Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса 7
1.1. Сущность метода и область применения 7
1.2. Методы расчета процесса деформирования полых оболочек секционным инструментом 14
1.3. Цели и задачи исследований 23
2. Анализ деформированного состояния при штамповке по лых оболочек секционным разжимным инструментом с помощью кинематически возможных полей скоростей и ускорений 26
2.1. Уравнения движения, поля скоростей, ускорений и энергосиловые параметры процесса деформирования полой .оболочки равномерным внутренним давлением 26
2.2. Линии тока, поля скоростей и ускорений при штамповке полых цилиндрических оболочек секционным разжимным инструментом 37
2.2.1. Плоское деформированное состояние 40
2.2.2. Плоское напряженное состояние 55
2.2.3. Уравнения движения при раздаче оболочек секционным разжимным инструментом выпуклой формы 64
2.3. Определение энергосиловых параметров процесса 71
Выводы. 84
3. Предельное состояние и устойчивость процесса деформирования полых оболочек секционным разжимным инструментом 86
3.1. Методика оценки устойчивости процесса 86
3.2. Учет деформационного упрочнения 96
3.3. Изменение толщины стенки оболочки в процессе деформирования 100
3.4. Определение параметров огранки при деформировании цилиндрических оболочек секционным разжимным ин-
струментом 102
Выводы ИЗ
4. Экспериментальные исследования 114
4.1. Методика проведения экспериментальных исследований 114
4.2. Оборудование, оснастка и приспособления... 116
4.3. Обработка экспериментальных данных 133
4.4. Определение экспериментальных полей перемещений при формоизменении секционным разжимным инструментом 136
4.5. Распределение деформаций и предельное состояние при раздаче полых оболочек секционным разжимным инструментом Ї5І
Выводы 162
5. Практические рекомендаций и внедрение результатов 164
5.1. Штампы-экспандеры для деталей сложной формы 164
5.2. Внедрение результатов 174
Выводы 180
Общие выводы 181
Литература
- Методы расчета процесса деформирования полых оболочек секционным инструментом
- Линии тока, поля скоростей и ускорений при штамповке полых цилиндрических оболочек секционным разжимным инструментом
- Изменение толщины стенки оболочки в процессе деформирования
- Определение экспериментальных полей перемещений при формоизменении секционным разжимным инструментом
Введение к работе
Решения ХХУІ съезда КПСС и "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" предусматривают опережающие темпы роста машиностроения и металлообработки, а также существенное сокращение отходов и потерь металлопродукции. Решение этой задачи возможно за счет повышения эффективности производства, улучшения качества выпускаемой продукции и применения экономичных методов формообразования деталей [і].
В продукции, выпускаемой машиностроительными предприятиями, применяется большое количество деталей в виде полых оболочек, получаемых обкаткой на токарных станках, вытяжкой с последующей сваркой и т.д. Изготовление полых оболочек данными методами предусматривает высокую квалификацию рабочих, большое число технологических операций, значительные потери листового материала в отход.
Одним из перспективных методов получения оболочек сложной формы является формоизменение сварной или цельной заготовки секционным разжимным инструментом. Применение данного метода позволяет повысить коэффициент использования металла, производительность труда, улучшить качество и снизить себестоимость изготовления детали.
Более широкое внедрение штамповки секционным разжимным инструментом в производство задерживается из-за недостатка экспериментальных и теоретических исследований особенностей процесса, к которым можно отнести неравномерность распределения деформации по объему заготовки и локализацию ее в местах разъема секций, а также устройств, позволяющих получать качественные детали сложной формы.
В опубликованных исследованиях процесса деформирования разжимным инструментом в основном рассмотрены вопросы технологии, проекти- рования специализированного оборудования и расчета усилии. Причем в теоретических исследованиях, как правило, различие процессов деформирования оболочки секциями и равномерным внутренним давлением не учитывается. Такие вопросы, как устойчивость процесса деформирования, которая, как известно, связана с предельной степенью деформации, влияние конфигурации инструмента, неравномерность распределения деформации по периметру и высоте заготовки изучены недостаточно.
Целью настоящей работы являются теоретические и экспериментальные исследования кинематических и энергосиловых параметров, условий устойчивого деформирования полых оболочек секционным разжимным инструментом при различных напряженно-деформированных состояниях, а также совершенствование и разработка новых устройств, позволяющих стабилизировать и интенсифицировать процесс деформирования.
На оснований кинематически возможных полей скоростей, учитывающих неравномерность распределения деформации, разработан алгоритм и составлена программа расчета, позволяющие определять конечные размеры детали в зависимости от свойств материала, особенностей штамповой оснастки, относительных размеров заготовки, а также анализировать эяергосиловые параметры процесса с учетом упрочнения материала. Уточнены зависимости для определения параметров огранки изделия.
Предельную степень деформации оболочки определяли по методике, предложенной А.Д.Томленовым, в том числе с расчетом показателя напряженного состояния по теории пластического течения через скорости деформации.
Полученные зависимости подтверждены экспериментальными данными и численными расчетами на ЭВМ.
При проведении экспериментальных исследований механические свойства используемого листового материала определяли с помощью1 автоматизированной установки для замера равномерного относительного удлинения, разработанной и изготовленной на кафедре ШТОЩ Ростовского-яа-Дояу завода-ВТУЗа.
Предложен ряд новых штампов для формоизменения полых оболочек секционным разжимным инструментом, позволяющих интенсифицировать процесс и повысить качество получаемых деталей сложной формы*.
Диссертационная работа выполнена на кафедре "Машины и технология обработки металлов давлением" "?остовского-на-Дону ордена Трудового Красного Знамени института сельскохозяйственного машиностроения. s Автор выносит благодарность доценту, кандидату технических наук Аверкиеву А.Ю. за консультации,проведенные при выполнении данной работы.
Методы расчета процесса деформирования полых оболочек секционным инструментом
Теоретические и экспериментальные исследования процесса раздачи полых оболочек секционным разжимным инструментом наиболее полно отражены в работах советских ученых Е.И.Унксова, А.М.Абрамова, А.Н.Громовой, Е.П. Смолякова, м.й.лысова, Ё.Н.Мошнина,С.С.Соловце ва, А.Д.Матвеева, Ю.Л.Полякова, а также зарубежных авторов Вишнев-ски 3., Фукуи Ш. я др.
В настоящее время при исследовании процессов обработки металлов давлением применяется ряд методов, основанных на различных исходных предпосылках. К этим методам можно отнести: инженерный метод, основанный на анализе уравнении статики с всевозможными предположениями для уменьшения математических трудностей [35-37] ; метод визиопластичности, заключающийся в экспериментально-аналитических исследованиях [38]; метод линий скольжения, применяемый для решения плоских и осесимметричных задач [39-4і] ; метод сопротивления материалов пластическому деформированию [42-43J ; ряд энергетических методов, таких как метод баланса работ [44,45] и метод верхней оценки [46,47], метод конечных элементов [48,49] и др.
В первом приближений процесс деформирования полой оболочки секционным разжимным инструментом можно рассматривать как процесс раздачи равномерным внутренним давлением. Из многочисленных работ по решению задачи Ламе следует выделить исследования [40-42, 50--56]. Решения проведены для упругого [40,41,53,5б].упруго-пластического [40,41,53,56] и чисто пластического [51,52,54,55] состояния оболочки, а также для случаев плоской деформации и плоского напряженного состояния [54].
Полученные авторами зависимости позволяют определить напряженное состояние, перемещения материальных частиц оболочки и энергосиловые параметры процесса с достаточной точностью.
Федосьев В.И. [52] считает, что если при нагружении цилиндра равномерным внутренним давлением существуют осевые перемещения,то они распределены так, что поперечные сечения оболочки остаются плоскими. Тогда, в случае отсутствия осевой силы, радиальное напряжение 5jo у внутренней поверхности максимально, а у внешней равно нулю независимо от толщины стенки цилиндра, и оно мало по сравнению с окружным бу , которое для оболочек с малой толщиной стенки распределено по толщине почти равномерно, в той же мере, в какой толщина мала по сравнению с радиусом. В работе [бі] приведены эпюры высотных, радиальных и окружных напряжений, а также указывается, что плоские сечения бесконечно длинной трубы, перпендикулярные ее оси, искривляться при деформации не будут, для труб конечной длины справедлив принцип Сен-Венана, поэтому осевая деформация для всей трубы, за исключением краевых участков, также должна считаться постоянной. Аналогичные заключения получены автором работы [56] . Унксов А.И. [54] , рассматривая случай плоского напряженного состояния, указывает, что максимальное значение радиальных напряжений не может превышать величину (б )тах Аг &s и это реализуется при отношении - « 2,963, в случае дальнейшего увеличения отношения - возрастание напряжений (Й и бС прекращается и пластическая деформация уже не охватывает весь объем оболочки.
При раздаче оболочки секционным разжимным инструментом в действительности не реализуется ни плоское деформированное состояние, так как длина оболочки в процессе деформации уменьшается, ни плоское напряженное состояние, т.к. протеканию свободной деформации препятствуют силы трения, возникающие на поверхности соприкосновения инструмента с заготовкой, поэтому автор работы [Зб] предлагает для определения внутреннего давления, необходимого для осуществления пластической деформации, следующую усредненную расчетную формулу где (э& - предел текучести для рассматриваемого материала. Применяя линейный закон упрочнения материала, автор выводит зависи мость для определения удельного усилия с учетом деформационного упрочнения, которая для плоского деформированного состояния имеет вид (1.2) где N -коэффициент упрочнения материала, , - начальный внутренний радиус оболочки. Предложенные формулы (ХЛ) и (1.2) не учитывают влияния контактных сил трения, возникающих между заготовкой и инструментом, а также количества разжимных секций. В работе Абрамова A.ivi. [57] расчет удельных усилий, потребных для деформирования изделий различных форм, выполнен, исходя из теории безмоментной симметричной деформации оболочек, разработанной А.А.Ильюшиным [58]. Не учитывая влияние контактных сил трения, автором получен закон распределения удельного давления по поверхности разжимного инструмента с учетом механических свойств материала, размеров заготовки и степени деформации.
Линии тока, поля скоростей и ускорений при штамповке полых цилиндрических оболочек секционным разжимным инструментом
Ряд допущений и теоретический аппарат, используемый в работах [35,57,62-65] , позволяют получить сравнительно простое описание процесса деформирования полой оболочки с помощью секционного инструмента. Но эти удобные и простые в практическом использовании решения не позволяют учесть ряд существенных факторов, которые значительно влияют на предельное формоизменение и энергосиловые параметры процесса. К этим факторам можно отнести: силы трения на поверхности соприкосновения заготовки с инструментом, неравномерность распределения деформаций на разъеме между секциями инструмента и на их поверхности, а также ряд других не менее важных факторов.
Учесть основные особенности процесса позволяет энергетический метод с использованием кинематически возможных полей скоростей, построенных по линиям тока или траекториям перемещения частиц материала. Выражая компоненты скорости через простые полиномы и тригонометрические функции, можно получить довольно точную оценку технологического усилия, которая соизмерима с точностью определения механических свойств материала. Ряд варьируемых величин для данного процесса, при любых значениях которых условие несжимаемости и граничные условия для скоростей удовлетворяются, можно определить из условия минимума затрачиваемой мощности.
На рис. 2.3 показана схема деформирования цилиндрической полой оболочки под действием разжимного секционного инструмента, . горизонтально перемещающегося с постоянной скоростью Vo . Используя цилиндрическую систему координатор, , я и внутренний радиус 2 оболочки в сечении 0 в качестве параметра времени , введем следующие обозначения размеров оболочки: Z0fio- внутренний и наружный радиус заготовки, т.е. их лаигранжевы координаты,ё(ё )Д0) - текущие внутренний и наружный радиус оболочки, # () - текущий наружный радиус оболочки в плоскости У 0 , fy(ep)tRp(&j- текущие . внутренний и наружный радиус оболочки в плоскости Y-r. У-0 при -0, № при №, ?- при Po=2o9 при Ре Ко} 2«Э", /? = /? при f-0. С = С?у/, К К у при -v.
В силу симметрии процесса деформирования относительно плоскостей симметрии секторов ( f-0 ) и разъемов между секторами (fsY), в дальнейшем будем рассматривать только ту часть оболочки, которая расположена между этими плоскостями. Таким образом,найдены уравнения движения (2.75) и (2.79), которые удовлетворяют всем граничным условиям и позволяют в любой момент времени определить координаты точек поверхности оболочки. В табл.2.2 приведены экспериментальные (см.разд.4) и расчетные значения изменения нарух;ного радиуса оболочки R в зависимости от степени деформации =- г- и начального угла . Деформирование заготовки с начальными размерами & = 97,5 мм, R0 = 98,5 мм, /e = 150 мм производилось восьмисекционным разжимным инструментом (У - 22,5 ,а? = = 0,000073). Наибольшее расхождение расчетных с экспериментальными данными не превышает 1,5$. На рис.2.5 показано изменение приращения окружной координаты л % в зависимости от степени деформации и начального угла % , рассчитанное по формуле (2.79) и полученное экспериментально. Как видно из графиков, с увеличением степени деформаций неравномерность распределения A f0 возрастает, причем для всего рассматриваемого объема имеет один знак и при степени деформации = 0,21 достигает в средней части участка 7,7$. Неравномерность деформации на контактной поверхности инструмента с оболочкой объясняется наличием сил трения, а на разъеме между секциями -- различным утонением стенки оболочки.
Таким образом,найдены уравнения движения (2.75) и (2.79), которые удовлетворяют всем граничным условиям и позволяют в любой момент времени определить координаты точек поверхности оболочки. В табл.2.2 приведены экспериментальные (см.разд.4) и расчетные значения изменения нарух;ного радиуса оболочки R в зависимости от степени деформации =- г- и начального угла . Деформирование заготовки с начальными размерами & = 97,5 мм, R0 = 98,5 мм, /e = 150 мм производилось восьмисекционным разжимным инструментом (У - 22,5 ,а? = = 0,000073). Наибольшее расхождение расчетных с экспериментальными данными не превышает 1,5$. На рис.2.5 показано изменение приращения окружной координаты л % в зависимости от степени деформации и начального угла % , рассчитанное по формуле (2.79) и полученное экспериментально. Как видно из графиков, с увеличением степени деформаций неравномерность распределения A f0 возрастает, причем для всего рассматриваемого объема имеет один знак и при степени деформации = 0,21 достигает в средней части участка 7,7$. Неравномерность деформации на контактной поверхности инструмента с оболочкой объясняется наличием сил трения, а на разъеме между секциями -- различным утонением стенки оболочки.
Дифференцируя уравнение (2.75) по 2 как сложную функцию вида (р,р.Хй ,2 Zfrft Ь) =# найдем df? Ъ(? д& Ut ЪЬ fat bh Ul\ UK ОКФ UK значення частных производных ъ$ы ъ? as, д\ де дг определяем по уравнениям (2.87), а значение —- по формуле Л (2.86). После подставки (2.90) в уравнение скорости движения в радиальном направлении (2.84), с учетом граничных условий !»# при № и ,/ = &, Ц йтГ при Y и j9.-get . (2.92) Vj, = 1% при W и fo=2o, шле ем Оценить точность полученной зависимости vp (2.93) можно по изменению внутреннего радиуса оболочки fy в плоскости V f, ef 20+i$mfcLt=2XZ -Z)co$y, (2.94) т.к. $ ti при
Другой проверкой точности найденных уравнений для скоростей перемещения (2.88) и(2.93) может служить выполнение условия несжимаемости, которое в цилиндрической системе координат, с учетом плоской деформации, имеет вид
Продифференцировав уравнения для - и {% соответственно по О и f и подставив их в условие (2.95), можно убедиться, что оно действительно выполняется и следовательно уравнения (2.88) и (2.93) могут быть использованы для описания рассматриваемого процес ca.
Компоненты тензора скорости деформации в цилиндрической системе координат с учетом g 0 , имеют вид [89] / др (2.96) (2.97) ЬЯ f df dp p (2.98) Учитывая, что 1Z является функцией р и р0 и его необходимо диффе-ренцировать как неявно заданную функцию, аоХ=- р &ш компонент Sp,Sj y , можно записать
Изменение толщины стенки оболочки в процессе деформирования
В процессе деформирования полой оболочки секционным разжимный инструментом основным видом потери устойчивости пластического деформирования является локализация деформаций, приводящая к значительному изменению толщины и разрыву материала оболочки в зоне разъема между секциями инструмента, лак показали экспериментальные исследования (см.разд.4), разрушение происходит при достижении максимальной нагрузки. Это возможно, если упрочнение материала недостаточно по сравнению с ростом напряжений. В зоне разъема между секциями инструмента, в результате сжимающих осевых напряжений в плоскости листа, может возникнуть также потеря устойчивости в виде изгиба стенки (рис.3.I) с образованием гофров и складок.
Так как процесс раздачи полой оболочки секционным разжимным инструментом не является осесимметричным, для оценки предельных деформаций использовать только понятие коэффициента раздачи недостаточно в силу неоднородности деформированного состояния.
Для определения величин предельных деформаций и критических значений интенсивности деформации, при которых процесс формоизменения будет происходить устойчиво, воспользуемся методикой, предложенной А.Д.Томленовым [39] , суть которой заключается в следующем.
Показатель напряженного состояният теоретически также можно определить по формуле (3.6), рассчитывая величины деформаций Sf и по следующим зависимостям - МР Р) с Р Р\ /о та\ Со Сф (3.16) где р - текущее значение радиальной координаты материальной час -типы, определяемое по выражению (2.75). Учитывая, что максимальные деформации при раздаче оболочки разжимным инструментом возникают на разъемах между секциями ( = ), уравнение (2.75) для определения текущей координаты О упростится и примет вид Л. п2 У/_„2) (3.17)
При степени деформации 0,2 значения величин f , у целесообразнее определять, используя логарифмическую меру, которая обладает свойством аддитивности Для максимальной деформации в первом приближении можно запи сать SL- 4 » &L-&& )Jtna U"ll c Y n " " & (3.19)
Формула (3.6) позволяет определить показатель напряженного состояния щ , а следовательно, и критические деформации экспериментально (см.разд.4.5).
Условия простого нагружения выполняются при плоской деформации когда т = 0,5 и f f(+to)/(m-g) « - или , = - . Однако в более общем случае г 0 и при наличии кривизны инструмента в меридиональной плоскости, нагружение не является простым и вместо пропорциональности девиаторов напряжений и деформаций (3,1) целесообразнее использовать соотношения теории пластического течения SP _ $ ?_$ ._ И в /ъ % гт (3-го)
Как и в предыдущем случае, предельные деформации ( &L)K можно рассчитать по уравнениям (3.8), (3.15), однако показатель напряженного состояния должен быть определен через компоненты тензора скорости деформации
В зависимости от схемы напряженно-деформированного состояния, реализуемой в процессе формоизменения секционным разжимным инструментом, в табл. 3.1 и 3.2 приведены критические значения показателя напряженного состояния т , деформаций (р)к7( р)кэ\ш й интенсивности деформации ( е )к, рассчитанные по формулам (3.6), (3.8), (3.15).
Из табл. 3.1 и 3.2 видно, что наибольшая деформация по толщине листа возникает при равномерном двухосном растяжении, когда компоненты тензора скорости деформации 3у 0, 0 , и показатель напряженного состояния т = 2, в этом случае устойчивость получается неограниченной, т.е. процесс деформирования может продолжаться до полного исчерпания пластичности.
Для расчета предельных величин деформаций (fJjc,(fJKi(g)ic с ис_ пользованием показателя напряженного состояния, т , рассчитанного по формуле (3.21), либо на основании экспериментальных исследований с использованием формулы (3.6), на языке "Бейсик" составлена программа, реализованная на ЭШ "Электроника ДЗ-28", блок-схема программы показана на рис.3.3.
Графики (рис.3.4) показывают изменения критических значений деформаций в зависимости от показателя дефор мационного упрочнения материала, рассчитанные по выше приведенной методике. Как видно из графиков, расчетные значения критических деформаций, полученные на основании использования формулы (3.21) хорошо согласуются с экспериментальными данными, тогда как использование формул (3.16) либо (3.19) вносит значительные погрешности.
Определение экспериментальных полей перемещений при формоизменении секционным разжимным инструментом
При определении таких кинематических характеристик, как компоненты тензора скорости деформирования, скорости деформации и ускорения, в процессе деформирования полой оболочки секционным раз-жимньм инструментом возникает проблема в определении уравнений движения материальных частиц, которые отображали бы реальный процесс. Это объясняется тем, что процесс является неустановившимся во времени, а также тем, что различные материальные частицы оболочки, за счет действия контактных сил трения и геометрии инструмента, совершают различные перемещения, т.е. процесс не является осесимметрич-ным. Экспериментальные траектории перемещения материальных частиц в процессе деформирования представляют определенный интерес и имеют большое практическое значение.
С этой целью проводились специальные экспериментальные иссле -дования, в ходе которых определялись траектории перемещения материальных частиц, при формоизменении цилиндрических полых заготовок инструментом с различным радиусом кривизны боковой поверхности в меридиональном сечении и различным числом разжимных секций, в радиальном, окружном и высотном направлениях.
Исходными заготовками служили полые сварные обечайки с внутренним диаметром d = 200 мм, изготовленные из листовой стали различных марок, толщиной от 0,5 мм до 1,5 мм. По сечениям, указанным на рис. 4.13, методом царапания,наносились координатные сетки в виде окружностей. Глубина рисок не превышала 0,004 мм. Процесс деформирования осуществлялся поэтапно, до момента разрушения образца. После каждого этапа нагружения производили измерение толщины стенки, высоты и внутреннего диаметра ободочки, а также замеряли перемещения узлов координатной сетки. оболочки в зависимости от степени деформации и начального угла в случае деформирования восьмисекционным разжимным инструментом, приведены в табл. 4.5. Как видно из табл.4.5, наибольшие перемещения наблюдаются на середине секции инструмента (i-О), а наименьшие на середине разъема между секторами ( У У) и расхождение их при степени деформации = 0,26 составляет 1%. В табл.4.6 приведены значения радиальных перемещении Д2 материальных частиц, расположенных на внутреннем контуре оболочки, в плоскостях fzQ и pf в зависимости от степени деформации и числа секций разжимного инструмента. С увеличением количества секций расхождение радиальных перемещений Л2 в плоскостях Н-0 и т = у уменьшается, и если для четырехсек-ционного инструмента оно составляет 29,5$, то для шестнадцатисекцио-нного - всего 2,1%. Процентные соотношения приведены для степени деформации = 0,18.
Наиболее важный практический интерес представляет определение изменения наружного радиуса К оболочки в процессе деформирования. В силу особенности процесса, а именно наличия экстремальных значений наружного радиуса д., в табл. 4.7-4.9 приведены значения R , замеренные в плоскостях % й и %= . Экспериментальные значения радиуса к приведены для различных степеней деформации при раздаче восьми-, двенадцати и шестнадцатисекционным инструментом полой оболочки из стали 08 кп толщиной 0,77 мм, с начальными размерами {?0 = 100мм, #о= 100,77 мм. Как видно из табличных данных, с увеличением степени деформации наружный радиус оболочки в плоскостях І -0 и /» принимает различные значения и зависит от количества секций разжимного инструмента. Особенно наглядно это видно на графике рис.4.14, отображаю-Радиальные перемещения А 2 материальных частиц внутренней поверхности щем изменение наружного радиуса R в плоскостях Y=0 И Y- У в зави-, симости от числа секций разжимного инструмента. График приведен для степени деформации 11,5$. С увеличением числа секций инструмента /У изменение радиуса R уменьшается и при /У 16 не превышает десятых долей миллиметра.
Величину окружных перемещении А узлов координатной сетки в градусах, после каждого этапа яагружеяия определяли, замеряя окружное перемещение, а затем производили пересчет, для узлов координатной сетки, которые после процесса деформирования оставались на поверхности секции инструмента, пересчет производили по следующей методике.
