Содержание к диссертации
Введение 5
1. Состояние вопроса 10
1.1. Способы получения деталей типа «стержень
с утолщением» 10
1.2.Математические модели силового режима
процессов высадки и поперечного выдавливания 29
1.3.Исследование трения при пластической'деформации 34
Основные законы и модели трения 34
Методы определения коэффициента
(показателя) трения 36
1,4.Цель и задачи работы 41
2. Теоретическое исследование комбинированного
процесса высадки и поперечного выдавливания
с «бегущим» очагом деформации 43
2.1 .Возникновение «бегущего» очага деформации 43
Определение силы комбинированного процесса 4 7
Алгоритм программы расчета силы деформирования 55 2.4.Результаты расчета силового режима
комбинированного процесса 56
2.5.Определение силового режима на основе метода
баланса мощности 58
2.6. Алгоритм программы расчета силы деформирования
(по методу баланса мощности) 66
2.7.Результаты расчета силового режима
комбинированного процесса (по методу баланса мощности) 67
3. Экспериментальное исследование смазок и
реологических свойств материалов 68
3.1. Материалы, оборудование и аппаратура для проведения
экспериментов 68
3.2.Порядок проведения экспериментов: осадка
цилиндрических образцов 74
3.3.Порядок проведения экспериментов: осадка
кольцевых образцов 76
3.4.Обработка результатов экспериментов и построение
кривых текучести (упрочнения) выбранных материалов 80
3.5.Аппроксимация кривых текучести (упрочнения) 86
3.6.Результаты исследования контактного трения при
деформации выбранных материалов 105
3.7.Анализ результатов ПО
4. Экспериментальное исследование процесса
комбинированного выдавливания с «бегущим» очагом
деформации ИЗ
4.1.Материалы, оборудование и аппаратура для проведения
экспериментов 113
4.2.Результаты исследования течения металла при
комбинированном выдавливании с «бегущим»
очагом деформации 123
4.3.Пластичность металла при комбинированном
процессе с «бегущим» очагом деформации 131
4.4.Исследование влияния трения на формоизменение
в процессе комбинированного выдавливания с
«бегущим» очагом деформации 136
4.5.Исследование макроструктуры полученных изделий 145
5. Численное моделирование исследуемого процесса
комбинированного выдавливания с «бегущим»
очагом деформации 147
5.1 Гипотезы, основные допущения, принятые при моделировании
комбинированного процесса высадки и поперечного
выдавливания 147
5.2 Планирование численного моделирования 148
5.3. Анализ результатов численного моделирования 150
5.3.1 Подбор параметров процесса для получения детали,
близкой по форме к экспериментальному образцу (схема 1) 150
Влияние начального соотношения L/D на течение металла (схема 2) 153
Влияние фактора трения на течение металла (схема 3) 153
5.3.4 Влияние геометрии заходной воронки на течение металла
(схема 4) 154
Влияние жесткости пружины на течение металла (схема 5) 155
Влияние диаметра исходной заготовки на течение металла
(схема 6) 156
5.4 Основные зависимости, полученные после моделирования
процесса по схемам 2-6 156
5.5 Моделирование конусного участка заготовки 159
6. Практическое применение результатов экспериментальных
исследований 162
Номенклатура деталей 162
Действующий технологический процесс изготовления
детали болт 163
Штамп для набора утолщения 164
Моделирование процесса набора утолщения 165
Гипотезы, основные допущения, принятые при моделировании технологии получения заготовки детали болт 166
Результаты моделирования 166
Основные результаты и выводы 169
Список использованной литературы 172
Приложения 179
Введение к работе
Осесимметричные детали типа «стержень с утолщением» занимают большое место в машиностроительном производстве. Заготовки для таких деталей обычно изготавливают по схемам высадки, выдавливания или ротационной обработки. Каждый их этих методов имеет свои преимущества и недостатки и занимает свою нишу-в производстве.
Высадка деталей обладает многими достоинствами: сравнительно небольшие нагрузки на инструмент и, соответственно, высокая стойкость последнего; возможность применения универсального оборудования; схема напряженного состояния, обеспечивающая достаточную, в ряде случаев, пластичность обрабатываемого металла. Основным недостатком высадки является ограничение длины высаживаемой части прутка условием потери продольной устойчивости. Обычно она не превышает 2 — 2,5 значений диаметра высаживаемого прутка за один переход, а при многопереходном процессе — 8 диаметров. Таким образом, при необходимости набора большого объема металла производительность процесса оказывается весьма низкой, и требуется большое количество дорогостоящего инструмента.
Увеличить объем металла, набираемый за один переход высадки, можно, если организовать процесс так, чтобы длина очага деформации не превышала значений, определяемых условием продольной устойчивости прутка, а деформируемый металл подавался бы в очаг деформации постепенно. Именно так осуществляется процесс электровысадки, позволяющий за один переход набрать значительный объем металла. Однако при электровысадке реализуется схема поперечного выдавливания, а не высадки. Эта схема - более жесткая, пластичность металла уменьшается. Кроме того, процесс требует специального оборудования и может осуществляться только в условиях горячей деформации. Все это снижает его конкурентоспособность.
В литературе встречается упоминание о процессе «высадки подпружиненным пуансоном» [54, 56]. При ближайшем рассмотрении (в настоящей диссертации это показано) оказывается, что это комбинированный процесс, в котором на первой стадии осуществляется высадка, а затем процесс переходит в поперечное выдавливание, при котором очаг деформации перемещается вдоль оси прутка; при этом длина высаживаемой части не превышает зна-
чений, обусловленных условием потери продольной устойчивости. Такой процесс ниже упоминается как «комбинированный с «бегущим» очагом деформации». Очевидно, такой процесс мог бы обеспечить набор большого объема металла за один переход. Однако он является совершенно неизученным: не установлены силовые параметры, неизвестна связь между необходимым подпором подвижной части (матрицы) и размерами набираемой головки детали, не выяснена роль трения в процессе набора металла и при взаимодействии отдельных частей инструмента, неизвестны жесткость схемы нагруже-ния металла и, соответственно, ограничения процесса по условию возможного разрушения обрабатываемого металла. Остается открытым также вопрос о возможных конструкциях инструмента для осуществления процесса. Очевидно, этим объясняется тот факт, что в практике штамповки такой способ практически не встречается (нам, во всяком случае, примеры его применения не известны).
Цель настоящего исследования - устранить этот пробел, т.е. повысить эффективность операций объемной штамповки заготовок деталей типа «стержень с утолщением» на основе научно обоснованных методов проектирования и реализации процесса комбинирования в одном инструменте схемы высадки и поперечного выдавливания с образованием «бегущего» очага деформации.
Методы исследования включают метод совместного решения приближенных уравнений равновесия с приближенным условием пластичности, энергетический метод расчета пластических деформаций и силовых режимов штамповки (метод баланса мощности), метод конечных элементов (МКЭ) в перемещениях, численные методы анализа и программирование на ЭВМ, экспериментальные исследования с применением тензометрирования и метода координатных сеток.
Научная новизна работы заключается в следующем.
Установлены закономерности формоизменения деформируемого металла при комбинированном процессе высадки и поперечного выдавливания с «бегущим» очагом деформации.
Методом совместного решения приближенных уравнений равновесия с приближенным условием пластичности и методом баланса мощности получены аналитические и численные зависимости для определения силовых
параметров процесса — силы деформирования и силы подпора подвижной части (матрицы), - а также связь между диаметром набираемой головки и силой подпора.
Обнаружены новые закономерности формоизменения и напряженно-деформированного состояния при осадке заготовок в форме усеченного конуса.
Установлен путь нагружения металла в точке наиболее вероятного разрушения при комбинированном процессе.
Установлены закономерности влияния контактного трения на силовые параметры процесса и работу отдельных частей штампа.
Достоверность результатов и выводов подтверждается:
использованием фундаментальных соотношений теории пластичности и современных методик эксперимента;.
совпадением данных, полученных разными теоретическими методами и экспериментом;
3) возможностью практического использования результатов работы.
Практическая ценность работы.
Установлена возможность и осуществлена практическая реализация комбинированного процесса высадки и поперечного выдавливания с «бегущим» очагом деформации.
Усовершенствован метод определения коэффициента (показателя) трения осадкой кольцевого образца с применением расчета по методу конечных элементов.
Даны рекомендации по выбору технологических смазок.
Разработаны технология и конструкция штампа для производства заготовки конкретной детали; материалы переданы в производство для внедрения.
Результаты исследования использованы в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности «Машины и технология обработки металлов давлением».
Публикации и доклады на конференциях.
По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 6 статей в журналах, из них 3 статьи в ведущих рецензирумых журналах, 5 статей в сборниках научных трудов, получен 1 патент.. Основные результаты работы
доложены и обсуждены на 4 международных конференциях, а также на кафедрах «Кузовостроение и обработка давлением» (МГТУ «МАМИ») и «Машины и технология обработки металлов давлением» (МГИУ) в 2007 году. Среди конференций: Всероссийская молодежная научная конференция. XXVIII Гагаринские чтения (М., РГТУ МАТИ, 2002), 49-я Международная научно-техническая конференция ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» (М., МГТУ «МАМИ», 2005), 8-я Международная научно-техническая.конференция ESAFORM (Румыния, Клуж-Напока, 2005), Международная научно-техническая конференция KomPlasTech (Польша, Закопане, 2007).
Диссертация состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 63 наименований, содержит 178 страниц машинописного текста, 119 рисунков и 35 таблиц и одно приложение.
В" первой главе дан обзор литературы, посвященной объемной штамповке, в частности способам получения заготовок типа «стержень с утолщением», методам анализа подобных технологических схем, методам исследования контактного трения. В конце ее сформулированы цель и задачи диссертационной работы.
Во второй главе проведен теоретический анализ напряженно-деформированного состояния и силовых параметров процесса. Получены зависимости для нахождения силы деформирования, силы подпора на подвижную часть (матрицу), причем двумя различными методами.
Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям реологических характеристик металлов, на которых проводили изучение закономерностей процесса, и применяемых смазок, а также результатам экспериментального определения пути нагружения, что необходимо для оценки пластичности металла при комбинированном процессе.
В четвертой главе дано описание двух вариантов экспериментальной оснастки - с применением пружин и с использованием пневмоцилиндра для осуществления подпора подвижной части (матрицы), - с помощью которой изучены закономерности формирования очага деформации и исследовано формоизменение металла.
В пятой главе приведены результаты моделирования процессов осадки заготовки в форме усеченного конуса и комбинированной обработки с образованием «бегущего» очага деформации и сопоставление их с результатами, полученными другими методами.
В шестой главе дано описание технологии и инструмента, разработанной для производства поковки детали «болт» (ОСТ 110091-71), и обсуждаются ожидаемые технико-экономические результаты.
Диссертация в целом и экспериментальные исследования выполнены на кафедре и в лаборатории «Кузовостроение и обработка давлением» МГТУ «МАМИ».
