Введение к работе
Актуальность работы. Обеспечение конкурентоспособности современного машиностроительного и металлообрабатывающего производства возможно созданием энерго- и ресурсосберегающих технологических процессов изготовления изделий требуемого качества.
В машиностроении, судостроении, авиастроении, нефтегазовой, химической и других отраслях промышленности широко применяются трубные переходы, которые необходимы для плавного изменения диаметра трубопровода.
Одним из путей повышения эффективности имеющихся и создания новых высокоэффективных технологических процессов изготовления трубных переходов является разработка и использование научно обоснованных методов определения параметров формоизменяющих операций, позволяющих снизить объем натурных испытаний и ускорить технологическую подготовку производства.
Современное состояние развития компьютерной техники дает возможность применения математического моделирования, позволяющего оценить кинематику течения металла, исследовать напряженно-деформированное состояние и накопление повреждаемости в любой точке заготовки, определить энергосиловые параметры процесса, предсказать образование возможных дефектов. Особенно это актуально для решения малоисследованных трехмерных задач обработки металлов давлением, в том числе процессов штамповки эксцентрических переходов.
Таким образом, актуальной задачей является создание научно-обоснованного подхода к определению технологических параметров операции обжима трубных заготовок, учитывающего трехмерный характер течения упрочняющегося материала, контактное трение и накопление микроповреждений.
Работа выполнена в соответствии с грантами РФФИ 10-01-97507-р_центр_а, 11-01-97516-р_центр_а.
Целью работы является повышение эффективности изготовления эксцентрических переходов за счет создания научно-обоснованного подхода определения технологических параметров операции обжима с наружным подпором трубных заготовок.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
разработать математическую модель деформирования заготовки жестким инструментом, учитывающую сложную трехмерную геометрию деформирующего инструмента, упрочнение материала, накопление повреждаемости, контактное трение и возможность отхода заготовки от поверхности инструмента;
-
разработать программный комплекс для математического моделирования процесса деформирования заготовки жестким инструментом;
-
провести с помощью разработанного программного комплекса теоретические исследования процесса обжима трубной заготовки;
-
установить влияние контактного трения, геометрии инструмента и трубной заготовки на накопление повреждаемости, геометрию изделия, силовые и деформационные параметры процесса обжима;
-
разработать рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления эксцентрических переходов.
Объект исследования: Процессы изготовления штампованных переходов из трубных заготовок.
Предмет исследования: Холодный обжим с внешним подпором трубных заготовок при изготовлении эксцентрических переходов.
Методы исследования. Теоретические исследования процесса обжима трубных заготовок выполнены с использованием основных положений механики деформируемого твердого тела, теории течения жесткопластического материала, метода конечных элементов, аналитической геометрии, методов математической статистики и планирования многофакторного эксперимента. Для оценки степени использования ресурса пластичности материала использован феноменологический критерий накопления микроповреждений. Исследования выполнены с помощью разработанного программного комплекса, математического пакета MathCAD и CAD-системы KOMITAC-3D Ноте.
Автор защищает:
-
предложенную математическую модель трехмерного течения жесткопластического материала заготовки при воздействии жестким инструментом;
-
результаты теоретических исследований процесса обжима с внешним подпором трубной заготовки из стали СтЗ;
-
математические модели, описывающие влияние трения, геометрии инструмента и исходной заготовки на силовые, деформационные параметры, степень использования ресурса пластичности, основные геометрические параметры изделия из стали СтЗ;
-
предложенные рекомендации по выбору формы и размеров исходной заготовки, угла конусности и рабочего диаметра матрицы.
Научная новизна:
Выявлены закономерности изменения силовых параметров, напряженно-деформированного состояния заготовки, геометрических параметров изделия и накопления микроповреждений при асимметричном обжиме трубных заготовок с помощью разработанной математической модели, учитывающей трехмерный характер течения упрочняющегося материала и контактное трение.
Достоверность результатов обеспечена строгостью математической постановки задачи, корректным применением известных математических методов, многократным тестированием разработанных алгоритмов, сопоставлением результатов расчетов с экспериментальными данными.
Практическая ценность:
-
разработано программное обеспечение для компьютерного моделирования формоизменяющих операций холодной листовой штамповки;
-
предложены рекомендации по определению технологических параметров операции асимметричного обжима трубных заготовок.
Реализация работы:
-
результаты работы использованы в опытном производстве ОАО «ТНИ-ТИ» при разработке технологических процессов изготовления эксцентрических переходов;
-
отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке магистров по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование», бакалавров и магистров по направлению 150700 «Машиностроение», а также использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов на кафедре «Механика пластического формоизменения» ТулГУ.
Апробация работы. Материалы работы докладывались на V Региональной молодежной научно-практической конференции «Молодежные инновации» (ТулГУ, г. Тула, 2011 г.), XXIII Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов (ИМАШ РАН, г. Москва, 2011 г.), Международной научно-практической конференции молодых ученых «Актуальные проблемы современной науки: свежий взгляд и новые подходы» (Приволжский научно-исследовательский центр, г. Йошкар-Ола, 2012 г.), а также ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2011-2013 г.г.).
Публикации. За время подготовки диссертации опубликовано 10 статей, 9 из которых в рецензируемых изданиях, внесенных в список ВАК.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы из 75 наименований и содержит 131 страницу машинописного текста, включая 84 рисунка и 4 таблицы, приложение.
Во введении обоснована актуальность рассмотренной в работе задачи, сформулированы цель работы, приведены положения, выносимые на защиту, описано краткое содержание разделов диссертации.
В первом разделе рассмотрено современное состояние теории и технологии процесса обжима трубных заготовок. Рассмотрены методы изготовления штампованных переходов. Описаны основные преимущества изготовления трубных переходов обжимом с внешним подпором.
Отмечено, что вопросы теории и технологии обжима трубных заготовок получили развитие в работах Ю.А. Аверкиева, Н.П. Агеева, В.В. Гедионова, М.Н. Горбунова, И.А. Гореловой, С.А. Евсюкова, М.Ф. Каширина, В.Д. Кухаря, Э.Л. Мельникова, А.Г. Овчинникова, А.Г. Пашкевича, О.В. Пилипенко, Е.А. Попова, В.Н. Фролова, А.В. Черняева, В.Н. Чудина, С.С. Яковлева и др.
На основе выполненного обзора работ установлено, что силовые параметры, предельные возможности формоизменения, а также геометрия изделия при штамповке обжимом зависят от технологической схемы процесса, контактного трения, механических свойств материала, геометрии матрицы и исходной заготовки.
Большинство теоретических исследований посвящены процессу обжима тонкостенных трубных заготовок, в которых применены основные положения безмоментной теории оболочек вращения и методы совместного решения приближенных дифференциальных уравнений равновесия и условия текучести с учетом граничных условий задачи.
Также отмечено, что процессы асимметричного обжима трубных заготовок недостаточно изучены.
Второй раздел посвящен разработке математической модели деформирования жестким инструментом заготовки из жесткопластического материала, для которого справедливы следующие соотношения:
дифференциальные уравнения равновесия
(/,7=0'
где Gfj - компоненты тензора напряжений;
соотношения связи приращений компонентов тензора деформаций с приращениями компонентов вектора перемещения (соотношения Копій)
dfj =0,5\duij +duji),
где djj - приращение компонент тензора деформаций; duf - приращения компонент вектора перемещения; условие несжимаемости
dev = dfj dfj = 0,
где dev - приращение объемной деформации; д^ - дельта Кронекера;
соотношения связи приращений компонент тензора деформаций с компонентами девиатора напряжений
dk = — множитель Лагранжа; Sfj - компоненты девиатора напряжений;
2 О;
df =J—dij -dij - интенсивность приращения деформаций; ог- =
интенсивность напряжений;
условие текучести Губера-Мизеса
ai=as(),
где as - сопротивление деформированию; 8 - степень пластической деформации;
8 = \di.
Граничные условия задачи: на части поверхности Su
duf = duf *, duf * - заданное приращение перемещения; на части поверхности Sou
Xq = і Iq ; duf щ = dUn, где І0 - проекция вектора напряжения трения на оси координат (0 = х',/), лежащие в плоскости, касательной в точке контакта заготовки с инструментом; т - заданный закон трения; /q - направляющие косинусы между вектором напряжения трения и осями 0; dUn - приращение нормального перемещения деформирующего инструмента.
Математическая модель процесса формоизменения основана на вариационном принципе возможных изменений деформированного состояния и методе конечных элементов. Полученная система уравнений имеет следующий вид
S(K + Kx + Kje-AV = S(FX+Fje,
е е
где AV - искомый вектор узловых приращений перемещений; К - матрица жесткости элемента, учитывающая геометрию конечного элемента, механические свойства материала и условие несжимаемости; Кх, Fx - матрица и вектор, учитывающие влияние сил трения при относительном скольжении узлов конечного элемента по поверхности инструмента; Кп, п - матрица и вектор,
необходимые для учета условия непроницаемости узлов конечного элемента в тело инструмента; символ L означает операцию составления ансамбля (сборки глобальной матрицы жесткости и вектора сил).
В качестве уравнения состояния материала использована зависимость
где gsq - предел текучести материала; В - константа, характеризующая интенсивность упрочнения в процессе деформирования материала; пу - показатель
упрочнения материала.
Касательное напряжение на контактной поверхности описано с помощью формулы А.Н. Леванова
-1,25|ои|
f 1ocU IV
i = m л
1-ехр
'л/3 где т - фактор трения; ап - нормальное контактное напряжение.
Для оценки степени использования ресурса пластичности применен критерий Деля-Огородникова, учитывающий нелинейное накопление повреждаемости и различные пути нагружения металла
є и-1
\|/ = \п de
О єр(чТ
где \|/ - повреждаемость; Єг,(г|) = 2є„ ехр(- Хг\) - предельная степень деформации; ev - предельная степень деформации при Г| = 1; Г| = — - показатель
напряженного состояния; о - среднее напряжение; X - константа материала;
п = 1 + aarctg —- - коэффициент, учитывающий влияние истории деформирова-de
ния; а - константа материала.
Для нахождения силовых параметров использовано следующее выражение
Pi= tfSidS,
где Pf, Sf - проекции вектора силы и полного напряжения на ось, относительно
которой задано перемещение инструмента.
Представлена методика поиска контакта между заготовкой и деформирующим инструментом. Решение данной задачи основано на использовании геометрической модели инструмента, аппроксимированной треугольными гранями. Этот подход позволяет решать задачи, в которых деформирующий инструмент может иметь достаточно сложную трехмерную геометрию. При этом имеется возможность использования современных CAD-систем с поддержкой экспорта геометрии в файлы формата STL и DXF.
Для описания размыкания контакта между заготовкой и инструментом использовано условие вида
ап>0.
На основе предложенной математической модели разработан программный комплекс для анализа формоизменяющих операций холодной листовой штамповки.
В третьем разделе представлены результаты теоретических исследований процесса асимметричного обжима трубной заготовки. Проведен анализ напряженно-деформированного состояния, накопления микроповреждений, изменения технологической силы процесса, а также геометрии обжатой заготовки из стали СтЗ.
На рис. 1 представлена схема рассмотренного процесса. Использованы следующие геометрические параметры матрицы и исходной заготовки: угол конусности а = 30; радиусы скруглення Г[=14мм и Г2=10мм; диаметры d = 40 мм и D = 50 мм; толщина стенки s = 2 мм ; длина L = 70 мм.
Фактор трения для всех инструментов принят равным т = 0,15.
На рис. 2 показана геометрия обжатой заготовки, полученная в результате конечно-элементного моделирования. На рисунке также указаны точки, в кото-
рых исследовалось изменение напряженно-деформированного состояния, накопление степени деформации и микроповреждений.
зил;
Рис. 1. Схема процесса: 1 - заготовка;
2 - матрица; 3 - подпорное кольцо;
4 - пуансон
[%]
50 Я
75 100 [%]
0,15
0,1
0,05
50 Я
Рис. 2. Исследованные точки заготовки
/уу
75 100 [%]
Рис. 3. Графики накопления Рис. 4. Графики накопления
степени деформации в повреждаемости в исследованных
исследованных точках точках
На рис. 3, 4 изображены графики, характеризующие зависимость степени деформации и микроповреждений в точках 1-3 (рис. 2) от хода пуансона Н . Кривые показывают, что наибольшая интенсивность накопления степени деформации и повреждаемости происходит в обжимном участке матрицы. Из рис. 4 видно, что наибольший уровень повреждаемости имеется в точке 1. По-
еле прохождения обжимной части матрицы в этой точке происходит замедление накопления микроповреждений. Далее наблюдается небольшой рост этой величины. Это объясняется тем, что на данной стадии возникает растягивающее среднее напряжение. К окончанию процесса материал в этой точке начинает разгружаться. В точке 2 после прохождения обжимной части практически отсутствует рост микроповреждений. В точке 3 накопление повреждаемости происходит наименее интенсивно. Это объясняется наименьшей интенсивностью накопления степени деформации в начале процесса и увеличением сжимающего среднего напряжения при увеличении интенсивности ее накопления. Графики, характеризующие изменение среднего напряжения, представлены на рис. 5.
[МПа] 200
На рис. 6 представлен график, который показывает, что наиболее интенсивный рост силы процесса происходит при формировании конической части изделия (участок бв). При выходе заготовки из обжимного участка матрицы рост технологической силы замедляется (участок вг).
[МН]
0,06
0,04
0,02
50 Я
75 100 [%]
50 Я
0,08
75 100 [%]
Рис. 6. График изменения силы процесса
Рис. 5. Графики изменения среднего
напряжения в исследованных
точках
Отмечено, что при выходе из обжимного участка матрицы происходит отход заготовки от поверхности матрицы, что приводит к уменьшению диаметра обжатой части изделия.
В четвертом разделе рассмотрено влияние контактного трения, геометрии инструмента и трубной заготовки на накопление повреждаемости, геометрию изделия, силовые и деформационные параметры процесса обжима.
После обработки результатов численных экспериментов получено уравнение регрессии для удельной силы процесса
+
+
2 = 2474,1
( АЛ1 А ( с Л
11,2938а-3040,9m-11103—-4614,7
+ 0,0535а2 - 12,7956а + 2800,3m +10615— + 2246,2,
где угол а измеряется в градусах.
С помощью полученного выражения установлено, что при d/D < 0,8 наименьшее значение силы процесса соответствует диапазону угла конусности матрицы а = 35...45, при d/D > 0,8 - 25.. .35. При увеличении толщины стенки исходной заготовки происходит рост максимальной удельной силы обжима (рис. 7). Показано, что при d/D = 0,9 сила процесса практически не зависит от трения, с увеличением степени обжима влияние трения усиливается (рис. 8).
[МПа] 450
Q 400
0,06
[..."]
г<м\
[ oj 45 0,02
Рис. 8. Зависимость силы процесса
Р от угла конусности а и
фактора трения т
(d/D=0,7; s/D=0,06)
Рис. 7. Зависимость удельной силы
процесса Q от угла конусности а и
относительной толщины s/D
(т=0,2; d/D=0,7)
Для расчета максимальной степени деформации получено следующее выражение
8 = 282,3871
fdf
+ —(- 2,2343а - 604,9021) + 3,341а D
- 0,0168а2 + 340,4497— + 311,2259.
Для оценки распределения накопленной степени деформации по торцу обжатой части заготовки рассмотрен коэффициент, характеризующий неравномерное распределение степени деформации К = (єтах - 8mjn )/е1
+ -
KF =1,2911
(-)2
d_ D
0,0369a -11,4262— + 0,5795
+ 0,0535a
-0,00026785a2-48,2275
f \2 ' s N
\Dj
+ 13,7119 1,0382.
Анализ результатов расчета показал, что увеличение угла а и относительной толщины стенки s/D приводит к увеличению максимальной степени
накопленной деформации. С ростом степени обжима влияние угла а усиливается (рис. 9). Также с ростом угла а происходит увеличение неравномерности ее распределения по обжатому торцу. Обратное явление наблюдается при увеличении степени обжима, при этом влияние угла а возрастает (рис. 10).
0,75
0,8 d/D 0,85
0,9 15
KF
0,9 15
Рис. 9. Зависимость максимальной Рис. 10. Зависимость коэффициента
степени деформации є от угла неравномерности Кє от угла
конусности а и отношения d/D конусности а и отношения d/D
(s/D=0,02) (s/D=0,04)
Получено выражение для расчета степени использования ресурса пластичности деформируемого материала, имеющее вид
\|/ = 0,5277
d_
+
d_ D
7,2286--1,4481
J
+
0,0266- + 0,0023152
a
0,00003428(T
5,2784— + 0,8687.
С помощью данной зависимости установлено, что с увеличением угла конусности матрицы и толщины стенки исходной заготовки происходит более интенсивное накопление микроповреждений. Влияние величины s/D снижается с ростом степени обжима и уменьшением угла конусности a. Для рассмотренного диапазона изменения параметров процесса степень использования ресурса пластичности не превышает 0,22.
Анализ результатов моделирования показал, что рост угла конусности a при отношении d/D < 0,8 приводит к увеличению искривления обжатого торца,
при d/D > 0,8 искажение торца практически не зависит от величины угла а.
Угол конусности также влияет на форму стенки обжатой части заготовки.
Наибольшее искривление стенки горловины наблюдается при а = 45. Установлено, что рост толщины стенки исходной заготовки также приводит к увеличению искривления торца.
Установлено, что снижение искривления обжатого торца за счет применения заготовки с косым срезом возможно при d/D < 0,8 и а > 30. Для расчета
величины угла среза получены соответствующие формулы.
Получено выражение для определения наибольшего зазора А, возникающего между обжатой частью заготовки и поверхностью матрицы
— =—(0,0022ос - 0,067) - 0,0018а + 0,1283— + 0,0641.
D D D
С помощью данного выражения установлено, что с увеличением угла конусности матрицы при d/D < 0,8 происходит уменьшение зазора, при d/D > 0,8
наблюдается его увеличение. При d/D ~ 0,8 влияние угла а незначительно. Рост толщины стенки исходной заготовки также приводит к возрастанию величины А.
Для оценки утолщения стенки в торцевом сечении и в зоне радиуса изгиба заготовки (рис. 1) получены выражения для расчета максимальной относительной толщины, имеющие вид:
^^ = 0,0285а - 0,3014— - 0,0342—а +1,4122;
s D D
^max = d_{_ о50208а - 0,4431) + 0,0208а + 0,7778— +1,4314.
0,9 15
0,9 15
а) обжатый торец
б) стенка в области радиуса изгиба (s/D=0,04) Рис. 11. Зависимость относительной толщины от угла конусности а и отношения d/D
Анализ результатов показал, что увеличение угла конусности матрицы приводит к возрастанию утолщения стенки в области радиуса изгиба (рис. 116) и в торцевом сечении при <і/)<0,825(рис. 11а), при этом с ростом степени
обжима влияние угла возрастает. Снижение разнотолщинности в торцевом сечении наблюдается при d/D > 0,825.
Утолщение стенки в области радиуса изгиба зависит также от относительной толщины s/D, в отличие от торцевого сечения. Из соотношения видно, что увеличение толщины исходной заготовки будет приводить к возрастанию
г max
величины S
В пятом разделе предложены рекомендации по определению геометрических параметров исходной заготовки и формообразующей матрицы, приводится общая методика по использованию разработанного программного комплекса для оценки технологических параметров операции обжима.
Использование предложенных рекомендаций и разработанного программного комплекса позволяет сократить сроки подготовки производства эксцентрических переходов, снизить трудоемкость и материалоемкость, а также повысить точность обжатых заготовок.
Полученные результаты использованы при проектировании технологического процесса изготовления трубного перехода 3-76x3-57x3 ГОСТ 17378 -2001 (рис. 126) и штамповой оснастки.
а) б)
Рис. 12. Эскиз исходной заготовки (а) и изготовленный переход (б)
Отдельные материалы научных исследований использованы в учебном процессе на кафедре «Механика пластического формоизменения» ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».
