Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние теории и технологии операций обжима, обжима с утонением и выдавливания трубных заготовок 11
1.1. Теоретические и экспериментальные исследования операций обжима и раздачи трубных заготовок 11
1.2. Теоретические и экспериментальные исследования операций выдавливания 24
1.3. Программный комплекс QForm 2D/3D 31
1.4. Основные выводы и постановка задач исследования 35
2. Моделирование операции обжима толстостенных трубных заготовок 39
2.1. Расчет размеров заготовки и перемещения пуансона 39
2.2. Основные предположения и допущения 42
2.3. Силовые режимы 44
2.4. Распределение среднего напряжения по толщине трубной заготовки 51
2.5. Неоднородность распределения напряжений по толщине трубной заготовки 53
2.6. Интенсивность напряжений 56
2.7. Неоднородность распределения интенсивности напряжений по толщине трубной заготовки 58
2.8. Распределение деформаций по толщине трубной заготовки 65
2.8. Неоднородность распределения деформаций по толщине труб
ной заготовки 69
2.10. Основные результаты и выводы 72
3. Моделирование операции обжима с утонением толстостенных трубных заготовок 75
3.1. Расчет размеров заготовки и перемещения пуансона 75
3.2. Основные предположения и допущения 76
3.3. Силовые режимы 7 8
3.4. Распределение среднего напряжения по толщине трубной заготовки 84
3.5. Неоднородность распределения средних напряжений по толщине трубной заготовки 87
3.6. Интенсивность напряжений 89
3.7. Неоднородность распределения интенсивности напряжений по толщине трубной заготовки 92
3.8. Распределение деформаций по толщине трубной заготовки 95 3.9. Неоднородность распределения деформаций по толщине труб
ной заготовки 99
3.10. Основные результаты и выводы 102
4. Моделирование совмещения операций обжима, обжима с утонением и выдавливания толстостенных трубных заготовок 106
4.1. Основные предположения и допущения 106
4.2. Силовые режимы 110
4.3. Распределение среднего напряжения по толщине трубной заготовки 115
4.4. Неоднородность распределения среднего напряжения по толщине трубной заготовки 119
4.5. Интенсивность напряжений 122
4.6. Неоднородность распределения интенсивности напряжений по толщине трубной заготовки 123
4.7. Распределение деформаций по толщине детали 127
4.8. Неоднородность распределения деформаций по толщине трубной заготовки 130
4.9. Основные результаты и выводы 134
5. Экспериментальные исследования. использование результатов исследований 139
5.1. Экспериментальные исследования операции обжима с утонением стенки толстостенных трубных заготовок 139
5.2. Экспериментальные исследования операции обжима толстостенных трубных заготовок 142
5.3. Рекомендации по проектированию технологических параметров совмещения операций обжима, обжима с утонением и выдавливания толстостенных трубных заготовок 144
5.4. Использование результатов исследований в промышленности... 152
5.5. Использование результатов исследований в учебном процессе 153
5.6. Основные результаты и выводы 153
Заключение 156
Список используемых источников 159
- Теоретические и экспериментальные исследования операций выдавливания
- Неоднородность распределения напряжений по толщине трубной заготовки
- Распределение среднего напряжения по толщине трубной заготовки
- Неоднородность распределения среднего напряжения по толщине трубной заготовки
Введение к работе
Актуальность темы. Современные тенденции развития различных отраслей промышленности характеризуются резким повышением требований к качеству и эксплуатационным свойствам изделий при снижении себестоимости их производства. Это стимулирует разработку высокоэффективных технологий, отвечающих указанным требованиям и реализующих экономию материальных и энергетических ресурсов, трудовых затрат.
Одним из путей повышения эффективности процессов холодной объемной штамповки является совмещение ряда технологических операций в одном переходе. К числу таких процессов относится совмещение операций обжима, обжима с утонением и обратного выдавливания толстостенных трубных заготовок, которое позволяет значительно увеличить эффективность получения детали переменного диаметра и толщины стенки за счет повышения коэффициента использования материала и снижения трудоемкости последующих доводочных работ. Использование совмещения операций обжима, обжима с утонением и обратного выдавливания для изготовления полых сложнопрофильных осесим-метричных деталей из трубных заготовок позволяет обеспечить соединение труб с разными диаметрами - переходниками.
В настоящее время разработка технологических процессов изготовления полых сложнопрофильных осесимметричных деталей из толстостенных трубных заготовок (D(/so<10... 15, где Do и so - наружный диаметр и толщина трубной заготовки) должна проводиться с минимальными сроками освоения выпуска продукции. Это возможно только при использовании современных методов подготовки производства, требующих применения более совершенных математических моделей, описывающих процессы деформирования материалов, и достижений вычислительной техники. В связи с этим, широкое использование прикладного программного комплекса Qform 2D/3D при моделировании операций обработки металлов давлением (ОМД) для изготовления полых сложнопрофильных осесимметричных деталей из толстостенных трубных заготовок является перспективным направлением изучения операций ОМД, позволяющей назначить рациональные технологические параметры.
Теоретическое обоснование рациональных технологических режимов совмещения операций обжима, обжима с утонением и обратного выдавливания на одной рабочей позиции толстостенных трубных заготовок, обеспечивающих снижение металлоемкости, трудоемкости изготовления, сокращения сроков подготовки производства и повышения эксплуатационных характеристик, является актуальной задачей.
Работа выполнялась в соответствии с государственными контрактами в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы Минобрнауки РФ, грантами РФФИ, научно-технической программой Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы», государственным контрактом Министерства образования и науки Российской Федерации.
Цель работы. Повышение эффективности совмещения операций обжима, обжима с утонением и выдавливания толстостенных трубных заготовок на одной рабочей позиции путем теоретического обоснования рациональных технологических режимов пластического деформирования с использованием компь-
ютерного моделирования в среде прикладного программного комплекса Qform 2D/3D на базе метода конечных элементов (МКЭ).
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи исследований:
-
Исследование совмещенной модели операций обжима, обжима с утонением и обратного выдавливания на одной рабочей позиции толстостенных трубных заготовок из низкоуглеродистых сталей методом компьютерного моделирования на базе МКЭ.
-
Анализ технологических условий обработки при совмещении операций обжима, обжима с утонением и обратного выдавливания на одной рабочей позиции толстостенных трубных заготовок из низкоуглеродистых сталей.
-
Разработка рекомендаций по проектированию технологических процессов изготовления сложнопрофильных осесимметричных деталей из толстостенных трубных заготовок операциями обжима, обжима с утонением, обратного выдавливания и их совмещения на одной рабочей позиции.
-
Использование результатов исследований в промышленности и в учебном процессе.
Объект исследования. Процессы пластического деформирования трубных заготовок.
Предмет исследования. Операции обжима, обжима с утонением, совмещение операций обжима, обжима с утонением и обратного выдавливания толстостенных трубных заготовок путем компьютерного моделирования на базе МКЭ.
Методы исследования. Теоретические исследования операций обжима, обжима с утонением и обратного выдавливания толстостенных трубных заготовок выполнены с использованием основных положений теории пластичности упругопластического, несжимаемого, упрочняющегося материала в программном комплексе Qform 2D/3D. Для создания моделей геометрии заготовки, рабочего инструмента и штампа использованы программные комплексы КОМПАС 3D v. 13 и SOLID WORKS 2010. Рациональные технологические параметры исследованных операций пластического деформирования оценивались по силовым режимам, коэффициентам неоднородности распределения интенсивности напряжений и деформаций по толщине сложнопрофильной осесимметричной детали, а также по распределению интенсивности напряжений и деформаций по толщине детали.
Автор защищает:
предложенную технологическую схему совмещения операций обжима, обжима с утонением и обратного выдавливания на одной рабочей позиции толстостенных трубных заготовок на основе использования результатов моделирования;
установленные количественные зависимости влияния технологических параметров (коэффициента трения на контактных поверхностях рабочего инструмента и заготовки, коэффициента обжима, коэффициента утонения, угла конусности матрицы, степени деформации) на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния, неоднородности распределения интенсивности напряжений и деформаций по толщине сложнопрофильной осесимметричной детали, силовые режимы исследуемых операций пластического деформирования;
результаты сравнения теоретических и экспериментальных исследова-
ний, полученных другими авторами, по силовым режимам операций обжима и обжима с утонением стенки трубных заготовок из стали 10;
разработанные рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления сложнопрофильных осесимметричных деталей из толстостенных трубных заготовок операциями обжима, обжима с утонением, обратного выдавливания и их совмещения на одной рабочей позиции, обеспечивающих заданное качество их изготовления, уменьшение трудоемкости и металлоемкости деталей, сокращение сроков подготовки производства новых изделий;
предложенную технологическую схему изготовления сложнопрофильных осесимметричных деталей «переходник» из толстостенных трубных заготовок совмещением операций обжима, обжима с утонением и обратного выдавливанием на одной рабочей позиции.
Личное участие автора в получении результатов исследований: предложена технологическая схема совмещения операций обжима, обжима с утонением и обратного выдавливания на одной рабочей позиции толстостенных трубных заготовок на основе использования результатов моделирования; выявлены закономерности влияния технологических параметров на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния, неоднородности распределения интенсивности напряжений и деформаций по толщине сложно-профильной осесимметричной детали, силовые режимы исследуемых операций пластического деформирования; разработаны рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления сложнопрофильных осесимметричных деталей из толстостенных трубных заготовок операциями обжима, обжима с утонением, обратного выдавливания на одной рабочей позиции; разработана технологическая схема изготовления сложнопрофильных осесимметричных деталей из толстостенных трубных заготовок.
Научная новизна. Определено распределение интенсивности напряжений и деформаций по толщине сложнопрофильной осесимметричной детали и силовых режимов при выполнении совмещения операций обжима, обжима с утонением и обратного выдавливания толстостенных трубных заготовок, протекающих в условиях объемного напряженного и деформированного состояний. Выявлено, что течение материала может реализовываться по двум вариантам в зависимости от величин технологических параметров.
Практическая значимость. Разработаны рекомендации по расчету технологических параметров операций обжима, обжима с утонением стенки и совмещения операций обжима, обжима с утонением и обратного выдавливания толстостенных трубных заготовок на одной рабочей позиции на основе моделирования этих операций с применением программного комплекса QForm 2D/3D.
Реализация работы. Разработанные рекомендации по расчету технологических параметров для изготовления сложнопрофильных осесимметричных деталей были востребованы в опытном производстве на ОАО «ТНИТИ» (г. Тула) при проектировании технологических процессов, инструмента и оснастки для изготовления деталей «переходник» совмещением операций обжима, обжима с утонением и обратного выдавливания на одной рабочей позиции из толстостенных трубных заготовок из стали 10. Эффективность разработанных технологических процессов связана с сокращением сроков подготовки производства, уменьшением металлоемкости заготовок, трудоемкости изготовления деталей, повышением их качества за счет отказа от доводочных работ. Отдельные
результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров направления 150700 «Машиностроение» профиля «Машины и технология обработки металлов давлением», а также в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Современные технологии обработки металлов и средства их автоматизации» (г. Тула, 2014 г.); на ежегодных международных научно-технических конференциях «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (АПИР - 16, АПИР - 18, г. Тула, ТулГУ, 2012 -2014 гг.), на научно-практических конференциях «Молодежные инновации» Тульского государственного университета (г. Тула, 2014 г.), а также на ежегодных НТК профессорско-преподавательского состава ТулГУ в 2010 - 2015 гг.
Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 10 статьях в рецензируемых изданиях, внесенных в «Перечень утвержденных ВАК Российской Федерации изданий для публикации трудов соискателей ученых степеней»; 3 статьях в международных сборниках научных трудов, 3 тезисах докладов на региональных и всероссийских научно-технических конференциях, общим объемом 7,12 п.л.; из них авторских - 5,7 п.л. Автор выражает глубокую благодарность канд. техн. наук, доценту В.А. Короткову за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения и пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 192 наименований, 2 приложений и включает 120 страниц машинописного текста, содержит 101 рисунок и 6 таблиц. Общий объем - 182 страницы.
Теоретические и экспериментальные исследования операций выдавливания
В результате анализа экспериментальных исследований процесса горячей штамповки плоских фланцев из трубных заготовок предложена зависимость для определения конечного значения толщины стенки краевых частей заготовки, учитывающая совокупность реальных факторов, влияющих на процесс деформирования [87].
Возможность и эффективность использования операций обжима и раздачи в технологических процессах в значительной степени зависят от величины допустимого формоизменения. Если при обжиме материал заготовки находится в условиях двухосного неравномерного сжатия в осевом и окружном направлениях, то технологические возможности процесса ограничиваются потерей устойчивости заготовки.
Ю.А. Аверкиевым экспериментально установлено два вида потери ус тойчивости [2, 5]. При соотношении размеров — -100 2,5...3,0 заготовка те ряет устойчивость в зоне передачи силы с образованием поперечных (по от-ношению к оси изделия) складок. Для заготовок, у потеря устойчивости наступает в виде продольных складок в зоне пластической деформации. Аналогичные результаты получены В.И. Фроловым [167, 168]. Критическое напряжение акр рекомендуется определять по формуле А.С. Вольмира [31]. Большое внимание изучению процессов обжима и раздачи труб уделено в работах М.И. Горбунова. В частности, для процесса обжима в конической матрице [41] указываются три причины ограничения этого процесса: потеря устойчивости заготовки в осевом направлении с образованием складки на не деформированной части трубы в зоне передачи силы; потеря устойчивости заготовки в окружном направлении с образованием складок вдоль образующей в конической части; выворот труб вовнутрь.
Приравняв силы, необходимые для обжима в конической матрице, и критическую силу, равную произведению предела текучести на величину площади сечения заготовки, М.Н. Горбунов определяет предельное значение коэффициента обжима.
Кроме этого, в работе [41] на основании экспериментов показано, что появление складок вдоль образующей зависит от степени деформации, угла конусности и относительной толщины заготовки. Значение критических деформаций, при которых наступает потеря устойчивости, практически не зависит от свойств материала.
В работе [41] показано также, что, начиная с некоторых углов конусности, заготовка при ее заталкивании в матрицу, получив начальный изгиб, не спрямляется, а продолжает заворачиваться внутрь по радиусу свободного изгиба. Критический угол конусности, выше которого заготовка не спрямляется, по опытным данным лежит в диапазоне 50...55 . Значение критического угла довольно устойчиво, не зависит от свойств материала и в малой степени зависит от толщины и диаметра заготовки. Дальнейшее исследование этого вопроса проводится в работе [43].
В работе [77] экспериментально определены условия гофрообразования в окружном направлении при обжиме низких тонкостенных колец коническим пуансоном с углом конусности а = 45. Установлено, что при двухпе-реходном процессе деформирования для колец из малоуглеродистых сталей гофрообразование возможно только на первом переходе и основными факторами являются относительные толщина и высота исходных заготовок.
В работе [118] предложена математическая модель обжима концов труб по жесткому пуансону заданного радиуса. Представлены некоторые результаты численного расчета напряженно-деформированного состояния в процессе формирования конца трубы сферической формы. Анализ численных расчетов позволил сделать допущения, при которых построено аналитическое решение нелинейной краевой задачи о сферическом движении мате риала для случая Сен-Венана-Мизеса.
Автором работы [152] было предложено решение задачи, состоящей в повышении эффективности изготовления трубчатых деталей с переменными диаметром и толщиной стенки в результате использования операции обжима с утонением. Теоретические исследования процесса обжима с утонением выполнены с использованием основных положений механики сплошной среды и теории пластичности изотропно-упрочняющегося тела. Анализ напряженного и деформированного состояний заготовки осуществлен методом конечных элементов.
Авторами работы [92] на базе теории осесимметричного деформирования изотропных тонкостенных цилиндрических заготовок получены зависимости для определения предельной степени деформации и технологической силы, на основе которых разработана технология обжима корпуса огнетушителя и спроектирован рабочий инструмент.
В работах [22, 79 - 81] исследуется аналогичное явление, возникающее при раздаче труб. Указывается правомочность распространения полученных результатов в соответствии с методом подобия на трубы большего диаметра.
Строгий анализ потери устойчивости выполнен А.А. Бебрисом [22]. На основе теории локальности деформации он создал методику расчета устойчивости заготовки в формоизменяющих операциях листовой штамповки и, в частности, операции обжима. Однако полученные им результаты сложны в использовании и требуют хорошего математического обоснования.
Методам повышения устойчивости заготовок в формоизменяющих операциях посвящена работа А.Г. Пашкевича и М.Ф. Каширина [121]. Эти авторы экспериментально исследовали три возможных схемы нагружения зоны передачи силы: свободное осевое сжатие, сжатие с ограничением по внутренней поверхности, сжатие с ограничением по внешней поверхности. Авторами установлено, что уменьшение опасности потери устойчивости цилиндрических трубных заготовок в процессах штамповки осевой силой деформирования возможно при использовании в штампах обойм, ограничи вающих зону передачи силы по внешней поверхности. Эффективность применения обойм возрастает с увеличением относительной толщины заготовок. Применение внутренних ограничивающих вкладышей эффекта увеличения несущей способности оболочек не дает. Логическое продолжение этих исследований отражено в работах [140, 141], где рассмотрено действие жестких и эластичных прижимов
Неоднородность распределения напряжений по толщине трубной заготовки
В настоящее время известно значительное количество экспериментальных работ в области прессования. В большинстве из них, однако, не принимаются во внимание последние достижения теории. В работе [67] представлены сортамент ребристых панелей, профилей и труб переменного сечения, полых профилей из алюминиевых и титановых сплавов, технологические схемы их прессования. Изложены вопросы течения металла, определения геометрических параметров пластической зоны, длительности и скорости деформации, сопротивления деформации при прессовании, а также расчеты силовых условий процесса и прессового инструмента на прочность. Рассмотрена разработка технологии прессования изделий специальной конфигурации.
Методы расчета сил, необходимых для деформирования заготовки в условиях холодной штамповки выдавливанием, разработанные на основе теории пластичности, не всегда позволяют учитывать наиболее важные факторы. Поэтому при разработке технологических процессов холодной штамповки выдавливанием часто используют результаты и рекомендации, полученные при экспериментальных исследованиях и накопленные производственной практикой. Теория холодной штамповки выдавливанием развивается и совершенствуется. На основе этой теории должны быть решены следующие основные задачи: определение удельных деформирующих сил, работы деформации и давлений на контактных поверхностях заготовки и рабочего инструмента, что необходимо при выборе оборудования для штамповки, при его проектировании и расчете на прочность рабочего инструмента; разработка методик определения напряжений в рабочем инструменте под действием рабочих давлений на контактных поверхностях и предварительного натяга, расчета его на прочность; определение кинематического, деформированного и напряженного состояний заготовки в процессе деформирования, обоснование и создание условий, обеспечивающих возможность деформирования при приложении меньших деформирующих сил; оценка предельного формо изменения за один переход на основе применения современных теорий разрушения при пластическом деформировании.
Необходимость решения этих задач привела к совершенствованию, дальнейшему развитию существующих и созданию новых методов анализа технологических задач обработки давлением. Так, применяемый в настоящее время метод решения приближенных уравнений, кроме равновесия и пластического состояния включает кинематические (деформационные) уравнения и уравнения связи между напряжениями и скоростями деформаций (деформациями). Соответствие результатов, полученных на основе теории, данным экспериментальных исследований зависит от того, насколько математическая модель согласуется с реальным анализируемым процессом. В технологии обработки давлением анализируемые процессы характеризуются свойствами обрабатываемых металлов и сплавов и скоростью приложения внешней нагрузки.
Течение материала в процессах штамповки выдавливанием является сложным и зависит от большого числа факторов. В простых операциях штамповки выдавливанием пластическое течение определяется схемой сил, воздействующих на заготовку; пластическими свойствами металла; геометрией заготовки и рабочего инструмента и другими факторами. Достоверность полученных результатов исследований в значительной мере определяется соответствием их математической модели, описывающей реальный процесс штамповки выдавливанием, и связана: со значительным изменением внешней формы и размеров заготовки в процессе выполнения операций штамповки выдавливанием, благодаря чему форма и размеры очага пластической деформации не всегда остаются неизменными, т.е. может быть неустановившееся течение; с тем, что не весь объем заготовки в процессе операции находится в состоянии пластичности; с неоднородным и неравномерным распределением скоростей течения в очаге пластической деформации и равномерной скоростью течения жестких частей заготовки, что влияет на выбор граничных условиях; со сложностью форм заготовки и рабочего инструмента; с условий трения на контактных поверхностях между заготовкой и инструментом.
Наиболее распространенной моделью обрабатываемого материала является идеальное жесткопластическое тело, к которому приложена статическая внешняя нагрузка. Использование ЭВМ расширяет возможности и позволяет решать технологические задачи пластичности, относящиеся к плоскому напряженному, плоскому деформированному или осесимметричному состоянию. В последнее время предприняты успешные попытки решать еще более сложные задачи. Заслуживают внимания методы анализа на основе теории пластичности, применяемые в теории обработки металлов давлением, которые при достаточно грубых допущениях позволяют получить аналитические зависимости для определения деформирующих сил с учетом упрочнения и условий трения.
При использовании модели идеального жесткопластического тела для анализа технологических операций важен правильный выбор напряжений текучести. Если в качестве напряжения текучести выбирать первоначальный предел, то результаты при определении силовых и энергетических параметров могут оказаться заниженными. Если напряжение текучести принимать соответствующим максимальной деформации, то результаты могут оказаться завышенными. По-видимому, наиболее целесообразно в каждом частном случае определять среднеинтегральное значение интенсивности деформаций и для него по диаграмме упрочнения выбирать напряжение текучести. Определение среднеинтегральной интенсивности деформации проведено Л. Г. Степанским [160].
Распределение среднего напряжения по толщине трубной заготовки
Анализ графических зависимостей на рис. 2.13 показывает, что с увеличением угла конусности матрицы а от 10 до 30 коэффициент неоднородности средних напряжений ка уменьшается на 5...15 % в зависимости от слоев заготовки. Отметим, что на свободной поверхности заготовки коэффициент уменьшается на 15 %, на контактной поверхности -на 7 % и внутри заготовки - на 5 %.
Графические зависимости изменения коэффициента неоднородности средних напряжений ка от коэффициента трения \i представлены на рис.
Из анализа графических зависимостей (рис. 2.14) видим, что с увеличением коэффициента трения jLi от 0,1 до 0,2 коэффициент неоднородности величины средних напряжений ка на свободной поверхности уменьшается на 14...22 %, на контактной поверхности ка увеличивается на 5... 15 % и внутри заготовки ка снижается на 15... 40 %.
Зависимости изменения ка от \і (m0Q = 0,6;а = 10 ): кривая 1 - PQ ; кривая 2 - /; кривая 3 - Р На рис. 2.15Рис. представлены линии зависимостей изменения коэффициента неоднородности величины средних напряжений ка от коэффициента обжима m0Q. . Зависимости изменения ка от m0Q (а = 10 ;JLI = 0,1): кривая 1 - PQ ; кривая 2 - /; кривая Ъ - Р Анализ кривых на рис. 2.16 показывает, что с увеличением коэффициента обжима m0Q от 0,6 до 0,8 коэффициент неоднородности величины средних напряжений ка возрастает на 10...25 % в зависимости от слоев заготовки. 2.6. Интенсивность напряжений Моделирование операции обжима без утонения толстостенных трубных заготовок позволило получить графические зависимости распределения интенсивности напряжений аг в трубной заготовке при обжиме без утонения стенки и шкалы распределения интенсивности напряжений Gj на заключительной стадии операции (рис.2.16). Распределение интенсивности напряжений в трубной заготовке при обжиме без утонения стенки Анализ рис. 2.16 показывает, что максимальная величина интенсивности напряжения распределена в зоне обжима и максимальное значение интенсивности напряжения аг находится на линии между участками обжима и образуемого цилиндра.
Зависимость az от /г в точке (а = 10 ;JLI = Q,\;mo6 = 0,6) Анализ графических зависимостей на рис. 2.17 показывает, что с увеличением относительной величины перемещения h относительная величина интенсивности напряжений а, изменяется по каждому участку на каждом слое. Отметим, что на участке обжима интенсивность напряжений аг увеличивается плавно к максимальному значению (на 40 %) и потом уменьшаются медленно на каждом слое (на 7... 10 %).
Неоднородность распределения интенсивности напряжений по толщине трубной заготовки
Неоднородность распределения интенсивности напряжений по толщине трубной заготовки аг оценивались коэффициентом неоднородности интенсивности напряжений ка. и его значение определяли по формуле коэффициента обжима m0Q. Анализ графических зависимостей показывает, что с увеличением коэффициента обжима m0Q от 0,6 до 0,8 коэффициент неоднородности интенсивности напряжений ка. уменьшается на 30...40 %. об
Зависимости изменения kc. от то (а = 10 ): кривая I - PQ; кривая 2 - /; кривая Ъ - Р Установлено, что наибольшее значение коэффициента неоднородности интенсивности напряжений имеет место в точке Рі (на контактной поверхности трубной заготовки), и наименьшее - в точке Р (на свободной поверхности трубной заготовки) (см. рис. 2.18). Графические зависимости изменения коэффициента неоднородности интенсивности напряжений ка. от коэффициента трения JLI (рис. 2.19) показывают сложный характер. Выявлено существование рациональных значений коэффициента трения JLI, соответствующих минимальным величинам коэффициента неоднородности интенсивности напряжений ка. .
С увеличением коэффициента трения JLI ОТ 0,1 до 0,2 коэффициент неоднородности интенсивности напряжений ка. уменьшается на 10...25 %. Наибольшие значения коэффициента неоднородности интенсивности напряжений ка. имеют место на свободной поверхности трубной заготовки. Одним из факторов, влияющих на коэффициент неоднородности интенсивности напряжений ка., является угол конусности матрицы а. Графические зависимости изменения коэффициента неоднородности интенсивности напряжений ка. от угла конусности матрицы а представлены
Неоднородность распределения среднего напряжения по толщине трубной заготовки
Совмещение несколько операций в одном штампе позволяет сократить трудоемкость штамповки и длительность технологического цикла, уменьшить количество штампов и число единиц оборудования, а также сократить транспортировку полуфабрикатов от пресса к прессу и упростить цеховое планирование. Кроме того, совмещение операций способствует повышению точности изготовления деталей и облегчает решение задачи механизации и автоматизации процессов штамповки, что, в свою очередь, дает возможность повысить производительность, лучше использовать оборудование, создать условия для безопасной работы и снизить себестоимость.
Приведем результаты компьютерного моделирования совмещения операций обжима, обжима с утонением, обратного выдавливания толстостенных трубных заготовок с использованием программного комплекса Qform 2D/3D v. 7. Оценили влияние технологических параметров, коэффициента трения и угла конусности матрицы на силовые режимы, напряженное и деформированное состояния заготовки, неоднородность распределения напряжений, интенсивности напряжений и деформаций по толщине заготовки при совмещении операций обжима, обжима с утонением, обратного выдавливания толстостенных трубных заготовок [103, 106, 112].
Для определения силовых режимов операций совмещения обжима с утонением и выдавливания используем модель, которая представляет собой полую осесимметричную заготовку в формате 3D. В связи с указанными факторами для моделирования выбран программный комплекс Qform 2D/3D v.7, позволяющий моделировать процессы объемной штамповки с использованием 3D конечных элементов пирамидальной формы. Для создания геометрии деталей экспериментальных штампов и заготовок используем программный комплекс КОМПАС 3D. На рис. 4.2 представлены модели заготовки и инструментов в формате 3D перед моделированием в среде программы Qform 2D/3D v.7.
Модели заготовки выполняли из стали 10 (а = 210 МПа; о6 =340МПа; П = 750МПа); диаметр заготовки 134x106 мм в конической матрице с углами конусности а = 10; 20 и 30 ; коэффициентами трения ы = ОД; ОД 5 и 0,2; коэффициентами обжима т0 = 0,7; 0,8 и 0,9; коэффициентами утонения тут=0,8; 0,9 и 1,0; глубиной выдавливания к = 10мм и степенью деформаций поперечного сечения = 67,5; 70; 72,5; 75; 77,5% в среде программы Qform 2D/3D v.7.
Заготовка в этапах операции совмещения обжима с утонением и выдавливания толстостенных трубных заготовок представлена нарис. 4.3.
При совмещении операций обжима с утонением и выдавливания трубных заготовок в зависимости от сочетания технологических параметров и геометрии рабочего инструмента течение материала может осуществляться по двум вариантам: и ы = 0,1: при Е = 67,5% (вариант 1) и Е = 72,5% (вариант 2) приведены на рисунке 4.4. Проанализировав графические зависимости, приведенные на рис. 4.4 видим, что изменение относительной величины силы Р при совмещении операций обжима, обжима с утонением и выдавливания может условно разделиться на пять стадий. На первой стадии (I) операций обжима с утонением и выдавливания трубная заготовка обжимается на конической поверхности матрицы. В этой стадии относительная величина силы операций Р плавно увеличивается с ростом относительной величины перемещения h . На второй стадии (II) реализуется операция выдавливания, когда относительная величина силы Р резко увеличивается с ростом относительной величины перемещения h. На третьей стадии (III) осуществляется формирование зоны утонения, и относительная величина силы операции Р увеличивается по мере формирования зоны утонения, а далее остается постоянной величиной с ростом относительной величины перемещения h.