Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и постановка задач работы 17
1.1. Существующие исследования процесса осадки на молотах 17
1.2. Существующие рекомендации по определению энергосиловых
параметров и массы падающих частей ковочных молотов . 35
1.3. Существующие исследования процесса удара 47
1.3.1. Методы исследования процесса удара . 47
1.3.2. Существующие исследования процесса удара на молотах 72
1.4. Влияние скорости деформации на процессы обработки металлов
давлением 79
1.5. Конструкции и основные направления совершенствования ковочных и
штамповочных молотов 91
1.6. Выводы по главе и постановка задач работы 106
Глава 2. Экспериментально - теоретические исследования процесса ударного деформирования при осадке на молоте (КОПРЕ) 110
2.1. Методика проведения экспериментальных исследований 110
2.1.1. Оборудование, оснастка и приборы для экспериментальных исследований 110
2.1.2. Материалы для экспериментальных исследований 118
2.1.3. Размеры заготовок для экспериментальных исследований 119
2.1.4. Методика построения диаграмм деформирования свинца 120
2.1.5. Кинематические условия проведения экспериментальных
исследований 128
2.1.6. Определение скорости бабы молота (копра) при ударе . 130
2.1.7. Определение продолжительности удара и деформации заготовок 131
2.2. Исследование процесса ударного деформирования при осадке стандартной бабой молота (копра) и бабой молота (копра) с наполнителем 2.2.1. Параметры экспериментов . 133
2.2.2. Исследование особенностей формоизменения заготовок при осадке . 136
2.2.3. Определение параметров процесса ударного деформирования 142
2.2.4. Зависимость относительной деформации заготовок от времени . 183
2.2.5. Определение сил деформирования и работы деформации при осадке 185
2.3. Исследование процесса ударного деформирования при осадке
стандартными бабами молота (копра) с различными массами 206
2.3.1. Параметры экспериментов 206
2.3.2. Особенности формоизменения при осадке стандартными бабами молота (копра) с различными массами 209
2.3.3. Определение параметров процесса ударного деформирования при осадке стандартными бабами молота (копра) с различными массами 209
2.3.4. Зависимость относительной деформации заготовок от времени при осадке стандартными бабами молота (копра) с различными массами 218
2.3.5. Силы деформирования и работа деформации при осадке
стандартными бабами молота (копра) с различными массами 219
2.4. Исследование процесса горячего деформирования стальных заготовок при осадке на молоте (копре) 224
2.5. Выводы по главе 230
Глава 3. Построение математических моделей процесса ударного деформирования заготовок при осадке на молотах 233
3.1. Построение регрессионного уравнения, описывающего процесс ударного деформирования заготовок при осадке бабой молота с наполнителем 233
3.2. Построение регрессионного уравнения, описывающего процесс ударного деформирования при осадке стандартными бабами молота с различными массами .
3.3. Компьютерное моделирование процесса ударного деформирования при осадке на молотах 245
3.3.1. Расчетные схемы и основные параметры 245
3.3.2. Методика проведения моделирования 247
3.3.3. Результаты моделирования процесса ударного деформирования 254
3.4. Выводы по главе 259
Глава 4. Разработка рекомендаций по определению работы деформации и массы падающих частей ковочных молотов при деформировании бабой молота с наполнителем 261
4.1. Определение работы деформации при осадке на ковочных молотах 261
4.2. Определение массы падающих частей ковочных молотов при осадке 269
4.3. Определение основных параметров бабы ковочного молота с наполнителем 272
4.4. Выбор ковочного молота 275
4.5. Предложения по модернизации ковочного паровоздушного молота двойного действия мостового типа модели М1545 280
4.6. Выводы по главе . 282
Основные результаты и выводы 284
Список используемых источников
- Существующие исследования процесса удара
- Оборудование, оснастка и приборы для экспериментальных исследований
- Построение регрессионного уравнения, описывающего процесс ударного деформирования при осадке стандартными бабами молота с различными массами
- Определение основных параметров бабы ковочного молота с наполнителем
Введение к работе
Актуальность темы. Прогресс в машиностроении зависит от разработки и внедрения технологических процессов и оборудования, использование которых позволяет повысить качество изготавливаемых изделий, увеличить производительность и обеспечить ресурсо- и энергосбережение. Это является актуальной задачей для современного заготовительного производства, в котором одними из основных способов получения заготовок (поковок) деталей различных форм и размеров являются ковка и горячая объемная штамповка.
Применение ковки и горячей объемной штамповки обеспечивает получение стабильного качества поковок, обладающих требуемыми механическими свойствами. Поэтому наиболее ответственные детали машин делают из кованых или штампованных поковок (поковки турбинных дисков, коленчатых валов судовых двигателей и дизелей, вагонных осей, шестерней, маховиков, дисков и др.). По данным ассоциации «EUROFORGE» в настоящее время в мире более 40% всех изготавливаемых поковок получают на ковочных и штамповочных молотах.
Главными преимуществами ковки на молотах являются кратковременность процесса деформирования (не более 0,01с), обеспечивающая минимальное остывание поверхности нагретой заготовки; возможность получения при ковке крупных поковок; необходимость сравнительно небольших сил деформирования при ковке относительно крупных по массе и сложных по конфигурации поковок, и, вследствие этого, возможность использования оборудования относительно небольшой мощности; применение при ковке универсальных машин и универсального инструмента, что снижает затраты на оборудование и инструмент в условиях единичного и мелкосерийного производства.
Эффективность ударного деформирования при ковке на молотах определяют коэффициентом полезного действия (КПД) удара, который равен отношению работы пластической деформации Адеф заготовки к энергии падающих частей молота L. Основным недостатком ковки на молотах является низкий КПД удара вследствие возникновения при ударе больших сил и, вследствие этого, потерь энергии на упругую деформацию поковки и деталей молота, трение и колебания шабота и фундамента.
Ударное деформирование заготовки на молоте происходит за счет энергии падающих частей молота. Вследствие импульсного характера нагрузки в деформируемой заготовке возникают упругие и пластические волны деформации, приводящие к упругой и пластической деформации заготовки. При увеличении продолжительности удара (продолжительности взаимодействия инструмента и заготовки) увеличивается количество и продолжительность прямого и обратного прохождений волн упругой и пластической деформации по заготовке, что увеличивает продолжительность и величину пластической деформации заготовки. При увеличении продолжительности удара будет совершена большая работа пластической деформации Адеф, что увеличит КПД удара, при этом уменьшится средняя скорость деформации, а ударное деформирование заготовки может проходить при более благоприятных условиях (небольшие значения сопротивления деформированию и повышен-1
ная пластичность), что также может увеличить КПД удара. Повышение КПД удара позволит повысить КПД и производительность работы молота, снизить расход энергии и затраты на производство.
Кроме этого, увеличение продолжительности удара и величины деформации заготовки на каждом ударе при осадке на молоте приведет к сокращению общего количества ударов молота для получения поковки заданных размеров, что, в свою очередь, снизит интенсивность охлаждения поковки за весь технологический процесс ковки и штамповки.
Выполнение многих технологических операций в машиностроении, металлургии, горном деле, строительстве, производстве строительных материалов и других отраслях народного хозяйства связано с применением ударной нагрузки и машин ударного действия (горные и сваебойные машины, дизель – молоты, отбойные молотки и др.), используемых для разрушения и дробления горных пород и искусственных материалов, забивки свай, разрушения сооружений, рыхления и разрушение грунтов и др. Совершенствование таких машин также связано с проблемой повышения эффективности использования энергии, запасенной ударной массой перед соударением, обеспечением необходимых режимов работы и энергосбережением.
В связи с этим исследования процесса ударного деформирования при осадке на ковочных молотах, изучение особенностей формоизменения, деформированного состояния и энергосиловых параметров в зависимости от продолжительности удара, скорости движения и энергии падающих частей молота являются актуальными. Такие исследования позволят провести математическое описание процесса ударного деформирования и разработать практические рекомендации по определению работы деформации и массы падающих частей молота, а также проектированию технологических процессов ковки на молотах для повышения эффективности использования ковочных молотов и других машин ударного действия различного технологического назначения.
Цель работы: повышение эффективности ударного деформирования при осадке на ковочных молотах за счет ограниченного увеличения продолжительности взаимодействия инструмента с заготовкой, позволяющее получать поковки с требуемыми механическими свойствами, повысить КПД и производительность молота, снизить расход энергии и затраты на производство.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи исследований:
1. Проведение анализа современного состояния процессов ударного
деформирования на ковочных молотах.
2. Разработка методики экспериментально-теоретических исследований
процесса ударного деформирования при осадке заготовок на ковочном моло
те (копре) в условиях целенаправленного ограниченного увеличения про
должительности взаимодействия инструмента с заготовкой путем использо
вания сконструированных устройств.
3. Исследование особенностей формоизменения, деформированного
состояния и энергосиловых параметров осадки заготовок на ковочном молоте
(копре) в условиях целенаправленного ограниченного увеличения продолжительности взаимодействия инструмента с заготовкой.
-
Разработка математических моделей процесса ударного деформирования заготовок при осадке на ковочных молотах.
-
Определение основных параметров сконструированных устройств, обеспечивающих повышение эффективности ударного деформирования на ковочных молотах.
-
Разработка рекомендаций по проектированию технологических процессов ковки на молотах и определению работы деформации и массы падающих частей ковочного молота при деформировании бабой молота с наполнителем.
Методы исследования. Теоретические исследования деформационных, кинематических и энергосиловых параметров процесса ударного деформирования заготовок при осадке на ковочном молоте (копре) выполнены с использованием существующих положений теории обработки металлов давлением и теории удара, численного расчета и компьютерного моделирования процесса ударного взаимодействия заготовки с инструментом.
Экспериментальные исследования выполнены с использованием современных испытательных машин (вертикальный копер, газодинамическая копровая установка вертикального типа, универсальная испытательная машина МИУ-500.1К), системы высокоскоростной видеосъемки FASTVIDEO-250 и программного обеспечения FASTVIDEO LAB, автоматизированного измерительного комплекса NI 5102, высокоскоростных осциллографов, высокопроизводительных компьютеров и микропроцессорной техники. Обработку опытных данных проводили с помощью методов математической статистики и теории планирования эксперимента.
Автор защищает:
-
Результаты экспериментально-теоретических исследований процесса ударного деформирования при осадке заготовок на ковочном молоте (копре), показывающие особенности формоизменения, деформированное состояние и энергосиловые параметры процесса осадки в условиях целенаправленного ограниченного увеличения продолжительности взаимодействия инструмента с заготовкой.
-
Результаты исследований процесса ударного деформирования при осадке заготовок с использованием бабы молота (копра) с наполнителем, позволяющей увеличить продолжительность нагрузочной фазы удара.
-
Методику конструкторско-технологического расчета основных параметров бабы молота с наполнителем, применение которой увеличивает КПД удара при деформировании на ковочных молотах по сравнению со стандартной бабой молота.
-
Научно обоснованные рекомендации по проектированию технологических процессов ковки на молотах, позволяющие определить работу деформации и массу падающих частей ковочного молота при осадке заготовок с использованием бабы молота с наполнителем.
Научная новизна работы заключается:
- в обосновании взаимосвязи эффективности процесса ударного деформирования при осадке на ковочном молоте (копре) и продолжительности
взаимодействия инструмента с заготовкой, заключающейся в повышении КПД ударного деформирования при осадке на ковочном молоте (копре) путем увеличения продолжительности удара при удержании падающих частей молота в нижней точке при использовании бабы молота с наполнителем;
в математических моделях процесса ударного деформирования заготовок при осадке на ковочных молотах, позволяющих установить зависимости относительной пластической деформации заготовки и энергосиловых параметров осадки от параметров бабы молота с наполнителем, отношения массы заготовки к массе падающих частей молота и энергии удара;
в соотношениях для определения работы деформации и массы падающих частей ковочного молота при осадке заготовок с использованием бабы молота с наполнителем.
Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием фундаментальных положений современной теории обработки металлов давлением и теории удара, теоретических и эмпирических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задач, применением современных методов планирования эксперимента и математической статистики, использованием уникальной экспериментальной ударной установки, оснащенной сертифицированной системой высокоскоростной видеосъемки и современных сертифицированных испытательных машин и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических и экспериментальных исследований, полученных автором.
Научная значимость. Научная значимость работы состоит в повышении эффективности процесса ударного деформирования при осадке на ковочных молотах за счет увеличения продолжительности взаимодействия инструмента с заготовкой при использовании бабы молота с наполнителем. Построенные математические модели процесса ударного деформирования на ковочных молотах и соотношения для определения работы деформации и массы падающих частей ковочного молота с использованием бабы молота с наполнителем позволяют расширить возможности и подходы к анализу процессов ударного деформирования.
Практическая ценность работы заключается:
в создании на основе результатов экспериментально-теоретических исследований процесса ударного деформирования при осадке заготовок на ковочном молоте (копре) новых конструкций бабы молота и устройств для увеличения продолжительности взаимодействия инструмента и заготовки, обеспечивающих повышение эффективности ударного деформирования на молотах;
в рекомендациях по проектированию технологических процессов ковки на молотах, обеспечивающих получение поковок с требуемыми механическими свойствами, повышение КПД и производительности молота, снижение расхода энергии и затрат на производство;
в программе расчета процесса удара в зернистых средах для проектирования технологических процессов ковки на молотах и расчета оптимальных параметров бабы молота с наполнителем.
Реализация работы. Разработанные рекомендации по модернизации ковочного паровоздушного молота двойного действия мостового типа моде-4
ли М1545 с массой падающих частей 3150 кг приняты к использованию в кузнечном цехе ремонтно-инструментального завода ОАО «КамАЗ», а также планируются к внедрению на ОАО «ТЯЖПРЕССМАШ».
Разработанные конструкции устройств, методики и программы расчета, рекомендации по проектированию технологических процессов ковки на молотах, обеспечивающие увеличение КПД удара (до 1,15 раз), целесообразно использовать на предприятиях различных отраслей промышленности: станкостроительной, автомобильной, авиационной, горной, строительной и др. (ОАО «ТЯЖПРЕССМАШ», Рязань; ОАО «КамАЗ», Набережные Челны, ОАО «ГАЗ», Нижний Новгород, ОАО «Муромтепловоз», Муром и др.).
Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре «Машины и технология обработки металлов давлением» ФГБОУ ВПО Московский государственный индустриальный университет при выполнении курсовых и дипломных проектов, а также в научно-исследовательской работе студентов и аспирантов.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на 77-ой международной конференции «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров» (г. Москва: МГМУ «МАМИ», г. Москва, 2012 г.); IV-ой международной научно-технической конференции «Наукоёмкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении» (г. Рыбинск: РГАТУ им. П.А. Соловьева, 2012 г.); ХI - ом Конгрессе «Кузнец-2012» «Перспективы инновационного и конкурентоспособного развития куз-нечно-прессового машиностроения и кузнечно-штамповочных производств» (г. Рязань: ОАО «Тяжпрессмаш», 2012г.); международной научно-технической конференции «Динамика, надежность и долговечность механических и биомеханических систем» (г. Севастополь, Украина: СевНТУ, 2012г. и 2013г.), V международной научно-технической конференции «Машиностроение - основа технологического развития России» (г. Курск: ЮЗГУ, 2013 г.), на научных семинарах кафедры «Машины и технология обработки металлов давлением» ФГБОУ ВПО «МГИУ»; кафедры «Технологии обработки металлов давлением» МГТУ им. Н.Э. Баумана; кафедры «Машины и технология обработки металлов давлением» МГМУ «МАМИ», кафедры «Обработка материалов давлением» РГАТУ им. П.А. Соловьева, лаборатории пластической деформации металлических материалов ИМЕТ РАН, кафедры «Системы пластического деформирования» МГТУ «СТАНКИН».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 работ, в том числе: 1 монография, 17 статей в рецензируемых изданиях и сборниках, входящих в «Перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук»; 17 статей в различных сборниках научно-технических трудов; 5 патентов на изобретения и полезные модели. Общий объем – 20 печ. л., авторский вклад – 14,5 печ. л.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и основных выводов по работе, списка используемых источников из 292 наименований, приложения и включает 312 страниц основного текста, содержит 118 рисунков и 45 таблиц. Общий объем работы – 335 страниц.
Существующие исследования процесса удара
Удар - это совокупность явлений, возникающих при столкновении движущихся твердых тел, а также при взаимодействии твердых тел с жидкостью или газом 108, 109]. При ударе возникают мгновенные силы, действующие на ударяющиеся тела и изменяющие их скорости в течение малого промежутка времени (менее 0,01 с). Момент встречи тел, движущихся с различными скоростями - начало удара, момент прекращения взаимодействия - конец удара. Интервал между этими моментами продолжительность удара tу . При ударном нагружении величина ударной силы F может достигать больших значений. Для оценки механического взаимодействия тел при ударе, кроме величины г , используют также интегральную величину - ударный импульс:
Использование понятия ударного импульса позволяет дать иное определение удара. Удар - это совокупность явлений, связанных с резкими изменениями скоростей тел механической системы и происходящими за столь малый промежуток времени tу , что по сравнению с ударным импульсом можно пренебречь импульсами всех других сил, действующих на тела системы [110]. Параметры, характеризующие ударный процесс (продолжительность удара, контактная сила и др.) зависят от скоростей тел перед ударом, их геометрических размеров и формы, физико-механических свойств материалов и др. Действие ударных сил приводит к резкому изменению скоростей тел, появлению упругих и пластических деформаций, изменению механических свойств материалов, а при достижении критических скоростей удара - к разрушению тел и конструкций.
Удар может быть центральным и нецентральным [108 - 110]. При центральном ударе центры масс соударяющихся тел лежат на линии удара -общей нормали к поверхности соударяющихся тел в точке их соприкосновения. При этом центральный удар называют прямым, если скорости центров масс соударяющихся тел в начале удара направлены по линии удара. При прямом центральном ударе двух тел массами п\ и УП2 , движущимися со скоростями 1 и v02 соответственно в начале соударения процесс удара разделяют на две фазы - нагрузочную (фаза деформации) продолжительностью t1 и разгрузочную (фаза восстановления) продолжительностью t2 . В течение первой фазы происходит монотонное нарастание ударных сил, при этом кинетическая энергия переходит в энергию деформирования сталкивающихся тел в точках их контакта. В конце первой фазы удара оба тела имеют скорость совместного движения vx .
Затем начинается вторая фаза процесса с монотонным спадом ударных сил до прекращения контакта тел. Размеры и форма тел восстанавливаются, и в конце второй фазы тела имеют скорости ь 1 и vk2 соответственно. Полную продолжительность удара tу определяют по формуле[108 -110]: tу=1+2. (1.36) Условие постоянства количества движения имеет вид: щи01 + т2и02 = (т1 + т2 )их = щ1к1 + т2ик2 . (1.37) Нормальные нагрузочный и разгрузочный импульсы, действующие на любую из масс, соответствуют изменению количества движения:
При идеально упругом ударе (без учета каких-либо потерь) нагрузочный и разгрузочный импульсы равны, и дополнительным уравнением для определения скоростей соударяющихся тел является условие сохранения кинетической энергии:
Сложность и трудоемкость определения основных параметров удара: продолжительности, контактных сил и вызванных ими напряжений и деформаций, а также отсутствие достаточных данных о механических свойствах материалов в условиях ударного нагружения привело к появлению и развитию различных методов исследования процессов соударения тел, имеющие в основе различные упрощающие предположения и гипотезы.
Теория соударения твердых тел (теория динамических контактных взаимодействий) получила в настоящее время широкое развитие. Для исследования и решения вопросов теории удара применяют приближенные методы решения и исследования, основанные на применении классической, деформационной (контактной) и волновой теорий.
1. Классическая теория соударения твердых тел (метод Ньютона). Рассматривает соударяющиеся тела как абсолютно твердые, а процесс соударения - как мгновенный. Использует основные формулы, правила и методы решения задач теоретической механики [108 - 110].
Для решения задач удара Ньютон предложил учитывать деформацию тел в точке соударения с помощью эмпирической величины - коэффициента восстановления, который характеризует рассеивание энергии тел при ударе из-за возникновения упругой и пластической деформации и равный отношению скоростей до и после удара:
Оборудование, оснастка и приборы для экспериментальных исследований
Если температура обработки незначительно выше температуры рекристаллизации, в процессе деформации металл почти не разупрочняется. При повышении температуры скорость рекристаллизации увеличивается, и рекристаллизация и разупрочнение проходят полнее. Таким образом, с повышением температуры сопротивление деформированию снижается.
При высоких скоростях деформации скорость рекристаллизации часто оказывается ниже скорости деформации. В этом случае даже при высоких температурах разупрочнение не успевает произойти и металл упрочняется. Поэтому с уменьшением скорости деформации снижается сопротивление деформированию. Это подтверждается опытами Геннеке [219] по осадке углеродистых сталей на молоте и прессе. Показано, что при осадке на молоте в диапазоне ковочных температур стали сопротивление деформированию возрастает почти в 4 раза при температуре 1150С и в 2,5 раза при 850С по сравнению с осадкой на прессе.
В работе [220] Ф.Ф. Витман и Н.А. Златин указывают на увеличение сопротивления деформированию и твердости стали с содержанием углерода, меди, алюминия и свинца 0,2%. Получена зависимость, согласно которой твердость образцов прямо пропорциональна скорости деформации. Коэффициент пропорциональности для стали составил 0,03, для меди 0,018, для алюминия 0,02. Для свинца график зависимости состоит из двух прямолинейных участков с коэффициентами 0,1 и 0,025. Такое двойственное поведение свинца связано с рекристаллизационными процессами, проходящими при определенных скоростях деформации, но не успевающими пройти при больших скоростях. Данные, полученные при испытании некоторых сталей на высокоскоростном копре [221] показывают, что ударная вязкость сначала возрастает с увеличением скорости удара, а при скоростях 100…150 м/с начинает падать. Исследования по деформированию магниевого сплава ковкой при температуре 225С при двух различных скоростях деформации, проведенные в [222], показали, что общая деформация образцов увеличивается при уменьшении скорости деформации. При этом разупрочнение сплава при ковке с меньшей скоростью деформации происходило полнее. При большей скорости деформации вследствие упрочнения значительно возрастал предел текучести.
При изучении пластичности сталей в зависимости от скорости деформации в работе [223] было установлено, что стали с низким содержанием углерода и небольшим содержанием легирующих элементов, обладающие при комнатной и высоких температурах высокой ударной вязкостью и небольшой прочностью, хорошо поддаются ковке на молоте и на прессе.
В работе [224] было проведено исследование механических свойств чистого титана и титанового сплава при ударном нагружении при скоростях деформации более 104 с-1. Установлено аномальное снижение динамического предела текучести образцов, которые были предварительно статически деформированы, после ударного нагружения. Авторы объясняют это проявлением эффекта Баушингера, согласно которому определенная часть пластической деформации является обратимой и не влияет на деформационное упрочнение.
Исследования поведения алюминиевых сплавов при ковке, представленные в работе [225], показали, что их пластичность при высоких скоростях обработки давлением в значительной степени определяется напряженным состоянием. Результаты исследований механических свойств мягкой стали при ее деформировании при скоростях деформации от 10-6 до 103 с-1 [226] показали, что с увеличением скорости деформации предел прочности и предел текучести возрастают почти в 4 раза, при увеличении скорости деформации от 10-6 до 10-3,5 с-1 общее удлинение увеличивается примерно в 2 раза, а затем остается постоянным. Для алюминиевых сплавов повышение скорости нагружения до 4,5 с-1 при температуре 20С увеличивает сопротивление деформированию примерно на 16% [226].
В работе [227] показано, что с ростом скорости деформации предельное сужение и удлинение образцов сначала уменьшается, а затем резко возрастает. Сопротивление деформированию сталей 10, 30 и 40 при этом увеличивается, а скоростной коэффициент уменьшается с возрастанием углерода в стали. Экспериментальное исследования сталей 3ХВ8Ф, В2Ф, Р12, Р6М3, Х12М и стали45 в интервале скоростей деформации 10-3 до 102с-1, представленные в работе [228] показали, что с увеличением скорости деформации растет сопротивление деформированию для всех рассматриваемых материалов.
Построение регрессионного уравнения, описывающего процесс ударного деформирования при осадке стандартными бабами молота с различными массами
Пакет прикладных программ «Динамика-2» [202] основан на гипотезах и уравнениях механики и динамики сплошной среды и является вычислительным средством для решения двумерных плоских и осесимметричных задач нестационарного упругопластического деформирования тел, состоящих из оболочечных и массивных элементов, при контактном взаимодействии и соударении с заполняющими и окружающими сжимаемыми средами с учетом значительных формоизменений контактирующих поверхностей.
Уравнение движения сплошной среды в цилиндрической системе координат г, Д z (Oz - ось вращения) следует из уравнения баланса виртуальных мощностей в форме Журдена: Уравнение (3.23) дополняют соответствующими начальными и кинематическими граничными условиями. Кинематические соотношения формулируют в скоростях в метрике текущего состояния, что позволяет учитывать большие формоизменения и деформации. Условия на поверхностях контакта оболочек и сред с различными физико-механическими свойствами учитывают отрыв, проскальзывание и прилипание на основе комбинаций условий непроникания (или прилипания) на тех участках поверхностей, которые в данный момент находятся в контакте, и условий на свободных границах на остальных участках. Критерием перехода от условий непроникания к условию на свободной границе (отрыв) служит неравенство q qu, где q - контактное давление, qu -некоторая константа, характеризующая прочность на отрыв. Критерием вступления в контакт является геометрическое пересечение свободных поверхностей. Численная реализация контактных условий основана на выделении и сопровождении в процессе расчетов контактных и свободных поверхностей.
В вариационном уравнении движения компоненты контактной силы qa [а = г, z) заранее неизвестны и их определяют в процессе решения задачи. Для простоты полагают, что контактное взаимодействие только между отдельными конструктивными элементами, которые занимают в меридиональном сечении или на плоскости rOz односвязные подобласти Q.
Силу по нормали к поверхности контакта определяют из условия непроникания без учета и с учетом трения. Для модели контакта с трением касательная сила на первом этапе - из условия жесткой склейки, а в случае превышения силы трения покоя - в соответствии с законом Кулона.
Для обеспечения условий трения, соответствующих горячему деформированию, коэффициент трения в зоне контакта ударника и заготовки при компьютерном моделировании принимали равным 0,35…0,4.
Связь контактирующих подобластей предполагают односторонней, т.е. возможен отрыв поверхностей друг от друга и повторное вступление в контакт. напряженно-деформированное состояние заготовки является однородным вследствие малости размеров.
Для описания упругопластических свойств материалов применяют теорию пластического течения с нелинейным изотропным упрочнением.
Связь между компонентами девиатора скоростей напряжений и упругими составляющими компонент девиатора скоростей деформаций осуществляют на основе обобщенного закона Гука в метрике текущего состояния. Поворот частицы среды как жесткого целого описывают производной Яуманна.
Скорости пластических составляющих деформации определяют с помощью ассоциированного закона течения: где = 2/3) TJ(Єij )y(Sij )ndt - параметр Одквиста, Л неотрицательный скалярный множитель; сг (j - зависимость интенсивности напряжений от параметра Одквиста (истинная диаграмма деформирования материала).
Параметр Я равен 0 при упругом деформировании, при пластическом деформировании его определяют из условия прохождения мгновенной поверхности текучести через конец вектора догрузки. Для процессов активного нагружения достаточно учитывать только нелинейное изотропное упрочнение, для которого не требуются данные по эффекту Баушингера. В этом случае для описания свойств материала задают только истинную диаграмму деформирования материала.
Для описания поведения свинца при пластической деформации были использованы динамические диаграммы деформирования (рисунок 2.9).
Полная система уравнений при заданных начальных и граничных условиях решается по явной конечно-разностной схеме интегрирования по времени типа «крест».
Пространственные производные аппроксимируют в предположении линейного изменения вдоль каждой из сторон четырехугольной элементарной ячейки. Перемещения и скорости перемещений определяют в узлах разностной сетки, а тензоры напряжений и скоростей деформаций - в центрах ячеек по соотношениям: At - шаг по времени относительно минимального размера ячейки (выбирают близким к числу Куранта, равного единице).
Для устранения искажений разностной сетки скорости деформации и напряжения аппроксимируют внутри четырехугольных ячеек
Программа расчета процесса удара в зернистых средах, разработанная для проведения моделирования процесса осадки заготовок на молоте при использовании бабы молота с наполнителем, является дополнительным модулем пакета прикладных программ «Динамика-2».
При этом контактное взаимодействие между соседними шариками, помещаемыми в бабу молота с наполнителем, предложено рассчитывать по методу исследования нестационарных нелинейных импульсов сжатия в одномерных зернистых средах, предложенного В.Ф. Нестеренко 195], согласно которого силу сжатия соседних шариков F рассчитывают по формуле:
Определение основных параметров бабы ковочного молота с наполнителем
Проведенные экспериментальные и теоретические исследования позволили получить следующие основные результаты и сделать выводы:
1. На основе проведенного анализа современного состояния процессов ударного деформирования на ковочных молотах установлено, что основным недостатком ковки на молотах является низкий КПД удара. При этом большинство известных решений задач упругопластического ударного взаимодействия тел и основанные на них методики проектирования технологических процессов ковки на молотах не учитывают закономерности упругопластического удара, механические свойства заготовки при данных температурно-скоростных условиях и волновые процессы, происходящие в заготовке при ударном деформировании. Установлено, что перспективным направлением повышения эффективности процесса ударного деформирования на ковочных молотах является увеличение продолжительности взаимодействия инструмента с заготовкой, позволяющее повысить КПД и производительность молота, снизить расход энергии и затраты на производство.
2. Разработана методика экспериментально-теоретических исследований процесса ударного деформирования при осадке заготовок на ковочном молоте (копре) в условиях целенаправленного увеличения продолжительности взаимодействия инструмента с заготовкой при использовании предложенной конструкции бабы молота (копра) с наполнителем в виде стальных шариков.
3. Проведенные на основе разработанной методики исследования особенностей формоизменения, деформированного состояния и 285 энергосиловых параметров осадки заготовок на ковочном молоте (копре) в условиях целенаправленного увеличения продолжительности взаимодействия инструмента с заготовкой позволили:
- установить, что применение бабы молота (копра) с наполнителем в виде стальных шариков для осадки заготовок приводит к увеличению продолжительности нагрузочной фазы удара (до 3 раз), увеличению интенсивности формоизменения и степени деформации заготовок (от 1,1 до 1,2 раза), снижению силы деформирования (до 1,4 раза) и увеличению работы пластической деформации и КПД удара (до 1,15 раза) по сравнению с осадкой стандартной бабой, причем наибольшее влияние имело место при использовании бабы молота с наполнителем при диаметре шариков 0,012 м и отношении массы шариков к общей массе бабы 0,15;
- установить, что уменьшение отношения массы заготовки к массе бабы молота (копра) от 0,026 до 0,017 приводит к увеличению продолжительности нагрузочной фазы удара (до 1,3 раза), увеличению интенсивности формоизменения и степени деформации заготовок (в 1,1…1,3 раза), снижению сил деформирования (в 1,8…2,2 раза) и увеличению работы пластической деформации и КПД удара (до 1,13 раза).
Построенные на основе разработанной методики динамические диаграммы деформирования свинцовых заготовок при скоростях деформации 153,3; 288,8 и 533,9 с-1, соответствующих условиям горячего деформирования на ковочных молотах с массой падающих частей от 1 до 5 т и со скоростями удара до 12 м/с, можно использовать для анализа напряженного состояния и определения сил деформирования при динамическом нагружении.
4. Разработаны математические модели процесса ударного деформирования заготовок при осадке на ковочных молотах в виде уравнений регрессии, описывающих зависимости относительной пластической деформации заготовок от параметров бабы молота с 286 наполнителем и от отношения массы заготовки к массе бабы молота. Анализ полученных уравнений регрессии позволил определить наиболее целесообразные значения: отношения массы одного шарика к массе бабы молота с наполнителем (28010-6), отношения массы всех шариков к массе бабы (0,17), а также отношения массы заготовки и массы бабы молота, равного или меньшего (0,02), при которых возможно получение наибольшей относительной деформации заготовок при заданной энергии ковочного молота и которые можно использовать при разработке технологических процессов ковки на молотах.
Проведенное компьютерное моделирование процесса ударного деформирования заготовок при осадке на ковочных молотах в пакете прикладных программ «Динамика-2» и разработанной программе расчета процесса удара в зернистых средах согласно расчетных схем позволило:
- установить, что при осадке заготовок пустотелым стержнем с шариками диаметром 0,012 м происходит увеличение продолжительности нагрузочной фазы удара (до 1,5 раза) и относительной деформации заготовок (до 1,2 раза), снижение силы деформирования (до 1,2 раза) и увеличение работы пластической деформации (до 1,15 раза) по сравнению с осадкой сплошным стержнем;
- показать возможность использования разработанной программы расчета процесса удара в зернистых средах при проектировании технологических процессов ковки на молотах для определения наиболее целесообразных параметров бабы молота с наполнителем.
5. Разработана методика расчета основных параметров бабы ковочного молота с наполнителем в виде стальных шариков, применение которой обеспечивает повышение эффективности ударного деформирования на ковочных молотах.
