Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние теории и технологии формирования головных частей иа цилиндрических стержневых заготовках 12
1.1. Получение головной части с диаметром больше диаметра исходной стержневой заготовки 15
1.2. Получение головной части оживальной формы 27
1.3. Методы решения осесимметричных задач пластического формоизменения 31
1.4. Метод конечных элементов 34
1.5. Цель работы и задачи исследования 41
2. Теоретическое исследование процессов получения головных частей на стержневой заготовке за один технологический переход 43
2.1. Получение потайной конической головной части на стержневой заготовке 46
2.1.1. Расчетная схема процесса 46
2.2. Получение конической головной части на стержневой заготовке 53
2.2.1. Расчетная схема процесса 53
2.2.2. Исследование напряженно-деформированного состояния заготовки в процессе формирования головки 55
2.3. Получение цилиндрической головной части на стержневой заготовке 59
2.3.1. Расчетная схема процесса 59
2.3.2, Исследование напряженно-деформированного состояния заготовки в процессе нагружения 61
2.4. Получение полукруглой головной части на стержневой заготовке 66
2.4.1. Расчетная схема процесса 66
2.4.2. Исследование напряженно-деформированного состояния заготовки в процессе формирования головки 69
2.5. Построение вторичных математических моделей процесса высадки головки 74
2.5,1. Модели и планы численного эксперимента74
2.6. Основные результаты и выводы 86
3. Процесс получения головных частей на стержневой заготовке за два перехода 88
3.1. Получение потайной конической головной части на
стержневой заготовке 88
3.1.1. Расчетная схема процесса 88
3.1.2. Исследование напряженно-деформированного состояния заготовки в процессе нагружения 92
3.2. Получение конической головной части на стержневой заготовке 95
3.2.1. Расчетная схема процесса 95
3.2.2. Исследование напряженно-деформированного состояния заготовки в процессе высадки 99
3.3. Получение цилиндрической головной части на стержневой заготовке 102
3.3.1. Расчетная схема процесса 102
3.3.2. Исследование напряженно-деформированного состояния заготовки при деформировании 105
3.4. Получение полукруглой головной части на стержневой заготовке 109
3.4.1. Расчетная схема процесса 109
3.4.2. Исследование напряженно-деформированного состояния заготовки при высадке головной части 111
3.5. Построение вторичных математических моделей процесса высадки головки 11.5
3.5.1. Модели и планы численного эксперимента 115
3.6. Основные результаты и выводы 123
4. Миогопереходное выдавливание оживальнои гловной части на стержневой заготовке 125
4.1. Получение оживальнои головной части на стержневой заготовке 125
4.1.1. Расчетная схема процесса выдавливания 125
4.1.2. Теоретическое исследование напряженного и деформированного состояний заготовки в процессе выдавливания оживальнои головной части 129
4.2. Влияние геометрии заготовки на силовые и деформационные параметры процесса выдавливания оживальнои головной части 133
4.2.1. Модели и аланы численного эксперимента 133
4.3. Силовые и деформационные параметры процесса формирования на стержневой заготовке из стали марки оживальнои головной части 145
4.3.1. Модели и планы численного эксперимента 145
4.4. Разработка процесса получения детали типа "Стержень с оживальнои головной частью" 153
4.5. Использование результатов работы 158
4.6. Основные результаты и выводы 158
5. Заключение 161
Список литературы 166
Приложение 1 176
Приложение 2 178
- Получение головной части с диаметром больше диаметра исходной стержневой заготовки
- Получение потайной конической головной части на стержневой заготовке
- Расчетная схема процесса
- Теоретическое исследование напряженного и деформированного состояний заготовки в процессе выдавливания оживальнои головной части
Введение к работе
В настоящее время среди основных путей повышения эффективности производства особое внимание уделяется снижению трудоемкости изготовления продукции, внедрению малоотходной и безотходной технологии изготовления изделий. Эти требования ставят задачи, связанные с разработкой принципиально новых технологий и оборудования, конкурентоспособных на мировом рынке, а также с интенсификацией технологических процессов при снижении энергоемкости и трудозатрат как новых, так и широко используемых технологий получения изделий различного типа на всех этапах производства. Повышение эффективности традиционных технологических процессов представляет несомненный интерес с точки зрения сокращения расхода материала, улучшения качества и эксплуатационных свойств изделия, повышения производительности труда.
В различных отраслях промышленности нашли широкое применение цилиндрические слержневые детали, имеющие головную часть.
Для получения изделий такого рода наилучшим образом подходит холодная объемная штамповка (ХОШ), внедрение которой обеспечивает повышение коэффициента использования металла до 0,7 - 0,9, позволяет быстро и экономично изготавливать детали, обладающие требуемыми механическими свойствами, сводя к минимуму дальнейшую механическую обработку.
Однако, несмотря на широкое применение этих операций в практике штамповочного производства, отработка их режимов проведения требует значительных временных и экономических затрат, т.к. большинство экспериментальных исследований процесса высадки носят прикладной производственный характер, связанный с выдачей рекомендаций по ведению процесса высадки при получении конкретного изделия.
В свою очередь исследования теоретического плана основаны на целом ряде допущений, сводящих анализ процесса к ряду упрощенных схем, не позволяющих адекватно оценить напряженно-деформированное состояние материала в процессе нагружения, и в основном посвящены оценке силовых режимов процесса без исследования кинематики течения и качественных параметров готового изделия [32, 34, 35, 50, 53, 1, 10, 98, 100].
Развитие математических моделей позволяет получить более точную картину распределения полей напряжений и деформаций по объёму тела, что в свою очередь позволяет определить форму и размеры тела, установить ресурс бездефектного деформирования, уточнить методики расчёта основных параметров процессов обработки металлов давлением (ОМЛ). Это ведёт к получению изделий высокого качества и с точными размерами, к экономии материала, повышению стойкости инструмента и надёжности эксплуатации оборудования, ГЕрименение математического моделирования как первого шага в предпроизводственной подготовке позволяет значительно ускорить и удешевить процедуру внедрения технологического процесса ОМД в производство.
Актуальным является необходимость дальнейшего развития теоретических и экспериментальных исследований для разработки научно обоснованных технологических операций, которые позволили бы дать комплексную оценку влияния технологических параметров на силовые и деформационные характеристики процессов, с целью повышения эффективности использования данных операций в условиях промышленного производства, их интенсификации при снижении энергоемкости и трудозатрат, что в целом представляет большой практический интерес.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с Областной целевой программой научно-технических работ в рамках хоздоговорной темы №125701 «Разработка и внедрение технологических процессов получения обработкой металлов давлением стержневых изделий переменного сечения из высокопрочных сталей на автоматическом оборудовании»; в рамках Государственной программы 2000 года «Научные исследования высшей школы в области производственных технологий»; в рамках госбюджетной темы № 36-95 Тульского государственного университета.
Целью работы является научно обоснованное проектирование процессов холодной объемной штамповки головных частей на заготовках стержневых изделий с заданными эксплуатационными характеристиками.
Методы исследования:
Поставленная цель реализована путем использования деформационной теории пластичности, метода конечных элементов, теории планирования многофакторного эксперимента и математической статистики. Предельные возможности формоизменения установлены на базе использования феноменологического критерия разрушения, связанного с накоплением микроповреждений при холодном пластическом деформировании.
Автор защищает:
1. Математические модели процессов формирования на стержневой за готовке головных частей потайной конической, конической, цилиндриче ской, полукруглой и оживальной конфигурации за один и несколько штампо вочных переходов.
2. Результаты исследований напряжённого и деформированного со стояний заготовки, силовых режимов, кинематики течения и предельных границ устойчивого деформирования (с точки зрения возможности разруше ния) в зависимости от геометрических размеров заготовок и изделия, схемы деформирования, механических свойств материала и количества штамповоч ных переходов.
3. Зависимости «степень использования запаса пластичности - относительный диаметр головной части», «степень использования запаса пластичности - относительная высота заготовки», позволяющие выявить экс плуатационные уровни изделий.
4. Математические модели, описывающие влияние материала и геометрии готового изделия с оживальнои головной частью на силовые режимы и количество технологических переходов необходимых для получения качественного изделия.
Научная новизна:
Созданы математические модели формирования головных частей на цилиндрических стержневых заготовках, в которых взаимодействие заготовки с инструментом представляет собой скольжение узлов конечно-элементной сетки по поверхности неподвижного и подвижного абсолютно жёсткого тела различной конфигурации.
Установлены зависимости «степень использования запаса пластичности - относительный диаметр головной части», «степень использования запаса пластичности - относительная высота заготовки», позволяющие выявить эксплуатационные уровни изделий.
Практическая ценность и реализация работы:
Разработанные математические модели процессов получения головных частей на стержневых заготовках являются основой программного обеспечения, которое может быть использовано для расчета параметров процессов изготовления изделий с головной частью различной конфигурации и геометрии, обеспечивающих заданные эксплуатационные характеристики. Па их базе разработаны и обоснованы рациональные режимы формоизменения, обеспечивающие заданные эксплуатационные показатели изготовляемых изделий.
Полученные в диссертационной работе результаты исследований многопереходного выдавливания оживальнои головной части использованы в опытном производстве на предприятии ГУП «КБП» для изготовления детали «Стержень с оживальнои головной частью».
Отдельные материалы научных исследований включены в разделы лекционных курсов, таких как «Механика процессов пластического формоизме- нения», «Теория обработки металлов давлением» для студентов по направлению «Технологические машины и оборудование», специальности 150201 -«Машины и технология обработки металлов давлением». Научные положения диссертации использованы в учебном процессе при подготовке магистерских диссертаций, выполнении дипломных проектов и выпускных работ бакалавров.
Апробация. Результаты исследования доложены на международной научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии, обору дование и автоматизация производства», город Тула, 2003 год; на Всероссий ской научной конференции "Современные проблемы математики, механики, информатики", Тула, 2003 год; на международной научно-технической кон ференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии», город Липецк, 2003 год; на международной научно- технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование вмашиностроении и металлургии», город Липецк, 2006 год; а также на еже годных научно-технических конференциях профессорско- преподавательского состава Тульского государственного университета (2003 - 2006 гг).
Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 10 печатных работах, общим объёмом 3,83 печатных листа,
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.т.н., проф. М.В. Грязеву, д.т.н., доц. ATI. Пасько за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы из 108 источников, и включает 124 страницы машинописного текста, содержит 147 рисунков и 8 таблиц. Общий объем 179 страниц.
Во введении обоснована актуальность задачи, рассмотренной в работе, ее научная новизна и практическая значимость проведенных теоретических и экспериментальных исследований, а также кратко представлено содержание разделов диссертационной работы.
В первом разделе проведен обзор современного состояния процессов получения головных частей на цилиндрическом стержне. Отражены имеющиеся теоретические и экспериментальные исследования процессов, методы его анализа, что позволило сформулировать задачи исследования. Описаны преимущества конечно-элементного подхода к анализу процессов пластического формоизменения, в основу которого положена теория упругопластиче-ских деформаций с применением пошагового алгоритма интегрирования уравнений равновесия, при котором, считая приращения малыми, на каждом шаге, принимают, что в течение его реализуется простое нагружение.
Во втором разделе описаны основные соотношения конечно-элементного анализа процессов упруго-пластического деформирования, на базе которых создана математическая модель.
Разработан подход к описанию граничных условий, где взаимодействие заготовки с инструментом, представляет собой скольжение узлов конечно-элементной сетки по поверхности абсолютно жёсткого тела. Содержатся результаты исследований кинематики течения и напряженно-деформированного состояния заготовки однопереходных процессов получения головных частей на стержневых заготовках. Представлен сравнительный анализ получения головных частей высадкой и посредством операции выдавливания. Созданы вторичные математические модели, с помощью которых описано влияние геометрических параметров изделия на энергосиловые и деформационные параметры процесса. Проведена оценка качественных характеристик получаемых изделий.
В третьем разделе рассмотрены особенности формирования головной части на стержневых заготовках за два технологических перехода, представлены результаты исследований напряженного и деформированного состояний, исследованы силовые характеристики процесса высадки в зависимости от конфигурации головных частей. С помощью разработанных вторичных математических моделей показано влияние технологического процесса на качество получаемых изделий.
В четвертом разделе представлены результаты исследований процесса формирования оживальной головной части на цилиндрической стержневой заготовке. Содержатся описания основных технологических характеристик и зависимостей силы деформирования и количества переходов, необходимых для изготовления качественного изделия. С целью комплексной оценки зависимости количества технологических переходов и силы деформирования от геометрии получаемого изделия проведен многофакторный эксперимент. Разработан процесс получения изделий типа «Стержень с оживальной головной частью».
В заключении описаны основные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе.
Получение головной части с диаметром больше диаметра исходной стержневой заготовки
Высадка имеет целью за счет перераспределения материала получить на заготовках утолщение той или иной формы. Возможны варианты высадки с подогревом и холодной высадки. Высадка с подогревом [55, 10, 34, 35] повышает пластичность материала, дает возможность осуществлять качественное формообразование заготовок с меньшими энергозатратами, чем при холодной высадке, позволяет использовать полуфабрикаты, имеющие разброс по микроструктуре. Однако существуют недостатки: инструмент подвергается воздействию высоких температур, снижающих его прочность в условиях циклического нагружения. Кроме того, при высадке с подогревом температурные изменения, происходящие в деформируемом теле, могут существенно влиять на механические свойства получаемого изделия, поверхностные явления (окалинообразование, обезуглероживание, выгорание) приводят к снижению качества получаемых поковок и необходимости последующей обработки резанием. Также к недостаткам этого способа деформирования можно отнести применение дорогостоящего термического оборудования и газозащитных сред и длительность самого процесса термообработки.
Рациональным способом получения выделенного класса деталей является холодная высадка [1, 5, 35, 50, 53, 61, 78]. Положительной особенностью холодной высадки является возможность получения изделий со значительными более высокими прочностными характеристиками, износостойкостью, чем это возможно при применении процессов резания.
Образование головных частей различной конфигурации методом холодной высадки производится посредством последовательных ударов (одного или нескольких), под влиянием которых металл начинает перемещаться и заполнять форму матрицы и пуансона. Таким образом, процесс холодной высадки заключается в том, чтобы из заготовки, профилв которой меньше головки и внутреннего диаметра матрицы, осадить металл до нужных размеров. Чем больше отношение высоты заготовки к се диаметру, тем больше опасность ее продольного изгиба во время осадки. Изгиб металла вызывает появление складок в момент образования головки и ведет к браку продукции.
Продольная устойчивость зависит от факторов, которые можно объединить в две группы [50]. К первой группе относятся: способ закрепления концов деформируемой заготовки, форма предварительного набора металла и угол конической заготовительной полости пуансона, конфигурация штампуемой детали и инструмента, смещение точки приложения деформирующей силы относительно оси заготовки, чистота среза и угол скоса торцов заготовки, искривленность оси заготовки, состояние рабочей поверхности инструмента (шероховатость, наличие смазочного материала и его вид). Ко второй группе относятся: механические свойства деформируемого металла, исходное состояние заготовки (отожженная, горячекатаная, калиброванная, величина зерна, интенсивность упрочнения в процессе пластической деформации, деформация при калибровке) и деформация при осуществлении промежуточных переходов штамповки.
Получение потайной конической головной части на стержневой заготовке
Для исследования процесса формирования головной части используется математическая модель на базе конечно-элементного подхода, в которой рассматривается половина меридионального сечения осесимметричной заготовки.
Материал заготовки упругопластический, подчиняющийся обобщенному закону Гука. Нагружение задается перемещением рабочей поверхности пуансона. Задача решается в приращениях сил, перемещений, напряжений и деформаций, что позволяет рассматривать значительные деформации посредством упругопластической теории.
Расчетная схема процесса
Были решены модели получения изделия, представленного на рисунке 3.1. Отметим, что длина заготовки h 45 мм, причем свободная поверхность образца равна 40 мм, относительная высота заготовки — составило величину равную 2,76. Формирование требуемой детали предельно возможно за одну технологическую операцию [50], но чтобы распределения материала было более симметричное и большая точность геометрического исполнения проведем высадку головной части за два перехода.
Движение узлов, расположенных на свободной поверхности заготовки, ничем не ограничено и происходит в соответствии с заданными характери 90
стиками материала. Деформирование происходит при перемещении пуансона (отрезки АВ и ВС) вниз на заданную величину. Формозадающим инструментом является матрица, границы которой (отрезки DE, EF, FG) непроницаемы.
На первом переходе проводили осадку предварительным пуансоном на величину равную трети свободной высоты заготовки. Проанализировав решенные задачи формирования головной части, определили, что предварительный переход высадки сопровождается незначительными напряженно-деформационными параметрами, поэтому далее будем рассматривать только второй переход деформирования.
Рисунок 3.3 отражает картину распределения интенсивности напряжений по всему деформируемому объему образца. Отметим, что зона максимальной интенсивности напряжений охватывает почти всю высаживаемую головную часть на рисунке 3.3 а. При высадке за два перехода наблюдается сосредоточение максимальных значений интенсивности напряжений на торце потайной конической головки (рисунок 3.3 б).
Теоретическое исследование напряженного и деформированного состояний заготовки в процессе выдавливания оживальнои головной части
Особое внимание в работе уделено получению оживальной головной части на стержневой заготовке методами холодной объемной штамповки.
Особенности изготовления изделий типа «стержень с оживальной головной частью» обусловлены трудностями, связанными с достижением больших перепадов диаметра на торцевом участке тонкого цилиндрического стержня, при необходимости обеспечения высокой производительности, единообразия и требуемого качества поверхности.
Наиболее эффективными для получения подобного рода деталей является операция обработки металлов давлением - выдавливание, позволяющая получать детали с достаточной точностью, практически без потерь материала и с требуемыми характеристиками. В работах Грязева М.В. [18, 19] были установлены диапазоны геометрических размеров головок такого типа, исходя эффективности их применения.
