Визначення оптимальних параметрів електрогідравлічних установок для штампування деталей з титанових сплавів. Розробка технології електрогідравлічного штампування деталей. Дослідження поводження титанових сплавів при високошвидкісному навантаженні.
Аннотация к работе
Більш 50 років впроваджуються в промисловість електрогідравлічні установки для обробки металів тиском, у тому числі для штампування складних деталей із металів, що важко деформуються, очищення виливків, розвальцьовування труб, а так само в інших технологічних процесах металообробки. Простота технологічного й енергетичного устаткування, мінімальна вартість і трудомісткість оснащення, висока точність одержуваних деталей і доступна легкість керування процесом вигідно відрізняють цей метод від традиційних методів обробки металів тиском. Сучасний стан розробок і досліджень, а також накопичений за цей період досвід промислового використання електрогідравліки стосовно до технологічних процесів листового штампування титанових сплавів показав їх високу техніко-економічну ефективність, особливо в дослідному і дрібносерійному виробництвах. Робота виконувалася в Київському державному науково-дослідному інституті гідроприладів у рамках "Програми розвитку суднобудування і кораблебудування", затвердженої Кабінетом Міністрів України в 1991 р. і науково-технічної роботи "Удар-1" - "Розробка екологічно чистих електроімпульсних технологій на основі високоефективного компресійного генератора-нагромаджувача для використання в гірській справі і машинобудуванні", що виконувалася на підставі Доручення Кабінету Міністрів України від 07.08.97 р.
Список литературы
Матеріали дисертаційної роботи опубліковані в 24 друкованих працях, у тому числі в 1 монографії, у 3 статтях у наукових журналах, у 3 статтях у наукових збірниках, у 1 авторському посвідченні, у 16 тезах конференцій.
Структура та обсяг дисертації.
Робота складається з вступу, чотирьох розділів, списку використаних джерел і додатків. Обсяг роботи 193 сторінки, 41 малюнок на 38 аркушах, додаток на 23 сторінках, список використаних джерел з 112 джерел на 8 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У введенні приведена загальна характеристика електрогідравлічного штампування металів, обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, необхідність даного дослідження для подальшого розвитку і впровадження перспективних розробок у промисловості. Визначено коло питань, що будуть вирішені в ході виконання роботи.
У першому розділі проведений аналіз існуючих методів підвищення штампуємості деталей з титанових сплавів. Розглянуто вплив різних факторів на ефективність штампування титанових сплавів. Визначено поводження титанових сплавів при високошвидкісному навантаженні. Проведено аналіз високошвидкісних методів деформування металу. Описано конструктивні і технологічні особливості електрогідравлічних установок для штампування. Досліджено існуючі методи інтенсифікації процесів електрогідравлічного штампування.
Відзначено важливий внесок у теорію і практику високошвидкісної обробки металів тиском, що зробили Юткін Л.О., Чачін В.М., Горохович О.І., Піхтовніков Р.В., Борисевич В.К., Огородніков В.А., Євстратов В.О., Бичков С.А., Розенберг О.О., Вовченко О.І., Швець І.С. і інші.
За результатами проведеного в першому розділі дослідження був зроблений висновок про те, що титанові сплави відрізняються низькою штампуємістю через високі значення меж міцності sв і плинності s0,2 і через невисокі чисельні значення відносного подовження d і відносного поперечного звуження y. На штампуємість титанових сплавів істотний вплив роблять наступні фактори: розігрів заготовки; міжопераційний отжиг; зміна швидкості деформування. електрогідравлічний титановий сплав деталь
З аналізу літератури видно, що не встановлено чітку закономірність зміни штампуємості титанових сплавів у залежності від зміни швидкості навантаження заготовки.
Розкрито перевагу методу деформування з використанням високовольтного імпульсного розряду в рідині серед інших високошвидкісних методів обробки титанових сплавів тиском.
Аналіз існуючих електрогідравлічних установок показав, що вони не забезпечують стабільності процесу передачі енергії від генератора імпульсів струму заготовки і їх к.к.д. має багатофакторну важко керовану залежність. Це визначено тим, що методи інтенсифікації процесів електрогідравлічного штампування мало вивчені і не мають широкого практичного впровадження.
З огляду на зроблені висновки, були визначені задачі дослідження: - оптимізація енергосилових параметрів електрогідравлічних установок;
- одержання виражень для визначення параметрів електрогідравлічного штампування титанових сплавів;
- визначення шляхів інтенсифікації електрогідравлічного штампування заготовок з титанових сплавів;
- дослідження поводження титанових сплавів при високошвидкісному навантаженні;
- розробка технології електрогідравлічного штампування конкретних деталей з титанових сплавів.
В другому розділі проведені аналітичні дослідження з оптимізації параметрів електрогідравлічного штампування. Як критерії оптимізації використовувалися енергетичні характеристики установки.
Рівняння руху заготовки що деформується приймається у виді
Тому що діюча хвиля є хвилею нескінченної довжини, то умова деформування заготовки буде
Під дією хвилі експонентного профілю рівняння руху заготовки запишеться у виді
Умовою, що забезпечує якісне, без порушення цілісності, деформування заготівлі, є те, що за час центр заготовки переміщається на величину .
Тоді одержимо умову для вибору Pm і Q.
Звідси
Для заготовок з відомими характеристиками ST, d і з1, задаючи значенням Q визначаємо Pm = f(Q) і вибираємо параметри навантаження (Pm і Q).
Використовуючи метод статечної апроксимації опублікованих у літературних джерелах виражень для визначення основних параметрів, що визначають процес електрогідравлічного штампування, були отримані формули для обчислення: - величина робочого проміжку l
- тиск на фронті хвилі стиску р
- постійна експонентного загасання Q
Розрахунок силових і швидкісних параметрів електрогідравлічного штампування виконувався стосовно до деталі типу днище різної форми з плоских заготовок за схемою прямої і реверсивної витяжки з утоненням металу.
Розрахунки вироблялися для плоских заготовок товщиною 0,6 е 1,2 мм із титанових сплавів марки ВІД4-1 і ВІД4. Швидкісні параметри навантаження заготовки варіювалася в межах: швидкість деформування 20 е 100 м/с, швидкість деформації (2,4 е 2,9)ґ102з-1, прискорення (3,3 е 4,1)ґ105 м/с.
При розробки методики розрахунку силових і швидкісних параметрів електрогідравлічного штампування були отримані залежності і коефіцієнти визначальні зміни геометричних розмірів заготовки при різних стадіях обробки. Кінцеве вираження, що визначає величину роботи деформації, необхідної для утворення деталі типу "днище", за умови , визначається вираженням де D - діаметр деталі;
h - глибина витяжки;
для титанових сплавів складає: ВІД4-1 - 3,65, для ВІД4 - 4,90.
У третьому розділі виконані експериментальні дослідження електрогідравлічного штампування заготовок з титанових сплавів.
Дослідження процесу високовольтного розряду в рідині проводилося з використанням методу оптичної реєстрації різних стадій розвитку розряду при варіюванні вихідними енергетичними параметрами.
Для дослідження поводження металу в процесі деформації заготівлі при електрогідравлічному штампуванні, розроблений і виготовлений експериментальний стенд (мал.1), в основу роботи якого покладений графомеханічний метод реєстрації швидкості і величини деформації листових заготовок. При аналізі отриманих результатів був визначений інтервал швидкостей деформування, при якому досягається оптимальний режим формозміни заготовки - 70 е 120 м/с.
Рис.1. Залежність відносної деформації заготовки від швидкості деформації.
Визначено, що відсутня пряма залежність між ступенем деформації і потужністю розряду. Доведено, що при оптимальних режимах деформування, заготовка досягає максимального прогину при менших витратах енергії і зменшується втрата часу на проміжний отжиг.
У результаті обрахування отриманих осцилограм току і напруги експериментально встановлені параметри установки, при яких досягається максимальне використання запасеної енергії і підтверджені отримані в попередній главі вираження для визначення оптимальних значень вихідних параметрів електрогідравлічної установки по штампування деталей з титанових сплавів.
При проведенні оптичних досліджень каналу розряду визначалася швидкість розвитку лідерів, діаметр і швидкість розширення газового міхура і швидкість фронту ударної хвилі.
В експериментальному стенді для високошвидкісних фотографічних досліджень електродних систем розрядних камер і формоутворення металу при електрогідравлічному штампуванню використовувалася високошвидкісна кінокамера з оптичним редуктором з багаторазовим відображенням типу ВСК-5.
Швидкість фронту ударної хвилі розраховувалася по формулі де b - кут, утворений фронтом ударної хвилі і подовжньою віссю розряду;
Vp - швидкість переміщення зображення (швидкість фоторозгорнення) у подовжньому напрямку фотограми, перпендикулярному напрямку руху ударної хвилі.
Швидкість фронту ударної хвилі, отримана при розрахунку фотограм, знаходиться в межах 1450 е 1780 м/с.
Порівняльний аналіз експериментальних і розрахункових значень показав, що отримані в другому розділі аналітичні вираження можна застосовувати для розрахунків параметрів навантаження заготовки при електрогідравлічному штампуванні.
У четвертому розділі проведені технологічні дослідження і представлене практична реалізація результатів роботи.
На базі проведених досліджень була створена універсальна електрогідравлічна установка, змінні технологічні вузли якої дозволяють розширити область застосування електрогідравлічного устаткування. Використовуючи отримані теоретично і практично дані, був розроблений технологічний процес електрогідравлічного штампування деталей з титанових сплавів.
Визначено відносну товщину плоскої заготовки і відносну глибину деталі , при яких доцільно застосовувати ту або іншу технологічну схему штампування: - для прямої витяжки і ;
- для реверсивної витяжки < 0,01 і ;
- для формування > 0,0005 і .
Описані додатковими заходи щодо стабілізації процесу штампування.
Отримано вираження для визначення зусилля притиску при електрогідравлічному штампуванню деталей типу днищ із плоских заготовок за схемою прямої і реверсивної витяжки
Описано використання електрогідравлічної установки, в області відчищання лиття від формувальної суміші, як генератора повздошно-поверхневих хвиль на границі роздягнула формувальна суміш - заготівля, що дало можливість робити відчищання тонкостінних виливків без ризику руйнування матеріалу виливка.
Основні отримані в роботі результати можна застосувати при використанні установок що використовують електрогідравлічний ефект в інших областях промисловості: очищення виливків, руйнування монолітів, декальматація фільтрів шпар різного призначення й ін.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
1.На штампуємість титанових сплавів істотний вплив роблять нагрівання заготовки, схема навантаження і швидкість деформування. Якщо два перших фактори досить добре вивчені і мають певні обмеження по конкретному застосуванню, то для дослідження впливу швидкості деформування необхідне використання нетрадиційного спеціального кузнечно (штампувального устаткування з застосуванням високоенергетичних джерел енергії.
2.Вивчення спеціальних методів обробки металів тиском (штампування вибухом, електрогідравлічне штампування, магнітно-імпульсне штампування і так далі) дозволило визначити діапазон їхнього силового і швидкісного впливу на заготовку й установити ряд переваг електрогідравлічного штампування: легка керованість основними параметрами процесу, можливість використання в звичайних виробничих умовах, простота технологічного оснащення.
3.Аналіз отриманої інформації не дозволяє видати рекомендації з застосування електрогідравлічного штампування для деталей з титанових сплавів, тому що існуючі електрогідравлічні установки мають низький к.к.д. процесу, мають нестабільність виділення енергії в канал розряду, звязаної з взаємним впливом різних факторів на кінцевий результат і, крім того, використовуються для рішення якихось приватних задач.
4.У результаті аналітичних досліджень визначені основні вихідні силові і швидкісні параметри процесу розряду, що визначають оптимальну схему навантаження заготовки при її деформуванні. До них відносяться: Pm - тиск на фронті ударної хвилі і Q - постійна експонентного загасання. Які у свою чергу залежать від параметрів генератора імпульсів струму, закону виділення енергії в каналі розряду, схеми навантаження заготовки і відстані від каналу розряду до заготівлі. При цьому на швидкісні параметри процесу визначальний вплив робить робоча напруга генератора імпульсів струму й оптимальним у даному випадку є 50 КВ.
5.Створено унікальний експериментальний стенд, що дозволяє одночасно реєструвати електричні, енергетичні і гідродинамічні параметри процесу штампування, проводити високошвидкісну оптичну зйомку характеру введення енергії в зону розряду, а також визначати швидкість деформування заготівлі в межах від 1 до 170 м/с.
6.Визначено оптимальну швидкість деформування титанових заготівель ~ 80 м/с, при якій штампуємість заготовок з титанового сплаву збільшується на 10 - 15 %. Подальше збільшення швидкості деформування економічно недоцільно й у багатьох випадках приводить до руйнування заготівлі.
7.Розроблено технологічний процес електрогідравлічне штампування деталей з титанових сплавів. У залежності від відносної товщини і відносної глибини деталі, дані рекомендації про застосування наступних технологічних схем штампування: пряма витяжка, витяжка реверсивна, формування.
8.Запропоновано комбінований (вібростатичний) метод впливу на оброблювані матеріали, що дозволяє з меншими енергетичними витратами, але з більшою ефективністю одержати позитивний результат в області обробки металів тиском, при очищенні виливків від формувальної суміші а також при декольматації фільтрів водозабірних і нафтових шпар.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ
1.Антиханович И.Г., Шамарин Ю.Е., Мартюк С.П., Шамарин А.Ю. Электрогидравлическая штамповка деталей из труднодеформируемых металлов // Технология и организация производства. -1989. -№4. -С. 16-17.
2.Подводная электроакустическая аппаратура и устройства. т.2. Технология акустических антенн. Методы изготовления с применением электрофизических приемов обработки / Ю.Е. Шамарин, А.Г. Лейко, А.Ю. Шамарин, В.П. Ткаченко - Киев, 2001. -256 с.
3.Шамарин А.Ю., Шамарин Ю.Е., Букатова С.С., Антиханович И.Г. Технология электрогидравлической штамповки деталей из титановых сплавов. // Тез. докл. IV Всесоюзной науч.-технич. конференции "Электрический разряд в жидкости и его применение в промышленности". -Николаев, НАНУ, -1988. -С. 131.
4.Шамарин Ю.Е., Антиханович И.Г., Шамарин А.Ю. Электрогидравлическая штамповка деталей из титановых сплавов. // Технология судостроения. -1989, №3, -С. 36-38.
5.Шамарин Ю.Е., Букатова С.С., Шамарин А.Ю. Опыт внедрения электрогидравлических установок в механосборочном производстве. // Тез. докл. Конференции "Ресурсосберегающие технологии в механосборочном производстве". -Киев, РДЭНТП, -1990, -С. 30-31.
6.Шамарин Ю.Е., Мартюк С.П., Шамарин А.Ю. Оптические методы исследования быстропротекающих процессов. // Тез. докл. Всесоюзной науч.-технич. конференции "Импульсная обработка металлов" -Харьков, ХАИ, -1990. -С. 97.
8.Шамарин Ю.Е., Шамарин А.Ю. Автоматизация контроля быстропротекающих процессов. // Тез. докл. респ. науч.-технич. конференции "Проблемы автоматизации контроля и диагностирования сложных технических систем". Укр НИИ НТИ, Житомир-Киев, -1991. -С. 3.
9.Шамарин Ю.Е., Шамарин А.Ю. Применение электрогидравлического эффекта в механосборочном производстве. // Тез. докл. науч.-технич. конференции "Прогрессивные технологические процессы в механосборочном производстве", М. РДЭНТИ, -1991. -С. 102.
10.Шамарин Ю.Е., Шамарин А.Ю. Теоретический анализ и экспериментальное исследование электрогидравлической обработки металлов давлением. // Тез. докл. конференции "Прогрессивные технологии и оборудование для обработки металлов давлением". Киев, УДЭНТЗ, -1993. -С. 52-53.
11.Шамарин Ю.Е., Шамарин А.Ю., Андриенко В.А. Поведение титановых сплавов при высокоскоростном нагружении. // Тез. докл. V Всесоюзной конференции "Получение и обработка материалов высоким давлением". -Минск.: Наука и техника, -1987. -С. 48.
12.Шамарин А.Ю. Технология электрогидравлической штамповки деталей из титановых сплавов // Зб. тез доповідей міжнар. конф. "Застосування теорії пластичності в сучасних технологіях обробки тиском". -Вінниця, -2001. -С. 80-81.
13.Шамарин Ю.Е., Букатова С.С., Шамарин А.Ю. Электрогидравлические установки для очистки отливок//Технология судостроения. -1989. -№1. -С. 40-42.
14.Шамарин Ю.Е., Сидорский С.В., Шамарин А.Ю. Исследование влияния импульсных электромагнитных полей на электрический пробой электролитов // Труды VII Научной школы "Физика импульсных разрядов в конденсированных средах". -Николаев, -1997. -С. 15.
15.Шамарин Ю.Е., Шамарин А.Ю. Оптические исследования высоковольтных методов обработки металлов давлением // Технологические системы. -2000. -№ 1(3). -С. 83-85.
16.Шамарин Ю.Е., Шамарин А.Ю. Специальные методы обработки металлов давлением // Труды конф. "Высокоэффективные технологии в машиностроении". -Киев: Общество "Знание", МОУ, НТУУ КПИ. -1996. -С. 96-97.
17.Шамарин Ю.Е., Шамарин А.Ю. Теоретический анализ и экспериментальные исследования электрогидравлической обработки металлов давлением // Труды конф. "Прогрессивные технологии и оборудование для обработки металлов давлением". -Киев: Общество "Знание" Украины. -1993. -С. 52-53.
18.Шамарин Ю.Е., Шамарин А.Ю. Электрогидравлическая штамповка деталей из титановых сплавов // Труды конф. "Организация и технология ремонта механизмов, машин, оснастки". -Киев: Общество "Знание", КИСВ, АТМУ. -1996. -С.116-117.
19.Шамарин Ю.Е., Шамарин А.Ю. Электрогидравлические установки для штамповки деталей // Труды конф. "Ресурсо- и энергосберегающие технологии в промышленности". -Киев: Общество "Знание", ОГПУ, АТМУ. -1996. -С.101-102.
20.Шамарин Ю.Е., Шамарин А.Ю., Андриенко В.А. Поведение титановых сплавов при высокоскоростном нагружении // Труды V Всесоюз. конф. "Получение и обработка материалов высоким давлением". -Минск: Наука и техника. -1987. -С.48.
21.Shamarin Y.E., Lis V.T., Shamarin A.Y., Naslednyk A.D. Electrohydraulic stamping of the titanic alloy parts// Advanced technology of plasticity. Proceedings of the fourth international conference on technology of plasticity. -Beijing, China. -1993. -P. 1929-1931.
22.Шамарин Ю.Е., Стеценко Т.К., Шамарин А.Ю. Опыт создания робототехнологических комплексов для обработки металлов давлением. // материалы семинара "Листовая и горячая объемная штамповка". -М. МД НТИ, -1991, -С. 54-57.