Введение к работе
Актуальность темы. Важной задачей, стоящей перед современным машиностроением, является создание и производство конкурентоспособной продукции. В связи с этим одной из основных тенденций развития машиностроительной промышленности является разработка новых и совершенствование существующих технологических процессов, обеспечивающих повышение требований к качеству деталей при снижении себестоимости и трудоемкости их производства, экономии материальных и энергетических ресурсов. При этом особую актуальность приобретают новые подходы к технологии изготовления деталей, направленные на изыскание резервов применяемых способов обработки, установление оптимальных режимов проведения технологических операций. Значительное место среди новых направлений совершенствования действующих технологических процессов занимает обработка металлов давлением (ОМД), являющаяся высокоэффективным способом изготовления, и в частности, холодное выдавливание. Использование холодного выдавливания для изготовления полых и трубчатых цилиндрических деталей позволяет, сократить длительность процесса обработки даже по сравнению с другими видами ОМД. Этому способствует наличие теплового эффекта, возникающего вследствие большой передачи энергии от рабочего инструмента к заготовке за малый промежуток времени, что позволяет значительно повысить степень деформации и выполнять деформирование почти без теплообмена, давая возможность получать детали с тонкими стенками за одну операцию. При этом металл успевает полностью деформироваться, прежде чем материал штампа достигнет предела упругости, что снижает погрешность размеров штампуемых деталей. Одним из способов холодного выдавливания является комбинированное выдавливание, применяемое для изготовления цилиндрических деталей более сложной формы, имеющих разные наружные диаметры, конусы, фигурное дно. Однако при формировании стенки с малой толщиной и фигурного дна очень трудно избежать нарушений в переходных частях изделий. Поэтому, несмотря на достоинства комбинированного выдавливания, внедрение его в производство осуществляется медленными темпами, что обусловлено отсутствием научно обоснованного анализа процессов и недостаточным количеством рекомендаций, направленных на прогнозирование качества штампуемых деталей, требующего более детального анализа свойств обрабатываемых материалов, связанных с пластической неоднородностью.
Следует так же отметить, что разработка технологий в настоящее время должна проводиться с минимальными сроками освоения выпуска продукции, что возможно только при использовании современных методов подготовки производства, требующих применения более совершенных математических моделей, описывающих процессы деформирования материалов и использование достижений вычислительной техники. Поэтому актуальной является задача, состоящая в разработке теоретически обоснованных режимов комбинированного выдавливания тонкостенных цилиндрических деталей массового производства.
Цель работы. Повышение эффективности изготовления тонкостенных цилиндрических деталей методом комбинированного выдавливания путем разработки теоретически обоснованных режимов и выбором специального вида технологии, обеспечивающих повышение производительности, заданное качество, уменьшение трудоемкости и металлоемкости, сокращение сроков подготовки производства новых деталей.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи исследований:
-
Сформулировать замкнутую систему уравнений, позволяющую с привлечением метода конечных элементов решать задачи объемного пластического течения, определять силовые и кинематические характеристики, напряженное деформированное состояние, учитывать пластическую неоднородность.
-
Провести теоретический расчет процесса комбинированного выдавливания тонкостенных цилиндрических деталей с определением кинематики течения материала, силовых режимов и анализом напряженно-деформированного состояния.
-
Установить зависимости влияния технологических параметров: степени деформации, угла конусности матрицы, коэффициентов трения инструмента и скорости деформирования на кинематику течения материала, силовые режимы, напряженное и деформированное состояние в процессах комбинированного выдавливания тонкостенных цилиндрических деталей.
-
Адаптировать пакет прикладных программ DEFORM-3D V6.1 для расчета процессов комбинированного выдавливания цилиндрических деталей в условиях объемной деформации с применением многошагового процесса принятия решения.
-
Разработать рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления цилиндрических деталей, с использованием операции комбинированного выдавливания.
Объект исследования. Операции комбинированного выдавливания тонкостенных цилиндрических деталей.
Предмет исследования. Установление влияния технологических параметров на силовые режимы, кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояние заготовки при комбинированном выдавливании тонкостенных цилиндрических деталей.
Методы исследования. Исследование процессов комбинированного выдавливания тонкостенных цилиндрических деталей выполнено с использованием основных положений теории пластичности жесткопластического, несжимаемого, изотропного, материала. Моделирование процесса осуществлено методом конечных элементов на базе прикладной программы DEFORM-3D V6.1. Для создания геометрии заготовки, получаемой детали и экспериментального инструмента использован программный комплекс SOLID WORKS 2009. Возможности формоизменения исследуемых процессов деформирования оценивались по величине интенсивности напряжений и деформаций в пластической области.
Автор защищает:
систему уравнений для анализа процесса комбинированного выдавливания тонкостенных цилиндрических деталей в условиях объемного напряженного и деформированного состояний;
результаты теоретических исследований комбинированного выдавливания тонкостенных цилиндрических деталей;
установленные зависимости влияния основных технологических параметров на силовые характеристики, напряженное и деформированное состояния заготовки и возможности деформирования;
адаптированный пакет прикладных программ для ЭВМ по расчету операции комбинированного выдавливания тонкостенных цилиндрических деталей;
рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления
тонкостенных цилиндрических деталей массового производства с использованием операции комбинированного выдавливания.
Научная новизна: установление закономерностей изменения силовых режимов, кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояния, пластической неоднородности материала от технологических параметров процесса комбинированного выдавливания тонкостенных цилиндрических деталей при объемном деформировании.
Практическая ценность работы. На основе выполненных исследований разработаны рекомендации и пакет адаптированных прикладных программ по расчету технологических параметров комбинированного выдавливания тонкостенных цилиндрических деталей, обеспечивающих интенсификацию технологических процессов, заданное качество и сокращение сроков подготовки производства новых изделий.
Реализация работы. Отдельные результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе при подготовке специалистов и магистров направления 261100 «Полиграфия» специальности «Технология и дизайн упаковочного производства» и включены в разделы лекционных курсов «Тара и ее производство», «Производство металлической тары», а также применяются в научно-исследовательской работе студентов при выполнении курсовых и дипломных проектов.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых "Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов" (г. Тула, 2009, 2012 гг.); на ежегодных магистерских научно-технических конференциях Тульского государственного университета (г. Тула, 2009, 2012 гг.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2009 - 2013 гг.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 печатных работ, в том числе 5 работ в изданиях, входящих в Перечень рецензируемых научных журналов ВАК.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения и четырех разделов, заключения, списка использованных источников из 120 наименований, 2 приложений и включает 114 страницы машинописного текста, содержит 37 рисунков и 8 таблиц. Общий объем - 123 страницы.
