Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор. состояние и перспективы развития технологии штамповки деталей с наклонными фланцами 13
1.1 Классификация и область применения изделий с наклонными фланцами 13
1.2 Современное состояние теории и технологии операции раздачи 20
1.3 Технологические процессы штамповки деталей с помощью операции раздачи 23
1.3.1 Раздача на растяжных пуансонах 23
1.3.2 Раздача с применением эластичных сред 26
1.3.3 Раздача трубы коническим пуансоном, ограничиваемая потерей устойчивости цилиндрической формы заготовки 27
1.3.4 Определение предельной критической длины трубчатой заготовки экспериметальным путём 28
1.3.5 Потеря устойчивости трубной заготовки при осевом сжатии 31
1.4 Способы теоретического анализа операции неравномерной раздачи .32
1.4.1 Метод сопротивления металлов пластическим деформациям .34
1.4.2 Метод линий скольжения 35
1.4.3 Метод конечных элементов. Оценка напряжённо-деформированного состояния в очаге деформации .39
1.4.4 Метод совместного решения уравнений равновесия и условия пластичности 41
1.4.5 Метод верхней оценки по жесткопластической схеме (баланс мощностей) 43
1.4.6 Метод баланса работ 45 1.4.7 Метод Ритца-Тимошенко .46
1.5 Определяющие соотношения для анализа операции неравномерной раздачи 47
1.6 Выводы .49
Глава 2. Компьютерное моделирование технологического процесса получения наклонных фланцев с использованием способа неравномерной раздачи 51
2.1 Неравномерная раздача наклонных фланцев на трубных заготовках из стали 20 ГОСТ 1060-83 .52
2.2 Взаимосвязь размеров получаемого фланца с углом наклона оси конической части пуансона к оси симметрии трубной заготовки, углом конусности пуансона и углом среза торца заготовки ... 54
2.2.1 Управление размерами фланца за счёт изменения угла конусности пуансона .57
2.2.2 Управление размерами фланца за счёт изменения угла среза заготовки 59
2.3 Управление размерами фланца за счёт изменения коэффициента раздачи и относительной толщины заготовки 60
2.4 Анализ энергосиловых характеристик при неравномерной раздаче .62
2.5 Моделирование процесса калибровки наклонного фланца на примере трубной заготовки из стали 20 ГОСТ 1060-83 .64
2.6 Рекомендации по выбору рациональных параметров для проектирования оснастки .69
2.7 Выводы .71
Глава 3. Математические модели процесса неравномерной раздачи 72
3.1 Математическая модель формоизменения конических участков труб для исследования напряжённо-деформированного состояния .72
3.2 Исследования кинематических параметров. Рекуррентное соотношение для определения положения точек краевой части заготовки на конической поверхности пуансона 87
3.3 Выводы .99
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования по штамповке наклонных фланцев на трубных заготовках способом неравномерной раздачи 101
4.1 Оборудование и штамповая оснастка 101
4.2 Реализация первого перехода штамповки наклонных фланцев на трубных заготовках .106
4.3 Дефекты, возникающие при неравномерной раздаче трубных заготовок 119
4.4 Второй переход. Окончательная калибровка фланцев между плоскими бойками 122
4.5 Выводы .126
Заключение .127
Библиографический список 130
- Раздача трубы коническим пуансоном, ограничиваемая потерей устойчивости цилиндрической формы заготовки
- Взаимосвязь размеров получаемого фланца с углом наклона оси конической части пуансона к оси симметрии трубной заготовки, углом конусности пуансона и углом среза торца заготовки
- Исследования кинематических параметров. Рекуррентное соотношение для определения положения точек краевой части заготовки на конической поверхности пуансона
- Дефекты, возникающие при неравномерной раздаче трубных заготовок
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В настоящее время в
машиностроении перед исследователями стоит необходимость повышения эффективности производства и качества получаемых изделий. В различных отраслях промышленности широкое распространение получили детали с фланцами, в том числе такие, у которых фланцевая часть расположена под заданным углом относительно оси симметрии трубы. К изготавливаемым способами обработки давлением изделиям предъявляются достаточно высокие требования по точности геометрических размеров, качеству, чистоте поверхности и уровню механических свойств. В результате пластической деформации достигается не только необходимое формоизменение, но и формируются заданные механические свойства (предел текучести, предел прочности, показатели пластичности) в зависимости от назначения изделия и условий его эксплуатации. Эти задачи следует решать при минимальном количестве технологических операций. Материалы, подвергаемые штамповке способом неравномерной раздачи, как правило, обладают анизотропией механических свойств, обусловленной видом материала и технологическими режимами его получения. На процесс формообразования наклонных фланцев оказывают влияние различные факторы. Они могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологического процесса. Процесс неравномерной раздачи может сопровождаться образованием трещины на краевой части заготовки при неправильном проектировании технологии. Не существует единой методики для определения предельных возможностей формоизменения трубной заготовки при неравномерной раздаче.
Таким образом, развитие теории и технологии штамповки наклонных фланцев с использованием операции неравномерной раздачи является актуальной задачей.
Степень разработанности. Значительный вклад в развитие теории при деформировании трубных заготовок внесли: Ю.А. Аверкиев, А.Э. Артес, А.А.Бебрис, Ю.М. Вольмир, Н.И. Демченко, М.Н. Горбунов, М.Ф. Каширин, В.А. Каюшин, Ю.Б. Колесов, В.Д. Кухарь, Р.И. Непершин, А.Г. Овчинников, О.В. Пилипенко, Пашкевич, Е.А. Попов, О.В. Попов, И.П. Ренне, В.П. Романовский, Е.Н. Сосенушкин, А.Д. Томленов, В.В. Третьюхин, Е.П. Унксов, Р. Хилл, А.С. Чумадин, С.П. Яковлев, С.С. Яковлев и др. В трудах этих ученых разработаны и усовершенствованы методы анализа процессов пластического формоизменения, даны примеры их применения к процессам обработки металлов давлением, в частности к технологии листовой штамповки.
Несмотря на большое количество работ, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям процесса раздачи, вопросы теории формоизменения трубных заготовок способом неравномерной раздачи в
настоящее время только начали разрабатываться. Все еще мало внимания уделяется в научно-технической литературе исследованиям кинематики течения материала, напряженного и деформированного состояния заготовки, предельным возможностям деформирования трубных заготовок при реализации процесса неравномерной раздачи, а так же устойчивости трубных заготовок.
Анализ результатов этих работ позволил установить основные проблемы, возникающие при разработке технологических процессов получения изделий с наклонными фланцами из трубных заготовок и их эффективной реализации в промышленном производстве.
Целью работы является совершенствование процесса штамповки изделий с наклонными фланцами, выражающееся в получении переходов с наклонными фланцами за минимальное число технологических операций. Заданный комплекс механических свойств и снижение трудоёмкости достигается с помощью управления технологическими и геометрическими параметрами неравномерной раздачи, параметрами оснастки и заготовки.
Для достижения сформулированной цели были поставлены и решены следующие задачи:
разработать и исследовать компьютерную и математическую модели деформирования трубных заготовок в условиях плоской деформации с учётом влияния геометрических и технологических факторов на напряженное и деформированное состояния заготовки, предельные возможности формообразования и устойчивость протекания процесса деформирования при штамповке изделий с наклонными фланцами способом неравномерной раздачи для управления процессом формоизменения;
создать математическую модель по определению положения заготовки на конической поверхности пуансона в любой момент деформирования;
на основе анализа результатов моделирования разработать новую конструкцию штамповой оснастки для получения фланцев, расположенных под различными углами к оси симметрии трубной заготовки;
подтвердить экспериментальными исследованиями адекватность математической и компьютерной моделей для анализа операции неравномерной раздачи;
разработать рекомендации по расчету и проектированию технологических процессов и штамповой оснастки для изготовления изделий с наклонными фланцами из трубных заготовок из низкоуглеродистых сталей.
использовать результаты работы в учебном процессе;
отработать предложенную технологию и рекомендации в производственных условиях.
В качестве объекта исследования выбраны трубные изделия из стали 20 ГОСТ 1060-83, которые необходимо изготовить, используя операцию неравномерной раздачи. Геометрические параметры заготовки и инструмента
оказывают влияние, как на размер штампуемых деталей, так и на устойчивость протекания процесса деформации. Поэтому важная роль отводится управлению геометрическими и технологическими параметрами. Основные детали – представители, которые нами были выбраны из значительной номенклатуры деталей сложной формы, являются фланцевые детали стержневого типа и типа переходов. Данная группа изделий применяется в конструкциях машин и приборов, при строительстве летательных аппаратов и в различных отраслях промышленности. Традиционная технология изготовления таких изделий – сварка фланцевой части с основной трубной магистралью или с другим узлом в конструкции. Это приводит к потерям металла. Кроме того, встречаются случаи, когда сварка невозможна из-за геометрии конструкции.
Предмет исследования. Установление закономерностей напряжённо-
деформированного состояния (НДС) в процессе неравномерной раздачи
трубной заготовки со степенью упрочнения металла, с условиями трения на
контактных поверхностях с относительными геометрическими
характеристиками заготовки и изделия, с углами конусности инструмента и наклона оси конического участка.
Результаты, полученные автором и выносимые на защиту:
- закономерности влияния геометрических параметров: коэффициента
раздачи, относительной толщины стенки заготовки, угла образующей
конического участка, угла наклона оси фланца на НДС в очаге деформации;
- установлено влияние коэффициента раздачи и угла наклона оси
фланца на длину образующей конической поверхности;
- применение модульной штамповой оснастки, позволяющей управлять
геометрическими параметрами фланца.
Научная новизна заключается в:
взаимосвязи напряжённо-деформированного состояния металла, возникающего в очаге деформации заготовки, с относительными геометрическими размерами заготовки и детали, со степенью упрочнения материала и коэффициентом трения на контактных поверхностях;
математической модели неравномерной раздачи трубных заготовок в условиях плоского напряженного состояния, учитывающей упрочнение металла и условия трения на контактных поверхностях при получении переходов с наклонными фланцами с использованием способа неравномерной раздачи;
соотношениях, необходимых для анализа кинематики течения материала, напряженно-деформированного состояния заготовки и предельных возможностей формоизменения при операции неравномерной раздачи;
в экспериментально установленной взаимосвязи размера фланца от коэффициента раздачи, угла конусности пуансона, а также условий симметрии размеров фланца во всех направлениях;
- рекуррентном соотношении для определения положения точек на
краевой части трубной заготовки при неравномерной раздаче в любой
момент деформирования.
Практическая значимость работы заключается в:
в инженерной методике расчета полей напряжений и деформаций, возникающих во фланце трубного полуфабриката при неравномерной раздаче, основанной на разложении сложной подынтегральной функции, сходящейся в степенной ряд, позволяет интегрировать дифференциальное уравнение в частных производных и получить аналитическую формулу для расчёта напряжений и изменения толщины;
в рекомендациях по расчёту технологических параметров операции неравномерной раздачи трубных заготовок из низкоуглеродистой стали и управления ими для получения фланцев с разными геометрическими характеристиками;
- проектировании и изготовлении модульной штамповой оснастки
оснастки, которая позволяет управлять геометрическими параметрами
оснастки: углом конусности =3045, углом наклона оси конической части
=2540, радиусом сопряжения R=310 мм и штамповать фланцы,
расположенные под различными углами к основной оси трубной заготовки;
- во взаимосвязи угла наклона конусной части пуансона к оси
симметрии трубной заготовки, угла конусности пуансона, угла среза торца
трубной заготовки с размерами штампуемого фланца и симметричности его
расположения по отношению к оси конической части;
- в разработке технологического процесса изготовления наклонных
фланцев на трубных заготовках из стали 20 ГОСТ 1060-83, включающего
отрезку мерной заготовки под необходимым углом, разупрочняющей
термообработки заготовки (отжиг), штамповку конического участка
(I переход), калибровку фланца между плоскими плитами (II переход),
подрезку торца при необходимости
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Работа соответствует формуле специальности 05.02.09. «Технологии, машины обработки давлением» в области «формулирующей закономерности пластического деформирования различных материалов с целью создания технологии изготовления заготовок и изделий высокого качества» в полном соответствии с п.1 области исследования паспорта специальности.
Методы исследования. Теоретические исследования процесса
неравномерной раздачи выполнены с использованием основных положений
теории упругости и теории пластичности. Анализ кинематики течения и
деформированного состояния заготовки при неравномерной раздаче
выполнен численно методом конечных элементов с использованием средств
графического моделирования QFORM 3D. При проведении
экспериментальных исследований использована испытательная машина
Instron 5989 , обработка опытных данных осуществлялась с применением методов математической статистики.
Достоверность результатов обеспечена обоснованным
использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задач, применением известных математических методов и подтверждается согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями, а также практическим использованием результатов работы в промышленности.
Реализация работы. Полученные результаты и рекомендации
приняты к использованию на ОАО «Научно-исследовательский институт
металлургической технологии», г. Ижевск, о чем свидетельствует Акт
внедрения (см. Приложение 1 диссертации) и в учебном процессе кафедры
«Системы пластического деформирования» ФБГОУ ВО «МГТУ «Станкин»,
при чтении курса лекций по дисциплине: «Технология листовой
штамповки».
Апробация работы. Основные положения и наиболее интересные
результаты работы доложены и обсуждены на III научно-образовательной
конференции МТИ-2010 (ноябрь-декабрь, 2010 г.), научно-практической
конференции «Автоматизация и информационные технологии». (Март-
апрель. - МГТУ СТАНКИН, 2010 г.), на научно-образовательной
конференции «Автоматизация и информационные технологии» – (Март-
апрель - МГТУ СТАНКИН, 2011 г.), на научно-практической конференции
«Студенческая весна 2011: Машиностроительные технологии» (март-апрель,
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011 г.), на международной научно-практической
конференции “Инновации машиностроения” - (Бийск, Алтайский
государственный технический университет, 2010 г.), на 10-й международной конференции “Современные металлические материалы и технологии” (СММТ-2013).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 14 печатных работах: из которых 3 из Перечня ВАК, 1 патент на полезную модель, 1 патент на изобретение, 9- в других рецензируемых изданиях.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, списка литературы и приложения.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка
литературы и трёх приложений. Диссертация изложена на 141 странице
машинописного текста, включает 65 рисунков, 11 таблиц и
библиографический список из 112 наименований
Раздача трубы коническим пуансоном, ограничиваемая потерей устойчивости цилиндрической формы заготовки
Существует множество способов получения переходов с фланцами. Самым простым из них является раздача. Исследованием процесса раздачи трубных заготовок в разное время занимались российские и зарубежные специалисты: Аверкиев Ю.А. [1-2, 7], Аверкиев А.Ю. [3-6], Артэс А.Э.[10], Воронцов А.Л. [16], Горбунов М.Н. [17], Горелова И.А. [18], Глазков В.И. [9], Евсюков С.А. [36], Езжев А.С. [23, 24], Ершов В.И. [25], Каширин М.Ф. [9], Каюшин В.А., Ренне И.П.[32-34], Колесов Ю. Б. [35], Марьин С.Б.[44-45], Марьин Б.Н. [41-43], Малинин Н.Н. [39], Непершин Р.И. [48 21 49], Пашкевич А. Г. [8], Пилипенко О.В., Жарков А. А. [55], Попов Е.А. [56], Соколовский В.В. [72, 73], Сосенушкин Е.Н. [63-67], Третьюхин В.В. [87], Фролов В. Н. [89], Хилл Р. [91], Чудин В.Н. [92], Чумадин А.С. [93-95], Шалаев В.Д. [96], Шофман Л.А. [97], Шубин И.Н. [], Яковлев С.С.[99, 100], Яковлев С.П. [98-100], Kudo H. [105], Shield R.T. [107], Kobayashi S. [85, 104], Mellor P.B. [23, 103,106], Davis, Dokos [102].
Изучением процесса раздачи заготовок по жёсткому коническому пуансону, а также по коническому пуансону, у которого коническая часть переходит в цилиндрическую в разное время занимались Аверкиев Ю.А. [1,2], Аверкиев А.Ю. [3-6], Горбунов М.Н.[17], Попов Е.А. [56], Попов О.В. [57], Пашкевич А.Г.[8]. Ими получены математические формулы и соотношения, определяющие требуемую силу деформирования при равномерной раздаче, в общем виде определено напряженно деформированное состояние заготовки, произведен его анализ. Даны рекомендации по проектированию технологических процессов равномерной раздачи трубных заготовок. Горбунов М.Н. [17], Глазков В.И. [95], Каширин М.Ф.[9], Воронцов А.Л. [16] занимались исследованием допустимой степени деформации. Увеличить её можно за счет изменения схемы напряженно деформированного состояния. Наиболее эффективным является совместное использование подпора и дифференцированного нагрева заготовок в очаге деформации, позволяющее увеличить коэффициент раздачи примерно в 2 раза. Увеличения суммарного коэффициента формоизменения можно добиться за счет совмещения операций, например, раздачи и обжима. Проведение операции обжима совместно с раздачей может также вдвое увеличить коэффициент формоизменения за один рабочий ход и, следовательно, вдвое повысить производительность труда.
В работах Горбунова М.Н. [17], Каюшина В.А., Ренне И.П. [32-34, 58], Мозгова В.А. [92] экспериментальными методами были определены границы между раздачей и выворотом заготовки. Предложены конструкции штампов, определены требуемые силы деформирования.
Вопросами потери устойчивости цилиндрической заготовки при раздаче занимались Аверкиев А.Ю. [3-6], Аверкиев Ю.А. Шульга С.А. [1, 2], Попов Е.А. [56], Смирнов-Аляев Г. А.[60-62], Бебрис А.А. [12], Вольмир А.М. [15], Демченко Н.М. [23], Непершин Р.И. [48, 49], Сосенушкин Е.Н [63-67].
В работах Жаркова А.А., Пилипенко О.В. [55], Яковлева С.С., Яковлева С.П.[98, 99], Томленова А.Д. [83,84] приводятся результаты теоретических исследований напряженного и деформированного состояний заготовки, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения операции раздачи трубной заготовки, обладающей цилиндрической анизотропией механических свойств. Помимо раздачи жестким пуансоном рассмотрены способы раздачи эластичными средами [41-43]. Различают раздачу резиновым или полиуретановым пуансоном, раздачу жидкостью, либо газом, раздачу разжимной оправкой, раздачу шариками и сыпучими веществами, раздачу с помощью электрогидравлического эффекта, энергии взрыва и магнитного поля. Все перечисленные способы раздачи применяют, как правило, для деформирования средней части заготовки.
Используя штамповку раздачей, восстанавливают размеры наружных поверхностей пустотелых деталей (поршневых пальцев, чашек дифференциала при предельном износе шеек под кольца подшипников, труб, полуосей), применяя в качестве инструмента набор соответствующих пуансонов или протяжек.
Штамповку раздачей также применяют для нужд предприятий энергетической, нефтяной, газовой и химической промышленности для получения различных ответственных деталей, таких как переходы, муфты, заглушки и др. [11]. Из известных методов теоретического анализа большей математической строгостью отличаются методы теории пластического течения [31, 58], позволяющие определять деформации.
Традиционно распределение напряжений в стенке деформируемой трубной заготовки при раздаче и обжиме определяется совместным решением дифференциального уравнения равновесия и условия пластичности [2]. При решении этой классической задачи в зависимости от учёта технологических факторов, таких как трение, упрочнение, анизотропия, изменение толщины стенки, влияние изгиба и спрямления стенки, результаты будут отличаться [68]. Поскольку при решении основного уравнения учтено упрочнение, то полученные результаты будут точнее, нежели полученные ранее работах [71,73,74].
Взаимосвязь размеров получаемого фланца с углом наклона оси конической части пуансона к оси симметрии трубной заготовки, углом конусности пуансона и углом среза торца заготовки
В случаях, когда заготовка, отрезанная под прямым углом, раздаётся по коническому пуансону, показанных на рисунках 19 а) и 19 б) на одной из сторон пуансона раздача будет происходить раньше. Это приведёт к росту напряжений на краевой части заготовки. Следовательно, трещина начнёт образовываться раньше, чем фланец.
Если отрезать заготовку таким образом, что угол среза будет больше, чем угол конусности пуансона (рисунок 19 в), то одна поверхность будет подвергаться раздаче раньше, чем другая. После калибровки это может привести к образованию фланца овальной формы. Поэтому рациональным углом, под которым необходимо отрезать заготовку будет угол, близкий по значению к углу конусности пуансона (рисунок 19 г) или равный ему (рисунок 19 д).
То есть управление углом, под которым отрезают заготовку, позволяет оказывать влияние на геометрию фланца, получаемого после окончательной калибровки между плоскими бойками - на овальность и на симметричность расположения фланца относительно отверстия в трубе.
Подтверждение влияния угла среза на размеры и геометрию фланцевой части будет содержаться в результатах экспериментальных исследованиях в главе 4.
Управление размерами фланца за счёт изменения коэффициента раздачи и относительной толщины стенки заготовки
На размер фланца, получаемого после окончательной калибровки, может оказывать влияние относительная толщина заготовки .
В среде графического моделирования QFORM 3D была проведена серия численных экспериментов на трубных заготовках из стали 20. Неравномерная раздача моделировалась на трубных заготовках с разной толщиной стенки и с одинаковым внутренним диаметром (таблица 3). После моделирования неравномерной раздачи были получены перемещения элемента, выделенного на краевой части заготовки. По результатам моделирования можно найти среднее значение диаметра фланца, полученного после калибровки (не учитывая овальность, таблица 4):
Исходные данные для симуляции процесса получения наклонного фланца в среде графического моделирования QFORM 3D. s0, начальная толщина заготовки, мм Внутренний диаметр исходной заготовки, D0, мм относительная толщина стенки,
На рисунке 20 видно, что при увеличении толщины трубной заготовки увеличивается коэффициент раздачи.
Программа QFORM 3D позволяет регистрировать изменение силы раздачи и работы, совершаемой толкателем при перемещении на величину хода h (рисунок 21). Ниже приводятся графики изменения энергосиловых параметров раздачи. Из рисунка 21 а) видно, что при перемещении толкателя на 11 мм, рост силы прекращается на отметке Р=6,84 кН, значения перемещений элемента, выделенного в очаге деформации, также не наблюдается. а) Перекрестием показано перемещение, при котором прекращается рост деформаций и наблюдается падение напряжений на краевом участке до значения 163 МПа.
Изменение энергосиловых параметров от величины хода пуансона: а) изменение силы раздачи при перемещении толкателя на величину хода, h, мм; б) изменение работы, совершаемой при неравномерной раздаче заготовки. Данные графики позволяют сделать вывод о том, что при перемещении толкателя на 11 мм сила раздачи для данной заготовки из стали 20 составит 7 кН, при этом работа, совершаемая толкателем, составит 0,04 КДж. По мере раздачи на краевой части заготовки происходит интенсивное упрочнение металла, предельные значения тангенциальных напряжений на краевой части заготовки возрастают до значения =198,2 МПа (рисунок 14). Полученные математическим моделированием данные могут являться характерными признаками образования трещины на краевом участке трубной заготовки.
Исследования кинематических параметров. Рекуррентное соотношение для определения положения точек краевой части заготовки на конической поверхности пуансона
Раздача является распространённой операцией технологических процессов штамповки, обеспечивающей одновременное увеличение диаметра трубных заготовок по всему периметру. Для трубных деталей, имеющих фланец, раздача конического участка обычно является предшествующим переходом. Главной особенностью раздачи является действие тангенциальных напряжений и причем растягивающих, способных достигать максимальных значений на кромочном элементе штампуемой трубной заготовки. В связи с этим существуют ограничения при раздаче, которые связаны с максимальным утонением стенки. Экспериментами установлено, что степень деформации при раздаче за один переход не превышает 15-20% [59].
В качестве формообразующего инструмента использовались жёсткие конические пуансоны и матрицы с различными углами конусности. Рисунок 30 - Схема формоизменения коническим пуансоном при раздаче трубной заготовки.
Анализ задачи в общем виде приводит к уравнению равновесия при раздаче коническим пуансоном к виду [74]: где d, (Те R , Re - соответственно меридиональные и тангенциальные напряжения и радиусы кривизны в меридиональном и тангенциальном сечениях деформируемого участка; р. - коэффициент трения по закону Кулону; - угол наклона образующей конического пуансона. При использовании условия пластичности Треска Сен-Венана: где - коэффициент Лоде; s - предел текучести. В процессах обработки давлением с малыми пластическими деформациями, возникающими при напряжении, равном пределу текучести, т.е. сопротивление деформированию s возрастает от нулевого значения. В этом случае следует использовать степенную аппроксимацию закона упрочнения [75]: где , B – постоянная деформируемого металла; m – коэффициент деформационного упрочнения; - интенсивность деформаций вычисляется: , , –деформации выделенного элемента. При выполнении условия несжимаемости в деформациях интенсивность деформаций имеет вид: С учётом анизотропии, показателем которой является коэффициент трансверсальной анизотропии R, интенсивность деформаций выразится [76]: Закон упрочнения (3.3) с учётом известных параметров запишется в виде: где При допущении об однородности деформации по толщине трубной заготовки приращение деформаций выделенного элемента (рисунок 30 и рисунок 31) при его смещении на малую величину d составит [76]: где ds и d(H) – изменение толщины и длины выделенного кольцевого элемента. После интегрирования получим конечные деформации: где n- номер члена ряда и номер полосы. Рассматриваемое уравнение равновесия (3.1) является линейным дифференциальным уравнением первого порядка. Для его интегрирования методом вариаций примем:
Тогда уравнение равновесия примет вид: тогда Заметим, что подынтегральное выражение не интегрируется в элементарных функциях. Поэтому некоторые из них разложим в сходящиеся ряды Маклорена. Сходимость рядов можно оценить по признаку Даламбера. Полученное выражение подставим в (3.11):
После упрощения получим: Для определения постоянной интегрирования С, воспользуемся граничными условиями . Тогда уравнение (3.14) примет вид: Из которого в явном виде получим значение постоянной интегрирования С: В полученном выражении для ограничимся двумя первыми членами ряда, поскольку остальные слагаемые становятся пренебрежительно малыми величинами. Таким образом: Окружные напряжения определим из условия пластичности (3.2) Контактные напряжения при z=0 по формуле Лапласа [79]: При достаточно большой исходной толщине стенки контактное напряжение может оказаться соизмеримым с и , поэтому оно может оказывать существенное влияние на напряжённо-деформированное состояние в очаге деформации. При раздаче коническим пуансоном с учётом того, что на свободной поверхности , необходимо принять среднее контактное напряжение, равное его значению на срединной поверхности заготовки: Согласно теории пластического течения, скорости деформаций определяются через известные напряжения при условии подобия диаграмм Мора для напряжений и скоростей деформаций и коаксиальности соответствующих девиаторов [77]: У где , – интенсивности скоростей деформаций и напряжений. Отношения скоростей деформаций: -\ у (3.24) j Контактные деформации находим из системы уравнений: (3.25) Видно, что при раздаче текущая толщина определится из зависимости:
Анализ уравнения (3.26) показывает, что характер изменения толщины трубной заготовки зависит от напряженного состояния с учётом коэффициента анизотропии и будет изменяться при изменении радиуса .
Дефекты, возникающие при неравномерной раздаче трубных заготовок
Сравнение изменения энергосиловых параметров раздачи от перемещения толкателя для образцов из стали 20 ГОСТ 1060-83: а) силы б) работы. На рисунке 54 показано положение узловых точек координатной сетки на трубной заготовке после неравномерной раздачи. Максимальное значение силы раздачи, полученное из математической модели составляет Р=12,0 кН. По результатам эксперимента значение силы раздачи составляет Р=10,45кН. Сравнительный анализ показал, что расхождение в результатах экспериментальных исследований и результатах, полученных из математической модели не превышает 15% (рисунок 54). Приведённые результаты (сравнение перемещений точек на краевой части, приведённых на рисунке 53, и перемещений, полученных в ходе экспериментальных исследований) свидетельствуют о состоятельности разработанной математической модели и о достаточно высокой точности проведённого эксперимента. На рисунках 51, 52, 54 и в таблице 10 показано определение предельных возможностей формоизменения трубной заготовки при помощи нанесения сетки на краевую часть трубной заготовки. sпр – предельная толщина, после неравномерной раздачи составит 1,15 мм; Кпр – предельный коэффициент раздачи, составляет 1,56.
Размеры фланца после окончательной калибровки зависят от размеров полуфабриката, получаемой после неравномерной раздачи. Соответственно размеры получаемого фланца можно варьировать посредством управления технологическими и геометрическими параметрами процесса неравномерной раздачи, а именно: проведением дополнительного отжига заготовки перед операцией неравномерной раздачи и обязательно перед окончательной калибровкой фланца, для восстановления пластичности; изменением угла конусности пуансона до значения 45 и угла поворота конуса относительно оси симметрии цилиндрической части пуансона до значения 37; от относительной толщины заготовки.
Ограничивающим фактором кроме постоянно увеличивающихся на краевой части заготовки напряжений является утонение заготовки в процессе раздачи. Незначительное увеличение толщины стенки исходной заготовки приведёт к значительному снижению напряжений, возникающих на краевой части заготовки, и как следствие, к более позднему образованию трещины. Кроме того, при необходимости можно разбить этап неравномерной раздачи на несколько переходов, введя между ними разупрочняющую операцию отжига для снятия остаточных напряжений на краевой части заготовки, полученных при неравномерной раздаче. подбором смазки (таблица 11): Таблица 11 - Выбор смазки.
Эксперименты показали, что при реализации первого перехода наблюдается образование бочки в средней части трубной заготовки и искривление поверхности в зоне контакта заготовки с пуансоном. Это происходит из-за того, что внутренний диаметр трубной заготовки не соответствует диаметру пуансона, поэтому точность проектирования штамповой оснастки вносит существенный вклад в процесс получения фланцев методом неравномерной раздачи. Размеры гофров, их геометрия и количество зависят от множества факторов в частности от длины заготовки, её диаметра, и от угла конусности пуансона.
Проведение предварительного отжига заготовки увеличивает пластичность, а, следовательно, и размер самого гофра. Поэтому выбор силового режима и скорости деформации также влияют на формообразование фланцевой части.
На краевой части трубной заготовки возможна потеря устойчивости в виде появления трещины (рисунок 57), а также выпучивания его средней части (рисунок 58). Первое связано с концентрацией напряжений в локальных зонах с дальнейшим шейкообразованием, приводящим к разрыву. Второе - с возникновением напряжений, превышающих предел текучести материала за счёт увеличения работы трения, вследствие увеличения поверхности контакта.
Эксперименты показали, что при проведении дополнительного отжига трещинообразование начинается значительно позже, поскольку происходит снятие остаточных напряжений, возникающих на краевой части заготовки. Таким образом, получение фланца с использованием метода неравномерной раздачи ограничивается только уменьшением толщины в процессе раздачи.