Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние теории и технологии раздачи и обжима трубных заготовок .11
1.1 Анализ объекта производства 11
1.2 Технологии штамповки трубных деталей с плоским фланцем.
1.2.1 Вытяжка цилиндрического стакана с фланцем из плоской заготовки с последующей пробивкой дна 14
1.2.2 Развртка трубной заготовки в кольцо с последующей отбортовкой отверстия 16
1.2.3 Раскатка фланца на трубной заготовке .17
1.2.4 Раздача трубной заготовки коническим пуансоном до заданного угла конусности с последующей отбортовкой плоским пуансоном 19
1.2.5 Непрерывная раздача трубных заготовок .23
1.2.6 Равномерная раздача плоских фланцев на трубных заготовках с применением плоской матрицы 29
1.3 Способы интенсификации процесса раздачи фланцев на трубных заготовках .33
1.3.1 Температурная интенсификация 33
1.3.2 Штамповка в режиме сверхпластичности .35
1.3.3 Альтернативные способы интенсификации процессов раздачи и обжима трубных заготовок .36
1.4 Современное состояние теории раздачи и обжима трубных заготовок 38
1.5 Выводы .43
ГЛАВА 2. Математическая модель равномерной раздачи плоского фланца на трубной заготовке с применением плоской матрицы .45
2.1 Схема процесса раздачи плоского фланца 45
2.2 Составление основных уравнений .47
2.3 Напряженное состояние в очаге деформации 51
2.4 Учет дополнительных сжимающих напряжений, возникающих при изгибе стенки заготовки по тороидальной части пуансона 61
2.5 Деформированное состояние заготовки 64
2.6 Силовые режимы операции раздачи .66
2.7 Выводы 69
ГЛАВА 3. Результаты исследований операции равномерной раздачи плоского фланца на трубной заготовке .70
3.1 Приборы и материалы .70
3.2 Выбор инструментария для компьютерного моделирования .72
3.3 Компьютерная модель 73
3.4 Экспериментальный штамп 75
3.5 Анализ формоизменения заготовок и напряженного состояния 78
3.6 Силовые режимы операции раздачи .98
3.7 Выводы .107
ГЛАВА 4. Разработанные конструкции штампов и рекомендации по расчету технологических параметров и проектированию штамповой оснастки 109
4.1 Определение размеров заготовки 110
4.2 Раздача трубной заготовки в штампе с матрицей, обеспечивающей подпор кромки фланца .111
4.3. Штамп совмещенного действия для обжима трубной заготовки и раздачи фланца 119
4.4 Штамп совмещенного действия для последовательной раздачи и калибровки фланца .124
4.5 Штамп совмещенного действия для осуществления процессов обжима трубной заготовки, раздачи и калибровки фланца .129
4.6 Требования к материалам рабочих деталей штампов для раздачи, обжима и калибровки фланцев на трубных заготовках 140
4.7 Выводы .143
Заключение 144
Список литературы .
- Развртка трубной заготовки в кольцо с последующей отбортовкой отверстия
- Напряженное состояние в очаге деформации
- Выбор инструментария для компьютерного моделирования
- Штамп совмещенного действия для обжима трубной заготовки и раздачи фланца
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Трубные детали небольших диаметров с плоским фланцем в основном применяются в качестве фитингов для соединения элементов трубопроводов на «свободных фланцах» в пищевой, нефтегазовой индустриях, могут входить в состав более крупных и сложных фитингов, например, тройников. Крупные трубные детали с фланцем применяются в строительной индустрии в качестве арматуры для установки рекламных щитов (полые анкеры), при возведении строительных лесов и т.п. Технологические принципы формоизменения трубных заготовок раздачей в холодном состоянии либо с применением местного нагрева очага деформации могут быть применены в производстве трубчатых деталей с плоскими фланцами.
В современном машиностроении активно развиваются тенденции к
повышению эффективности существующих технологий и созданию новых,
позволяющих производить изделия более высокого качества при сокращении
производственных ресурсов, таких как количество оснастки, производственный
цикл, трудовые затраты и т.п.. В этом свете операция равномерной раздачи
является перспективной для производства трубных изделий с плоскими
осесимметричными фланцами. Однако внедрение данной технологии в
промышленность сдерживается недостаточно развитой теоретической базой
деформирования трубных заготовок раздачей, которая позволила бы оценивать
напряженное, деформированное состояния заготовки, силовые режимы, а также
предельные возможности формообразования. Таким образом, при
проектировании технологических процессов, основанных на операции раздачи плоских фланцев, это может приводить к необходимости проведения экспериментальных исследований, что приводит к увеличению сроков предпроизводственной подготовки изделия. Поэтому дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования операции равномерной раздачи плоских
фланцев на трубных заготовках являются на данный момент актуальной научно-технической задачей.
Степень разработанности проблемы.
Значительный вклад в развитие теории пластичности, методов анализа
процессов обработки металлов давлением и теории раздачи и обжима трубных
заготовок внесли Аверкиев А.Ю., Агеев Н.П., Артес А.Э., Вдовин С.И., Гезе Г.,
Глазков В.И., Горбунов М.Н., Гоффман О., Давыдов О.Ю., Дель Г.Д., Демин
В.А., Демченко Н.И., Евсюков С.А., Езжев А.С., Ершов В.И., Зимин А.И.,
Зубцов М.Е., Ильин Л.Н., Калиновский И.П., Каширин М.Ф., Каюшин В.А.,
Колесников Л.А., Колмогоров В.Л., Коновалов В.А., Кривицкий В.А., Лобанов
В.К., Ловизин Н.С., Марченков И.А., Марьин Б.Н., Марьин С.Б., Матвеев А.Д.,
Михайленко Ф.П., Мозгов В.А., Мошнин Е.Н., Непершин Р. И., Овчинников
А.Г., Пашкевич А.Г., Пилипенко О.В., Попов Е.А., Попов О.В., Романовский
В.П., Рудман Л.И., Сторожев М.В., Селедкин Е.М., Семенов И.Е., Смирнов
О.М., Смирнов-Аляев Г.А., Сосенушкин Е.Н., Фридман Я.Б., Хилл Р., Черняев
А.В., Чистяков В.П., Чудин В.Н., Чумадин А.С., Шалаев В.Д., Шубин И.Н.,
Яковлев С.П., Яковлев С.С. и др. В трудах этих ученых разработаны и
усовершенствованы методы анализа процессов пластического
формоизменения, даны примеры их использования при анализе процессов обработки металлов давлением применительно к процессам раздачи и обжима.
Бльшая часть работ в научно-технической литературе посвящена
теоретическим исследованиям операции раздачи трубных заготовок по
коническому пуансону, при этом недостаточно внимания уделено
исследованиям и анализу кинематики течения материала, силовых режимов, напряженно-деформированного состояния заготовки, а также предельных возможностей формоизменения при раздаче плоского фланца на трубной заготовке с использованием плоской матрицы. Анализ результатов данных работ позволил установить основные проблемы, возникающие при разработке технологических процессов получения трубных изделий с плоскими фланцами и их эффективной реализации в промышленном производстве.
Цель работы состоит в повышении эффективности технологии штамповки плоских фланцев на трубных заготовках методом раздачи в штампе путем теоретического обоснования рациональных технологических режимов пластического деформирования и выработки рекомендаций к конструкции штамповой оснастки на основе теоретических и экспериментальных исследований, а также компьютерного моделирования.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены следующие
задачи исследований:
1. Разработать математическую модель операции равномерной раздачи
плоского фланца на трубной заготовке пуансоном с плоской и тороидальной
рабочими частями с использованием плоской матрицы, создающей подпор
кромки получаемого фланца, с учетом упрочнения материала, контактного
трения и изменения толщины стенки заготовки во фланце в процессе
деформирования, а также дополнительных сжимающих напряжений,
возникающих в результате изгиба стенки заготовки по тороидальной части
пуансона. Получить основные уравнения и соотношения для анализа операции
равномерной раздачи плоского фланца на трубной заготовке.
2. Разработать компьютерную модель операции раздачи плоского фланца
на трубной заготовке с применением плоской матрицы и выполнить
исследования данной операции методами компьютерного моделирования.
-
Выполнить теоретические и экспериментальные исследования и провести анализ напряженно-деформированного состояния, кинематики течения металла и силовых режимов операции равномерной раздачи плоского фланца на трубной заготовке.
-
Установить влияние технологических параметров, геометрических размеров заготовки и инструмента на кинематику течения металла, напряженно-деформированное состояние, силовые режимы и предельные возможности формоизменения заготовки на данной операции.
5. Разработать рекомендации по расчету технологических параметров и
проектированию штамповой оснастки для производства трубных изделий с
плоскими фланцами на основе технологии раздачи, а также конструкции
штампов, позволяющие повысить эффективность штамповки за счет
уменьшения количества технологических переходов и повышения
качественных характеристик изделия путем совмещения операций раздачи, обжима и калибровки на одной позиции штамповки.
Объектом исследования является трубное изделие с плоским фланцем и технологический процесс его производства раздачей трубной заготовки.
Предметом исследования являются технологические параметры процесса раздачи плоского фланца на трубной заготовке в штампе с матрицей, осуществляющей подпор кромки фланца, и их влияние на эффективность штамповки, а также штамповая оснастка, предназначенная для реализации технологических процессов получения плоских фланцев на трубных заготовках.
Методы исследования. В работе использован комплексный метод
исследований, включающий компьютерное моделирование, теоретический
анализ исследуемых процессов и экспериментальную проверку результатов,
полученных в результате аналитического исследования и моделирования, в
лабораторных условиях. Для теоретических исследований операции раздачи
были использованы основные положения механики деформируемого твердого
тела и теории пластического деформирования осесимметричных полых
оболочек; анализ напряженного и деформированного состояний заготовки,
силовых режимов процесса раздачи проведен аналитически путем совместного
решения дифференциальных уравнений равновесия элемента объема заготовки
по действием сил и уравнения пластичности, а также основных определяющих
соотношений при заданных начальных и граничных условиях.
Экспериментальные исследования проводились на испытательной установке Instron 5989. Компьютерное моделирование проводилось в среде программного комплекса DEFORM-3D от компании SFTC.
Результаты, полученные автором и выносимые на защиту.
- математическая и компьютерная модели операции раздачи плоского
фланца на трубной заготовке пуансоном с плоской и тороидальной рабочими
частями с использованием плоской матрицы, создающей подпор
деформируемой кромки заготовки;
- основные уравнения и соотношения для анализа процессов раздачи
плоского фланца на трубной заготовке;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований
напряженного и деформированного состояний, силовых режимов, предельных
возможностей операции раздачи плоского фланца на трубной заготовке;
установленные закономерности влияния технологических параметров, условий трения на контактных поверхностях, упрочнения на кинематику течения металла, напряженное и деформированное состояние заготовки и предельные возможности операции раздачи;
разработанные рекомендации по проектирования штамповой оснастки для реализации операции раздачи фланца на трубной заготовке и расчету технологических параметров данной операции.
- разработанные конструкции штампов совмещенного действия для
изготовления деталей с фланцами из трубных заготовок, разработанные на
основе исследования операции раздачи плоского фланца на трубной заготовке.
Научная новизна работы состоит в:
математической модели операции раздачи плоского фланца на трубной заготовке пуансоном с плоской и тороидальной рабочими частями с использованием плоской матрицы, создающей подпор деформируемой кромки заготовки;
компьютерной модели операции раздачи плоского фланца на трубной заготовке с применением плоской матрицы;
- связях меридиональных и тангенциальных напряжений, силовых
режимов операции раздачи с технологическими параметрами штамповки
(величины рабочего хода, радиус скругления тороидальной части пуансона, коэффициент трения).
Теоретическая значимость работы заключается в установлении связей между параметрами технологического процесса раздачи плоского фланца на трубной заготовке и получении основных уравнений и соотношений для анализа данной операции.
Практическая значимость работы состоит в:
- разработанных рекомендациях по расчету технологических параметров
и проектированию штамповой оснастки для производства трубных изделий с
плоскими фланцами на основе технологии раздачи;
- повышении эффективности штамповки плоских фланцев на трубных
заготовках методом раздачи за счет уменьшения количества технологических
переходов и повышения качественных характеристик изделия путем
совмещения операций раздачи, обжима и калибровки на одной позиции
штамповки при использовании разработанных конструкций штамповой
оснастки;
- экспериментально установленной степенях адекватности компьютерной
и математической моделей реальному процессу раздачи плоского фланца;
- разработанных конструкциях штамповой оснастки для изготовления
изделий с плоскими фланцами из трубных заготовок на основе предложенных
технологических процессов.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Работа соответствует формуле специальности 05.02.09 – Технологии и машины обработки давлением.
Степень достоверности и апробация работы. Достоверность
результатов подтверждается согласованием результатов теоретических
исследований с экспериментальными данными, полученными как лично
автором, так и другими исследователями, а также практическим
использованием результатов работы в промышленности. Результаты
исследований были доложены и обсуждались на международной научно-
практической конференции «Инновации машиностроения» (октябрь 2010 г.,
Бийск), научно-практической конференции «Автоматизация и
информационные технологии» (МГТУ Станкин-2010), научно-образовательной
конференции «МТИ-2010» (МГТУ Станкин-2010), научно-практической
конференции «Студенческая весна 2011: технология обработки давлением»
(МГТУ им. Н.Э. Баумана), на научном семинаре кафедры «Системы
пластического деформирования (2010, 2011, 2014 гг.)», конгрессе «Кузнец-
2010» г. Рязань, Международной научно-технической конференции
«Современные технологии обработки материалов давлением: моделирование,
проектирование, производство» (23-25 сентября 2013) в МАМИ, г. Москва.
Некоторые результаты проведенных исследований используются в подготовке производственных процессов на АО «НПО «БАЗАЛЬТ», а также при чтении курса лекций по дисциплине «Теория обработки металлов давлением».
Публикации. Материалы проведнных исследований отражены в 14 публикациях, в том числе 5 в рецензируемых изданиях, внеснных в перечень ВАК, 4 доклада Всероссийских и 2 доклада международных научно-технических конференций объмом 73 печ.л.; из них авторских - 29 печ.л., - и 3 патентах.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х разделов, заключения, списка литературы из 104 наименований и включает 157 страниц машинописного текста, 3 приложения, содержит 56 рисунков и 17 таблиц. Общий объем – 176 страниц.
Развртка трубной заготовки в кольцо с последующей отбортовкой отверстия
Эта технология позволяет получать детали с фланцами различных диаметров с достаточно большой площадью и развитой втулочной частью. Однако возможность получения детали с требуемым соотношением диаметров фланца и трубной части за один переход ограничена предельной степенью формоизменения заготовки, определяемой предельным коэффициентом вытяжки m = d IDЗ, где DЗ - диаметр заготовки, d - диаметр стакана на текущем переходе [87]. Для большинства сталей предельное значение первого коэффициента вытяжки лежит в пределах т = 0,52...0,70 [88].
Таким образом, для вытяжки полуфабриката детали с таким соотношением диаметров фланца и трубной части, которое приводит к превышению предельного коэффициента вытяжки т для данного материала (то есть при слишком маленьких значениях диаметра трубной части детали относительно диаметра фланца), может потребоваться несколько технологических переходов, на которых коэффициент вытяжки не будет превышен, что увеличивает рабочее время и стоимость штамповой оснастки, так как для каждого перехода необходимо изготавливать отдельные матрицу и пуансон.
Вытяжка должна выполняться с прижимом фланца для улучшения качества штампуемого полуфабриката, однако даже при таких условиях может наблюдаться потеря устойчивости краевой части заготовки при е малой толщине из-за слишком большой величины сжимающих окружных напряжений и недостаточной силы прижима, проявляющаяся в появлении волнистых складок, или гофров, на фланце, что приводит к браку. Существует ряд способов, направленных на интенсификацию процесса вытяжки с целью предотвращения гофрообразования и получения качественного изделия, как-то: дифференцированный нагрев и/или прижим фланца, использование некруглых в плане заготовок с обратным направлением выступов и впадин, применение матриц с переменной по контуру прома кривизной рабочей части [35] и т.д.
Однако все эти примы удорожают штамповую оснастку, что вкупе с возможной необходимостью проведения нескольких технологических переходов и невысоким коэффициентом использования материала из-за необходимости удаления дна стакана приводят к необходимости создания более простой и экономичной технологии получения трубчатых деталей с плоским фланцем.
Для исключения необходимости удаления части материала заготовки в отход с целью экономии металла целесообразно использовать трубные или кольцевые заготовки. 1.2.2 Развртка трубной заготовки в кольцо с последующей отбортовкой отверстия
Данная технология позволяет получать детали с плоскими фланцами большой площади и невысокой горловиной за три перехода без потери металла в отход [59].
Получение горловины отбортовкой отверстия в плоском кольце (а) и готовое изделие (б) На первом переходе трубная заготовка деформируется в конический полуфабрикат с помощью конического пуансона и матрицы с конической полостью путм совмещения операций обжима и раздачи (рисунок 1.4). На втором переходе полученный полуфабрикат деформируют в плоское кольцо с упором наружной кромки в выступ матрицы (рисунок 1.5, а) или с центрированием отверстия полуфабриката по оправочной части плоского пуансона (рисунок 1.5, б). На последнем переходе происходит отбортовка отверстия кольца в горловину (рисунок 1.6).
Преимуществами этой технологии являются простота изготовления штамповой оснастки и высокий КИМ за счт использования трубных заготовок, что позволяет исключить удаление материала заготовки в отход.
На рисунке 1.7 показаны способы реализации технологии раскатки фланца на торце трубной заготовки. Торцевая раскатка осуществляется в холодном, а также горячем состояниях с температурой деформации ниже ковочной. Фланец формируется во вращающейся кольцевой матрице наклонным пуансоном, подаваемым в направлении оси трубной заготовки. При раскатке вращательное движение от нижнего шпинделя за счет сил трения передается через деформируемую заготовку верхнему шпинделю. Торцовой раскаткой можно получать детали с толщиной фланца меньше толщины стенки трубной заготовки (рисунок 1.7, а) [61] или с увеличением толщины фланца относительно толщины стенки исходной заготовки (рисунок 1.7, б) [6].
Недостатком данного способа является необходимость использования специализированного оборудования, а именно установок для раскатки со шпинделем, имеющим независимый привод, которые обычно монтируются на гидравлических прессах. Тогда альтернативами данной технологии будут являться процессы деформирования трубных заготовок в штампах. Наиболее распространенной и традиционной в данном случае является технология раздачи трубной заготовки коническим пуансоном до заданного угла конусности с последующей отбортовкой плоским пуансоном [14, 15, 30, 32, 34].
Процесс раздачи трубной заготовки заключается в е наталкивании на инструмент для раздачи, имеющий форму, позволяющую соответствующим образом увеличить диаметр заготовки при е движении. Степень формоизменения в операциях раздачи и обжима определяется отношением среднего диаметра исходной заготовки D к диаметру получаемого фланца Dф:
При раздаче по коническому пуансону в зависимости от относительной толщины стенки трубы S = — (где s и D - толщина и средний диаметр трубы D соответственно) и требуемой величины относительного радиуса кривизны криволинейного участка борта R =— (R радиус кривизны борта) предельная S степень формоизменения может ограничиваться или потерей устойчивости недеформируемой части трубы, или появлением трещин на наружной кромке фланца, когда деформация растяжения е в тангенциальном направлении достигает предельного значения, характерного для данного материала и условий деформирования. В связи с этим в работе [31] исследуются особенности деформирования трубной заготовки и предлагаются способы интенсификации процессов раздачи, например, возможность свободного перемещения недеформируемого конца заготовки вдоль своей оси при операции калибровки. Это осуществляется за счт того, что расширенная после раздачи на конус часть трубы опирается на матрицу, а упор, необходимый на операции раздачи, отводят (рисунок 1.8).
При таком способе достигают максимальных степеней формоизменения в холодном состоянии Кршх =0,681...0,675 при формообразовании концов труб с относительной толщиной стенки s 0,02 [31], что вполне удовлетворяет требованиям к конструкции и размерам получаемых таким способом деталей.
Напряженное состояние в очаге деформации
Теоретические зависимости, полученные на основе математической модели во второй главе данной работы, могут быть использованы для оценки напряженно-деформированного состояния и силовых режимов при равномерной раздаче фланца на трубной заготовке в штампе с применением матрицы, осуществляющей подпор деформируемой кромки заготовки.
Специальная штамповая оснастка для проведения экспериментальных исследований была спроектирована, основываясь на теоретических расчетах по приведенным выше зависимостям и с учетом результатов кинематического исследования операции раздачи методами компьютерного моделирования. В данной части работы проводится сравнение результатов аналитического и экспериментального исследований, а также компьютерного моделирования исследуемого процесса.
АМц – алюминиевый деформируемый сплав, обладает высокой пластичностью, высокой коррозионной стойкостью и свариваемостью без таких ограничений, как предварительный нагрев или последующая термообработка. Обычно применяется для изготовления сварных баков, деталей бензо- и маслопроводов, радиаторов и т.д. АМг-5 - алюминиевый деформируемый сплав, обладает хорошей свариваемостью и коррозионной стойкостью. Применяется в средненагруженных конструкциях, а также для изготовления полуфабрикатов методом горячей или холодной деформации. Трубы из АМг-5 используются в топливной, нефтехимической отраслях промышленности.
Модуль упругости Е, МПа 71000 71000 200000 03Х18Н11 - сталь коррозионно-стойкая обыкновенная, обладает очень высокими характеристиками пластичности, хорошей свариваемостью, из не рекомендуется изготавливать изделия, работающие в азотнокислых средах (азотная кислота, аммиачная селитра, адипиновая кислота и т.п.) при повышенной температуре.
Размеры исследуемых заготовок составляют: 42 3 55 для материалов АМц и 03Х18Н11, 42 2,2 55 для сплава АМг-5. Высота заготовок 55 мм была рассчитана из условия образования не более одной волны при потере устойчивости цилиндрической части заготовки при сжатии согласно (1.9). Эксперименты проводились на испытательной установке Instron 5989. Скорость деформирования составляла 30мм/мин (0,5мм/сек). Компьютерное моделирование проводилось в программном комплексе DEFORM-3D.
Для проведения компьютерного моделирования выбран программный комплекс DEFORM-3D от компании SFTC. Данная система является полнофункциональным объектно-ориентированным приложением для Windows. Простой и интуитивно понятный графический интерфейс делает систему доступной и легкой в использовании. Благодаря наличию анимационной системы помощи и подсказки система удобна в изучении. DEFORM-3D является системой конечно-элементного моделирования, которая, предназначена для анализа трехмерного (3D) течения металла при различных процессах обработки металлов давлением, чем принципиально отличается от таких программных пакетов, как Autoform и Pamstamp, позволяющих моделировать только процессы листовой штамповки из плоских заготовок. DEFORM-3D - практичный и эффективный инструмент, позволяющий прогнозировать характер формообразования при операциях обработки металлов давлением без существенных затрат на экспериментальное исследование [100].
Будучи основанным на методе конечный элементов, решатель системы DEFORM-3D способен анализировать течение металла и температурные показатели заготовки и инструмента при деформациях любой величины с очень высокой точностью.
Автоматический генератор сеток DEFORM-3D позволяет построить оптимизированную конечно-элементную сетку, размеры элементов которой в различных частях модели будут различаться в зависимости от специфики анализируемого процесса. Это существенно уменьшает общую размерность задачи и требования к аппаратным средствам. Кроме того, пользователь имеет возможность в "ручном" режиме настраивать плотность сетки, распределение ее элементов по сечению, соотношение размеров конечных элементов и параметры ее автоматического перестроения.
На рисунке 3.1 показано разбиение трехмерной модели заготовки на конечные элементы. Для получения точных и достоверных результатов при разбивке не менее четырех элементов должно укладываться по толщине стенки заготовки.
Как видно из рисунка 3.1, в данной работе моделируется формоизменение 1/8 части заготовки, так как задача является осесимметричной. Это сделано с целью экономии расчетного времени программного процессора за счет уменьшения объема расчетов. Таким образом, исследуемая трехмерная компьютерная модель операции раздачи плоского фланца на трубной заготовке представляет собой угловой сектор с углом 450, «вырезанный» из полноценной трехмерной модели процесса. На рисунке 3.2 показана данная трехмерная модель в среде программного комплекса DEFORM-3D. Материал заготовок моделируется упруго-пластической моделью, рабочие части штампа моделируется как абсолютно жесткие тела. Расчет процесса формоизменения происходит при температуре 200 С.
Выбор инструментария для компьютерного моделирования
На рисунке 3.12 показаны теоретические зависимости параметров напряженного состояния от радиуса тороидальной части пуансона Rp. Видно, что при увеличении R значения меридиональных сжимающих напряжений уменьшаются, что положительно сказывается на устойчивости цилиндрической части заготовки при раздаче. Однако в то же время значения тангенциальных растягивающих напряжений увеличиваются с ростом R что уменьшает ресурс пластичности материала заготовки и коэффициент раздачи, что приводит к более быстрому развитию трещины на кромке раздаваемого фланца. Это явление подробно описано в работах [101, 102, 103]. Анализируя графики, делаем вывод, что наиболее близким к оптимальному радиусу тороидальной части пуансона является значение R = 6 мм, что соответствует значению, рассчитанному по зависимости (1.7) и использованному при проектировании экспериментального штампа и в компьютерной модели.
На рисунке 3.13 показаны графики экспериментальных зависимостей технологической силы раздачи фланца от хода толкателя Рэ = f(s). Номер кривой соответствует номеру заготовки в таблице 3.6. J 4L
Экспериментальные кривые зависимости технологической силы раздачи от хода толкателя: а – для заготовок из сплава АМЦ; б – для заготовок из сплава АМг-5; в – для заготовок из стали 03Х18Н11. На рисунке 3.14 на одной координатной плоскости представлены графики зависимостей P = f(s) для исследованных заготовок, полученные с помощью аналитического расчета, экспериментальных исследований и компьютерного моделирования. Обозначения: Рт0- теоретическая зависимость технологической силы от хода толкателя без учета дополнительных меридиональных напряжений, возникающих в результате изгиба (резкого изменения кривизны) заготовки по тороидальной части пуансона; Рти - теоретическая зависимость технологической силы от хода толкателя с учетом дополнительных меридиональных изгибных напряжений; Рр- теоретическая зависимость от хода толкателя силы распора, действующей на матрицу со стороны кромки раздаваемого фланца в зоне 3; РЭСР-усредненная экспериментальная зависимость P = f(s); Рт комп - зависимость технологической силы раздачи от хода толкателя согласно компьютерному моделированию; Рр комп - зависимость от хода толкателя силы распора, действующей на матрицу со стороны кромки раздаваемого фланца в зоне 3, согласно компьютерному моделированию.
Погрешности теоретической оценки максимальной технологической силы относительно экспериментальных данных (знак минус указывает на превышение теоретического значения над экспериментальным) составляют:
Для сплавов АМЦ и АМг-5 погрешности лежат в пределах допустимых с точки зрения практики 20%, тогда как для стали 03Х18Н11 погрешность превышает допустимую в 1,58 раз. Это различие объясняется тем, что в расчете погрешности фигурирует средняя величина экспериментальной технологической силы, на которую влияет тот факт, что заготовка №6 подверглась значительной осадке цилиндрической части из-за потери устойчивости в конце хода, в результате чего максимальное значение технологической силы для данной заготовки соответствует процессу осадки цилиндрической части заготовки, а на раздаче фланца. При подстановке в формулу для расчета погрешности части, а только лишь раздаче, получаем следующий результат:РТ ( ТЕОР.) = 1 - 337,95 кН = 0 172 = 17,2% Р (ЭКСП.СР ), 408,05 кН - который лежит в пределах допустимых 20%. Таким образом, соотношения и зависимости для анализа силовых режимов, полученные на основе математической модели операции раздачи экспериментального значения максимальной технологической силы для заготовки №5, практически не подвергшейся осадке цилиндрической плоского фланца, представленной в данной работе, можно применять в инженерной практике при разработке технологических процессов.
Таким образом, установлено, что значения технологической силы раздачи, полученные в результате компьютерного моделирования, значительно превышают результаты экспериментальных исследований. Это может объясняться различием между механическими свойствами реальных материалов, использованных в экспериментах, и кривых упрочнения, описывающих механические свойства материалов в программном комплексе DEFORM 3D, так как данная программа содержит базы данных по иностранным материалам, являющимся аналогами отечественных, при этом 100%-ная корреляция между отечественным материалом и аналогом зачастую отсутствует. Отсюда следует вывод, что для получения более точных результатов, соответствующих конкретному реальному материалу, необходимо вводить в базу данных программы DEFORM 3D кривую упрочнения, полученную в ходе испытаний конкретного исследуемого материала. При этом условии компьютерные модели операции раздачи можно применять в инженерной практике при технологической подготовке производства.
Штамп совмещенного действия для обжима трубной заготовки и раздачи фланца
Рабочие детали штампов (матрицы, полуматрицы, пуансоны, толкатели, элементы клиновых механизмов), предназначенных для осуществления описанных выше процессов раздачи, обжима и калибровки трубных заготовок в холодном состоянии, принимают на себя большие нагрузки в процессе работы. Поэтому наиболее предпочтительными материалами для их изготовления являются штамповые легированные стали с высоким содержанием хрома, благодаря чему детали из данных материалов при закалке прокаливаются насквозь, что обеспечивает высокие показатели прочности и стойкости. К таким материалам относятся стали Х12, Х12М, Х12Ф1 [87], а также их заменители, например Х6ВФ, 9Х5Ф, и иностранные аналоги: японские стали SKD11, SKD12 по стандарту JIS; американские D2, D5, А2; немецкие X165CrMoV12, X155CrVMo12-1, и т.п. Закалку формообразующих рабочих деталей из данных материалов необходимо проводить до твердости не менее 58±2 HRC.
Более дешевыми заменителями вышеназванных марок сталей могут служить углеродистые инструментальные стали типа У8, У10, У10А [87]. Однако их не рекомендуется использовать при больших контактных нагрузках, ударных нагрузках, так как они склонны к закалочным трещинам, а также сколам во время работы штампа вследствие высокого содержания углерода, что ограничивает их применимость для изготовления деталей вышеописанных штампов при штамповке высокопрочных материалов.
В процессах раздачи и обжима трение играет отрицательную роль, так как способствует росту сжимающих меридиональных напряжений, ускоряя тем самым потерю устойчивости трубных заготовок. Самым дешевым способом снижения трения при штамповке является добавление технологической смазки. Однако этот способ имеет много недостатков, как то: в процессе деформирования смазка выдавливается из зон с большими контактными давлениями, в результате чего коэффициент трения в пятнах контакта увеличивается, тем самым снижается антифрикционный эффект от смазки; с износом инструмента антифрикционный эффект уменьшается вследствие увеличения шероховатости поверхности; необходимо включать в технологический процесс операции нанесения смазки на заготовку и очистки отштампованного изделия, что увеличивает время цикла; имеет место загрязнение рабочего пространства, ведущее к низкой культуре производства; перед проведением ремонтных или профилактических работ штамп необходимо очищать от следов отработанной смазки, что увеличивает общее время работ.
Таким образом, для значительного снижения сил трения при формообразовании вплоть до полного исключения необходимости добавления технологической смазки, а также обеспечения высокой стойкости деталей штампа, работающих под воздействием больших контактных давлений при штамповке в холодном состоянии, и сокращения времени цикла штамповки рекомендуется применять так называемые диффузионные (пленочные) твердые покрытия рабочих поверхностей деталей.
В настоящий момент на рынке существует много разновидностей данных покрытий, получаемых различными методами и обладающих отличающимися характеристиками. Например, покрытие КИБ (конденсация с ионной бомбардировкой) или PVD (Physical Vapor Deposition) создается в вакууме путем прямой конденсации ионов твердых сплавов в приповерхностном слое материала, может применяться к сталям и чугунам [104]; покрытие CVD (Chemical Vapor Deposition) или Химическое осаждение из паровой фазы получается в результате химических реакций, происходящих в условиях диффузионного насыщения поверхностного слоя реактивами из внешней парогазовой среды.
Однако наиболее предпочтительным для использования в процессах раздачи и обжима является покрытие TD (Thermal Diffusion), также называемое Thermo-Reactive Diffusion (TRD) (см. рисунок 4.15). Применимо только к сталям. Процесс получения данного типа покрытий основан на связывании ионов металла из внешней среды с атомами углерода, содержащимися в поверхностном слое материала детали, и проводится обычно при температурах, близких к температуре аустенизации стали (Т=(950 …1050) 0С). В результате получается слой высокопрочного карбида металла (обычно используются ванадий), имеющий толщину 9…15 мкм, твердость 90 HRC и выше, а также коэффициент трения, равный (0,05…0,07), что сравнимо с коэффициентом трения тефлона [104]. К тому же покрытие TD обладает высокой адгезий к стальной основе, на которую оно нанесено. Это позволяет обеспечить оптимальное течение металла заготовки, во много раз снизить износ и деформации рабочих деталей в условиях работы с высокими контактными напряжениями, продлевая срок службы инструмента. Особенно полезным данное покрытие является при штамповке деталей из алюминиевых сплавов, так как они обладают высокой адгезией к стали, что негативно влияет на процессы формоизменения и извлечения готовых изделий из полости инструмента, приводя к деформациям и задирам на поверхности изделия.