На правах рукописи

Сербина Ольга Ростиславовна

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ЛОКАЛЬНОЙ

ФОРМОВКИ ТОНКОЛИСТОВЫХ МЕТАЛЛОВ ЭЛАСТИЧНЫМ И

ЖЕСТКИМ РАБОЧИМ ИНСТРУМЕНТОМ

Специальность: 05.03.05 – Технологии и машины обработки давлением

05.02.08 – Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2007

Работа выполнена в Московском Государственном Техническом Университете им. Н.Э. Баумана на кафедре «Оборудование и технологии прокатки» и в Московском Государственном Технологическом Университете «СТАНКИН» на кафедре «Системы пластического деформирования»

Научные консультанты:

Доктор технических наук Феофанова Анна Евгеньевна Доктор технических наук, профессор Семенов Иван Евгеньевич

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Артес Алексей Эдуардович Доктор технических наук, профессор Васильев Александр Сергеевич Ведущее предприятие: ГНПП «Темп»

Защита состоится «_» _ 2007 г. в часов на заседании Диссертационного Совета Д.212.142.01 при ГОУ ВПО Московском Государственном Технологическом Университете «СТАНКИН» по адресу:

127994, г. Москва, ГПС-4, Вадковский пер., д. 3а.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ «СТАНКИН».

Автореферат разослан «_» _ 200_ г.

Ученый секретарь диссертационного совета Иванов Витольд Ильич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. На сегодняшний день в жилищнокоммунальном хозяйстве, холодильной технике, а также гелиотехнике, хорошо себя зарекомендовали штампосварные теплообменные и теплоприемные панели из листовой нержавеющей стали. Они занимают мало полезного объема в устройствах и в помещении, так как их габаритные размеры по толщине ограничены только диаметром подводящих патрубков. Их характеризует развитая площадь поверхности при наличии достаточно глубоких и узких каналов с малым периодом (глубиной до 10 мм и шириной до 30 мм). Рельеф на поверхности заготовки получают штамповкой на гидравлических и механических прессах. Однако такое энерго- и металлоемкое оборудование эффективно только в условиях крупносерийного производства, где снижение себестоимости изделия возможно за счет большого объема выпуска. Кроме того, из-за ограничений по допустимой степени деформации при штамповке толщина листовых заготовок должна быть не менее 0,6 мм.

В условиях рыночной экономики возникла необходимость в мобильных и ориентированных на потребительский спрос, ресурсосберегающих производствах, способных выпускать в сжатые сроки мелкосерийно различные изделия с низкой себестоимостью. Существуют станы локальной формовки массой до 4х тонн с мощностью электропривода до 10 кВт, имеющие небольшие габаритные размеры и достаточно низкую металлоемкость, а также простую в изготовлении сменную оснастку. Станы предназначены для получения из заготовок толщиной 0,3…0,5 мм деталей отопительных радиаторов, плоских теплообменных и теплоприемных панелей с площадью поверхности до 2 м, шириной каналов от 10 мм, глубиной от 2,5 мм и более. Локальную формовку листовых заготовок осуществляют в матрицу с заданным профилем, при прохождении стола с заготовкой последовательно под вращающимся валом с эластичной оболочкой из полиуретана и жестким профилированным валом. Метод последовательной локальной формовки дает возможность увеличить допустимую степень деформации тонколистового металла за счет равномерного распределения нагрузки под действием эластичной оболочки и уменьшить силу деформирования путем локализации очага пластической деформации в зоне, составляющей незначительную часть от общей площади обрабатываемой заготовки.

Сборка панелей с тонкой стенкой осуществляется методом контактной сварки двух элементов с образованием из углублений полученного рельефа замкнутых продольных каналов.

Основные преимущества плоских теплообменников, получаемых методом локальной формовки, состоят в том, что при их изготовлении, в отличие от трубчатых теплообменников, не используют цветные металлы. Возможность формовки заготовок толщиной менее 0,6 мм дает экономию нержавеющей стали до 50 %. Плоские панели с хорошей теплопередачей, благодаря минимальной толщине стенки и большой эффективной площади теплообмена, находят применение в качестве абсорберов с высоким КПД в энергосберегающих водонагревательных установках, позволяющих преобразовывать экологически чистую солнечную энергию в тепловую энергию теплоносителя, циркулирующего в системе каналов теплоприемника.

Однако метод локальной формовки не нашел широкого применения, так как технологический процесс и конструктивные возможности станов практически не изучены, нет рекомендаций по режимам обработки для различных материалов и обрабатываемых толщин. Кроме того, небольшая скорость перемещения стола с заготовкой (не более 1 м/мин) и наличие холостого хода в работе стана, обусловленные его конструктивными особенностями, приводят к потерям производительности. Поэтому тема работы, касающаяся дальнейшего развития теоретических и экспериментальных исследований процесса последовательной локальной формовки эластичным и жестким рабочим инструментом, а также создания новых схем оборудования, улучшающих первоначальную конструкцию для получения качественных изделий из тонколистового металла, является актуальной.

Целью работы является повышение интенсивности процесса последовательной локальной формовки тонколистового металла за счет предварительного деформирования заготовки эластичным инструментом, позволяющего снизить расход металла и увеличить точность изготовления панелей теплоприемников для их последующей сборки.

Методы исследования базируются на использовании теории напряженно-деформированного состояния, конечно-элементном моделировании процессов локальной формовки. Для построения математических моделей и теоретического расчета использован программный комплекс ”ANSYS”, предоставленный МГТУ им. Н.Э. Баумана представительством фирмы CAD–FEM GmBH в России.

Экспериментальные исследования проводили на базе оборудования, предоставленного ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского. При проведении экспериментальных исследований использовали метод отпечатков, а также специально изготовленную оснастку.

Научная новизна работы заключается:

• в создании математических моделей для моделирования процесса последовательной локальной формовки тонколистового металла предварительно деформируемой заготовки эластичным рабочим инструментом с целью увеличения максимальной глубины формовки каналов и расширения технологических возможностей стана локальной формовки;

• в оценке опасности разрушения металла при изготовлении теплообменных и теплоприемных панелей из листовой нержавеющей стали на основе созданной математической модели последовательной локальной формовки;

• в установлении влияния энергосиловых параметров на точность изготовления деталей из тонколистового материала, обеспечивающих условия собираемости теплообменных и теплоприемных панелей из листовой нержавеющей стали.

Практическая значимость работы заключается:

• в определении режимов обработки тонколистовых заготовок толщиной 0,3…0,6 мм из материалов с различными механическими свойствами на стадии предварительной обработки валом с эластичной оболочкой;

• в рекомендациях по оптимизации технологического процесса получения элементов плоских теплообменников путем создания новых ресурсосберегающих станов и эластичного инструмента с регулируемой жесткостью.

Реализация полученных результатов. Внедрение в производство новых конструкций изделий и рабочего инструмента производили в ЦАГИ им.

Н.Е. Жуковского. Разработанные математические модели формовки листового металла эластичным рабочим инструментом использованы в рамках выполнения аналитической ведомственной программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 г.г.). Подраздел 2.1.2 проекта: Разработка научных основ математического моделирования, создание моделей и проведение расчетов новых процессов пластического деформирования и разделения тонколистового металла эластичной средой». Результаты теоретических и экспериментальных исследований опубликованы в научно-технических журналах.

Апробация работы. Результаты исследований освещены в докладе на Всероссийской научно-технической конференции посвященной «100-летию со дня рождения академика А.И. Целикова» г. Москва (апрель 2004г.), в докладе на Всероссийской научно-технической конференции посвященной 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана г. Москва (май 2005г.), а также на научно-технических семинарах кафедры МТ-10 Московского государственного технического университета им. Н.Э.Баумана (2003-2005г.).

Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 7 печатных работах и трех патентах на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка литературы и приложений.

Работа изложена на 215 страницах машинописного текста, содержит 98 рисунков, 11 таблиц и список литературы из 99 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе научнотехнической проблемы.

В первой главе проведен обзор современного состояния процессов формовки тонколистового металла упруго-эластичным и жестким рабочим инструментом. В работах Г. Закса и Р. Хилла был исследован процесс формовки мембраны жидкостью, представляющий собой наиболее простой случай местной листовой формовки. Перспективным направлением обработки листовых металлов является формовка эластичными средами, которая дает возможность равномерно распределить деформации по сечению листовой заготовки под действием равномерного давления эластичной среды. Данный процесс, детально исследованный в работах Е.И. Исаченкова, А.Д. Комарова, В.А. Ходырева, А.В. Шагунова и др. нашел применение в серийном и мелкосерийном производстве, где характерны небольшие партии и большая номенклатура изделий с частой их сменяемостью, а также сжатые сроки подготовки производства. Использование листовой формовки эластичными средами существенно снижает затраты на производство продукции за счет снижения металлоемкости штампов и трудоемкости их наладки по сравнению с жесткими инструментальными штампами. Однако сам процесс формовки эластичным рабочим инструментом достаточно энергоемок, особенно при обработке деталей большой площади, так как помимо деформирования листовой заготовки необходимы дополнительные силы для деформирования эластичной среды.

Процесс локальной формовки листовых заготовок эластичными средами реализуют на валковых машинах с эластичным покрытием рабочего инструмента, при этом деформирование осуществляют за один рабочий ход. Такие машины имеют ряд существенных преимуществ, а именно, низкие металлоемкость оборудования и энергоемкость процесса, снижение трудоемкости изготовления изделий в условиях серийного и мелкосерийного производства, а, следовательно, снижение себестоимости производимой продукции. Однако хорошо изученными являются лишь процессы, относящиеся к гибке-формовке, которые были подробно исследованы в работах И.М. Закирова, М.И. Лысова.

Кроме того, на подобном оборудовании можно осуществлять только деформирование материалов с относительно низкими механическими свойствами.

Предельное формоизменение листового металла в процессе локальной осесимметричной формовки жестким пуансоном исследовали в своих работах А.Д. Матвеев, А.Е. Феофанова и др. Были изучены материалы с различными механическими свойствами и установлено, что в процессе формовки прочность заготовки возрастает, предельная глубина формуемой полости зависит от пластических свойств металла, геометрических соотношений в сечении формуемого профиля и коэффициента трения на контактных поверхностях.

Процесс локальной формовки листовых заготовок с поперечной гибкой жестким вращающимся инструментом, исследованный И.С. Тришевским, М.Е.

Докторовым и др., осуществляют на профилегибочных станах последовательным формообразованием в сопряженных калибрах валков до требуемой конфигурации готового профиля. Возможна обработка труднодеформируемых листовых материалов, однако станы обладают большой металлоемкостью, что обусловлено наличием нескольких профилирующих клетей и высокой энергоемкостью, так как имеют приводы большой мощности.

Локальная формовка вращающимся рабочим инструментом с эластичным покрытием была исследована в работах И.Е.Семенова. Им были разработаны и введены в эксплуатацию станы локальной формовки, где образование рельефа происходит при прохождении стола с заготовкой последовательно под вращающимся валом с эластичной оболочкой и профилированным валом. Такое оборудование позволяет при небольшой энергоемкости процесса производить формовку листовых заготовок большой площади (до нескольких квадратных метров) за один рабочий ход, в том числе из труднодеформируемых материалов толщиной менее 0,6 мм. Сочетание обработки эластичным и жестким рабочим инструментом дает возможность увеличить допустимую степень деформации заготовки, по сравнению со штамповкой на прессах. Однако станы имеют такие недостатки как небольшая скорость перемещения стола с заготовкой (не более 1 м/мин) и наличие холостого хода в работе стана, обусловленные конструктивными особенностями, что приводит к потерям производительности. Технологический процесс последовательной локальной формовки с точки зрения получения качественных изделий практически не изучен, нет рекомендаций по режимам обработки для различных материалов и обрабатываемых толщин. В связи с этим необходимы и актуальны дальнейшие исследования процесса локальной формовки, для чего были сформулированы цель и задачи исследования, а именно, теоретически и экспериментально исследовать технологические возможности локальной формовки листовых металлов с различными механическими свойствами для разработки технологических процессов получения теплообменных и теплоприемных панелей и оборудования.

Во второй главе представлены результаты теоретических исследований процесса последовательной локальной формовки тонколистового металла эластичным и жестким рабочим инструментом. Исследования проводили методом конечно-элементного моделирования при помощи программного комплекса ”ANSYS”.

В расчетах применены основные физические соотношения для материалов с линейными свойствами, в том числе уравнение связи напряжений с деформациями:

где [D] – матрица упругости;

{ } = x,y,z,xy,xz,yz – вектор полной (суммарной) деформации;

сдвига в плоскостях x-y, y-z, z-x.

Виртуальную энергию деформации определяют выражением:

Уравнение равновесия для одного конечного элемента имеет вид:

где [K ] – матрица жесткости элемента; [K ] – матрица жесткости основания;

{F } – вектор тепловых нагрузок для элемента;[M ] – матрица масс элемента;

{u} – вектор узловых перемещений; {u"} – вектор ускорения (аналогичен силе тяжести); {F } – вектор сил давления; {F } – вектор узловых сил.

Уравнение связи между напряжением и деформацией в виде упругого потенциала Муни – Ривлина для гиперупругих материалов при допустимых деформациях сжатия до < 0,27…0,30, определяемых износостойкостью эластомера, имеет следующий вид:

где С и С – коэффициенты, описывающие зависимость напряжение– деформация; = h / h – степень деформации; h и h – высота недеформированного и деформированного образца.

Двухпараметрическое уравнение связи между напряжением и деформацией:

где р – «условное» равновесное напряжение.

На первом этапе теоретических исследований была создана адекватная модель эластичного рабочего инструмента. Для этого по известным из литературы значениям контактных напряжений для полиуретана марки СКУ–ПФЛ методом последовательных итераций были получены коэффициенты Муни– Ривлина характеризующие механические свойства полиуретана и позволяющие адекватно описать напряженно–деформированное состояние эластичной оболочки до степени деформации по толщине = 0,27, их значения равны лэ С = 0,85 и С = 3,2. Модель оболочки была проверена по величине затекания эластомера в полость матрицы при моделировании процесса деформирования вала с эластичной оболочкой в профилированной матрице с шириной полости В = 11,5 мм. Полученные сжимающие напряжения максимальны в зоне контакта с центральной частью плоскости выступа матрицы и равны = 20,7 МПа, что примерно в 2 раза выше, чем при деформировании элалэ xam y стичной оболочки на плоской матрице, где сжимающие напряжения в центральной зоне пятна контакта составляют = 9,7 МПа. Это можно объяслэ нить тем, что выступ матрицы является концентратором напряжений, для такой схемы нагружения в этой зоне существенно увеличивается жесткость эластичной оболочки, вследствие чего происходит рост контактных напряжений.

На втором этапе исследовали процесс последовательной локальной формовки элемента плоской теплоприемной панели с требуемой глубиной каналов h = 2,5 мм эластичным и жестким рабочим инструментом Геометрические морт дели деформирования листовой заготовки в профилированную матрицу (В = 11,5 мм) показаны на рис. 1,а, б.

а – этап деформирования листовой заготовки валом с эластичной оболочкой;

б – этап деформирования жестким профилированным валом Геометрическая модель деформирования листовой заготовки валом с эластичной оболочкой (рис. 1,а) состоит из жесткого вала 1, эластичной оболочки 2, жесткой плоской или профилированной матрицы 3, листовой заготовки 4. Геометрическая модель деформирования заготовки жестким профилированным валом (рис.

1,б) состоит из жесткого профилированного вала 1, листовой заготовки 2, профилированной матрицы 3. Диаметр внутреннего вала d =110 мм, материал – сталь 3ОХГСА, модуль упругости Е = 2,1*10 МПа, коэффициент Пуассона = 0,25.

Диаметр эластичной оболочки D =200 мм, материал – полиуретан СКУ–ПФЛ, коэффициент Пуассона = 0,49. Материал жесткой матрицы – сталь 30, модуль упругости Е=2,1*10 МПа, коэффициент Пуассона =0,25. Материал листовой заготовки – сталь 12Х18Н10Т толщиной S = 0,5 мм, модуль упругости Е = 2,2*10 МПа, коэффициент Пуассона = 0,25. Диаметр профилированного вала d =100 мм, диаметр выступов профиля d=110 мм. Коэффициент трения между контактирующими поверхностями металл – полиуретан =0,25, металл – металл =0,1.

Для определения напряженно–деформированного состояния эластичной оболочки и листовой заготовки на этапе предварительной формовки эластичным рабочим инструментом с = 0,27, учитывая результаты предварительлэ ных расчетов, была создана объемная математическая модель, представленная на рис. 2,а (геометрическая модель задачи показана на рис. 1,а).

Жесткий вал и матрица были заданы элементами contaс 52, эластичная оболочка – элементами hyper 58, листовая заготовка – элементами solid 185.

Билинейное изотропное упрочнение пластически деформируемых элементов solid модели листовой заготовки задавали коэффициентами К1 и К2, соответствующими тангенсам угла наклона касательных к графику зависимости механических свойств материала заготовки от степени холодной деформации.

Деформированная конечно-элементная модель, показанная на рис. 2,б вполне соответствует реальной картине деформирования по характеру затекания листового металла в полость матрицы.

Максимальная глубина формовки при = 0,27 составляет h =0,5 мм (рис. 3,а). Сжимающие напряжения в зоне пятна контакта меняют значения от = 6,8 МПа (в центре канала) до = 8,9 МПа (на плоскости выступа матрицы). Так как сталь 12Х18Н10Т толщиной S = 0,5 мм обладает достаточно большим сопротивлением затеканию металла в узкую полость матрицы и выступ профиля матрицы не может являться концентратором напряжений как в случае деформирования эластичной оболочки в профилированной матрице без листа, то деформирование происходит практически на плоскую поверхность.

Это хорошо согласуется с результатами решения задачи деформирования эластичной оболочки на плоской матрице, где максимальные контактные напряжения достигают значений 9,7 МПа.

Из рис. 4,а видно, что максимальные деформации по сечению листовой заготовки локализованы в зоне контакта с радиусной частью профиля матрицы (зона 1) и в центре формуемого канала (зона 2). Их значения составляют = 0,02, что намного меньше допустимой степени деформации = 0,31 для нержавеющей стали.

готовки локализованы у плоскости выступа матрицы в центральной части (зона 1), в зоне перегиба при переходе от плоскости выступа матрицы к полости (зона 2) и по нижней поверхности заготовки над формуемой полостью (зона 3).

Их значения составляют около 400 МПа, что меньше предела прочности, который для стали 12Х18Н10Т при = 0,02 равен = 640 МПа (рис. 5,а).

Далее было определено напряженно–деформированное состояние предварительно отформованной листовой заготовки на этапе деформирования профилированным валом. Для этого была создана объемная математическая модель, показанная на рис. 2,в (геометрическая модель показана на рис. 1,б).

Жесткий профилированный вал и матрица были заданы элементами contaс 52, листовая заготовка – элементами solid 185. Билинейное изотропное упрочнение пластически деформируемых элементов solid модели листовой заготовки задавали коэффициентами К1 и К2, соответствующими тангенсам угла наклона касательных к кривой упрочнения.

На рис. 2,г показана деформированная конечно-элементная модель, соответствующая реальной картине деформирования по характеру затекания листового металла в полость матрицы. При деформировании листовой заготовки жестким профилированным валом в матрице с продольными каналами перемещения соответствуют заданной глубине формовки h = 2,5 мм (рис. 3,б).

Рис. 2. Конечно – элементные модели рабочего инструмента и листовой заготовки при формовке в профилированной матрице:

• формовка эластичным рабочим инструментом (с деформацией оболочки = 0,27 ): а – не деформированная, б – деформированная;

• формовка жестким профилированным валом: в – предварительно деформированная, г –деформирование на требуемую глубину канала Рис. 3. Поля перемещений относительно плоскости выступа матрицы:

а – на этапе деформирования листовой заготовки валом с эластичной оболочкой при = 0,27 ;

б – на этапе деформирования жестким профилированным валом Рис. 4. Распределение полей эквивалентных деформаций в листовой а – на этапе деформирования валом с эластичной оболочкой при = 0,27 ;

б – на этапе деформирования жестким профилированным валом Рис. 5. Распределение полей эквивалентных напряжений л а – на этапе деформирования валом с эластичной оболочкой при = 0,27 ;

б – на этапе деформирования жестким профилированным валом Из рис. 4,б видно, что суммарная эквивалентная степень деформации листовой заготовки из нержавеющей стали при последовательной локальной формовке эластичным и жестким валом меньше допустимой степени деформации таким образом, что большая их часть приходится на деформирование жестким валом = 0,19. Максимальные деформации по сечению канала локализованы не в центре (как при деформировании эластичным валом), а в зонах контакта листовой заготовки с радиусными частями профиля матрицы (зона 3) и профиля вала (зона 4). На рис. 5,б показано распределение эквивалентных напряжений л при формовке жестким профилированным валом. Максимальные эквкэ вивалентные напряжения локализованы в зонах контакта листовой заготовки с радиусными частьями профиля матрицы (зона 4) и профиля вала (зона 5). Их значения составляют = 575 МПа, что значительно меньше предела МПа. Это говорит о достаточном запасе прочности в готовой детали.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований по определению технологических возможностей стана локальной формовки и проверке достоверности результатов теоретических исследований.

При проведении экспериментов использован метод отпечатков, который позволяет устанавливать величины контактных напряжений до величин, не превышающих 12 МПа, путем определения величин интенсивности цветовой насыщенности отпечатков А. На первом этапе исследовали оболочки из полиs уретана марок СКУ–7Л и СКУ–ПФЛ. Для получения отпечатков был использован штамп со специальной оснасткой, состоящей из пуансона и матрицы, которая была снабжена встроенными штырьковыми мессдозами для измерения удельных сил на контактной поверхности между радиусной матрицей и эластичной оболочкой. Образец деформировали по толщине с различными степенями деформации, задавая их соответствующим вертикальным перемещением пуансона. Величины сил, приложенных к мессдозам, определяли с помощью полученных осцилограмм и тарировочного графика. Накладным фотометром измеряли величины поглощения падающего светового потока полученных отпечатков, далее косвенным методом определяли интенсивность их цветовой насыщенности А. Полученные зависимости интенсивности цветовой насыщенноs сти А от нормальных напряжений в зоне контакта с эластичной оболочкой применяли в качестве эталонных при экспериментальных исследованиях технологических возможностей эластичного рабочего инструмента стана локальной формовки.

На втором этапе определяли силы и контактные напряжения при деформировании эластичных цилиндрических оболочек вала из полиуретана марок СКУ–7Л и СКУ–ПФЛ с различными степенями деформации. Эксперименты проводили на стане локальной формовки для производства элементов панелей плоских теплообменников, представленном на рис 6.

Рис. 6. Экспериментальный стан с демонтированным жестким валом При помощи нажимного механизма последовательно задавали перемещения вала, соответствующие степеням деформации эластичной оболочки по толщине = 0,04 ; 0,09; 0,13; 0,18; 0,22; 0,27. Накладным фотометром определэ ляли интенсивность цветовой насыщенности А и ширину пятна А полученных отпечатков. По эталонному графику зависимости контактных напряжений от интенсивности цветовой насыщенности отпечатка А определяли соответстs вующие напряжения на контактной поверхности эластичной оболочки.

При сравнении теоретических и экспериментальных значений напряжений в зоне контакта эластичной оболочки из полиуретана марки СКУ–ПФЛ с плоской матрицей, было установлено, что при одинаковой степени деформации = 0,27 теоретическое значение максимальных контактных напряжений ме того, теоретические значения максимальных напряжений при деформировании тонколистовой заготовки из стали 12Х18Н10Т толщиной S =0,5 мм валом с эластичной оболочкой в профилированной матрице (В = 11,5 мм) составляют = 8,9 МПа, такая схема нагружения эластичной оболочки подобна схеме роет xam y деформирования на плоской матрице. Различие результатов численного моделирования и экспериментальных исследований в данном случае не превышает 7%.

На третьем этапе экспериментальных исследований изучали технологические возможности стана локальной формовки при деформировании листовых металлов с различными механическими свойствами в матрицы четырех типоразмеров (В = 11,5; 21; 26; 58 мм). Исходные материалы: оцинкованная сталь марки Ст3 (толщиной S = 0,55 мм); нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т (S =0,3…0,5 мм); титан ВТ1 - 0 (S = 0,3 мм); триметалл: нержавеющая сталь 12Х18Н10Т (S = 0,1 мм) на внешних слоях и сталь 08кп (S = 0,4 мм) во внутреннем слое. Были получены зависимости формуемой глубины канала от толщины заготовки S =0,3…0,6 мм, геометрии матрицы и степени деформации эластичной оболочки. При сравнении теоретических и экспериментальных значений для случая деформирования листовой заготовки из стали 12Х18Н10Т толщиной 0,5мм в матрице (В=11,5мм) с = 0,27 теоретическое значение максимальной глубины отформованного в заготовке канала равно h =0,5 мм, экспериментальное значение h =0,45мм, при этом различие составляет не бопскэ лее 10 %.

В отсутствии предварительной обработки листовой заготовки (сталь 12Х18Н10Т, S =0,5мм) эластичным рабочим инструментом и деформировании профилированным валом в матрице (В=11,5мм) на требуемую глубину h =2,5 мм, по поперечному сечению заготовки образовывались гофры и зажирт мы металла. В некоторых местах наблюдались разрывы металла (зона 4 на рис.

4,б) в продольном направлении формуемых каналов, вследствие возникновения предельных толщинных деформаций > = 0,31, что согласуется с рел л зультатами теоретических расчетов, согласно которым даже при последовательной формовке эластичным и жестким инструментом в этих зонах локализуются наибольшие деформации.

На четвертом этапе экспериментальных исследований определяли возможные пути увеличения контактных напряжений для эластичной оболочки.

При этом исходили из предположения о том, что напряжения можно повысить, увеличив условный модуль упругости эластичной оболочки путем предварительного сжатия элементов эластичной оболочки в осевом направлении. Была изготовлена модель вала с одним эластичным элементом, деформируемым в осевом направлении при помощи двух упорных шайб и резьбового соединения на валу-винте. При деформировании с = 0,27 предварительно сжатого в осевом направлении эластичного элемента на плоской матрице (со степенью деформации элемента = 0,15 ) удалось повысить контактные напряжения до 30 %. Это дало возможность увеличить глубину формовки в первом технологическом переходе на 25 % и наиболее равномерно распределить суммарные деформации по поперечному сечению формуемой детали при деформировании эластичным и жестким рабочим инструментом.

В четвертой главе представлены конструкции плоских теплообменников, рабочего инструмента, полученные в результате разработанного технологического процесса на основе теоретических и экспериментальных исследований процесса последовательной локальной формовки эластичным и жестким рабочим инструментом:

1. Конструкции теплообменных панелей с широкими каналами (рис.

7,а, б) и теплоприемных панелей (рис. 8,а, б), состоящих из двух элементов с отформованными в них каналами вместо первоначальной конструкции, состоящей из внешнего элемента, с продольными каналами, и внутреннего, в виде плоской стенки. Полученная при сборке овальная форма канала снижает опасность образования воздушных пробок и засоров в системе каналов теплоприемника.

Рис. 7. Теплообменная панель: а – эскиз (1 – элемент теплообменной панели, – сборный канал, 3 – каналы теплообменной панели); б – фотография Рис. 8. Теплоприемная панель: а – эскиз (1 – элемент панели, 2 – сборный канал, 3 – каналы теплоприемной панели); б – фотография 2. Конструкция рабочего инструмента с регулируемой жесткостью эластичной оболочки (патент РФ № 2246370), позволившая увеличить его износостойкость и оптимизировать технологический процесс производства теплообменных и теплоприемных панелей на первом технологическом переходе получения рельефа, а именно увеличить глубину формуемых каналов в среднем на 25 %, повысить качество выпускаемых изделий, исключив возможность появления дефектов в виде разрывов металла и гофр.

Разработанные схемы ресурсосберегающих станов локальной формовки (патенты РФ № 2246368, № 2246369), позволяющие устранить холостой ход, увеличить производительность стана в 2 раза, обеспечить уменьшение энергозатрат на единицу продукции на 50%, снизить металлоемкость стана на 20%, позволили провести комплекс работ для производства панелей теплоприемников на предприятии НПП «Радуга-Ц» в ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского в 2004 году производство (акт о внедрении от 7 мая 2004 года).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В результате анализа современного состояния процессов листовой формовки установлено, что в настоящее время практически отсутствуют технологии изготовления плоских теплообменников с низкой себестоимостью в условиях мелкосерийного производства, поэтому актуальным является исследование ресурсосберегающего процесса последовательной локальной формовки на основе предварительного деформирования заготовки эластичным инструментом, позволяющего увеличить глубину формуемых каналов и снизить расход металла, а также создание новых схем оборудования для производства теплообменных панелей из нержавеющих сталей.

2. Разработанные математические модели оценки опасности разрушения металла дают возможность проводить технологические расчеты процессов рельефной формовки деталей из материалов с различными механическими свойствами с предварительным деформированием заготовки эластичным рабочим инструментом (деформация эластичной оболочки = 0,27, деформация заготовки = 0,02 ), а также установить поля напряжений и деформаций в стенках формуемого канала требуемой глубины во избежание его разрушения.

3. По результатам экспериментальных исследований процесса локальной формовки материалов с различными механическими свойствами ( =300МПа…650МПа) на этапе предварительного деформирования заготовки эластичным рабочим инструментом установлены зависимости глубины формовки от технологических параметров (начальной толщины заготовки S =0,3…0,6 мм, геометрии матрицы, степени деформации эластичной оболочки) и подтверждена достоверность результатов математического моделирования (с отклонением не превышающим 10 %).

4. Разработанный на основании теоретических и экспериментальных исследований рабочий инструмент с регулируемой жесткостью эластичной оболочки обладающий большей износостойкостью, позволяет увеличить глубину формовки на 25 % в первом технологическом переходе и более равномерно распределить суммарные деформации по поперечному сечению детали за счет увеличения контактных напряжений до 30%.

5. Интенсификация технологического процесса последовательной локальной формовки листовых заготовок из нержавеющих сталей типа 12Х18Н10Т позволила повысить качество элементов плоских теплообменников, исключив возможность появления дефектов в виде разрывов металла и гофр и обеспечить условия собираемости новых конструкций теплообменных и теплоприемных панелей, позволяющих снизить опасность образования воздушных пробок и засоров в системе каналов теплообменника в процессе эксплуатации.

6. Разработанные ресурсосберегающие схемы станов локальной формовки позволили повысить производительность оборудования до двух раз, уменьшить: энергозатраты до 50%, металлоемкость на 15…20%, габаритные размеры на 10…30%.

Схемы ресурсосберегающих станов защищены патентами РФ № 2246368, № 2246369. Конструкция рабочего инструмента с регулируемой жесткостью эластичной оболочки защищена патентом РФ № 2246370.

Основные результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Пат. 2246368. РФ, МПК 7 В21D 22/10. Стан локальной формовки для изготовления элементов панелей плоских теплообменников / И.Е. Семенов, О.Р. Чеканова, А.Г. Сербин (РФ). – № 2003110223/02; Заявл. 10.04.2003. Опубл.

20.02.2005.

2. Пат. 2246369. РФ, МПК 7 В21D 22/10. Стан локальной формовки для изготовления элементов панелей плоских теплообменников / И.Е. Семенов, О.Р. Чеканова, А.Г. Сербин (РФ). – № 2003110224/02; Заявл. 10.04.2003. Опубл.

20.02.2005.

3. Пат. 2246370. РФ, МПК 7 В21D 22/10. Эластичный инструмент с регулируемой жесткостью для локальной формовки листового металла / И.Е.

Семенов, О.Р. Чеканова, А.Г. Сербин (РФ). – № 2003110225/02; Заявл.

10.04.2003. Опубл. 20.02.2005.

4. Семенов И.Е., Сербин А.Г., Чеканова О.Р. Современное оборудование для деформирования тонколистового металла эластичным рабочим инструментом // Сборник научных трудов. 55 лет кафедре оборудования и технологии прокатки. –М: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. –с. 35–44.

5. Семенов И.Е., Сербин А.Г., Чеканова О.Р. Станы для обработки тонколистового металла эластичным рабочим инструментом // Заготовительные производства в машиностроении. –2003. –№3 –с. 29–33.

6. Семенов И.Е., Чеканова О.Р., Сербин А.Г. Напряженно – деформированное состояние инструмента и металла при обработке на станах локальной формовки // Заготовительные производства в машиностроении. –2003. –№8. –с.

37–39.

7. Семенов И.Е., Чеканова О.Р., Сербин А.Г. Разработка ресурсосберегающих процессов и оборудования для изготовления элементов панелей плоских теплообменников из нержавеющих сталей // Непрерывные процессы обработки давлением. Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции посвященной 100-летию со дня рождения академика А.И. Целикова. – 2004. –с.29–33.

8. Семенов И.Е., Чеканова О.Р., Сербин А.Г. Разработка ресурсосберегающих процессов и оборудования для элементов панелей плоских теплообменников из нержавеющих сталей типа 12Х18Н10Т // Непрерывные процессы обработки давлением. Тезисы докладов Всероссийской научно – технической конференции. –М., 2004. – с.12.

9. Семенов И.Е., Чеканова О.Р., Сербин А.Г. Определение напряжений на поверхности эластичной оболочки инструмента для листовой штамповки // Кузнечно-штамповочное производство. – 2004. –№6. с.25–28.

10. Семенов И.Е., Чеканова О.Р., Сербин А.Г. Теоретическое определение технологических возможностей процесса локальной обработки тонколистового металла эластичным рабочим инструментом // Механика деформируемого тела и обработка металлов давлением. – Тула. 2003.–ч.2. – с.37–43.

Подписано в печать 28.03. Отпечатано в Издательском Центре ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»

Лицензия на издательскую деятельность ЛР №01741 от 11.05. 127055, Москва, Вадковский пер., д.3а