Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние решаемой проблемы 14
1.1 Способы изготовления выдавливанием полых деталей с коническим придонным участком 14
1.2 Комбинированное выдавливание. Разнотолщинность стенок изделия и самоцентрирование пуансона при штамповке поковок типа «стакан»
1.3 Анализ существующих теоретических методов решения задачи комбинированного выдавливания 27
1.4 Конструкции специализированных прессов для выдавливания 33
1.5 Выводы по главе 1 38
Глава 2. Методика проведения исследований 40
2.1 Предлагаемая схема выдавливания и ее качественное
обоснование 40
2.1.1 Комбинированное выдавливание стакана с наружным стержнем 41
2.1.2 Закрытая прошивка, совмещенная с раздачей трубной части заготовки
2.2 Методика проведения и анализа физического и компьютерного экспериментов 52
2.3 Методика экспериментального построения кривой напряжения – деформации 54
2.4 Методика экспериментального определения численного значения коэффициента трения 56
2.5 Планирование факторного эксперимента и расчет коэффициентов математической модели 58
2.6 Проверка статистической значимости коэффициентов модели при равномерном дублировании некоторого числа опытов 62
2.7 Оборудование, оснастка, программные продукты, основные и вспомогательные материалы для проведения физических экспериментов -
3 2.8 Выводы по главе 2 68
Глава 3. Комплексное исследование разработанной и предложенной ранее схем деформирования 70
3.1 Построение кривой напряжения-деформации по результатам физического эксперимента 70
3.2 Экспериментальное определение численного значения коэффициента трения по напряжению текучести 73
3.3 Верификация силовых показателей процесса осадки, полученных по результатам компьютерного моделирования . 81
3.4 Постановка физического эксперимента 82
3.5 Постановка компьютерного эксперимента 86
3.6 Исследование кинематики течения материала на стадии комбинированного выдавливания 88
3.7 Исследование схем выдавливания при помощи компьютерного моделирования в программе DeFORM 3D 90
3.8 Результаты физических экспериментов по выдавливанию 95
3.9 Построение математических моделей, анализ и обсуждение полученных результатов 100
3.10 Выводы и итоги по главе 3 121
Глава 4. Разработка методики проектирования технологического процесса штамповки поковки типа «стакан» 124
4.1 Маршрутная карта изготовления крупногабаритной поковки типа «стакан» 124
4.2 Методика проектирования технологического процесса штамповки крупногабаритных поковок типа «стакан» 125
4.3 Выводы по главе 4 129
Глава 5. Разработка конструкции специализированного трехпозиционного гидравлического пресса тройного действия для производства поковок типа стаканов 130
5.1 Назначение специализированного гидравлического пресса 130
5.2 Технические характеристики специализированного гидравлического пресса 131
5.3 Конструкция специализированного пресса 133
5.4 Описание работы специализированного гидравлического пресса 137
5.5 Выводы по 5 главе 140
Заключение 140
Условные обозначения 144
- Анализ существующих теоретических методов решения задачи комбинированного выдавливания
- Методика проведения и анализа физического и компьютерного экспериментов
- Верификация силовых показателей процесса осадки, полученных по результатам компьютерного моделирования
- Технические характеристики специализированного гидравлического пресса
Введение к работе
Актуальность работы. В условиях современной рыночной экономики машиностроительное производство должно быть эффективным. Наибольшее улучшение показателей эффективности возможно при совместном рассмотрении технологического процесса и производственного оборудования. Важными критериями эффективности являются:
качество продукции;
рентабельность;
материалоемкость на единицу продукции;
энергоемкость на единицу продукции.
Применение прогрессивных методов изготовления деталей на основе объемной штамповки позволяет получить поковку с минимальными припусками на обработку резанием, при допустимых силах на инструменте, и как следствие, высокой стойкости штамповой оснастки.
Из поковок типа «стакан» изготавливают такие ответственные детали, как замки для бурильных труб, втулки, муфты, переводники для нефтяной и газовой промышленности, а также корпуса снарядов, баллоны и другие детали. Для получения поковок применяют, в основном, выдавливание.
Для снижения величины удельной силы на инструменте в процессе деформирования в настоящее время применяют различные смазки, оптимальные формы инструмента, различные способы обработки поверхности, которые снижают величины контактных сил трения.
К технологическим методам снижения силы деформирования относят, например, выдавливание с активно направленными силами контактного трения. При таком выдавливании матрицу перемещают в направлении течения материала заготовки в стенку стакана со скоростью, превышающей скорость этого течения. Описанная схема позволяет изменить направление сил трения с препятствующего на способствующее, и добиться снижения удельной силы выдавливания, действующей со стороны заготовки на пуансон, на 15-20%.
Однако, способ выдавливания с активно направленными силами трения не обеспечивает снижения энергии, затрачиваемой на рабочем цикле, так как появляется необходимость в использовании дополнительного привода инструмента (матрицы).
Снижению силы и энергии деформирования способствуют процессы комбинированного течения материала, реализуемые за счет наличия двух степеней свободы. Ввиду неопределенности конечного формоизменения, на практике, используют принцип управления процессами с двумя степенями свободы, который состоит в ограничении истечения материала в одном направлении. Это приводит к усложнению конструкции штампа и увеличению силы деформирования.
Выдавливание поковок типа «стакан» требует использования крупногабаритной оснастки, большой высоты штампового пространства и
большой величины ходов ползуна пресса. Процесс выдавливания горячей заготовки требует небольшой силы, поэтому, при выборе пресса, определяющей становится именно требуемая открытая высота штампового пространства пресса, а номинальная сила универсального пресса может в несколько раз превосходить потребную силу деформирования. Это снижает производительность и энергоэффективность процесса. Для реализации процесса получения детали типа «стакан» рационально применение специализированного прессового оборудования.
Таким образом, существует потребность в разработке методики
выдавливания поковок типа «стакан» с коническим придонным участком,
способствующей повышению производительности технологического
процесса, путем совмещения операций штамповки, а также обеспечивающей
снижение силы, воспринимаемой пуансонами, снижение металлоемкости
процесса благодаря повышению точности поковок, повышение
энергоэффективности процесса. Разработка методики такого выдавливания и конструкции оборудования для ее промышленной реализации изложена в представленной работе.
Степень разработанности темы. Исследованием процессов
комбинированного выдавливания занимались исследователи И.С. Алиев,
А.В. Весницкий, А.М. Дмитриев, А.К. Евдокимов, В.В. Евстифеев,
В.А. Евстратов, С.А. Еленев, В.В. Ерастов, Ф.А. Коммель, А.Г. Овчинников,
Л.Д. Оленин, B. Avitzur, W. Johnson, H. Kudo, M. Kunogi и др. Работы, в
основном, посвящены нахождению энергосиловых параметров процесса
комбинированного выдавливания при осесимметричной или плоской
постановке задачи. Для исследования процесса выдавливания с
непреднамеренной несоосностью матрицы и пуансона применение указанных решений затруднительно.
Исследованию эффекта самоцентрирования при выдавливании поковок
типа «стакан» со стержнем посвящены работы А.М. Дмитриева,
Д.А. Дмитренко, Т.В. Денищева. Полученные решения относятся только к
комбинированному выдавливанию. На практике за операцией
комбинированного выдавливания следует операция с одной степенью свободы для обеспечения повторяемости размеров.
Цель работы состоит в снижении силы деформирования,
энергоемкости и металлоемкости технологического процесса благодаря
снижению разнотолщинности стенок путем использования разработанной
трехстадийной операции комбинированного выдавливания деталей типа
«стакан» с коническим придонным участком, обоснования области
применения указанного способа и разработки специализированного пресса
на основе экспериментальных исследований и компьютерного
моделирования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать схему единой операции выдавливания поковок типа «стакан», сочетающую на разных своих этапах рациональные для достижения заданной цели работы комбинации простых штамповочных операций и дополненную самоорганизацией течения металла с целью сокращения энергозатрат штамповки.
-
Установить условие обеспечения заполнения материалом заготовки стенки стакана и внешнего стержня на первой стадии операции выдавливания рассматриваемым способом.
-
Исследовать процесс заполнения полостей оснастки по ходу выдавливания при комбинированном выдавливании на первой стадии операции.
-
Разработать и обосновать применение комплексного плана эксперимента, сочетающего в себе физические опыты и компьютерное моделирование.
-
Построить математические модели, описывающие влияние варьируемых факторов на силовые, энергетические параметры штамповки и разнотолщинность стенок поковки.
-
Разработать научно обоснованную методику, включающую в себя решение вышеуказанных задач штамповки поковок типа «стакан» с использованием трехстадийной операции выдавливания в подвижной матрице.
-
Разработать конструкцию специализированного гидравлического пресса для промышленной реализации предложенного способа.
Объект исследования: технология штамповки поковки типа «стакан» с конической придонной частью.
Предметы исследования: технология и технологические параметры
трехстадийного выдавливания, использующего на каждой из стадий
совмещение простых штамповочных операций, разработка
специализированного пресса для трехстадийного выдавливания.
Результаты, полученные автором и выносимые на защиту:
схема технологического процесса выдавливания деталей типа стакан с коническим придонным участком, содержащая трехстадийную операцию выдавливания;
математические модели для расчета с учетом начального эксцентриситета установки пуансона относительно матрицы основных технологических параметров выдавливания стаканов по предложенной схеме;
траектория перемещения матрицы на второй стадии операции выдавливания, обеспечивающая сокращение затрат энергии на выполнение заданного формоизменения заготовки;
методика расчета трехстадийной операции комбинированного выдавливания, использующая построенные математические модели;
- использование комбинированной матрицы плана эксперимента,
содержащей результаты физических и компьютерных опытов;
целесообразность разработки специализированного
гидравлического пресса для промышленного производства деталей типа «стакан» предложенным и исследованным методом выдавливания за одну операцию;
- разработанные схема и конструкция специализированного
гидравлического пресса тройного действия.
Научная новизна работы состоит в:
- установленной взаимосвязи силовых параметров первой стадии
процесса комбинированного выдавливания и формоизменением, а именно,
соотношением сил свободного прямого выдавливания стержня и свободного
обратного выдавливания стакана и направлением истечения материала
заготовки;
математической модели, отражающей влияние размеров инструмента, дополнительной степени свободы течения материала, обеспечиваемой оснасткой и величины начального эксцентриситета установки пуансона на относительную удельную силу прямого выдавливания с раздачей;
- математических моделях зависимости энергии деформирования
на первой стадии выдавливания и суммарной энергии деформирования от
диаметра матрицы, высоты калибрующего пояска пуансона, начального
эксцентриситета установки пуансона и схемы деформирования;
компьютерной модели трехстадийной операции выдавливания, содержащей экспериментально определенную кривую упрочнения в качестве характеристики материала и значение экспериментально определенного коэффициента трения по напряжению текучести в качестве граничного условия для прогнозирования формоизменения заготовки, определения силовых и энергетических характеристик процесса.
Теоретическая значимость. Разработана компьютерная модель предложенного технологического процесса штамповки поковки типа «стакан», основанная на численной реализации вариационного энергетического метода при применении обоснованных граничных условий.
Практическая значимость работы заключается в:
методике проектирования технологического процесса, позволяющей снизить разностенность поковок, уменьшить силу на большей части хода выдавливающего пуансона, сократить время проектирования оснастки, снизить энергоемкость процесса выдавливания поковок типа «стакан» с коническим придонным участком по сравнению с традиционным выдавливанием;
рекомендациях, прошедших промышленную апробацию в виде разработанного и изготовленного специализированного гидравлического пресса, позволяющих реализовать на практике обоснованный в диссертации технологический процесс штамповки выдавливанием, позволяющий снизить силу на большей части хода выдавливающего пуансона и энергию
деформирования, а также уменьшить разнотолщинность стенок. Патент на полезную модель №128861;
- рекомендациях по определению диапазона рационального соотношения размеров матрицы и пуансона, при которых снижается разностенность поковки благодаря реализации эффекта самоцентрирования пуансона, что обеспечивает повышение коэффициента использования материала.
Методы исследований. Теоретические исследования проведены в программном комплексе DeFORM 3D, основанном на методе конечных элементов. Экспериментальные исследования проведены на универсальном испытательном оборудовании INSTRON. Планирование экспериментов выполнено при помощи метода планирования факторного эксперимента. Математические модели построены посредством регрессионного анализа. Измерения проведены при помощи специализированного измерительного комплекса на базе аналого-цифрового преобразователя QuantumX НВМ. Обработка результатов измерений осуществлялась с использованием пакета программ MS Office.
Степень достоверности. Достоверность результатов обеспечена корректностью постановки задач, применением статистических методов совместной обработки данных, полученных по результатам компьютерного моделирования и физических опытов, а также использованием экспериментально полученных кривой упрочнения и коэффициента трения по напряжению текучести. Сходимость экспериментальных и теоретических результатов исследований в пределах 10%.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Работа соответствует формуле специальности 05.02.09 - «Технологии и машины обработки давлением» (технические науки) в области исследований: «Технологии ковки, прессования, листовой и объемной штамповки и комплексных процессов с обработкой давлением, например, непрерывного литья и прокатки заготовок» а также «Оптимизация конструкций разрабатываемых кузнечных, прессовых, штамповочных и прокатных машин, их взаимосвязь со средствами автоматизации и механизации» согласно с п.п. 3,6 паспорта специальности. Материалы диссертационной работы прошли апробацию путем публикации статей в специализированных журналах и сделанных научных докладов.
Апробация работы. На основании полученных результатов спроектирован и изготовлен на производственных мощностях ООО «СП «Донпрессмаш» (г. Азов) опытный образец специализированного трехпозиционного гидравлического пресса тройного действия силой 8МН, разработана методика проведения приемочных испытаний. По результатам прохождения приемочных испытаний, конструкторской документации присвоена литера «О1» и произведена постановка пресса на серийное производство. Результаты работы также используются в учебном процессе МГТУ «СТАНКИН» Межотраслевым Институтом Развития Инновационных
Технологий (МИРИТ) в программе курса повышения квалификации
«Материаловедение и технологии обработки материалов в
машиностроении».
Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на всероссийских конференциях.
Всероссийская научно-техническая конференция «Студенческая
научная весна: Машиностроительные технологии» (г. Москва,
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013г.).
Молодежная научно-практическая конференция «Автоматизация и
информационные технологии» (г. Москва, МГТУ «СТАНКИН», 2013-
2014гг.).
На постоянно действующем научном семинаре кафедры «Системы пластического деформирования» ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН».
Также результаты работы отмечены дипломом Московского международного Салона изобретений и инновационных технологий «Архимед» - 2014.
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 6 статьях в рецензируемых научных журналах, из них 1 - в журнале, индексируемом базой Scopus, а также 4 - в сборниках и трудах конференций. Список публикаций приведён в конце автореферата.
Структура и объём диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объём диссертационной работы составляет 164 страницы, включая 52 рисунка, 37 таблиц и 81 библиографический источник.
Анализ существующих теоретических методов решения задачи комбинированного выдавливания
Разностенность возникает на этапе выдавливания, и, не только не уменьшается на последующих переходах, но может и значительно увеличиваться [22].
Среди наиболее важных причин, вызывающих разностенность заготовок типа «стакан», называют несоосность расположения пуансона относительно матрицы [22-28]. Чаще всего несоосность пуансона и матрицы вызывается неточностями изготовления базовых деталей штампа, неудовлетворительной его наладкой [29,30], неравномерным износом инструмента [23], износом направляющих пресса и штампа, ослаблением крепления или деформированием пуансона или пуансонодержателя, смятием прокладок под пуансонами и матрицами [25]. Несоосное расположение пуансона относительно матрицы вызывает нарушение симметрии очага пластической деформации заготовки и эксцентричность нагрузки на пуансон, что приводит к появлению значительных изгибающих напряжений, которые ведут к разрушению пуансона или значительной разностенности изделия. Поэтому основным требованием при выдавливании заготовок типа «стакан» является обеспечение строгой соосности системы пуансон – заготовка – матрица.
Для выполнения обратного выдавливания с малой разностенностью необходимо, чтобы ось заготовки совпадала с осью матрицы. Для этого рекомендуют, чтобы заготовка входила в матрицу с небольшим зазором [3,23] или даже запрессовывалась в матрицу перед выдавливанием. При эксцентричной установке заготовки в матрицу будет нарушена симметрия течения металла, заготовка неравномерно и неодновременно будет касаться боковой поверхности матрицы, что вызовет эксцентричность нагрузки на пуансон, а результатом будет большая разностенность. Дюндин В.А. и Гринфельд Л.А. [28] отмечают, что отсутствие центрирования заготовок в полости окончательного ручья приводит к значительной разностенности и разновысотности стенок штампованной заготовки детали.
В большинстве работ, посвященных выдавливанию, отмечено, что для выдавливания точных заготовок типа «стакан» торцы заготовки должны быть перпендикулярны её оси и параллельны между собой. В случае отклонения торцов от перпендикулярности в начале процесса выдавливания на пуансон действует эксцентричная нагрузка, которая вызывает напряжения, приводящие к изгибу пуансона, нарушение симметрии очага пластической деформации и кинематики течения, и может вызвать увод пуансона в сторону и его разрушение.
Разностенность поковок типа «стакан» не является одинаковой по всей высоте. Она обычно увеличивается к дну изделия, то есть по мере внедрения пуансона в заготовку, что может быть связано с различными причинами: излишней длиной пуансона при выдавливании, перераспределением силовых факторов, наибольшим разогревом нижней части пуансона, увеличением несимметричности формы очага пластической деформации и, как следствие, кинематики течения. При проектировании технологического процесса выдавливания необходимо учитывать все вышеизложенное.
Особое внимание при выдавливании заготовок типа «стакан» необходимо уделять обеспечению рациональной жесткости системы пресс-штамп. С одной стороны, для обеспечения точности детали и стойкости инструмента необходимо обеспечивать определенную жесткость и прочность системы пресс-штамп [8,23,31-33], с другой стороны, чрезмерная жесткость может значительно уменьшить стойкость инструмента [23,34], увеличить металлоемкость конструкции штампа.
Заготовки для выдавливания, кроме неперпендикулярности торцов по отношению к оси, могут иметь непараллельности торцов, также отклонения от симметричности поперечного сечения относительно оси [35]. Нарушения симметрии поперечного сечения могут привести к несимметричности течения металла из-за того, что часть поверхности заготовки касается поверхности матрицы, а часть - не касается. Это, в свою очередь, может привести к нарушению симметрии нагрузки на пуансон. В первом приближении можно полагать, что в каждом отдельном поперечном сечении механика процесса будет подобна описанной выше для несоосного положения заготовки относительно матрицы [36].
Инженерами и конструкторами, исходя из практического опыта, разработано большое количество устройств для снижения начальной разностенности получаемого изделия путем повышения соосности начальной установки пуансона и матрицы. Однако, применение данных устройств не гарантирует малую конечную разнотолщинность стенок поковки.
Подводя итог вышесказанного, следует отметить, что для получения малой разностенности необходимо обеспечить [17]: - точные размеры и форму заготовки; - соосное начальное расположение системы пресс-инструмент-заготовка; - высокую точность системы направляющих пресса; применение рациональной схемы деформирования. Заготовительное производство, оснащенное современными ленточнопильными станками, обеспечит получение достаточно точных заготовок, имеющих параллельные торцы, а металлургические предприятия, поставляющие - 24 прокат высокого качества, решают задачу изготовления точных заготовок с допустимой анизотропией свойств.
Использование автоматизированных загрузчиков, роботов, оснащенных точными датчиками позиционирования и контроля, решают задачу точной установки заготовки в штамп.
Обеспечение необходимой точность относительного позиционирования деталей штамповой оснастки - матрицы и пуансона -решенная конструкторская задача.
Вышеперечисленные факторы, влияющие на конечную разностенность, отдельно в данной работе рассматриваться не будут.
Большое влияние на конечную точность поковки оказывает самоорганизация процесса при деформировании. Из рассмотренных технологических схем получения поковок типа «стакан», самоорганизация процесса возможна лишь при комбинированном выдавливании, так как имеется несколько полостей истечения материала заготовки [17].
Согласно данным, представленным в работах [17,36-42], наличие двух противоположно направленных потоков пластически деформируемого материала оказывает стабилизирующее воздействие на кинематическое состояние деформируемой заготовки. Помимо этого, снижается сила деформирования. Это обусловлено принципом наименьшего сопротивления, реализуемого за счет наличия нескольких полостей для течения материала. При комбинированном выдавливании реализуется технологический прием уменьшения разностенности [17]. При выдавливании образуется нейтральная кольцевая поверхность (поверхность раздела d 0, рисунок 1.10), от которой металл перемещается в диаметрально противоположные стороны. Приведенные на рисунке 1.10 схемы штамповки [39], целесообразны для использования при деформировании заготовок с h3/d3 0,5. В этом случае уже в начальный период процесса очаг пластической деформации охватывает весь объем заготовки, и становится безразличным к течению металла в отверстие в матрице или в отверстие в пуансоне. При выдавливании заготовок с h3/d3 0,5 в пластическом состоянии оказывается не весь объем заготовки, и поэтому применима лишь схема деформирования, представленная на рисунке 1.10, а).
Методика проведения и анализа физического и компьютерного экспериментов
Внешний стержень, полученный на первом переходе выдавливания используется для набора высоты стенки поковки. Для этого на втором переходе при помощи движения контрпуансона металл перемещается из стержневой части в стенку стакана. Благодаря совмещению операций закрытой прошивки и раздачи формируемой стенки стакана, рисунок 2.1, достигается снижение деформирующей силы по сравнению с обратным выдавливанием.
Основываясь на результатах положительной оценки влияния возможности самоорганизации процесса течения металла при наличии нескольких полостей на первом переходе на конечную разностенность, автором выдвинута гипотеза, что обеспечение дополнительной степени свободы на второй стадии выдавливания по схеме на рисунке 2.1, б), положительным образом скажется на силовых и энергетических параметрах штамповки и разнотолщинности стенок поковки. Для этого необходимо обеспечение возможности осуществления независимого от хода пуансона перемещения матрицы.
Важным моментом, который приняли во внимание в ходе исследования второго перехода выдавливания, является результирующая сила, действующая на матрицу со стороны заготовки. С одной стороны, действует сила трения, которая совпадает по направлению с направлением движениея контрпуансона, согласно рисунку 2.1 – вверх. С другой стороны – гидростатическое давление, действующее в области конического зазора, создает силу, направленную вниз. В процессе выдавливания соотношения этих сил изменяются, что оказывает существенно влияние на скорость и направление движения матрицы в случае ее установки с возможностью свободного перемещения в вертикальном направлении.
Использование плавающей матрицы в процессах выдавливания поковок типа «стакан» с цилиндрической внешней поверхностью позволяет уменьшить необходимую силу выдавливания на 5-10% [35] по сравнению со схемой с закрепленной матрицей. Применение схем выдавливания с плавающей матрицей или с активно направленными силами трения для штамповки поковок типа «стакан» с коническим придонным участком затруднительно.
Диссертантом выполнен ряд компьютерных экспериментов с незакрепленной матрицей на второй стадии выдавливания схемы на рисунке 2.1. Для обеспечения возможности свободного перемещения матрицы, величина хода пуансона на первой стадии уменьшена (далее по тексту – недоход пуансона), и, соответственно, расстояние между торцом пуансона и началом расширяющегося конического участка матрицы на заготовке hд после первой стадии несколько увеличено, по сравнению с конечной, требуемой чертежом поковки, величиной, рисунок 2.2. Для второй стадии выдавливания оснастка собирается таким образом, чтобы ступенчатая матрица имела возможность свободного перемещения в осевом направлении. Соотношения размеров инструмента для моделирования процесса выдавливания трех поковок типа «стакан» с различной толщиной стенки представлены в табл. 5.
Основные результаты моделирования представлены в табл. 6, где в первом столбце указан номер опыта с соответствующими приведенным в табл. 5 размерами оснастки, во втором столбце приведены графики зависимости абсолютной скорости плавающей матрицы от перемещения контрпуансона.
Положительное значение величины скорости свидетельствует о сонаправленном движении матрицы и контрпуансона. Отрицательное значение скорости матрицы соответствуют смене направления ее движения, в третьем столбце приведены промежуточные графические результаты моделирования, в четвертом столбце приведен расчет относительной величины хода контрпуансона, при котором рационально использовать плавающую ступенчатую матрицу, в пятом столбце кратко описан характер движения ступенчатой матрицы. Малая абсолютная скорость перемещения матрицы ( 1,5 мм/с) соответствует ее зависанию, а характер движения назовем зависанием.
Физические и компьютерные эксперименты диссертанта показали, что на второй стадии выдавливания, сила выдавливания снижается на 15-20%.
При прямом выдавливании с раздачей в незакрепленной матрице при определенном ходе контрпуансона возникает зазор в коническом канале, образованном конической поверхностью ступени матрицы и фаской пуансона, величина которого в начальный период выдавливания (1 фаза) уменьшается вследствие движения матрицы со направленно контрпуансону под действием сил трения на малом внутреннем диаметре матрицы, далее (2 фаза) действие сил трения и сопротивления деформации в очаге пластической деформации приводят практически к полной остановке матрицы, после этого (3 фаза) начинается преобладание какой-либо из действующих на матрицу сил, и в зависимости от этого она начинает движение со направлено или противоположно направлено направлению движения контрпуансона.
Плавающая матрица на 1 и 2 фазах позволяет материалу изменять толщину конического канала во время истечения в стенку стакана, на 3 фазе движение матрицы должно быть принудительным – для формирования конечной величины конической толщины стенки. Величина хода управляемого движения матрицы, соответствующая ходу контрпуансона, является наименьшей, по сравнению с 1 и 2 фазами. Таким образом, практически на всем ходе (72,8-81,3%) контрпуансона возможно обеспечение наличия дополнительной степени свободы
Верификация силовых показателей процесса осадки, полученных по результатам компьютерного моделирования
В качестве материала заготовок для экспериментов используется свинец марки С1 ГОСТ3778-98, как материал, имитирующий поведение стали в горячем состоянии. Заготовки изготавливаются из чушки свинца С1, массой 40 кг, путем резки на электроэрозионном станке. Размеры заготовок приведены в табл. 7. Для уменьшения сил трения между торцами заготовки и шлифованными плитами в заготовке выполняются проточки под смазку. В качестве материала смазки используется Циатим-201 ГОСТ6267-74. Осадка образцов проводится на универсальной испытательной машине с постоянной скоростью деформирования 10 мм/мин.
По результатам осадки трех образцов строятся графики силы по ходу. Числовые значения в виде таблиц экспортируются в программу Microsoft Excel для последующей обработки. Величина относительной деформации определяется как отношение величины перемещения траверсы к начальной высоте заготовки, текущий диаметр определяется из условия несжимаемости заготовки, удельная сила (давление) определяется как отношение текущего значения силы осадки к величине текущей площади торца заготовки. Наличие смазки под торцами снижает бочкообразность конечной заготовки и позволяет использовать допущение о цилиндрической форме заготовки во время осадки в расчетах.
Данные для построения графика as = fidjhi) представлены в табл. 8. Влияние внешнего трения исключается путем экстраполяции прямой, соединяющей точки, соответствующие равным степеням деформации, на ось ординат. В результате получены значения as, соответствующие этим степеням деформации. График функции as = (djhi) представлен на рисунке 3.1.
Для проведения физических экспериментов используются три кольцевых образца из свинца С1, с внешним диаметром d0 =38,7 мм, диаметром отверстий d0BH и высотой h0. В качестве смазки выбирается минеральное масло, используемое при выдавливании. Осадка заготовок проводится ступенчато на испытательной машине в шлифованных плитах. После каждого шага осадки измеряется внутренний диаметр и высота заготовки в двух взаимно перпендикулярных направлениях, обновляется смазочное покрытие. Значения начальной высоты и внутреннего диаметра заготовки, а также усредненные значения внутреннего диаметра и высоты после каждого шага осадки приведены в табл. 10. По результатам осадки трех образцов строятся графики зависимости изменения внутреннего диаметра от изменения высоты, рисунок 3.3.
Для построения калибровочных кривых используется программа DeFORM. Проводится моделирование процесса осадки кольцевого образца с размерами d0 = 8,7 мм, d0BH = 19,2 мм, h0 = 12,9 мм. Скорость осадки, как и в физических экспериментах 10 мм/мин. В качестве закона трения в расчетной модели принимается закон Зибеля. Процесс осадки моделируется с пределом варьированием коэффициента трения по напряжению текучести т от 0,1 до 0,5 с шагом 0,1 (рисунок 3.4, табл. 12).
Семейство калибровочных кривых Путем интерполяции графиков зависимости изменения внутреннего диаметра от изменения высоты, полученных по результатам физического эксперимента, строится экспериментальный график изменения внутреннего диаметра заготовки от изменения ее высоты (рисунок 3.6), кривая m. Рисунок 3.6 - Семейство калибровочных кривых m и график изменения коэффициента трения от степени деформации, построенный по результатам физических экспериментов - 80 Представление графика m в одной системе координат с семейством калибровочных кривых иллюстрирует, что при малых степенях осадки кольцевого образца (до 20%) экспериментальная кривая m находится незначительно выше калибровочной кривой, соответствующей коэффициенту трения m =0,5, при степенях деформации от 20 до 45 %, m «переходит» с кривой, соответствующей m=0,5, на кривую, соответствующую m=0,4, при степенях деформации от 45 до 68 %, m накладывается на график, соответствующий m=0,4, далее отклоняется в сторону кривой, соответствующей m=0,3.
На величину трения в процессах объемного деформирования влияют многие факторы, такие как температура на поверхности трения, материал инструмента, состояние поверхности инструмента и металла, скоростные условия, контактное давление и другие. Степень влияния факторов в разных случаях разная, в частности при жестких условиях трения (большом коэффициенте трения), наблюдается значительное снижение m с ростом контактного давления.
В литературе [74] приведены экспериментально полученные данные для свинца, табл. 13. Сравнение полученных результатов и данных из табл. 13 показывают, что характер изменения величины коэффициента трения, найденного по результатам экспериментов по осадке кольцевых образцов схож с экспериментальными данными, полученными другими исследователями [75-79]. В работе не сделана попытка объяснить снижение значения коэффициента трения, так как цель работы заключается не в этом. В дальнейших расчетах принято значение коэффициента трения m=0,4 из соображений, что при выдавливании глубоких стаканов степени деформации по сечению заготовки значительны. Таблица 13 - Экспериментальные данные m
Технические характеристики специализированного гидравлического пресса
Перемещение деформирующих инструментов происходит следующим способом: Пуансон 9 перемещается под действием рабочей жидкости, которая под давлением подается в поршневую полость гидроцилиндра 5, а штоковая полость гидроцилиндра 5 соединяется со сливной магистралью. Поршень 6, соединенный с подвижной траверсой 7 перемещается вниз. Траверса 7 направляется втулками 8 по колоннам 3 пресса. Происходит перемещение пуансона 9. Возвратное движение осуществляется подачей рабочей жидкости в штоковую полость гидроцилиндра 5, поршневая полость соединяется со сливной магистралью.
Ход вверх матрицы 16 относительно контрпуансона 17 осуществляется следующим образом. Рабочая жидкость подается в поршневую полость главного гидроцилиндра 10, при этом штоковая полость вспомогательного гидроцилиндра 13 соединяется со сливной магистралью гидравлической системы. Гильза 14, соединенная с матрицей 16 перемещается вверх. Движение вниз реализуется путем подачи рабочей жидкости в штоковую полость вспомогательного гидроцилиндра 13, при этом штоковая полость главного гидроцилиндра соединяется со сливной магистралью гидросистемы.
Перемещение контрпуансона 17 вверх осуществляется путем подачи рабочей жидкости под давлением в поршневую полость главного цилиндра 10, причем, если штоковая полость главного гидроцилиндра 10 в этот момент соединяется со сливной магистралью, а штоковая полость вспомогательного гидроцилиндра 13 закрыта, то происходит совместное перемещение гильзы 14 и штока главного гидроцилиндра 12, в противном случае, если штоковая полость главного гидроцилиндра 10 в этот момент закрыта, а штоковая полость вспомогательного гидроцилиндра 13 соединена со сливной магистралью, то происходит дополнительное относительное перемещение гильзы 14 относительно штока главного гидроцилиндра 12. Обратный ход осуществляется путем подачи рабочей жидкости в штоковую полость главного гидроцилиндра 10, поршневая полость 10 в этот момент соединена со сливной магистралью.
Станина колонного типа наиболее рациональна с точки зрения металлоемкости о обеспечения необходимого уровня жесткости конструкции пресса. Упругая деформация колонн во время процесса деформирования компенсируется адаптивной системой числового программного управления прессом. Конструкция цилиндра в цилиндре, реализованная в нижней части пресса способствует повышению жесткости пресса и обеспечивает необходимую соосность расположения матрицы и контрпуансона.
Конструкция пресса обладает низкой металлоемкостью, простотой изготовления и сборки. Активное использование программ CAD и CAE позволило на стадии проектирования отдельных узлов выполнять кинематические и прочностные расчеты.
С целью расширения применимости специализированного пресса предусмотрена возможность трехпозиционного исполнения. В такой конструкции учтена возможности реализации операций фасонирования, выдавливания и протяжки на соответствующих позициях штамповки. Для реализации предложенной трехстадийной операции выдавливания необходимости в дополнительных позициях штамповки нет. Общий вид трехпозиционного специализированного пресс с указанием габаритных размеров представлен на
Развитая поверхность траверсы и стола позволяют разместить дополнительные I и III позиции штамповки. Основная позиция штамповки II совпадает с центральной осью пресса. Это необходимо для минимизации перекоса траверсы при реализации операции, требующей наибольшей силы.
Спроектированная по условия государственного контракта конструкция пресса трехпозиционная. Первая и третья позиции штамповки вспомогательные, не требующие больших сил на инструменте. Они расположены слева и справа симметрично, относительно центральной позиции пресса. Вторая позиция штамповки основная, силовая. Она располагается на оси рабочих цилиндров пресса для избежания перекоса.
Нагретая до заданной температуры заготовка средствами автоматизации подается на первую позицию пресса и укладывается в матрицу. Матрицы и пуансоны, калибровочные кольца до начала работы пресса должны быть подогреты средствами нагрева, а также смазаны технологической смазкой. На первой позиции производится фасонирование торца цилиндрической заготовки коническим пуансоном, закрепленным в траверсе пресса. Матрица установлена на столе, закрепленном на нижней поперечине пресса. Фасонированная заготовка выталкивается нижним выталкивателем, встроенным в матрицу, захватывается средствами автоматизации и переносится на следующую позицию.
II позиция штамповки:
На второй позиции штамповки, для увеличения точности позиционирования, заготовка устанавливается в матрицу, упираясь нижним торцом в конический участок, а верхний торец позиционируется при помощи робота, осуществляющего загрузку заготовки, и фиксируется поджатием пуансона. Происходит деформирование заготовки. В случае реализации схемы деформирования (рисунок 2.1), принудительное перемещение матрицы необходимо использовать с целью интенсификации процесса деформирования на первом переходе путем встречного движения пуансона и матрицы. Реализация предложенной схемы деформирования проиллюстрирована на рисунке 5.5. Перемещение S1 соответствует ходу пуансона на первой стадии выдавливания и обеспечивается движением рабочих частей верхнего цилиндра. На второй стадии свободное перемещение матрицы на величину S2 обеспечивается следящим режимом работы привода внутреннего цилиндра, ход контрпуансона S3 обеспечивает наружный цилиндр. В момент смены направления движения матрицы, привод внутреннего нижнего цилиндра переходит из следящего в активный режим и начинается принудительное перемещение матрицы на величину S4 со скоростью контрпуансона. При этом контрпуансон перемещается на величину S5. После достижения заданной толщины стенки в конической части стакана происходит остановка матрицы. В случае необходимости контрпуансон совершает ход S6 для перемещения оставшегося в стержневой части матрицы металла в стенку стакана.