперечному видавлюванні [7,11,17,19]. Запропоновано спосіб виготовлення порожнистих деталей [13,15]. Розроблені алгоритми та програми згладжування масивів експериментальних даних кубічними сплайнами [2]. Виконані розрахунки та оцінка деформуємості заготовок в процесах холодного поперечного видавлювання з протитиском [5,8,9,18,20,22]. Обґрунтовано достовірність експериментальних значень граничної деформації металів, яка визначається застосуванням спеціальних схем поперечного видавлювання [14]. Розроблена феноменологічна модель оцінки впливу проміжних відпалів на відновлення ресурсу пластичності [12,16].

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи, наукові і практичні результати доповідалися і обговорювалися на науково-технічних конференціях (НТК): на НТК професорсько-викладацького складу за участі працівників науково-дослідних організацій та інженерно-технічних працівників підприємств м. Вінниці та області (Вінниця, 2001-2007р.р.); на всеукраїнських та міжнародних НТК з проблем дослідження і вдосконалення технології і обладнання обробки тиском (Краматорськ, 2002-2007р.р.); на Lucraile Celui de-al IV-lea Congres International de Stiinta si Ingineria Materialelor (IASI, ROMANIA, 2002); на першій міжнародній НТК „Машинобудування та металообробка – 2003” (Кіровоград, 2003р.); на IV міжнародній НТК „Вібрації в техніці та технологіях” (Вінниця, 2002р.); на ІІ міжнародній НТК „Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование обработки металлов давлением” (Тула, 2004р.); на 49-ій міжнародній НТК „Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров” (Москва, МГТУ „МАМИ”, 2005р.); на XIII-TH International conference “New Technologies and Products in Machines Manufacturing and Technologies” (SUCEAVA, ROMANIA, 2005): на міжнародній НТК „Прогрессивные методы и технологическое оснащение процессов обработки металлов давлением” (БГТУ „Военмех” им. Д.Ф.Устинова, Санкт-Петербург, 2005р.); на IV Міжнародній НТК вчених та спеціалістів „Интеллект молодых – производству 2005” (Краматорськ, 2005р.); на IX Всеукраїнській НТК студентів, аспірантів та молодих вчених „Технологія-2006” (Сєвєродонецьк, 2006р.); на міжнародній НТК „Застосування теорії пластичності в сучасних технологіях обробки тиском і автотехнічних експертизах” (Вінниця, 2006р.); на міжнародній НТК „Теоретичні і експериментальні дослідження в технологіях сучасного матеріалознавства та машинобудування” (Луцьк, 2007р.).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковано у 23 роботах, з них 9 статей опубліковано у 8 фахових виданнях, які включено до переліку ВАК України, 4 статті опубліковано у зарубіжних виданнях, (Yasi, Suceava, Romania, м.Тула, Росія), 7 тез доповідей – у збірниках, виданих за матеріалами науково-технічних конференцій. Нові технічні рішення захищені 3 патентами України.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків і додатків. Повний обсяг роботи – 233 сторінки, у тому числі 145 сторінок основного тексту, 65 рисунків, 4 таблиці, список використаних джерел з 169 найменувань і 5 додатків, що займають 57 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано загальну характеристику роботи і обґрунтована актуальність теми, визначені мета, задачі, об’єкт, предмет і методи досліджень, висвітлені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача, публікації, апробація отриманих результатів.

У першому розділі розглянуто стан питання з розробки та дослідження процесів холодного видавлювання, виконано ана ліз методів вивчення механіки пластичної деформації при тривимірній течії металу, розглянуто методи розрахунку напружень, проведено аналіз відомих моделей накопичення пошкоджень при великих пластичних деформаціях в умовах об’ємного напруженого стану та основаних на цих моделях критеріїв руйнування. Вагомий внесок в цю область досліджень зробили І.С. Алієв, Ю.А. Алюшин, Я.Є. Бейгельзімер, С.І. Губкін, Ю.І. Гуменюк, Г.Д. Дель, А.М. Дмітрієв, В.І. Дорошко, В.О. Євстратов, А.А. Костава, В.Л. Колмогоров, Ю.Г. Калпін, В.Л. Калюжний, Н.Н. Малінін, Є.М. Макушок, В.М. Михалевич, О.В. Нахайчук, А.Г. Овчінніков, В.А. Огородніков, Є.О. Попов, І.П. Ренне, В.Д. Рудь, О.А. Розенберг, Г.А. Смірнов-Аляєв, В.З. Спусканюк, В.І. Стеблюк, В.А. Титов, Є.П. Унксов, Ю.К. Філіппов, Д.В. Хван, Н.А. Шестаков, М.Б. Штерн, С.П. Яковлєв, Р.Дж. Грін, У. Джонсон, Х.Л. Пью та інші.

Аналіз залежності граничного формозмінення заготовок від особливостей відомих технологічних схем поперечного видавлювання дозволив установити, що для розширення можливостей цих процесів перспективними є схеми поперечного видавлювання з використанням протитиску. Відзначено, що незважаючи на позитивний вплив протитиску на пластичність, дослідження з цього напрямку практично відсутні.

На основі проведеного аналізу способів поперечного видавлювання та методів їх математичного моделювання, а також методів оцінки пластичності металів сформульована мета роботи та завдання дослідження.

У другому розділі виконані дослідження напружено-деформованого стану при холодному поперечному видавлюванні та оцінено вплив основних параметрів процесу на НДС.

Для розрахунку НДС використано підхід А.Г. Овчіннікова. Прийнято припущення, що напружено-деформований стан є осесиметричним, а метал, що деформується, розглядався як жорстко-пластичне тіло. Розрахункова схема процесу показана на рис. 1. Для спрощення розрахунків всі лінійні розміри віднесено до радіуса контейнера матриці .

Осередок деформації представлений у вигляді двох областей: кільцевої області 1 з границями в межах 1 R – в радіальному напрямі і 0  z f() – в вертикальному напрямі, де f() – рівняння границі осередку деформації; циліндричної області 2 з границями 01 – в радіальному напрямі і 0zhф/2 – в вертикальному напрямі.

На основі якісного аналізу процесу деформування в 1-й області вертикальну складову швидкості переміщення задавали у вигляді

(1)

де В – константа. Цей вираз задовольняє таким граничним умовам:

при =1, z=0; при z=0, z=0. (2)

В результаті розв’язання крайової задачі отримані формули для розрахунків компонент тензора напружень в області 1

(3)

де

З урахуванням (3), рівнянь пластичної течії і умови пластичності отримані формули для визначення компонент тензора напружень , z i z.

Сталу В визначали з умови, що при =R =0 при поперечному видавлюванні і =q при видавлюванні з протитиском q. Розв’язання задачі для області 2 наведено в дисертації.

Нами отримано також розв’язок задачі для поперечного видавлювання з протитиском трубчастої заготовки з відносно тонким фланцем (рис. ). Вперше подібна задача для стержневої заготовки розглянута І.С. Алієвим.

У даному випадку схему деформованого стану в області фланця вважали плоскою, оскільки деформація в напрямі осі z відсутня, тобто дорівнює нулю осьова складова швидкості частинок матеріалу vz=0.

Оскільки відсутні повороти частинок матеріалу відносно осі z, то дорівнює нулю і колова складова швидкості v=0 і дотичні напруження =z=0. Решта компонент тензора напружень , , z і z є функціями тільки радіуса і не залежать від координат z, . При наближеному розв’язанні задачі прийнято, що z=0. Радіальну швидкість частинок матеріалу v в перерізі з радіусом отримали з умови нестисливості

(4)

де v0 – швидкість переміщення інструмента, R0, r0 – зовнішній і внутрішній радіуси заготовки, S – товщина фланця.

З урахуванням (4) та відомих співвідношень кінематики пластичної деформації визначили ступінь деформації

. (5)

Для апроксимації кривої зміцнення використана степенева апроксимація

, (6)

де А і n – сталі, які залежать від матеріалу заготовки.

Після інтегрування рівняння рівноваги з урахуванням (6) та граничних умов, за яких =q при =R, отримали

(7)

(8)

Для визначення величини протитиску використано розв’язок задачі радіальної пластичної течії металу в каналі, який має форму клина з центральним кутом 2, отриманий В.В. Соколовським. Задачу розв’язували в циліндричній системі координат z, початок якої співпадає з вершиною клина (рис. 3). Вважали, що напружений стан не залежить від координати Z. В даному випадку компоненти дотичних напружень а інші компоненти девіатора напружень S, S, Sz i є функціями кута і не залежать від .

З умови рівноваги елементарного об’єму у вибраній системі координат отримали рівняння

(9)

При розв’язанні цієї задачі прийнято припущення, що компоненти девіатора напружень можуть бути виражені через параметр таким чином

(10)

Граничні умови даної задачі такі: на осі симетрії =0 дотичне напруження =0, а на площині стінки = дотична компонента напруження = t рівномірно розподілена. Величина дотичної компоненти дорівнює

(11)

Оскільки величина залежить тільки від , то величина може бути подана у вигляді

(12)

В результаті розв’язання системи рівнянь (9) з урахуванням (10), (12) отримані такі залежності

(13)

(14)

(15)

Для визначення компонент тензора напружень задавались умовами тертя на конічній поверхні, тобто величиною відношення t/k. Після розв’язання системи рівнянь (10)–(15) визначали компоненти тензора напружень і . Величина на вході в конічну частину каналу і визначатиме величину складової протитиску, яка залежить від кута і відношення висоти каналу до висоти щілини S/. Повна величина протитиску q залежить також від площі контакту робочого середовища із стінками каналу. Тому величина q буде дорівнювати (див. рис. 2)

, (16)

де Rn – радіус робочої порожнини; – середнє за висотою порожнини радіальне напруження на вході в порожнину, яка сходиться.

У третьому розділі подані моделі накопичення пошкоджень при плоскому та об’ємному напруженому стані та основані на них методи оцінки деформуємості. Для оцінки ймовірності руйнування металів використані деформаційні критерії, в яких як кількісна характеристика пластичності прийнята гранична деформація

(17)

де - інтенсивність швидкостей деформацій; tp – час деформації до руйнування.

Для дослідження пластичності металів при об’ємному напруженому стані вибрано простір з координатами: показник напруженого стану , параметр Надаі-Лоде і ступінь деформації eu

(18)

де – середнє напруження; t – час деформування.

У вибраному просторі залежність пластичності від схеми напруженого стану визначається поверхнею граничних деформацій ep(, ), для якої запропонована така апроксимація

(19)

де 1=ln(ep(-1,0)/ep(0,0)), 2=ln(ep(0,1)/ep(0,0)), ep(0,0), ep(-1,0), ep(0,1) – граничні деформації при =0, =0; =-1, =0; =0, =1 відповідно.

Апроксимація (19) отримана нами на основі аналізу результатів експериментальних досліджень пластичності металів в камерах високого тиску, отриманих В.А. Огородніковим, А.А. Коставою, Ю.Г. Важенцевим, В.Д. Рудьом, та виконаних у цій роботі дослідів з осадки циліндричних зразків.

Для сталі 10 та алюмінію АД1 значення ep(0,0)=0,78 і ep(0,0)=1,2 визначали в дослідах на кручення. Для визначення величин 1 і 2 проведені досліди з вільної осадки суцільних циліндричних зразків з різними умовами тертя на їх торцевих поверхнях, а також досліди з осадки циліндричних зразків в оболонках із сталі 10 різної товщини. При цьому використовувались зразки: d0=12 мм, h0=18 мм, товщина оболонки b=3мм; d0=12 мм, h0=22 мм, b=5мм; d0=12 мм, h0=26 мм, b=7,5мм. В результаті отримані формули для апроксимації поверхонь граничних деформацій для сталі 10

(20)

і для сплаву алюмінію АД1

. (21)

Поверхня граничних деформацій ep(, ) для сплаву АД1 показана на рис. 4.

Виявилося, що для досліджених матеріалів між величинами 1, 2 і параметром =ln(ep(-1,1)/ep(0,0)), який для апроксимації діаграм пластичності ввів В.А. Огородніков, має місце лінійна залежність (рис. 5). Отримані залежності можна рекомендувати для побудови поверхонь граничних деформацій на основі відомих діаграм пластичності.

Установлено, що залежність пластичності від схеми напруженого стану при плоскому напруженому стані характеризується трьома різними граничними кривими – діаграмою пластичності ep() (2=0) та діаграмами ep1() (1=0) і ep3() (3=0), які показані на рис. 4. Методика побудови граничних кривих ep(), ep1() і ep3() подана в дисертації. Як випливає з рис. 4, в усіх інших випадках має місце об'ємний напружений стан і залежність пластичності від схеми напруженого стану визначається тільки поверхнею граничних деформацій.

Для оцінки деформуємості заготовок при об’ємному напруженому стані використовували критерій руйнування, в основу якого покладено нелінійну модель процесу накопичення пошкоджень розроблену, Г.Д. Делем та В.А. Огородніковим. Вплив історії навантаження на пластичність в даному критерії визначається траєкторіями eu(,), а залежність пластичності металу від схеми напруженого стану задається поверхнею граничних деформацій eр(,)

, (22)

де , , а, b – емпіричні коефіцієнти, які для сталі 10 і АД1 приймали рівними a = 0,05, b = 0,03.

Критерій (22) використано для досліджень деформуємості заготовок із сталі та сплаву алюмінію АД1 при поперечному видавлюванні з протитиском. Розрахунки виконані для відносної товщини фланця hф=1 та розмірів фланця, що видавлюється, рівних R=1,5; R=2; R=2,5. При цьому відносний радіус порожнини дорівнював Rп=4, а ширина щілини становила =0,8мм. Показник напруженого стану в небезпечній точці фланця визначали за формулою

, (23)

де q – величина протитиску, який розраховували за формулою (16).

Отримані залежності в небезпечній точці від розмірів фланця для випадку, коли hф=1, Rп=4 і =0,8мм. Із порівняння результатів розрахунків при використанні протитиску і без нього випливає, що при вибраній геометрії і розмірах порожнини та при використанні технічного свинцю, як робочого середовища, яке створює протитиск, величина зменшується в 2,5 рази.

Розрахунок напружено-деформованого стану для видавлювання з протитиском виконано також методом скінчених елементів за програмою, розробленою А.В. Власовим, Н.А. Шестаковим, В.Н Субичем, В.А. Деміним. Отримані значення відрізняються від розрахованих з використанням запропонованої в роботі математичній моделі на 10%. Розрахунки МСЕ є ближчими до експериментальних результатів. Розрахункові значення , в даному випадку, відрізняються від експериментальних на 16%. Тому для практичних розрахунків деформуємості можна рекомендувати і запропоновану в роботі математичну модель.

У четвертому розділі виконано дослідження деформуємості трубчастих заготовок при поперечному видавлюванні з протитиском. Для реалізації цього процесу було спроектовано і виготовлено пристрій, який розміщується у спеціальній матриці з мінімальним зазором і закріплюється в ній (рис. 6).

Використання твердого тіла, як робочого середовища, дозволило усунути проблему ущільнення, яка виникає при використанні рідини. Найбільш придатним матеріалом для робочого середовища виявився технічний свинець. Установлено, що при поперечному видавлюванні трубчастих заготовок без протитиску на початку процесу видавлювання на вільній поверхні фланця виникають тріщини і фланець набуває неправильної форми. Для того, щоб отримати фланець необхідних розмірів і правильної форми величина протитиску q на початку процесу видавлювання повинна дорівнювати q=(1,7…2,0)т, де т – границя текучості матеріалу заготовки. Такі умови забезпечуються точністю виготовлення свинцевого кільця та розмірами і геометрією порожнини, в яку видавлюється свинець.

Для оцінки величини граничного формозмінення при поперечному видавлюванні осесиметричних заготовок з відносно тонким фланцем з трубчастих заготовок необхідна інформація про зміну показників напруженого стану і в небезпечних, з точки зору руйнування, точках в процесі пластичного формозмінення. На основі розв’язання задачі поперечного видавлювання трубчастої заготовки для розрахунку отримано формулу

(24)

В роботах В.А. Огороднікова і І.С. Алієва показано, що при поперечному видавлюванні осесиметричних заготовок небезпечними є точки кромки фланця. Як випливає із експериментальних досліджень, ці точки залишаються небезпечними і при використанні протитиску. В роботі виконані розрахунки для трьох різних щілин з розмірами 1=0,5мм, 2=0,8мм, 3=1,0мм. Шляхи деформування частинок матеріалу, які знаходяться на кромці фланця, при використанні протитиску для АД1 показані на рис. 4 (крива 2, 1=0,5мм; крива 3, 2=0,8мм; крива 4, 3=1,0мм – розрахунки виконані за математичною моделлю та криві 5, 6, 7 – для щілин розмірами 1=0,5мм, 2=0,8мм, 3=1,0мм відповідно – отримані при розрахунках за МСЕ). Розрахунок використаного ресурсу пластичності виконували за критерієм (22). Як видно із рис.4, траєкторії 5, 6, 7 отримані за результатами розрахунків напружено-деформованого стану МСЕ зміщені в більш м’яку область, а тому і розрахункова величина використаного ресурсу пластичності виявилася дещо меншою від значень , отриманих при використанні математичної моделі, та ближчою до експериментальних значень. Розходження з експериментальними даними не перевищують 16%. Різниця між значеннями отриманими за математичною моделлю і значеннями , отриманими МСЕ, не перевищують 10%. Отримані результати свідчать про придатність запропонованої математичної моделі для досліджень процесів поперечного видавлювання з протитиском.

З аналізу отриманих залежностей від випливає, що зі збільшенням протитиску та зменшенням розмірів щілини інтенсивність накопичення пошкоджень зменшується, що і дозволяє отримувати більші пластичні деформації за інших рівних умов. При прийнятих розмірах порожнини, в яку видавлюється свинець, Rп/R=4 та зменшенні ширини щілини від 1мм до 0,5мм величина зменшується в 1,41 рази для АД1 і в 1,56 рази для сталі 10. На основі експериментальних досліджень установлено, що значний вплив на величину протитиску чинять сили тертя між поверхнею інструменту та свинцем, які при вибраній геометрії інструменту призводять до зменшення в 2,2 рази.

В роботі виконані дослідження комплексного впливу величини використаного ресурсу пластичності перед відпалом і послідовності відпалів на величину відновлення запасу пластичності при поперечному видавлюванні заготовок із сталі 10 з проміжними відпалами. Отримані залежності відновленого при відпалі запасу пластичності від використаного ресурсу пластичності і порядку відпалу подані на рис. . Аналіз цих залежностей показує, що при проведенні декількох проміжних відпалів їх ефективність поступово зменшується.

На основі результатів теоретичних та експериментальних досліджень розроблені методики проектування технологічних процесів поперечного видавлювання заготовок з фланцем з використанням протитиску, який створюється твердим середовищем. Розроблені рекомендації щодо вибору величини протитиску в залежності від геометрії заготовки та механічних характеристик її матеріалу, а також від вимог до технологічної спадковості. Запропоновані математичні моделі дозволяють визначити величину протитиску в залежності від геометрії порожнини, її розмірів та механічних характеристик матеріалу, який видавлюється. Розроблені технологічні процеси поперечного видавлювання стержневих та трубчастих деталей з фланцями великих діаметрів, в яких протитиск створюється технічним свинцем.

Розроблено технологію отримання деталей зі збільшеним фланцем, які забезпечують розширення можливостей процесів видавлювання за рахунок використання протитиску.

Отримані в дисертаційні роботі технологічні рекомендації та розроблені на їх основі технології та режими поперечного видавлювання з протитиском стержневих та трубчастих заготовок зі збільшеним фланцем використані на ВАТ “Брацлав” (м. Брацлав).

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі отримані теоретичне узагальнення і нове вирішення науково-технічного завдання, що полягає в розширенні технологічних можливостей процесів поперечного видавлювання осесиметричних заготовок шляхом використання протитиску, який створюється твердим середовищем, на основі розвитку методів розрахунку напружено-деформованого стану при спільному деформуванні двох середовищ з різними механічними властивостями та удосконалення методів оцінки величини використаного ресурсу пластичності при пластичному деформанні металів в умовах об’ємного напруженого стану.

1. На основі аналізу відомих технологій холодного об’ємного штампування та тенденцій їх розвитку установлено, що для розширення можливостей процесів поперечного видавлювання та покращення технологічної спадковості готових виробів доцільно застосовувати схеми видавлювання з протитиском, для освоєння яких необхідне подальше удосконалення методів розрахунку напружено-деформованого стану при сумісній деформації двох різних матеріалів та методів оцінки величини граничних деформацій при пластичній деформації металів в умовах об’ємного напруженого стану.

2. Вперше розроблена математична модель процесу холодного поперечного видавлювання осесиметричних суцільних та трубчастих заготовок, яка дозволяє досліджувати пластичну деформацію матеріалу заготовки з урахуванням протитиску, який створюється за рахунок пластичної деформації допоміжного металу, що деформується спільно з матеріалом заготовки. Проведені за допомогою моделі розрахунки дозволили оцінити вплив історії навантаження, яка визначається параметрами процесу та величиною і законом зміни протитиску, на граничне формозмінення.

3. На основі розв’язку задачі радіальної пластичної течії металу в каналі, який має форму клина з центральним кутом 2, визначено залежність величини протитиску від кута та умов тертя. Установлено, що величина протитиску зростає із зростанням кута , сил тертя та радіуса порожнини, в яку видавлюється допоміжний метал, а також із збільшенням відношення висоти каналу на вході в клиновидну порожнину до його висоти на виході з неї. При збільшенні цього відношення в два рази при =300 та відносному радіусі порожнини Rп=4 величина протитиску збільшується в 2,2 рази. При розмірах щілини =0,2 мм зусилля видавлювання зростає в 4-5 рази в порівнянні з зусиллям при =0,5 мм. Розходження експериментальних значень зусиль видавлювання з отриманими за математичними моделями не перевищують 15%.

4. Установлено, що величина протитиску та закон його зміни в процесі видавлювання залежить не тільки від геометричних характеристик порожнини, але й від сил тертя між робочим середовищем та плоскими поверхнями інструменту, які визначаються як умовами пластичної течії матеріалу робочого середовища, так і розмірами робочої порожнини Rп. При використанні технічного свинцю як робочого середовища та збільшенні радіуса порожнини від Rп=2 до Rп=4 величина протитиску зростає в 3,2 рази.

5. Отримали подальший розвиток моделі процесів накопичення пошкоджень при пластичній деформації металів в умовах об’ємного напруженого стану, на основі яких установлено, що у вибраних для досліджень впливу історії навантаження та схеми напруженого стану на пластичність координатах , , eu залежність граничної деформації ep від показника при плоскому напруженому стані визначається трьома різними граничними кривими, які описують залежність ep() при 1=0, 2=0 і 3=0, відповідно, при значеннях –22. У всіх інших випадках залежність пластичності від схеми напруженого стану визначається поверхнею граничних деформацій ep(,).

6. Запропонована апроксимація поверхні граничної деформації ep(,) та обґрунтовано вибір коефіцієнтів апроксимації, що дозволило встановити залежність між прийнятими коефіцієнтами апроксимації граничних поверхонь та коефіцієнтами апроксимації, запропонованими В.А. Огородніковим для діаграм пластичності. Отримані між коефіцієнтами апроксимації залежності дозволяють будувати поверхні ep(,) шляхом використання граничних кривих ep().

7. Для оцінки впливу параметрів процесу видавлювання з протитиском на граничне формозмінення заготовок використано критерій деформуємості, в якому залежність пластичності від схеми напруженого стану визначається поверхнею граничних деформацій ep(,), а історія навантаження задається траєкторією eu(,). Отримані залежності деформуємості заготовок від параметрів процесу при вільному видавлюванні та при видавлюванні з протитиском. Розходження між розрахунковими та експериментальними результатами не перевищують 18%.

8. Установлено, що збільшення діаметра фланців із сталі 10, яке має місце при видавлюванні з протитиском, можна досягти завдяки використанню проміжних відпалів, якщо величина використаного ресурсу пластичності перед черговим відпалом не перевищує значень 10,3...0,4 – перед першим відпалом, 20,20...0,25 –перед другим відпалом та 30,15...0,18 – перед третім відпалом.

9. Розроблено технологічні рекомендації, алгоритми, розрахункові програми і методики оцінки впливу основних параметрів процесу поперечного видавлювання з протитиском на діаметри фланців, що видавлюються.

10. Розроблені технологічні процеси поперечного видавлювання стержневих та трубчастих заготовок із застосуванням протитиску використані для видавлювання деталей типу “стержень з фланцем” і “втулка з фланцем” на підприємстві ВАТ "Брацлав" (м. Брацлав).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ Сивак К.І. вважати Коцюбівською К.І. у зв’язку з одруженням і зміною прізвища

1. Бурєнніков Ю.А., Коцюбівська К.І. Напружено-деформований стан та граничне формозмінення при радіальному видавлюванні // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2006. – №4 (67). – С. 63-72.

2. Коцюбівська К.І., Клочко В.І., Сухоруков С.І., Чубатюк А.В. Апроксимація експериментальних даних кубічними сплайн-функціями // Вісник Вінницького політехнічного інституту, 2006. – №3 (66). – С. 21-30.

3. Сивак И.О., Сивак Е.И., Сухоруков С.И. Оценка пластичности металлов при холодной пластической деформации // Известия ТулГУ. Серия: Механика твердого деформируемого тела и обработка металлов давлением. 2004. – Вып. . – С. 114-121.

4. Sivak І.О., Savulyak V.V., Sukhorukov S.I., Sivak K.I. Simulation process of friction of rough surfaces // Bulletin of the polytechnic institute of Iassy. – 2001. – Tomul XLVII(LI), Fasc. 1-2. – P. 191-194.

5. Burennikov Y., Sivak I., Kozlov L., Sivak К. Deformability of workpiecies in the process of lateral extrusion using hydrostatic pressure // Bulletin of the polytechnic institute of Iassy. – 2002. – Tomul XLVIII(LII), Fasс. 3-4. – P. 199-203.

6. Огородников В.А., Бабак Н.В., Сивак Е.И. Оценка безотказности и долговечности деталей машин на основе теории деформируемости // Захист металургійних машин від поломок: Міжвуз. темат. зб. наук. пр. – Маріуполь, 2002. – Випуск №6. – С. 56-60.

7. Буренников Ю.А., Сивак И.О., Сивак Е.И. Зависимость пластичности от схемы напряженного состояния при плоском напряженном состоянии // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Краматорськ, 2003. – С. 272-274.

8. Буренников Ю.А., Козлов Л.Г., Сивак Е.И., Сивак Р.И. Поперечное выдавливание пористой заготовки с использованием гидростатического давления // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр.– Краматорськ-Хмельницький, 2002. С. 159-162.

9. Алиев И.С., Жбанков Е.Г., Коцюбивская Е.И. Моделирование процесса радиального выдавливания фланцев с применением противодавления // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Краматорськ, 2006. – С. 53 – 58.

10. Коцюбивская Е.И. Определение напряжений и деформируемости заготовок при радиальном выдавливании // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Краматорськ, 2006.  С. 359  364.

11. Сивак И.О., Коцюбивская Е.И. Пластичность металлов при объёмном напряжённом состоянии // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр. – Краматорськ - Хмельницький, 2007. – С. 73-76.

12. Коцюбивская Е.И., Огородников В.А., Сивак И.О. Влияние промежуточных отжигов на механические характеристики заготовок, получаемых при поперечном выдавливании // Наукові нотатки: Міжв. зб. – Луцьк, 2007. – С. 203–205.

13. Пат. 68115А України, В21К21/00. Спосіб виготовлення деталей з наскрізним отвором / Л.І.Алієва, І.Г.Савчинський, О.І.Лобанов, К.І.Сивак (Україна). - №2003109157; Заявл. 10.10.2003; Опубл. 15.07.2004, Бюл. №7.

14. Пат. 63208А України, G01N3/28. Спосіб випробування металевих зразків для визначення граничної пластичної деформації / І.С.Алієв, І.Г.Савчинський, Л.І.Алієва, К.І.Сивак (Україна). - №2003021779; Заявл. 28.02.2003; Опубл. 15.01.2004, Бюл. №1.

15. Пат. 67977А України, В21К21/00. Спосіб видавлювання порожнистих деталей / І.С.Алієв, І.Г.Савчинський, Л.І.Алієва, К.І.Сивак (Україна). - №2003077078; Заявл. 28.07.2003; Опубл. 15.07.2004, Бюл. №7.

16. Сивак И.О., Буренников Ю.А., Сивак Е.И. Применение промежуточных отжигов для улучшения механических характеристик заготовок, получаемых при поперечном выдавливании // Машинбудування та металообробка. – 2003: Перша Міжнародна науково-технічна конференція, 17-19 квітня 2003 р. – Кіровоград, 2003. – С. 210-211.

17. Сивак И.О., Сивак Е.И., Сухоруков С.И. Оценка пластичности металлов при холодной пластической деформации // Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование обработки материалов давлением: II Международная научно-техническая конференция, 15-19 мая 2004 г. – Тула: ТулГУ, 2004. – С. 97-98.

18. Алиев И.С., Сивак Е.И. Оценка пластичности металла при поперечном выдавливании с противодавлением // Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров: 49-я Международная научно-техническая конференция ААИ, 23-24 марта 2005 г. – Москва: МГТУ “МАМИ”, 2005. – С. 19-20.

19. Коцюбивская Е. И., Алиева Л.И. Пластичность металлов при плоском напряженном состоянии // Прогрессивные методы и технологическое оснащение процессов обработки металлов давлением: Международная научно-техническая конференция, 11-14 октября 2005 г.– Санкт-Петербург: БГТУ “Военмех”, 2005. – С. 86-90.

20. Борисов Р.С., Коцюбивская Е.И. Выдавливание с дополнительными воздействиями на деформируемую заготовку // Интеллект молодых  производству 2005: IV Международная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов, 14-18 ноября 2005 г. – Краматорск: АО “НКМЗ”, 2005. – С. 67-68.

21. Burennikov Y.A., Sivak І.О., Kotsubivska К.І., Yablonska S.Z. The influence of non-monotonic loading on plasticity during the process of radial extrusion with contour upsetting // CONFERINTA STIINTIFICA “TEHNOMUS” edita a XIII-a, 6-7 Mai 2005. – Suceava: UNIVSITATEA “STEFANCEL MARE”, 2005. – Р. 211-216.

22. Жбанков Я.Г., Коцюбивская Е.И. Радиальное выдавливание полых изделий с применением противодавления // Технологія – 2006: ІХ Всеукраїнська науково-практична конференція студентів, аспірантів та молодих вчених, 13-14 квітня 2006 р. – Сєвєродонецьк, 2006. – С. 11.

23. Коцюбивская Е.И. Решение задачи деформируемости для плоского напряженного состояния // Застосування теорії пластичності в сучасних технологіях обробки тиском і автотехнічних експертизах: Міжнародна науково-технічна конференція, 29 травня – 1 червня 2006 р. – Вінниця: ВНТУ, 2006. – С. .

АНОТАЦІЇ

Коцюбівська К.І. Підвищення ефективності процесів холодного поперечного видавлювання осесиметричних заготовок з фланцем за рахунок використання протитиску. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 „Процеси та машини обробки тиском”. – Вінницький національний технічний університет, Вінниця, 2007.

В дисертації отримано узагальнення і нове розв’язання науково-технічної задачі розширення технологічних можливостей процесів поперечного видавлювання за рахунок використання протитиску, який створюється твердим середовищем.

На основі методів прикладної теорії пластичності одержали подальший розвиток математичні моделі напружено-деформованого стану процесів поперечного видавлювання заготовок з протитиском, який створюється допоміжним металом. Установлено залежність величини протитиску від фізико-механічних властивостей металу, що видавлюється, та геометричних характеристик порожнини. Розроблено методи оцінки впливу основних параметрів процесу на граничне формозмінення заготовок та технологічну спадковість готових виробів. Отримано залежності величини відновленого ресурсу пластичності від значень використаного ресурсу пластичності перед відпалом і кількості відпалів.

Експериментально підтверджена достовірність теоретичних результатів на основі яких розроблені практичні рекомендації з проектування процесів холодного поперечного видавлювання з використанням протитиску. Запропоновані методи вибору допоміжного металу та геометричних характеристик порожнини.

Ключові слова: напруження, деформації, пластичність, деформуємість, руйнування, поперечне видавлювання, протитиск, поверхня граничних деформацій.

Коцюбивская Е.И. Повышение эффективности процессов холодного поперечного выдавливания осесимметричных заготовок с фланцем за счёт применения противодавления. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05. „Процессы и машины обработки давлением”. – Винницкий национальный технический университет, Винница, 2007.

В диссертации получено обобщение и новое решение научно-технической задачи расширения технологических возможностей процессов поперечного выдавливания за счет использования противодавления, которое создается твердой средой.

В диссертационной работе на основе методов прикладной теории пластичности получили дальнейшее развитие математические модели напряжённо-деформированного состояния при реализации процессов