Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1 Современное состояние процессов изготовления осесимметричных деталей вытяжкой из листовых заготовок и методов их исследования 10
1.1Современное состояние вытяжки осесимметричных деталей из листовых заготовок 10
1.2 Обзор программного обеспечения, реализующее МКЭ 23
1.3 Исследование процесса вытяжки детали «стакан» с помощью программного комплекса QForm2D/3D(тестовая задача) .31
1.4 Цель работы и задачи исследования .38
Раздел 2 Вытяжка осесимметричных деталей из плоских шестигранных заготовок 40
2.1 Осадка шестигранной заготовки в круговую матрицу 41
2.2 Напряженно-деформированное состояние при вытяжке в цилиндрическую матрицу 46
2.3 Влияние относительной толщины шестигранной заготовки на коэффициент вытяжки на первом переходе 49
2.4 Осадка корончатого венца осесимметричного полуфабриката 56
2.5 Основные результаты и выводы 60
Раздел 3 Вытяжка осесимметричных деталей из плоских квадратных заготовок 62
3.1 Осадка квадратной заготовки в круговую матрицу .62
3.2 Напряженно-деформированное состояние в заготовке при вытяжке в цилиндрическую матрицу .66
3.3 Сравнение результатов расчета и эксперимента операции вытяжки из квадратной заготовки 69
3.4 Влияние относительной толщины квадратной заготовки на коэффициент вытяжки на первом переходе 72
3.5 Характер изменения толщины стенки стакана при вытяжке из квадратной заготовки (сравнение с экспериментом) 75
3.6 Вытяжка осесимметричных деталей из плоских квадратных заготовок с зазором между пуансоном и матрицей равным толщине исходной заготовки .77
3.6.1 Влияние относительной толщины квадратной заготовки на коэффициент вытяжки на первом переходе 82
3.6.2 Влияние зазора между пуансоном и матрицей на процесс вытяжки квадратной заготовки 85
3.7 Осадка корончатого колпака после вытяжки квадратной заготовки .87
3.8 Вторая операция вытяжки из квадратной заготовки .90
3.9 Влияние основных технологических параметров на силовые, деформационные характеристики второй операции вытяжки 95
3.10 Интенсификация первой вытяжки из квадратной заготовки 104
3.11 Основные результаты и выводы 110
Раздел 4 Разработка технологического процесса изготовления детали «стакан» из квадратной заготовки 112
4.1 Основные результаты и выводы 115
Заключение 116
Список литературы 119
- Обзор программного обеспечения, реализующее МКЭ
- Влияние относительной толщины шестигранной заготовки на коэффициент вытяжки на первом переходе
- Вытяжка осесимметричных деталей из плоских квадратных заготовок с зазором между пуансоном и матрицей равным толщине исходной заготовки
- Интенсификация первой вытяжки из квадратной заготовки
Введение к работе
Актуальность темы. Основной задачей развития машиностроения является вывод его на принципиально новые ресурсосберегающие технологии, обеспечивающие повышение производительности труда, экономию материальных и энергетических ресурсов и охрану окружающей среды. В значительной степени решению этих задач способствует внедрение в промышленность прогрессивных технологий формообразования полых осесимметричных деталей.
Наиболее эффективным способом получения полых осесимметричных деталей из листовых заготовок является вытяжка – процесс превращения плоской заготовки в полую деталь.
Одним из направлений повышения эффективности процесса вытяжки является замена круглой заготовки на профильную заготовку, однако реализация этих процессов затруднена в связи со сложным характером течения материала и недостаточной информацией о предельных возможностях деформирования.
Другим направлением повышения эффективности процесса является совмещение ряда операций в процессе изготовления осесимметричных деталей из профильных листовых заготовок.
Таким образом, теоретическое обоснование рациональных технологических параметров изготовления полых осесимметричных деталей из профильных листовых заготовок операциями вытяжки и совмещением вытяжки с утонением и прямого выдавливания, обеспечивающих снижение металлоемкости и трудоемкости их производства, является актуальной научной задачей.
Отдельные материалы работы выполнены в рамках программы «Анализ востребованности ключевыми российскими компаниями в сфере общего машиностроения и российскими вузами спроса на технологии, поисковые проблемно-ориентированные и прикладные работы: развитие теории пластического формоизменения кристаллических ортотропных материалов с деформационной анизотропией механических свойств – ГК 0038».
Цель работы. Повышение эффективности процессов вытяжки полых осесимметричных деталей путем теоретического обоснования рациональных технологических параметров первой операции вытяжки профильных листовых заготовок и совмещения последующих операций вытяжки с прямым выдавливанием.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:
-
с использованием программного комплекса QForm 2D/3D провести теоретические исследования процессов вытяжки цилиндрического полуфабриката из шестигранной и квадратной заготовок, осадки корончатого колпака цилиндрического полуфабриката и совмещения второй операции вытяжки и прямого выдавливания;
-
установить предельные возможности формоизменения на первой операции вытяжки цилиндрических изделий из профильных листовых заготовок квадратной и шестигранной формы;
-
оценить влияние технологических параметров на напряженно-деформированное состояние, силовые режимы и показатель разрушения при совмещении второй операции вытяжки и прямого выдавливания;
-
выполнить экспериментальные исследования первой операции вытяжки цилиндрических изделий из квадратной заготовки;
-
разработать технологический процесс изготовления детали типа «стакан» из квадратной заготовки;
6) использовать результаты исследований в учебном процессе.
Научная новизна:
- установлен характер напряженного и деформированного состояний
шестигранной и квадратной заготовок при формообразовании полых
осесимметричных деталей на первой операции вытяжки и при совмещении
процессов вытяжки и прямого выдавливания;
- установлены и аналитически описаны предельные возможности
формообразования осесимметричных деталей из профильных листовых
заготовок на основе полученных вторичных математических моделей,
учитывающих геометрию инструмента, степень деформации заготовки при
совмещении операции вытяжки с утонением и прямого выдавливания.
Практическая ценность. Разработаны рекомендации по расчету технологических параметров вытяжки полых осесимметричных деталей из шестигранных и квадратных заготовок на основе выполненных теоретических исследований.
На основе результатов выполненных теоретических исследований: 1) получены значения коэффициентов вытяжки для первого перехода в зависимости от относительной толщины заготовки для шестигранной и квадратной заготовок;
2) установлены границы устойчивого протекания совмещенного процесса вытяжки и прямого выдавливания из корончатого колпака при изготовлении цилиндрического изделия на втором переходе (совмещенная операция вытяжки и прямого выдавливания из корончатого колпака) формообразования осесимметричной цилиндрической детали (или полуфабриката).
Реализация работы. На основе результатов комплекса проведенных исследований, конструкторско-технологических разработок и полученных рекомендаций для вытяжки шестигранных и квадратных заготовок усовершенствован технологический процесс изготовления детали «стакан»; часть материалов исследования использована в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных работ, в лекционных курсах «Технология листовой штамповки», «Теория обработки металлов давлением», при подготовке бакалавров и магистров техники и технологии по направлению «Машиностроение» профиля «Машины и технологии обработки давлением» и магистров техники и технологии по направлению «Технологические машины и оборудование» профиля «Высокоэффективные методы обработки металлов давлением».
Объект исследования: операции изготовления осесимметричных деталей из листовых заготовок.
Предмет исследования: процессы вытяжки, совмещенной вытяжки с прямым выдавливанием.
Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий теоретический анализ и экспериментальную проверку полученных результатов.
Моделирование и теоретические исследования операций вытяжки осесимметричных изделий выполнены с применением программного комплекса QForm 2D/3D. Предельная возможность формообразования оценивалась по критерию разрушения Кокрофта – Латама.
Экспериментальные исследования процесса вытяжки квадратной заготовки проводились на испытательной машине ГМС-50 с записью индикаторных диаграмм.
Автор защищает:
- результаты теоретических исследований напряженного и деформированного состояния заготовки и силовых режимов для рассматриваемых процессов при различных схемах нагружения;
- результаты исследований по определению рациональных
технологических параметров операции вытяжки из шестигранных и
квадратных заготовок на первом переходе;
результаты исследования второго перехода формообразования осесимметричной детали из квадратной заготовки, реализуемого совмещением операций вытяжки и прямого выдавливания;
разработанные вторичные математические модели зависимости силы, деформаций и критерия разрушения от геометрических параметров заготовки;
- выявленную возможность интенсификации процесса вытяжки из
квадратной заготовки на первом переходе за счет совмещения вытяжки и
прямого выдавливания.
Апробация. Результаты исследования доложены на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (2011–2017 гг), на магистерских научно-технических конференциях Тульского государственного университета (2011–2013 гг).
Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 13 работах, 12 из которых опубликованы в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы из 100 наименований. Работа изложена на 128 страницах, содержит 92 рисунка и 12 таблиц.
Обзор программного обеспечения, реализующее МКЭ
Многие задачи, с которыми приходится в настоящее время сталкиваться исследователям и инженерам, не поддаются аналитическому решению либо требуют огромных затрат на экспериментальную реализацию. Зачастую единственной возможностью экспрессивного анализа инженерной проблемы является компьютерное математическое моделирование. Прогресс в разработке численных методов позволил существенно расширить круг задач, доступных анализу. Полученные на основе этих методов результаты используются практически во всех областях науки и техники.
В анализе конструкций находит свое наиболее важное применение метод конечных элементов[4,29,30]. Причем в конструкционном анализе под конструкциями понимаются мосты, здания, корпуса судов, детали машин, поршни, инструменты – словом, инженерные конструкции.
Первичными переменными, которые вычисляются в ходе конструкционного анализа, являются смещения. В дальнейшем, исходя из вычисленных смещений в узлах сетки, определяются и другие важные параметры – такие, как напряжения, упругая или пластическая деформация и пр.
Успех использования тех или иных программ (систем) инженерного анализа в процессе разработки изделий во многом зависит от следующего:
- какие задачи позволяют решать такие программы;
- насколько они легки в использовании;
- как хорошо они интегрированы с применяемой CAD-системой;
- насколько достоверные результаты расчетов они позволяют получать.
Проведение инженерных расчетов изделий на ранних стадиях их разработки обеспечивает возможность повышения качества изделий, а также сокращения затрат и длительности процесса производства. Выявляя посредством инженерных расчетов возможные ошибки в конструкции изделия, можно вносить изменения в конструкцию еще в процессе разработки, а не во время производства. Во втором случае производитель не только несет существенные дополнительные затраты, но и теряет наиболее ценную часть прибыли от реализации изделия на той стадии, когда на рынке еще не появилась продукция конкурентов.
Таким образом, производство изделий, при разработке и оптимизации которых широко используются инженерные расчеты, выполненные с применением современных компьютерных технологий, — это сегодня не только показатель грамотной технической политики, но и характерный признак правильной экономической стратегии предприятия. В связи с этим, а также вследствие значительного роста возможностей компьютерных технологий потребность в расчетах в последние несколько лет значительно возросла.
В настоящее время в соответствии с мировой тенденцией удовлетворение возросшей потребности в расчетах осуществляется за счет активного вовлечения конструкторских подразделений в непосредственную расчетную практику, так что выполнение основной массы расчетов с применением современных программ инженерного анализа возлагается на инженеров-конструкторов непосредственно в процессе конструирования, а специализированные расчетные подразделения концентрируют свои усилия на решении действительно сложных и уникальных задач.
Разработчики МКЭ-программ стремятся наделить свои программы мощной функциональностью, а также сделать их интуитивными, удобными и доступными. Но, несмотря на все усилия интегрировать анализ в процесс проектирования, расчетные программы остаются прерогативой специалистов-расчетчиков. Главная причина, по которой инженеры-конструкторы отказываются от использования продуманных МКЭ-программ, заключается в том, что эти программы остаются достаточно сложными в освоении и использовании, поскольку при работе с ними требуется:
-наличие специальных знаний и навыков в области инженерного анализа с применением МКЭ, в частности специальных знаний и навыков в области создания конечно-элементных сеток;
-переработка геометрии CAD-модели, созданной конструктором, для выполнения инженерных расчетов в МКЭ-программе. Годами поставщики расчетных систем обещают пользователям полностью совместимый интерфейс между CAD- и МКЭ-системами, но его до сих пор не существует. Конструкторская модель может быть легко импортирована практически в любую программу анализа, но, прежде чем будет проведен расчет, модель должна быть идеализирована, то есть, изменена или упрощена, чтобы стать подходящей для проведения расчета. Разработанные конструктором детали часто содержат мелкие геометрические элементы, которые являются существенными для конструкции изделия, но не представляют интереса с точки зрения расчетчика и к тому же доставляют массу неприятностей в процессе расчета. Чем мельче геометрические элементы модели, тем более мелкую конечно-элементную сетку необходимо будет создать. Вследствие этого размер расчетной модели значительно возрастает, и подчас требуются часы или даже дни работы программы для получения результатов расчета[29,30].
Для успешного применения каждый расчетный пакет должен соответствовать двум требованиям:
- воплощать самые эффективные численные алгоритмы;
- предоставлять пользователю развитый набор сервисных функций по подготовке исходных данных и обработке результатов расчета.
В связи с этим все программные средства (ПС) автоматизации подразделяются на легкие, средние и тяжелые. Степень «тяжести» в данном случае является показателем мощности и эффективности. Рассмотрим возможности «тяжелых», т.е. наиболее мощных расчетных комплексов.
Ansys (ANSYS, Inc.) ANSYS уже более 25 лет входит в число лидирующих тяжелых конечно-элементных расчетных комплексов. Начинавшийся как система для внутреннего использования фирмы Westinghouse Electric, Ansys проник из своей «материнской» области, ядерной энергетики, во все области промышленности, завоевав доверие многих тысяч пользователей по всему миру. Он включает в себя пакеты для вычислительной гидродинамики - ANSYS CFD, электромагнетизма - ANSYS Emag, многодисциплинарных расчетов и оптимизации - ANSYS Multiphysics, а так же для механики деформируемых твердых тел -ANSYS Mechanical.
ANSYS Mechanical позволяет рассчитать: напряженно – деформированное состояние в зоне упругой и пластической деформации; собственные частоты и формы колебаний; линейную и нелинейную устойчивость, динамику; стационарный и не стационарный теплообмен; геометрические нелинейности; акустику; решение связанных задач «НДС + Тепло» как последовательно, так и используя связанные типы элементов.
Тем не менее, эту программу для моделирования процессов ОМД применяют не часто. В силу того, что ANSYS относится к «тяжелым» конечно-элементным пакетам, предназначенным для решения в единой среде, требует большого опыта работы в нем, достаточно больших теоретических знаний и значительных технических ресурсов ЭВМ.
ABAQUS. ABAQUS является программой, решающей большой спектр задач в металлургии и машиностроении, энергетике и других областях промышленности. Программный комплекс ABAQUS разработан по модульному принципу и состоит из двух основных модулей-решателей (солверов) — ABAQUS/Standard и ABAQUS/Explicit, препостроцессора ABAQUS/CAE и из дополнительных модулей, учитывающих особенности специфических проблем — ABAQUS/Aqua, ABAQUS/Design, ABAQUS/Safe.
ABAQUS позволяет использовать различные методы анализа во временной и частотной области. Эти методы разделяются на два класса: обобщенные типы анализа (в которых задача может быть линейной или нелинейной) и линеаризованный анализ (в котором линейный отклик модели рассчитывается относительно общего — возможно нелинейного — исходного состояния). Один расчет может включать различные типы анализов: статический анализ напряже ний/перемещений; вязкоупругий/вязкопластический отклик; переходный динамический анализ напряжений/перемещений; переходной или установившийся анализ теплопередачи; переходной или установившийся анализ диффузии массы; сопряженные задачи; статический анализ напряжений/перемещений; динамический анализ напряжений/перемещений.
Тем не менее, основываясь на данных, полученных по результатам литературного обзора, можно заметить, что непосредственно для моделирования процессов ОМД в России указанную программу не так часто используют. Так же как и ANSYS ABAQUS имеет не самый простой интерфейс и с технической стороны является ресурсоемким, что влечет дополнительные трудности.
Elmer FEM solver. Elmer FEM solver — полнофункциональный математический пакет, ориентированный на математическое моделирование физических процессов и расчета конструкций при помощи метода конечных элементов (МКЭ) (англ. FEM, finite elements method). Пакет позволяет строить физические модели для решения задач гидродинамики, строительной механики, электродинамики, теплопереноса, акустики и т. д. Пакет Elmer состоит из нескольких частей: физические модели, а также граничные и начальные условия задаются в модуле ElmerGUI; численное решение задачи происходит в ElmerSolver, а результаты можно обработать в Elmerpost. С точки зрения механики деформируемого тела Elmer FEM solver можно использовать только для моделирования плоских деталей.
Влияние относительной толщины шестигранной заготовки на коэффициент вытяжки на первом переходе
Продолжая исследовать процесс вытяжки из шестигранной заготовки, рассмотрим предельно допустимые возможности использования шестигранной заготовки. Определим минимально допустимые коэффициенты вытяжки в зависимости от относительной толщины заготовки.
Для этого был спроектирован инструмент, рабочие радиусы которого соответствуют рекомендациям В.П. Романовского [56] и необходимый прижим для устранения складкообразования во фланце.
Так как в справочной литературе нет рекомендаций по вытяжке из таких заготовок, то коэффициентом вытяжки будем считать отношение диаметра готового изделия (d) к диаметру вписанной окружности (D) mвыт = d/D (D-диаметр вписанной окружности), а относительной толщиной заготовки - отношение толщины плоской заготовки к диаметру вписанной окружности (D) - (S/D)100 (рисунок 2.14),.
В соответствии с рекомендациями В.П. Романовского [56], был проведен ряд расчетов для получения цилиндрического изделия с относительными толщинами от 0,06 до 2.
Численные эксперименты показали, что в процессе вытяжки из шестигранной заготовки происходят такие дефекты, как складкообразование в зоне впадины, утонение стенки и отрыв донной части изделия.
Рассмотрим предельные коэффициенты вытяжки с учетом одного дефекта - отрыва донной части.
В ходе расчетов было выявлено, что процесс вытяжки стабильно протекает только при относительной толщине заготовок (S/D) 100 0,5. Соответственно, диапазон исследуемых заготовок меняется с ряда от 0,06 до 2, на ряд от 0,5 до 2. Полученные предельные коэффициенты вытяжки в этом диапазоне представлены в таблице 2.1 и на графике (рисунок 2.15). Аналогично, для ряда относительных толщин от 0,5 до 2 были рассчитаны предельные коэффициенты вытяжки из круглой заготовки.
На рисунке 2.15 видим, что кривые зависимостей имею возрастающий характер, что для круглой заготовки не соответствует рекомендациям В.П. Романовского [19,56].
На примере критерия разрушения Кокрофт – Латам [89], по которому можно определить возможность разрушения, рассмотрим рассчитанные коэффициенты вытяжки из шестигранной заготовки и круглой [13]. Так как данный критерий является качественным, то разрушение более вероятно в местах с его максимальным значением [50]. Формула, по которой рассчитывается данный критерий, следующая: где - накопленная пластическая деформация; о - максимальное главное растягивающее напряжение; т - интенсивность напряжений.
На рисунке 2.16 а показана картина распределения максимальных значений критерия разрушения в моделируемом секторе в сечении выступа для шестигранных заготовок, на рисунке 2.16 б - для круглых заготовок. Максимальные значения изменяются в пределах от 0,43 до 0,87.
При вытяжке из шестигранных заготовок при (S/D)100 = 0,5 и mвыт = 0,48 максимальное значение критерия разрушения составляет 0,5, и при (S/D)100 = 2 и mвыт = 0,5 – 0,5 т.е. на всем рассматриваемом диапазоне значений относительных толщин показатель критерия разрушения одинаковый.
Аналогично из круглой заготовки при (S/D)100 = 0,5 и mвыт = 0,43 максимальное значение составляет 0,9, а при (S/D)100 = 2 и mвыт = 0,48 – 0,4.
Высокие значения этого показателя говорят о неблагоприятной схеме напряженно - деформированного состояния в этой области и возможности дальнейшего роста утонения стенки вытягиваемого стакана, когда произойдет утонение большее, чем на 10 % от толщины стенки стакана, в дальнейшем необходимо провести специальных лабораторных исследований. Однако результаты проведенного исследования в работе [50], дают основание сделать вывод, что рассчитанные показатели критерия Кокрофт - Латам методом конечных элементов, имеют тот же характер формоизменения, что и в лабораторных исследованиях.
Для определения критических значений этого показателя, проведем специальный расчет на растяжение плоского прямоугольного образца толщиной 1мм, шириной 5мм, длинной 30мм. Материал образца - сталь 08кп. Оборудование гидравлический пресс, силой 50МН.
На рисунке 2.17 показано распределение критерия разрушения Кокрофт – Латам в момент начала образования шейки. На шкале справа видим, что максимальное значение в зоне шейки составляет 0,455.
Таким образом, для операции вытяжки примем критическое значение критерия разрушения равным 0,4 как для шестигранных, так и для круглых заготовок. Что позволит повысить запас прочности при вытяжке тонких круглых заготовок.
Соответственно значения предельно допустимых коэффициентов вытяжки из круглых и шестигранных заготовок изменятся. Откорректированные данные представлены в таблице 2.2 и на графике (рисунок 2. 18).
На рисунке 2.18 видно, что кривая для круглых заготовок имеет убывающий характер, что соответствует известному характеру зависимости коэффициентов вытяжки от относительной толщины заготовок [56].
Любые складки, трещины на поверхности металла являются концентраторами напряжений, которые могут привести к разрушению при дальнейших формоизменяющих операциях.
В связи с этим рассмотрим предельные коэффициенты вытяжки дополнительно с учетом утонения стенки и складкообразования.
Рассчитанные коэффициенты скорректируем с учетом свойств исследуемой стали. Так как исследование проводили на пластичном металле, к которым относятся сталь 08кп, 05, алюминий и др., числовые значения коэффициентов увеличим на 2%.
Таким образом, получаем окончательные коэффициенты вытяжки для круглой и шестигранной заготовок (таблица 2.3, рисунок 2.19).
На рисунке 2.19 видим, что расчетная зависимость коэффициентов вытяжки из круглой заготовки соответствует зависимости приведенной в справочной литературе (рисунок 2.19, кривая 2).
Характер кривых различен: для круглой заготовки при увеличении относительной толщины заготовки коэффициент вытяжки уменьшается, для шестигранной заготовки зависимость обратная - при увеличении относительной толщины заготовки коэффициент вытяжки увеличивается[24].
При S/D 0,9 и mвыт = 0,54 кривые пересекаются, из чего следует вывод, что использование тонких шестигранных заготовок при S/D 0,5 - 0,9 для вы тяжки выгоднее, чем круглых.
Проведенный анализ рассмотренных факторов: отрыв донной части, утонение стенки, складкообразование, показал, что основополагающим для установки предельно допустимых коэффициентов вытяжки является критерий разрушения. При значении критерия разрушения = 0,4 на всем диапазоне относительных толщин от 0,5 до 2, зависимость коэффициентов вытяжки становится правдивой.
Вытяжка осесимметричных деталей из плоских квадратных заготовок с зазором между пуансоном и матрицей равным толщине исходной заготовки
При вытяжке цилиндрических деталей из круглых заготовок, по краю изделия образуются так называемые «фестоны», при вытяжке из квадратных – выступы и впадины, Таким образом, операция обрезки кромки неизбежна в обоих случаях. Однако, проведя операцию вытяжки из квадратной заготовки с зазором между пуансоном и матрицей равным толщине исходной заготовки, реализуется вытяжка выступов и впадин квадратной заготовки, что приведет к увеличению полезной высоты готовой детали.
Рассмотрим подробно вытяжку квадратной заготовки с зазором равным z = S0.
Для этого была смоделирована операция вытяжки заготовки из стали 08кп[38], с аналогичными параметрами, как и при исследовании с зазором z = 1,3S0 - со стороной квадрата а = 55 мм, толщиной h = 2,9 мм, которая деформировалась в цилиндрическую матрицу диаметром D = 40,15 мм. Зазор между матрицей и пуансоном равняется толщине исходной заготовки, т.е. z = 2,9мм. Рабочие радиусы пуансона и матрицы приняты согласно рекомендациям С.П. Романовско-го[56, 71].
В качестве оборудования принимался стандартный механический пресс номинальной силой 10МН[56]. Последовательность деформирования квадратной заготовки и превращение ее в цилиндрический колпак представлена на рисунке 3.22.
Процесс формоизменения является неоднородным, что приводит к образованию неровного края стенки получаемого стакана. Так как картина формоизменения заготовки представляет собой ряд повторяющихся элементов относительно оси Z, то представляется целесообразным описать все процессы, происходящие в заготовке, на базе одного из этих элементов.
Для анализа процесса был принят сектор с углом 450 (рисунок 3.23) при исследовании которого можно полностью оценить все процессы пластического формоизменения, возникающие в заготовке.
Так как в программном комплексе система координат XYZ является не подвижной, то для анализа получаемых результатов потребовалось рассмотрение двух вариантов расположения выделенного сектора относительно системы координат. Т.е. в первом случае сечение впадины совпадает с плоскостью XZ и во втором случае сечение по выступу совпадает с плоскостью XZ [57,58].
Такой подход к анализу процесса был обоснован тем, что в процессе формоизменения заготовка претерпевает большие пространственные перемещения относительно системы координат и поэтому судить о деформированном состоянии, возникающем в материале заготовки, можно только по двум параметрам: накопленной интенсивности пластической деформации и деформации в направлении оси Z. Так как волокна материала в этом направлении сохраняют свое положение относительно осям системы координат. Распределение этих деформаций в сечениях приведено на рисунках 3.24 – 3.25
Анализ полученных результатов показывает, что наибольшие степени деформации - до 131 % - реализуются в области впадины на кромке, что на 6% больше чем при вытяжке с зазором z = 1,3S0 (рисунок 3.28 II а). Это связано с тем, что утолщение, происходящее в процессе формоизменения в зоне впадины, когда доходит до рабочего радиуса матрицы утоняется до начальной толщины заготовки.
Деформации в сечении выступа меньше. Максимальное значение деформации достигает 45%, которая реализуется на уровне кромки впадины, что в 2,5 раза больше чем при вытяжке с зазором z = 1,3S0 (рисунок 3.25 II б). Из этого следует, что угловые участки квадратной заготовки, деформируются практически как жесткое целое и прирост полезной высоты готовой детали осуществляется за счет утонения материала в зоне участков впадины.
Интенсификация первой вытяжки из квадратной заготовки
Улучшение данного процесса состоит в том, что заготовка является не цилиндрическим стаканом с корончатым венцом, а плоской квадратной[12].
Исходный материал - квадратная заготовка 32,5 мм х 32,5 мм толщиной S=2,5 мм из стали 08кп[39]. В качестве оборудования принимался стандартный механический пресс номинальной силой 10МН[56].
В начале процесса ступенчатый пуансон, двигаясь вниз, втягивает квадратную заготовку в цилиндрическую матрицу (рисунок 3.44).
По достижении заготовкой конического участка матрицы начинает формироваться донная часть изделия и одновременно больший диаметр пуансона начинает осаживать угловые участки заготовки.
После того, как заготовка полностью ляжет на конический участок матрицы, будет реализовываться процесс прямого выдавливания, который длится до тех пор, пока толщина фланцевой части заготовки будет равняться толщине стенки готового изделия.
Последовательность деформирования квадратной заготовки, а так же превращения ее в цилиндрическое изделие типа «стакан» показана на рисунке 3.45.
На рисунке 3.46, а приведены картины деформационного состояния в процессе формоизменения заготовки. На начальных этапах формоизменения наибольшие деформации происходят в плоском крае фланца, в то время как на угловых выступах она еще мала.
Однако, когда коническая часть пуансона прижимает утолщенный фланец к коническому участок матрицы и производит прямое выдавливание, область наибольшей пластической деформации перераспределяется в стеночную часть изделия. Максимальная накопленная деформация наблюдается на завершающем этапе операции во фланце и составляет 300 %.
В начальной стадии деформирования заготовки гидростатическое давление является растягивающим, значение которого не превышает 30 МПа. Когда идет процесс вытяжки и коническая часть пуансона прижимает утолщенный фланец, среднее напряжение в донной части равняется 0.
В стенках колпачка становится сжимающим от -10 до - 40 распределяясь от дна к фланцу изделия. А во фланце с показателями от -1000 МПа до - 1600 МПа от стенки колпачка к кромке изделия.
На рисунке 3.47 показаны главные напряжения, которые также являются сжимающими.
Анализ результатов по гидростатическому давлению и главным напряжениям позволяет прогнозировать отсутствие разрушения заготовки в процессе штамповки данного типа изделия.
Однако для реализации данного способа необходимо геометрические размеры ступенчатого пуансона подбирать не произвольно, а исходя из условия, чтобы операция выдавливания начиналась в момент, когда формирование донной части стакана завершено, а операция вытяжки с утонением не началась.
Удовлетворение этим требования достигается выбором определенной высоты тонкого участка пуансона.
В связи с этим было рассмотрено несколько вариантов высоты тонкого участка ступенчатого пуансона – 7, 8, 9мм (рисунок 3.48).
В процессе моделирования было выявлено, что при высоте 7 мм происходит обрезка заготовки (рисунок 3.49, а) при высоте 9 мм наблюдается утонение на радиусе скругления дна со стенкой изделия (рисунок 3.49, в ), при высоте 8 мм никаких недостатков не наблюдается (рисунок 3.49, б ).
Таким образом, для получение цилиндрического изделия непосредственно из плоской квадратной заготовки зависит от точности изготовления инструмента и точности размеров заготовки, обеспечение которой в производственных условия - достаточно сложная задача.