Содержание к диссертации
Введение
1 Рулевые тяги: конструкции, технологии изготовления и методы математического моделирования 10
1.1 Конструкции рулевых тяг 10
1.2 Технологические процессы и оборудование для изготовления заготовок рулевых тяг .13
1.3 Особенности штамповки на горизонтально-ковочных машинах. 23
1.4 Методы математического моделирования процессов штамповки 28
1.5 Задачи исследования .34
2 Исследование процесса горячей многопереходной штамповки корпусов рулевых тяг и совершенствование технологии 36
2.1 Сопротивление деформации сталей для изготовления рулевых тяг при горячем деформировании 36
2.2 Исследование устойчивости деформируемых участков при горячей штамповке заготовок корпусов рулевых тяг 43
2.3 Совершенствование процесса горячей объемной штамповки заготовки корпуса рулевой тяги на ГКМ 51
2.4 Методика оценки устойчивость при продольно-поперечном изгибе с удерживающей поперечной силой .54
2.5 Выводы 64
3 Компьютерное моделирование процессов горячей штамповки заготовок рулевых тяг с использованием метода конечных элементов .67
3.1 Основные положения метода конечных элементов, используемые в программном комплексе «DEFORM-3D» 67
3.2 Моделирование процесса бокового зажима заготовки на втором переходе штамповки по разработанной технологии 72
3.3 Моделирование процесса штамповки цилиндрической головки с осью цилиндра, перпендикулярной оси стержня .76
3.4 Поиск рационального формоизменения в процессе штамповки чашкообразной головки заготовки рулевой тяги с использованием критериальной оценки 79
3.5 Выводы .89
4 Экспериментальные исследования и промышленное опробывание процесса штамповки заготовки рулевой тяги .91
4.1 Экспериментальное исследование эффективности формоизменения при штамповке 91
4.2 Промышленное опробование разработанной технологии 99
4.3 Расчет ожидаемого экономического эффекта .102
4.4 Выводы .104
Заключение 106
Список литературы .
- Технологические процессы и оборудование для изготовления заготовок рулевых тяг
- Исследование устойчивости деформируемых участков при горячей штамповке заготовок корпусов рулевых тяг
- Моделирование процесса бокового зажима заготовки на втором переходе штамповки по разработанной технологии
- Промышленное опробование разработанной технологии
Введение к работе
Актуальность работы: Стержневые изделия с головками чашко-образной формы (рулевые тяги автомобилей, специальные стяжки, скобы и т.п.) находят широкое применение в различных отраслях промышленности. Эти изделия, как правило, изготавливаются горячей объемной штамповкой за несколько переходов с последующей механической обработкой. При этом имеют место проблемы, связанные с необходимостью обеспечения высокого качества поковок, повышения производительности, экономии материальных, энергетических и трудовых ресурсов.
При разработке и совершенствовании процессов штамповки необходимо
использовать современные методы моделирования (например, метод
конечных элементов), что позволяет на стадии проектирования технологии
осуществлять поиск рациональных схем и режимов деформирования,
обеспечивающих получение качественных поковок, снижение затраты на
производство и сокращение объемов экспериментальной отработки
процессов. Поэтому разработка высокоэффективных технологий горячей
штамповки на базе современных методов исследования процессов
деформирования с использованием компьютерного моделирования является
актуальной проблемой кузнечно-штамповочного производства и, в
частности, актуальной задачей совершенствования процессов изготовления стержневых изделий с головками чашкообразной формы.
В данной работе выполнены исследования процесса штамповки заготовок рулевых тяг автомобилей на горизонтально-ковочной машине (ГКМ), но полученные результаты могут быть использованы при изготовлении других подобных стержневых изделий с головками чашкообразной формы.
Цель работы: Совершенствование технологии горячей штамповки заготовок рулевых тяг на горизонтально-ковочной машине путем поиска и применения рациональных схем и режимов деформирования на основе компьютерного и натурного моделирования для достижения высокого качества изделий при снижении энергозатрат.
Задачи исследования:
-
Разработать методику оценки устойчивости деформируемых участков заготовок на отдельных переходах с учетом специфики штамповки на ГКМ.
-
Определить напряженно-деформированное состояние в штампуемой заготовке и энергосиловые параметры процесса деформирования при использовании различных вариантов формоизменения по переходам штамповки на основе компьютерного моделирования многопереходного процесса штамповки заготовки рулевой тяги.
-
C использованием современных методов теории ОМД разработать методику поиска рациональных режимов деформирования по переходам штамповки заготовок рулевых тяг, применение которых обеспечивает получение качественных поковок и снижение энергозатрат.
-
Провести экспериментальные исследования, оценить достоверность теоретических результатов и эффективность отдельных переходов штамповки.
4 5 Разработать технические решения, направленные на повышение эффективности процесса штамповки заготовок рулевых тяг. Оценить экономическую эффективность разработок.
Научная новизна работы:
1 Разработана методика оценки устойчивости штампуемого участка
заготовки в условиях бокового зажима полуматрицами ГКМ, отличающаяся
тем, что учитывает влияние поперечной удерживающей силы на
устойчивость заготовки и возможности регулирования удерживающей силы
за счет изменения формы и размеров предварительно отштампованной
головки.
-
По результатам конечно-элементного компьютерного моделирования получены новые данные о напряженно-деформированном состоянии в штампуемой заготовке и энергосиловых параметрах процесса штамповки рулевых тяг, которые использовались при поиске рациональных схем и режимов деформирования на отдельных переходах.
-
Разработана методика поиска рациональной технологии штамповки чашкообразной головки на основе критериального подхода, отличающаяся тем, что рассматривают несколько возможных вариантов и по результатам конечно-элементного моделирования определяют силовой и энергетический критерии, критерий неравномерности деформации и суммарный критерий, по которому выбирают рациональную схему процесса.
Теоретическая значимость результатов исследования заключается в следующем:
выдвинута и обоснована идея повышения устойчивости заготовки за счет применения бокового зажима штампуемого участка полуматрицами ГКМ;
осуществлена адаптация компьютерных конечно-элементных моделей к процессу штамповки заготовок рулевых тяг с целью определения напряженно-деформированного состоянии в штампуемой заготовке и энергосиловых параметров процесса;
обоснованы положения разработанной методики поиска рациональных режимов деформирования в многопереходных процессах штамповки на основе критериального подхода, который учитывает силовой и энергетический критерии, а также критерий неравномерности деформации.
Практическая значимость научных результатов:
-
Подтверждена целесообразность окончательной штамповки чашко-образной головки из исходной заготовки цилиндрической формы вместо сферической, что обеспечивает снижение энергосиловых параметров процесса деформирования, повышение стойкости штампового инструмента и качества поковок.
-
Разработано новое техническое решение (патент РФ № 2350423 на изобретение «Способ горячей штамповки заготовки корпуса рулевой тяги»), применение которого позволяет повысить качество поковок, сократить количество переходов и затраты на изготовление инструмента, а также снизить энергосиловые параметры процесса штамповки.
-
Разработанная методика поиска рациональных режимов процессов штамповки на основе критериального подхода позволяет на стадии проектирования технологии без проведения дорогостоящих экспериментов определять рациональные режимы пластического деформирования, при которых обеспечивается получение качественных поковок.
-
Разработаны рекомендации по освоению производства рулевых тяг автомобилей в условиях ЗАО «Механоремонтный комплекс» (г. Магнитогорск). Ожидаемый удельный экономический эффект - 853 руб./т.
-
Результаты исследования могут быть внедрены на предприятиях, изготавливающих рулевые тяги автомобилей: ОАО «Волжский автомобильный завод» (г. Тольятти), ОАО «Камский автомобильный завод» (г. Набережные Челны), ЗАО ПО «Трек» (г. Миасс), ЗАО НПО «БелМаг» (г. Магнитогорск), ООО «Авто ЛТД» (г. Набережные Челны), ОАО «Автоагрегат» (г. Кинешма), ЗАО «Кедр» (г. Миасс), ОАО «Автонормаль» (г. Белебей) и др.
Методология и методы исследовани. При оценке устойчивости штампуемого участка заготовки использовалась теория продольно-поперечного изгиба, основанная на решении дифференциального уравнения изогнутой оси, а при моделировании многопереходного процесса штамповки заготовок рулевых тяг использовался метод конечных элементов (МКЭ).
Реализация работы. Результаты работы приняты к использованию в условиях ЗАО «Механоремонтный комплекс» ОАО «ММК». Рассматриваются возможности освоения производства рулевых тяг, которые для предприятия являются новым перспективным видом продукции.
Положения, выносимые на защиту:
-
Методика оценки устойчивости деформируемого участка заготовки в условиях бокового зажима полуматрицами ГКМ, позволяющая осуществлять поиск рациональных форм исходной заготовки и режимов деформирования, при которых исключается продольный изгиб штампуемого участка.
-
Результаты конечно-элементного моделирования процесса многопереходной штамповки заготовок рулевых тяг в виде данных о напряженно-деформированном состоянии в штампуемой заготовке и энергосиловых параметрах процесса деформирования.
-
Методика поиска рациональной технологии штамповки чашкообразной головки на основе критериального подхода, позволяющая определять режимы формоизменения, при которых повышается эффективность процесса деформирования.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных методов механики сплошной среды и теории ОМД, корректностью постановки задач, а также количественным согласованием результатов математического моделирования с экспериментальными данными (погрешность не превышает 10-5-15 %).
Основные положения диссертационной работы изложены и обсуждены на ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» (20092015 гг.); Восьмом Конгрессе прокатчиков (г. Магнитогорск, 2010 г.);
6
Международном салоне изобретений и инновационных технологий
«Архимед-2011» (г. Москва, 2011), Четвертом и Пятом Международном промышленном форуме «Реконструкция промышленных предприятий – прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (г. Челябинск, 2011 г., 2012 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований
опубликовано12 статей и тезисов докладов (три в изданиях, рекомендованных ВАК) и получен патент РФ № 2350423 на изобретение «Способ горячей штамповки заготовки корпуса рулевой тяги».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка (153 наименования) и приложения. Текст диссертации изложен на 124 страницах машинописного текста, содержит 74 рисунков, 12 таблиц.
Технологические процессы и оборудование для изготовления заготовок рулевых тяг
На основании анализа патентно-информационных материалов установлено, что самым распространенным способом изготовление корпусов рулевых тяг является горячая объемная штамповка на ГКМ [21; 22; 27].
ГКМ представляет собой горизонтальный кривошипный пресс, имеющий два ползуна: главный и зажимный (боковой) [34]. Штамповка обрабатываемого участка заготовки осуществляется главным ползуном. Боковым ползуном выполняется зажим и удерживание заготовки за недеформируемый участок во время штамповки. ГКМ позволяет выполнять штамповку поковок весом 0,1100 кг. Основное конструкционное отличие штампов ГКМ от молотовых и прессовых заключается в наличии двух взаимно перпендикулярных плоскостей разъема. Между пуансоном и матрицей при самой штамповке – одна, и другая – между подвижной и неподвижной полуматрицами при зажиме заготовки. Причем последняя плоскость разъема может быть как горизонтальной, так и вертикальной, в зависимости от конструкции ГКМ.
Штамповка осуществляется, как правило, за четыре перехода. После каждого перехода осуществляется последовательное перемещение заготовки в следующий второй, третий или четвертый ручей матрицы ГКМ. Данную технологию изготовления применяют многие отечественные заводы-изготовители комплектующих деталей, и тяг рулевой трапеции в частности, для автомобилей ВАЗ, в числе которых: ЗАО НПО «БелМаг» (г. Магнитогорск); ЗАО «Кедр» (г. Миасс); ОАО «Автонормаль» (г. Белебей); ОАО «Автоагрегат» (г. Кинешма); ООО «Авто ЛТД» (г. Набережные Челны) и др.
Технология изготовления заготовки рулевой тяги включает: - отрезку заготовки определенной длины; - нагрев штампуемого участка; - штамповку наконечника тяги за несколько переходов; - термическую обработку (нормализация). Рассматривая отдельно операции изготовления заготовок рулевой тяги, следует детально отметить следующее:
1 Отрезка заготовок. Как правило, горячекатаный круглый прокат [15; 16] режут на заготовки мерной длины на пресс-ножницах. Для автомобилей ВАЗ длина заготовки в зависимости типа рулевой тяги составляет 210355 мм. Качество отрезанной заготовки влияет на качество получаемых после штамповки полуфабрикатов. Важно соблюдение всех технологических параметров в процессе резки. Так величина зазора между ножами не должна быть ни меньше, ни больше заданного значения. Иначе образуются такие дефекты, как «гребешок» на торце заготовки, утяжка или заусенец. Практически установлено, что величина зазора должна составлять 510 % от толщины разрезаемого прутка [29]. Появление дефектов резки повышает вероятность получения брака в результате штамповки.
2 Нагрев. Важно проводить нагрев штампуемого участка заготовки по требуемым режимам с соблюдением всех параметров (температуры и продолжительности нагрева), с учетом окалинообразования и обезуглероживания. Чаще всего применяется индукционный нагрев заготовок, так как он обеспечивает минимальное окалинообразование. При этом потери металла в окалину достигают 0,3 %. Однако следует заметить, что в результате передачи нагретой заготовки к штамповочному оборудованию и в процессе штамповки величина окалинообразования все же достигает 0,51,0 %. Быстрый нагрев заготовки позволяет улучшить структурные характеристики и уменьшить размер наследственного аустенитного зерна в сталях [34; 35].
Изготовление тяг рулевой трапеции автомобилей ВАЗ производится из горячекатаного круглого проката, диаметр которого не превышает 90100 мм, поэтому согласно рекомендациям [35] скорость нагрева не ограничивается. Поэтому заготовки целесообразно нагревать с использованием полной мощности нагревателя до температуры 11001150 С [21].
Заготовки при штамповке последовательно перемещается по каждому ручью переходов ГКМ. Причем последний переход является окончательным формовочным ручьем. На первых трех переходах деформацию производят продольно оси стержня, а на последнем переходе в направлении перпендикулярном оси стержня.
Штампы универсальных ГКМ (рисунок 1.9) изготавливаются в виде монолитных блоков, содержащих отдельные быстросменные вставки 2, 3 и 4. Ручьи первых трех переходов (наборные ручьи) выполняются непосредственно в блоке, а последний ручей (штамповочный) - во вставке, смонтированной в блоке. В промежутках между штамповочными операциями заготовки удерживаются клещами, для которых в блоке матриц и во вставке 2 предусмотрены специальные цилиндрические проточки.
Более сложную конструкцию имеет пуансон окончательного перехода. Он выполнен сборным из формирующего пуансона 4, вставки 3 и опорного элемента 6 с хвостовиком, обеспечивающим крепление пуансона в блоке штампа. Вставка 3 крепится к опорному элементу 6 по средствам шпонки 5.
Линия разъема вставок 6 и 2 изогнута в соответствии с геометрией поковки. Заусенечная канавка на вставках не предусмотрена, поэтому необходимо добиться оптимального зазора между ними с помощью наладки так, чтобы обеспечивалось необходимое заполнение металлом полости штампа.
Исследование устойчивости деформируемых участков при горячей штамповке заготовок корпусов рулевых тяг
В конструкции горизонтально-ковочных машин для привода главного ползуна, в основном, используется центральный кривошипно-ползунный механизм. В работе [105] предложена зависимость для определения продолжительности процесса штамповки на прессах с кривошипно-ползунным механизмом:
Используя зависимости (2.3) и (2.4) рассчитывалась скорость деформации при штамповке заготовок рулевых тяг при их изготовлении по известным и разработанной технологии [21; 22; 125]. Привод главного ползуна ГКМ модели «ВВ 1134», схема которого представлена на рисунке 2.6, осуществляется от электродвигателя 1 (мощность 7V=19 кВт, частота п=940 об./мин.) через клиноременную передачу (диаметр ведущего шкива составляет 250 мм, диаметр ведомого шкива - 1050 мм, передаточное число =4,20) и зубчатую передачу (число зубьев ведущей шестерни z1=19, а ведомой z2=70, передаточное число /2=3,68). вращения кривошипа ш = —=6,36 с . Размеры звеньев привода: радиус кривошипа і?=110 мм, длина ползуна L=450 мм. Используя вышеприведенные параметры по формуле (2.3), с учетом зависимости (2.4), рассчитана скорость деформации при штамповке на ГКМ «ВВ 1134» при использовании известной [21] и разработанной [125] технологии. Установлено, что по технологии [21] на первом переходе (7=3,14 с ; на втором (7=3,47 с ; на третьем (7=5,74 с ; на четвертом (штамповка чашкообразной головки из головки сферической формы) (7=12,56 с . По технологии [125] на первом переходе (7=3,81 с ; на втором (7=4,35 с ; на третьем (штамповка чашкообразной головки из головки цилиндрической формы) (7=18,85 с .
Таким образом, установлено, что при штамповке заготовок рулевых тяг на 1 КМ скорость деформации на отдельных перехода находится в пределах З-ПУ с . В этом диапазоне зависимость скоростного коэффициента Ки от скорости деформации [/предложено аппроксимировать квадратичной параболой:
Полученная зависимость (2.7) использовалась при моделировании процессов горячей штамповки заготовок корпусов рулевых тяг, в частности, при оценке устойчивости штампуемых участков на отдельных переходах штамповки, а также при определении напряженно-деформированного состояния и энергосиловых параметров процессов деформирования с использованием метода конечных элементов (МЭК). Результаты этих исследований представлены в главах 3 и 4.
Штамповка заготовок стержневых изделий с головками большого объема (болты, винты, шаровые пальцы, рулевые тяги и т.п.) осуществляется за несколько переходов, так как необходимо исключить продольный изгиб штампуемого участка. При этом стержневая часть изделия закрепляется в матрице, а участок под головку формируется высадкой [21; 22; 104; 106].
Анализ применяемых способов штамповки на ГКМ показывает, что основной проблемой высадки головок большого объема является потеря устойчивости деформируемого участка заготовки, которая сопровождается продольным изгибом (рисунок 2.7). В исходит незаполнение металлом по отштампованная на первом переходе по технологии [21] лости штампа, образование облоя и зажимов, что приводит к снижению качества конечного изделия, повышенному расходу металла, а в некоторых случаях к возникновению брака.
Эффективность штамповки на ГКМ, по большому счету, определяется двумя факторами. С одной стороны для обеспечения требуемого качества поковки при штамповке заготовок с головками большого объема необходимо увеличивать количество переходов. Однако, с другой стороны увеличение количества переходов приводит к снижению производительности ГКМ, а также увеличению затрат на изготовление штампового инструмента и его настройку. При этом необходимо наиболее полно использовать пластические свойства штампуемого металла, подвергая его на каждом переходе максимально допустимой деформации. Но при этом необходимо обеспечить деформирование без искривления продольной оси в результате потери устойчивости.
Таким образом, необходимо исключить или свести к минимуму продольный изгиб. В противном случае вследствие образования складок, зажимов, заусенцев и искажения волокнистой структуры возникает брак. Следует отметить, что потеря устойчивости и продольный изгиб происходят на начальном этапе деформирования, когда длина штампуемого участка максимальна. Однако если на начальном этапе заготовка деформируется без искривления продольной оси, то в дальнейшем потери устойчивости не происходит.
Известна методика, позволяющая прогнозировать устойчивость деформируемых участков стержневых заготовок при высадке [30; 106]. Для оценки устойчивости высаживаемого участка заготовки в процессе горячей штамповки предложено использовать условие: температуре t=1100 С коэффициент упрочнения и=0,263.
Зависимости (2.10) и (2.11) использовали для оценки устойчивости на первом переходе штамповки заготовок рулевых тяг с использованием известных технологий. На основании выполненных расчетов установлено, что допускаемый коэффициент высадки //Д для случая свободной осадки изменяется в диапазоне 1,82,5. Однако при штамповке корпусов рулевых тяг по известным технологиям фактический коэффициент высадки ц/в 34 раза превосходит допустимый //Д, что свидетельствует о необходимости разработки технических решений, исключающих продольный изгиб. Для снижения вероятности продольного изгиба штамповку ведут за несколько переходов, формируя на первых переходах конические головки (высадка в конических отверстиях инструмента). Однако и в этом случае возможно образование брака.
Схема течения металла в условиях ограничения продольного изгиба (штамповка в конической полости пуансона) представлена на рисунке 2.9 [106]. На начальном этапе происходит свободная осадка (рисунок 2.9 «а»). На втором этапе - изгиб в одной плоскости, когда вначале происходит искривление продольной оси при касании боковой поверхности заготовки стенки штампа изгиба при высадке головок в конических отверстиях инструмента нежелательно, так как означает полную потерю устойчивости. В работе [106] рекомендуется при расчете технологии принимать предельно допустимый коэффициент высадки: //Д=5,05,1 - для высокоуглеродистых и легированных сталей; //Д=6,06,3 - для низко- и среднелегированных сталей. Таким образом, при штамповке изделий с относительно большим объемом головок деформирование осуществляют за 23 перехода. На первом переходе из высаживаемого участка, имеющего цилиндрическую форму, формируется головка в виде совокупности цилиндрических участков и участков в виде усеченных конусов. При этом фактический коэффициент высадки определяется по
Моделирование процесса бокового зажима заготовки на втором переходе штамповки по разработанной технологии
В результате выполненных расчетов получено для варианта технологии «а» А ф =4542,68 Нм, для варианта «б» Ац=2491,78 Нм. Значения энергетических критериев представлены в таблице 3.2.
В процессах ОМД, в том числе и при горячей штамповке поковок сложной формы, одной из главных задач является обеспечение требуемого качества изделий при минимальных затратах на производство. Качество поковок в значительной степени определяется однородностью макроструктуры, которая зависит от равномерности распределения степени деформации по объёму деформированного тела. При этом наиболее рациональными следует считать технологические процессы, применение которых обеспечивает минимальную неравномерность деформации. Кроме того, повышенная неравномерность НДС приводит к снижению стойкости штампов. Поэтому для сопоставления различных вариантов технологий штамповки и выбора наиболее рационального в качестве оценки предложено использовать параметр, учитывающий неравномерность деформации.
В работах Резникова Ю.Н. [8183; 8586] рассматриваются проблемы поиска рациональных технологических процессов ковки и штамповки по критерию минимальной неравномерности деформации. В частности, в работе [82] выполнен анализ известных показателей неравномерности деформации и отмечено следующее.
Известные показатели максимальная и минимальная степени деформации по сечению поковки, Smax, Smin - площади соответствующих участков сечения, практически не учитывают распределение степени деформации по объему и не обеспечивают требуемой точности расчетов.
Другой известный показатель у3 = , где 8ср. - среднее арифметическое значение степени деформации по сечению поковки, практически мало чем отличается от показателя J] и обладает теми же недостатками. Показатель неравномерности деформации /4 — Г=іср. — іР, где Б, St -степень деформации на z-ом участке и площадь этого участка, отражает распределение степени деформации по объему поковки, но имеет размерность площади (м или мм ), что вносит некоторые трудности в расчеты и сопоставительный анализ.
В работе [82] Резникова Ю.Н. рекомендуется использовать безразмерный показатель неравномерности деформации J, который для случая плоского деформирования выражается в виде:
В работе [82] на ряде конкретных примеров показаны преимущества критерия J, который наиболее полно характеризует неравномерность деформации по объему деформируемого тела и позволяет осуществлять поиск рациональных технологий штамповки. В частности, показаны поля распределения степени деформации по сечению поковки (рисунок 3.22), полученные с использованием метода граничных элементов, для двух вариантов формы исходной заготовки. Полученные теоретические данные проверялись экспериментально на слоистых моделях из пластилина и свинцовых образцах с делительной сеткой. Рассчитанный показатель J для варианта «а» составляет 0,106 (нерациональная форма исходной заготовки), а для варианта «б» J=0,0615 (рациональная форма). Критерий неравномерности деформации использовался при поиске рациональной технологии штамповки заготовок рулевых тяг [112; 121]. Поиск осуществляли в сле дующей последовательности. Ис пользуя программный комплекс «DEFORM-3D», моделировался процесс окончательной штамповки чашкообразной головки заготовки рулевой тяги. Рисунок 3.22 - Распределение деформации по сечению поковки при нерациональной (а) и рациональной (б) формах исходной заготовки [82] При этом исходная форма головок, отштампованных на предпоследнем переходе, задавалась в виде сферы и цилиндра (см. рисунок 3.13). Определялось распределение степени деформации ег по объему отштампованной головки (см. рисунки 3.15 и 3.19). Выделялись зоны с одинаковой степенью деформации ег и определялся объем Vk элементов с одинаковой степенью деформации. При этом объем Vk элемента находился с помощью программного комплекса «КОМПАС» (рисунок 3.23).
1 Используя программный комплекс «DEFORM-3D», выполнено конечно-элементное моделирование процесса бокового зажима участка заготовки в виде двух усеченных конусов. На основании выполненных расчетов определены напряженно-деформированное состояние в заготовке и зависимость усилия зажима от перемещения инструмента при различной температуре. Установлено, что силовые возможности бокового ползуна ГКМ модели «ВВ 1134» обеспечивают боковой зажим полуматрицами штампуемого участка заготовки. Кроме того, полученные результаты использовались для определения величины поперечной удерживающей силы при оценке устойчивости штампуемого участка заготовки в условиях продольно-поперечного изгиба.
2 Разработана методика поиска рационального формоизменения при штамповке головок чашкообразной формы на основе критериального подхода с использованием результатов конечно-элементного моделирования. При этом предложено использовать силовой критерий, энергетический критерий и критерий неравномерности деформации. 3 Используя разработанную методику и результаты конечно-элементного моделирования, установлено, что при штамповке головки чашкообразной формы из заготовки цилиндрической формы усилия деформирования снижаются на 12,4 %, затраты энергии на 45,1 % по сравнению со штамповкой из заготовки сферической формы. Кроме того, на 31 % снижается неравномерность деформации.
Промышленное опробование разработанной технологии
Электротензометрический метод [127129] основан на измерении приращения электрического сопротивления проводника (полупроводника), деформируемого совместно с деталью или заготовкой, к которой он механически прикреплен (приклеен). Сопротивление проводника R пропорционально его длине / и обратно пропорционально площади поперечного сечения F:
При малой деформации проводника ///=е его сопротивление изменяется на величину R/R. Это явление называют тензоэффектом, а коэффициент, связывающий относительное изменение сопротивления и деформацию, -коэффициентом тензочувствительности материала Км:
Проводниковые тензорезисторы выполняют на основе тонкой проволоки диаметром 230 мкм (проволочные тензорезисторы) или на основе тонколистовой фольги толщиной 510 мкм (фольговые тензорезисторы) [128]. Одним из лучших материалов, который в настоящее время применяют для изготовления проволочных и фольговых тензорезисторов, является константан, представляющий собою сплав меди и никеля [129].
Для проведения измерений в ходе экспериментов использовали фольговые тензорезисторы на бумажной основе. Коэффициент тензочувствительности такого резистора: К — —— \lQ + апЬ0(1 — /І)], (45) где і м - коэффициент тензочувствительности материала; (l0+b0) - суммарная протяженность тензоматериала на продольном /0 и поперечном b0 участках петлевой или фольговой тензорешетки; ап - коэффициент изменения тензочувствительностей на поперечных участках. Для фольговых тензорезисторов К=2,1±0,2 [1].
Для измерения статических и Принципиальная схема измерительного моста квазистатических деформаций используют мостовые схемы (рисунок 4.4) с питанием на переменном или постоянном токе, позволяющие осуществлять схемную термокомпенсацию. В связи с широким внедрением микроэлектроники наиболее универсальными являются цепи на постоянном токе. Питание тензорезистора и преобразование измененного электрического сигнала от него происходит в тензоусилителе.
В ходе выполненных экспериментов осуществлялось измерение и регистрация двух основных параметров процесса штамповки, а именно усилия, прикладываемого к пуансону, и перемещение пуансона. Усилие, воспринимаемое пуансоном, регистрировалось с помощью четырех тензодатчиков, равномерно размещенных на месдозе. Причем между ползуном пресса и месдозой, установленной на пуансоне, располагался стальной шар, который обеспечивал соосное равномерное распределение давления на рабочую поверхность мес дозы. Перемещение пуансона измеряли по сигналу от тензодатчиков, закрепленных на стальной упругой пластине, один конец которой жестко фиксировался на неподвижной части пресса, а другой - укреплялся на пуансоне. При перемещении пуансона пластина изгибалась, задавая определенную деформацию датчикам, по сигналам которых измерялась величина перемещения. Экспериментально-измерительный комплекс для моделирования процесса штамповки чашкообразной заготовки представлен на рисунке 4.5. 6
Свинцовая заготовка помещалась в матрицу, которая устанавливалась в корпус 5 штампа, и деформировалась пуансоном 6, рабочая часть которого также размещалась в корпусе 5 соосно с матрицей. В боковой стенке корпусе 5 выполнялись смотровые отверстия для визуального наблюдения за процессом штамповки. На верхний торец пуансона 6 устанавливалась месдоза 2 с тензодатчиками, сигналы от которых подавались на усилитель. Между мес дозой 2 и ползуном пресса размещался стальной шарик 3, который обеспечивал равномерную передачу давления на месдозу 5. Перемещение пуансона 6 регистрировалось по деформации тензодатчиков, которые укреплялись на стальной упругой пластине 4. При движении пуансона 6 пластина 4 изгибалась, деформируя тензодатчики. Месдоза 5 была изолирована от остальных металлических элементов с помощью бумажных прокладок, чтобы исключить влияние внешних импульсов на сигналы тензодатчиков. Сигналы с тензодатчиков подавались на усилитель и преобразователь, который позволял получить информацию в табличной форме, что позволило вести дальнейшую обработку полученных данных измерения с помощью средств программы «Microsoft Office Excel».
В ходе экспериментов штамповались чашкообразные заготовки (рисунок 4.6). При этом использовались исходные заготовки сферической и цилиндрической форм в количестве по пять штук для каждого вида. Усредненные результаты экспериментов представлены в таблицах 4.2 и 4.3, а также на рисунке
Анализ результатов экспериментов показал, что при штамповке изделий чашкоообразной формы из исходных заготовок цилиндрической формы усилия штамповки на 1015 % меньше, чем при штамповке аналогичных изделий из заготовок сферической формы. Кроме того, затраты энергии, которые оценивались по площади под кривой P=f(Ah) (Р - усилие штамповки; Ah -перемещение пуансона) также снижаются на 3040 %.
Используя программный комплекс «DEFORM-3D», выполнено компьютерное моделирование процессов штамповки заготовки чашкообразной формы из свинцовых исходных заготовок сферической и цилиндрической форм. Реологические свойства свинца задавались в соответствии с результатами экспериментов по осадке цилиндрических образцов с торцевыми буртиками, заполненными парафином (таблица 4.1, рисунок 4.2). Результаты выполненных расчетов в виде графиков зависимости усилия штамповки от перемещения пуансона и их сопоставление с результатами экспериментов представлены на рисунках 4.7 и 4.8.