Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние теории и технологии процессов обжима и раздачи трубных заготовок 13
1.1. Теоретические и экспериментальные исследования операций обжима и раздачи трубных заготовок 13
1.2. Анизотропия материала заготовок и ее влияние на процессы штамповки 26
1.3. Основные выводы и постановка задач исследований 34
2. Основные соотношения пластического деформирования анизотропных материалов 37
2.1. Условие текучести. Ассоциированный закон пластического течения 38
2.2. Плоское напряженное состояние анизотропного материала 39
2.3. Феноменологические модели разрушения 42
2.4. Критерии шейкообразования ортотропного упрочняющегося листового материала при двухосном растяжении 46
2.5. Устойчивость трубной заготовки из анизотропного материала в пластической области в виде образования складок 50
2.5.1. Постановка задачи, основные соотношения и предположения 51
2.5.2. Исследование потери устойчивости цилиндрической заготовки... 53
2.5.3. Обсуждение результатов расчетов 57
2.6. Основные результаты и выводы 62
3. Раздача анизотропной трубной заготовки коническим пуансоном 64
3.1. Определяющие соотношения. Напряженное и деформированное состояния трубной заготовки 64
3.2. Подход к анализу процесса раздачи 71
3.3. Напряженное и деформированное состояния заготовки. Силовые режимы 72
3.4. Предельные коэффициенты раздачи 74
3.5. Повреждаемость трубной заготовки 80
3.6. Влияние анизотропии механических свойств трубных заготовок на технологические параметры раздачи 82
3.7. Основные результаты и выводы 90
4. Обжим анизотропной трубной заготовки конической матрицей 93
4.1. Определяющие соотношения. Напряженное и деформированное состояния трубной заготовки 93
4.2. Напряженное и деформированное состояния заготовки. Силовые режимы 97
4.3. Предельные возможности процесса обжима анизотропной трубной заготовки 100
4.4. Повреждаемость трубной заготовки 105
4.5. Влияние анизотропии механических свойств трубных заготовок на технологические параметры обжима 107
4.6. Основные результаты и выводы 137
5. Экспериментальные исследования силовых режимов операций раздачи и обжима. использование результатов исследований 119
5.1. Экспериментальные исследования силовых режимов операций раздачи и обжима трубных заготовок 119
5.2. Рекомендации по расчету технологических параметров процессов обжима и раздачи трубных анизотропных заготовок 125
5.3. Технологический процесс изготовления детали «Переходник» из латуни Л63 128
5.4. Использование результатов исследований в учебном процессе... 129
5.5. Основные результаты и выводы 129
Заключение 131
Список используемых источников 136
Приложение 153
- Анизотропия материала заготовок и ее влияние на процессы штамповки
- Критерии шейкообразования ортотропного упрочняющегося листового материала при двухосном растяжении
- Напряженное и деформированное состояния заготовки. Силовые режимы
- Напряженное и деформированное состояния заготовки. Силовые режимы
Введение к работе
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. Процессы обработки металлов давлением (ОМД) относятся к числу высокоэффективных, экономичных способов изготовления металлических изделий.
В точном машиностроении, автомобиле-, судо-, самолето-, ракетостроении, тракторном и сельскохозяйственном машиностроении и в других отраслях получили широкое распространение различного рода трубопроводные системы. К важнейшим элементам таких конструкций относятся концентрические осесимметричные переходники, позволяющие осуществлять стыковку труб разного диаметра. К ним предъявляются повышенные требования по механическим характеристикам, размерной точности и качеству поверхности. Значительной экономии металла в штамповочном производстве, при их изготовлении, можно добиться за счет применения трубной заготовки вместо листовой заготовки. При этом коэффициент использования металла повышается в несколько раз и, соответственно, уменьшается обработка резанием.
Трубный прокат, подвергаемый штамповке, обладает анизотропией механических свойств, обусловленной маркой материала и технологическими режимами его получения. Анизотропия механических свойств материала трубной заготовки может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов обработки металлов давлением, в частности операций обжима и раздачи.
Штамповка деталей из трубной заготовки операциями обжима и раздачи недостаточно широко применяется в промышленности. Поэтому многие
5 производственные детали, для изготовления которых было бы рационально применение трубной заготовки, в настоящее время все еще получают традиционными способами, что требует большой трудоемкости, больших ресурсо-и энергозатрат, снижает качество и производительность, увеличивает себестоимость изделий.
При разработке технологических процессов обжима и раздачи трубных заготовок, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, в настоящее время используют эмпирические зависимости из различных справочных материалов, а также результаты теоретических исследований, в которых не в полной мере учитываются механические свойства материала. Во многих случаях это приводит к необходимости экспериментальной отработки процессов обжима и раздачи, что удлиняет сроки подготовки производства изделия.
В связи с этим большой практический и научный интерес представляют разработка и исследование технологических процессов, основанных на использовании операций обжима и раздачи трубных заготовок. Поэтому создание научно обоснованных, инженерных методик расчета подобных процессов является актуальной, крупной научно-технической задачей, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.
Работа выполнена в соответствии с грантами Президента РФ на поддержку ведущих научных школ по выполнению научных исследований (гранты № НШ-1456.2003.8 и № НШ-4190.2006.8), грантом РФФИ № 05-01-96705 «Исследование закономерностей пластического деформирования изотропных и анизотропных упрочняющихся материалов при обработке давлением» (2005-2006 гг.) и научно-технической программой Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 гг.)» (проект № РНП 2.1.2.8355 «Создание научных основ формирования свойств изделий общего и специального назначе-
ния методами комбинированного термопластического деформирования материалов»).
Целью работы является интенсификация процессов изготовления осе-симметричных деталей операциями обжима и раздачи трубных анизотропных заготовок путем разработки научно обоснованных режимов технологии, обеспечивающих снижение металлоемкости, трудоемкости изготовления, сокращения сроков подготовки производства и повышения их эксплуатационных характеристик на основе прогрессивных технологических решений и условий их реализации.
Методы исследования. Теоретические исследования процессов обжима и раздачи осесимметричных деталей выполнены с использованием основных положений механики деформируемого твердого тела и теории пластичности жесткопластического анизотропного тела; анализ напряженного и деформированного состояний заготовки в исследуемых процессах формообразования осуществлен численно методом конечно-разностных соотношений с использованием ЭВМ путем совместного решения приближенных дифференциальных уравнений равновесия, условия пластичности и основных определяющих соотношений при заданных начальных и граничных условиях. Предельные возможности формоизменения исследуемых процессов деформирования оценивались по максимальной величине сжимающего напряжения на входе в очаг пластической деформации, степени использования ресурса пластичности, потери устойчивости трубной заготовки в пластической области в виде образования складок и локальной потери устойчивости трубной заготовки.
Экспериментальные исследования выполнены с использованием современных испытательных машин (испытательные машины Р-5 и ГМС-50) и регистрирующей аппаратуры; обработка опытных данных осуществлялась с применением методов математической статистики.
Автор защищает математические модели процессов обжима и раздачи при изготовлении осесимметричных деталей из анизотропных трубных заго-
7 товок; основные уравнения и соотношения для анализа операций обжима и раздачи трубных заготовок, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств; результаты теоретических и экспериментальных исследований напряженного и деформированного состояний, силовых режимов, предельных возможностей формоизменения на операциях обжима и раздачи осесимметричных деталей из анизотропных материалов; закономерности влияния анизотропии механических свойств материала, технологических параметров, геометрии рабочего инструмента, условий трения на контактной поверхности заготовки и инструмента на напряженное и деформированное состояния, силовые режимы, предельные возможности формообразования процессов обжима и раздачи трубных анизотропных заготовок; рекомендации, алгоритмы и пакеты прикладных программ для ЭВМ по расчету технологических параметров операций обжима и раздачи при изготовлении осесимметричных деталей из анизотропных материалов; а также технологический процесс изготовления детали «Переходник» из латуни Л63, обеспечивающий эксплуатационные требования и снижение трудоемкости их изготовления.
Научная новизна: установлены закономерности изменения напряженного и деформированного состояний, силовых режимов, предельных возможностей от анизотропии механических свойств материала, технологических параметров, геометрии рабочего инструмента, условий трения на контактной поверхности заготовки и инструмента на основе разработанных математических моделей процессов обжима и раздачи трубных заготовок, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств, при изготовлении осесимметричных деталей.
Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задач, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов
теоретических исследований с экспериментальными данными, а также практическим использованием результатов работы в промышленности.
Практическая ценность. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и создано программное обеспечение для ЭВМ по расчету технологических параметров процессов обжима и раздачи трубных анизотропных заготовок при изготовлении осесимметричных деталей.
Реализация работы. Разработан технологический процесс изготовления детали «Переходник» из латуни Л 63, обеспечивающий эксплуатационные требования и снижение трудоемкости ее изготовления, который внедрен в производстве на ОАО «ТНИТИ» (г. Тула). Технико-экономическая эффективность описанного процесса связана с сокращением сроков производства, трудоемкости изготовления деталей на 45 % и металлоемкости производства до 37 %.
Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» при подготовке бакалавров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» и инженеров, обучающихся по направлению 150200 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением» и включены в разделы лекционных курсов «Основы теории пластичности и ползучести», «Штамповка анизотропных материалов» и «Механика процессов пластического формоизменения», а также использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на международных молодежных научных конференциях XXIX - XXXIII «Гагаринские чтения» (г. Москва: МГТУ «МАТИ», 2003-2007 гг.), на международной научно-технической конференции «Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование обработки материалов давлением» (г. Тула: Тул-ГУ, 2004 г.); на международной научно-технической конференции «Автомати-
зация; проблемы, идеи, решения» (г. Тула: ТулГУ, 2006 г.), на 1-й Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Идеи молодых -Новой России» (г. Тула: ТулГУ, 2004 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (2002-2007 гг.).
Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 13 статьях в межвузовских сборниках научных трудов и 4 тезисах Всероссийских и международных научно-технических конференций объемом 8,5 печ. л.; из них авторских - 4,6 печ. л.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору С.С. Яковлеву и д.т.н., профессору СП. Яковлеву за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения и пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 157 наименования, 3 приложений и включает 95 страниц машинописного текста, 53 рисунка. Общий объем -177 страницы.
Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе задачи, ее научная новизна, практическая ценность работы, приведены положения, выносимые на защиту, и краткое содержание разделов диссертации.
В первом разделе рассмотрено современное состояние теории и технологии процессов обжима и раздачи; проведен анализ существующих технологических процессов изготовления осесимметричных деталей из трубных заготовок; показано влияние анизотропии механических свойств материала заготовок на технологические параметры процессов пластического деформирования, намечены пути повышения эффективности их изготовления. Обоснована постановка задач исследований.
Во втором разделе приводятся основные уравнения и соотношения необходимые для теоретического анализа напряженного и деформированного состояния анизотропной заготовки, описана модель накопления микроповреждений в процессе пластического формоизменения анизотропного мате-
риала, предложены критерии локальной потери устойчивости (шейкообразо-вания) ортотропного упрочняющегося материала при плоском напряженном состоянии заготовки, рассмотрена устойчивость трубной заготовки из анизотропного материала в пластической области в виде образования складок на основании статического критерия устойчивости.
Третий раздел посвящен теоретическим исследованиям операции раздача анизотропной трубной заготовки коническим пуансоном. Приведены основные уравнения и соотношения для анализа операции раздачи трубных заготовок, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств. В основу теоретических исследований операции раздачи анизотропной трубной заготовки положен метод совместного решения приближенных уравнений равновесия совместно с условием пластичности Мизеса-Хилла и основных определяющих соотношений при заданных начальных и граничных условиях. Принимается, что операция раздачи трубной заготовки реализуется в условиях плоского напряженного состояния. На контактных границах заготовки и инструмента реализуется закон трения Кулона.
Установлены закономерности изменения напряженного и деформированного состояний, силовых режимов и предельных возможностей формообразования от анизотропии механических свойств материала трубной заготовки, технологических параметров, геометрии рабочего инструмента, условий трения на контактной поверхности заготовки и инструмента. Предельные возможности формообразования операции раздачи оценивались по максимальной величине сжимающего напряжения на входе в очаг пластической деформации, степени использования ресурса пластичности, устойчивость трубной заготовки в пластической области в виде образования складок и локальной потери устойчивости трубной заготовки. При назначении величин степеней деформации в процессах формообразования учитывались рекомендации по допустимой величине накопленных микроповреждений (степени использования запаса пластичности) В.Л. Колмогорова и А.А. Богатова.
В четвертом разделе разработана математическая модель операции
обжима трубной заготовки, обладающей цилиндрической анизотропией механических свойств, конической матрицей. Приведены основные уравнения и соотношения для анализа операции обжима трубных заготовок, обладающих цилиндрической анизотропией механических свойств. Выполнены теоретические исследования напряженного и деформированного состояний заготовки, силовых режимов и предельных возможностей формообразования операции обжима трубной заготовки. Теоретические исследования операции обжима анизотропной трубной заготовки выполнены путем совместного решения приближенных уравнений равновесия совместно с условием пластичности Мизеса-Хилла и основных определяющих соотношений при заданных начальных и граничных условиях. Допускается, что операция обжима трубной заготовки реализуется в условиях плоского напряженного состояния. На контактных границах заготовки и инструмента реализуется закон трения Кулона. Установлено влияние анизотропии механических свойств трубной заготовки на напряженное и деформированное состояния заготовки, силовые режимы и предельные возможности формообразования операции обжима трубной заготовки конической матрицей. Оценены предельные возможности деформирования, связанные с максимальной величиной сжимающих напряжений на входе в очаг пластической деформации, степени использования ресурса пластичности, устойчивость трубной заготовки в пластической области в виде образования складок.
В пятом разделе изложены результаты выполненных экспериментальных исследований силовых режимов операций обжима и раздачи трубных заготовок из латуни Л63. Сравнение теоретических расчетов и экспериментальных данных по силовым режимам операций обжима и раздачи трубных заготовок указывает на удовлетворительное их согласование (расхождение не превышает 10...15 %).
Приведены рекомендации по расчету технологических параметров операций обжима и раздачи трубных заготовок из анизотропного материала, которые использованы при разработке технологического процесса изготов-
ления осесимметричной заготовки детали «Переходник» из латуни Л63, обеспечивающий эксплуатационные требования и снижение трудоемкости их изготовления, который внедрены в производстве на ОАО «ТНИТИ». Отдельные результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе на кафедре «Механика пластического формоизменения» Тульского государственного университета.
В заключении приводятся основные результаты и выводы по выполненной работе.
В приложении содержатся тексты программ для ЭВМ по расчету силовых и деформационных параметров исследуемых процессов обжима и раздачи анизотропных трубных заготовок, а также акты внедрения работы в промышленности и учебном процессе.
Анизотропия материала заготовок и ее влияние на процессы штамповки
Листовой металл, используемый в процессах обработки металлов давлением, обладает начальной анизотропией механических свойств. Анизотропия проката является следствием образования текстуры предпочтительной ориентировки кристаллографических осей в зернах обрабатываемого материала, характера распределения и ориентировки фаз дефектов металла и остаточных напряжений, возникающих вследствие неоднородности пластической деформации при прокатке [11 - 13, 15, 33, 45, 75]. При деформации зерна и включения приобретают вытянутую форму, которая после отжига переходит в строчечную структуру, в результате чего свойства, в том числе и механические, вдоль и поперек направления прокатки могут резко различаться.
Кристаллографическая текстура во многих случаях является определяющим фактором в создании анизотропии физических свойств металлических материалов. Следовательно, управляя текстурой, можно целенаправленно регулировать анизотропию их свойств, обеспечить рациональные значения данной физической характеристики в нужном для определенного изделия направления и т.п. Кроме того, учитывая связь коэффициента пластической анизотропии R с упругими характеристиками материала и текстурой, можно создавать оптимальную текстуру, способствующую повышению штампуемости листов из данного материала. Для реализации на практике всех возможностей, связанных с кристаллографической текстуры, надо располагать информацией о закономерностях формирования текстуры в процессе различных обработок материала (пластическая деформация, рекристаллизационный отжиг и др.), а также об основных технологических факторах, влияющих на текстуру.
Анизотропия листа зависит от режимов прокатки и последующей термической обработки [45,75, 150, 151].
Изучение кинетики развития текстуры при холодной прокатке показало, что анизотропия в общем случае возрастает с увеличением деформации до определенного предела, после которого изменяется уже мало [150, 151]. Анизотропию механических свойств прокатанного листа можно уменьшить разбросом текстуры относительно направления прокатки.
Анизотропия механических свойств металлов проявляется в различии пределов текучести C7Q2, временного сопротивления разрыву ств, относительного удлинения 5 и других параметров в разных направлениях плоскости листа. Для характеристики анизотропии используют различные показатели, например показатель анизотропии относительного удлинения и показатель анизотропии временного сопротивления разрыву. Однако указанные показатели характеризуют анизотропию механических свойств только вдоль и поперек прокатки, что недостаточно для объективной оценки анизотропии материала, так как целый ряд материалов имеет одинаковые значения пределов текучести, временного сопротивления разрыву, относительного удлинения вдоль и поперек прокатки, но различные в других направлениях.
Для оценки анизотропии механических свойств листового материала наиболее часто применяются коэффициенты анизотропии R , которые представляют собой отношение логарифмических деформаций по ширине є/, и толщине zz образцов, вырезанных под углами ф по отношению к направлению прокатки, при испытании на растяжение. Для изотропного материала это отношение равно единице. Различают трансверсально-изотропное тело, когда коэффициент анизотропии практически одинаков в различных направлениях по отношению к направлению прокатки листа, но отличен от единицы, и плоскостную анизотропию, когда коэффициент анизотропии различен в различных направлениях относительно направления прокатки в плоскости листа.
Влияние анизотропии механических свойств на штампуемость листовых материалов и качество получаемых изделий часто связывается с величиной среднего коэффициента анизотропии R, определяемого как среднее арифметическое коэффициентов анизотропии в разных направлениях в плоскости листа.
Целый ряд работ [14 -16, 45, 53, 60, 76, 138, 151, 152] посвящен отработке методик и экспериментальному определению коэффициентов анизотропии. Обычно величину коэффициента анизотропии R определяют по данным измерения ширины и толщины образца в зоне расчетной длины при деформации растяжения образца на 15...20 % в области равномерной деформации. Часто величину R находят при максимальной равномерной деформации образцов. Ширину образцов рекомендуется брать не менее 15 мм, в противном случае обнаруживается тенденция увеличения разброса величины R. Некоторые исследователи вместо замеров толщины определяли деформацию по длине и ширине образца, а затем, используя условие постоянства объема, вычисляли деформацию по толщине. Этот способ позволяет исключить относительно большие погрешности измерений толщины. Отмечается, что определение R усложняется неоднородностью материала, которая приводит к искажению боковой поверхности образца даже в области квазиравномерной деформации. Установлено, что величина коэффициента нормальной анизотропии для большинства листовых материалов изменяется в пределах от 0,2 до 3,5.
Авторами работ [150, 151] экспериментально показано, что анизотропия упрочнения имеет место при одноосном растяжении образцов, т.е. коэффициент анизотропии R зависит от степени деформации образцов, при которой он определяется. Описанные методы определения коэффициентов анизотропии отличаются большой трудоемкостью как при подготовке к испытанию, так и при об работке результатов испытаний. В целях устранения указанных недостатков разрабатываются методики определения анизотропии механических свойств на испытательных машинах с использованием специальных механических устройств в тензоблоках [14,151].
Анизотропия механических свойств материала заготовки оказывает существенное влияние на силовые и деформационные параметры процессов обработки металлов давлением и на качество получаемых изделий [1, 16, 26, 33, 45, 75,77, 83, 84, 87, 144,150,151,153,154,155]. Исследования процесса вырубки круглых заготовок из листа показывают, что качество среза улучшается при увеличении величины R , вследствие чего рекомендуется использовать листы с коэффициентами анизотропии больше 1 для деталей, получаемых вырубкой. Кроме того, при использовании трансвер-сально-изотропного материала разделение металла получается наиболее однородным [45].
При вытяжке плоскостная анизотропия проявляется в образовании фестонов, что вызывает необходимость в обрезке края детали и потери металла. Фес-тонообразование сопряжено с неравномерностью толщины стенок деталей и трудностями, связанными со съемом их с пуансона после вытяжки. Образование фестонов приводит также к появлению расслоений и наплывов.
Результаты экспериментального исследования фестонообразования в зависимости от исходной анизотропии заготовок и технологических параметров вытяжки приводятся в работах [33, 45, 147, 150, 151]. Установлено, что существенное влияние на фестонообразование оказывают степень исходной плоскостной анизотропии, коэффициент вытяжки и относительный зазор между матрицей и пуансоном. Другие факторы - геометрия инструмента, сила прижима, смазка, толщина материала - влияют незначительно. Уменьшению фестонов способствует принудительное утонение стенок вытягиваемой детали.
Критерии шейкообразования ортотропного упрочняющегося листового материала при двухосном растяжении
Методы оценки деформируемости заготовки, т.е. способности к той или иной технологической операции без разрушения, приобретают важное значение в связи с повышением требований к качеству продукции, рациональному использованию материала заготовки, назначению степеней деформации на каждой операции с целью повышения их надежности. Расчетная оценка деформируемости на стадии проектирования технологических процессов способствует его интенсификации и позволяет предотвратить брак от разрушения материала в процессе обработки давлением, порчи внешнего вида изделия, отклонений от технических требований. Пластическое деформирование материалов осуществляется различными методами в условиях сложного напряженного и деформированного состояний с различным характером нагружения. Условия деформирования и свойства материала накладывают свои особенности на характер разрушения и предельные возможности деформирования.
Многие операции листовой штамповки (вытяжка без утонения стенки, обжим, раздача, отбортовка, формовка) осуществляются в условиях близких к плоскому напряженному состоянию. Для них в случае высоких пластических свойств материала заготовок разрушение или порча внешнего вида изделия связано с локальной потерей устойчивости заготовки - местным утонением заготовки (шейкообразование, первичные и вторичные полосы скольжения) или образованием складок.
Устойчивость формообразования листового металла - одно из основных условий получения штампованных изделий хорошего качества. При выполнении ряда технологических операций обработки металлов давлением, особенно в случае пластического формообразования тонкостенных оболочек и листовых заготовок, при достижении некоторой критической деформации процесс пластического деформирования становится неустойчивым. Превышение этой деформации приводит к потере устойчивости пластического формоизменения, ухудшению качества и разрушению материала заготовки.
Ниже предлагается критерий локальной потери устойчивости (шейко-образования) ортотропного анизотропно-упрочняющегося листового материала при плоском напряженном состоянии заготовки, полученный из условия положительности добавочных нагрузок [87]. Прямоугольный лист из ортотропного материала толщиной h растягивается напряжениями ах и су. Оси х,у и z совпадают с главными осями анизотропии.
Материал принимается несжимаемым, жесткопластическим, ортотроп-ным, для которого справедливы условие текучести Мизеса-Хилла (2.1) и ассоциированный закон пластического течения (2.2).
Площади поперечного сечения листа перпендикулярных осям у и х определяются соответственноем усложняется тем, что заранее неизвестны формы и размеры заготовки в момент начала потери устойчивости, так как это явление возникает в процессе деформирования [27, 81, 86, 133]. Кроме того, напряженное состояние заготовки и интенсивность упрочнения изменяются в процессе формоизменения. Часто при анализе устойчивости заготовок при пластическом формоизменении используют статический критерий устойчивости, при использовании которого аналитические решения получаются более простыми. Сущность статического критерия устойчивости состоит в том, что рассматриваются состояния равновесия, бесконечно близкие к основному состоянию равновесия, т.е. при некотором значении нагрузки наряду с основной формой возможна другая форма равновесия, а именно, при несколько искривленной заготовке.
Рассмотрим осадку трубной заготовки с начальными и текущими размерами: средний радиус заготовки #ср, высота h,h , толщина SQ,S (рис. 2.1). Формоизменение трубной заготовки отличается при потере устойчивости от формоизменения пластин и стержней, так как с началом потери устойчивости в заготовке появляется дополнительное тангенциальное напряжение, возникающее вследствие увеличения диаметра срединной поверхности оболочки при ее выпучивании.
Напряженное и деформированное состояния заготовки. Силовые режимы
Анализ графических зависимостей показывает, что с увеличением относительного радиуса р относительное окружное напряжение OQ увеличивается. Меридиональное напряжение ар уменьшается от наибольшего значения при р=1 до нуля на кромке заготовки. Графические зависимости изменения относительной величины силы процесса Р = Р/(2яго.У0Соде) от Угла конусности пуансона а (Кр = \,4;\х = 0,05) для трубных заготовок из стали 08кп и алюминиевого сплава АМгб представлены на рис. 3.4. Анализ результатов расчетов и графических зависимостей, приведенных на рис. 3.4, показывает, что выявлены оптимальные углы конусности пуансона в пределах 12... 18, соответствующие наименьшей величине силы. Установлено, что с ростом коэффициента раздачи Кр и коэффициента трения ц величина относительной силы Р возрастает. Из графических зависимостей (рис. 3.5) видно, что с увеличением коэффициента раздачи Кр относительная толщина кромки трубной заготовки sK существенно уменьшается. Приведенные выше соотношения для определения деформированного и напряженного состояний анизотропной трубной заготовки позволяют установить предельные возможности процесса. Предельные величины коэффициента раздачи Кпрр при раздаче трубных заготовок коническим пуансоном могут ограничиться допустимым изменением толщины стенки заготовки (по техническим условиям), локальной потерей устойчивостью заготовки, величиной накопленных микроповреждений и потерей устойчивости трубной заготовки второго типа. напряжения в очаге деформации, причем на участке, где GQ 0; а5р - сопротивление материала пластическому деформированию в условиях плоского напряженного состояния при заданной величине изменения начальной толщины стенки заготовки. В расчетах принималось asp = ао,2р Эта величина напряжения CTQ P соответствует условию, что при р = ро, s = SQ .
Неравенства (3.25) и (3.26) не разрешаются в явном виде относительно предельного коэффициента раздачи KnJ, поэтому зависимости предельного коэффициента К"р от геометрии инструмента и условий трения на инструменте устанавливались путем численных расчетов по этому неравенству. Результаты расчетов предельных возможностей формоизменения по приведенным выше условиям деформирования представлены на рис. 3.6, откуда видно, что предельные возможности формоизменения при раздаче трубных анизотропных заготовок ограничиваются вторым условием деформирования. Здесь кривые 1 и 2 соответствуют величинам коэффициентов раздачи КрР, вычисленным по критерию локальной потери устойчивости (3.26) и максимальной величине напряжения стртах (3.25) соответственно. Как и при исследовании силовых параметров процесса раздачи трубной заготовки, выявлены оптимальные углы конусности пуансона в пределах 15... 18, соответствующие максимальной величине предельного коэффициента раздачи Кпрр. Технологические возможности процесса раздачи трубной заготовки могут ограничиваться потерей устойчивости заготовки второго типа при ее формоизменении, т.е. явлением волнистости, складок, гофров на участках за готовки, деформируемых при сжимающих или сжимающих и растягивающих напряжениях. Ниже изложены результаты теоретических исследований предельных возможностей формоизменения при раздаче анизотропных трубных заготовок, при которых возникает потеря устойчивости ее свободной части. На рис. 3.7 приведены графические зависимости изменения относительной величины напряжения с = ЗртаХк1аХкр от коэффициента раздачи Кр при различных степенях деформации zx. Величина GXK„ вычисляется ПО формуле (2.61). Расчеты выполнены для трубных заготовок высотой цилиндрической части / = 150 мм из стали 08кп и алюминиевого сплава АМгб со следующими механическими характеристиками: сталь 08кп - ст,о = 377,15 МПа; Л = 488,9 МПа; и = 0,48; Rp =0,817, Де =0,783; алюминиевый сплав [87]; a - угол конусности пуансона; a = 20. Установлено, что чем выше коэффициент раздачи Кр, тем больше значение относительной величины напряжений a. При достижении величины с = 1 происходит образование дефектов в виде складок, что и определяет предельный коэффициент раздачи КрР. Графические зависимости изменения предельного коэффициента раздачи КрР от степени деформации s при различных значениях относительной величины высоты цилиндрической части трубных заготовок / = //so из стали 08кп и алюминиевого сплава АМгб представлены на рис. 3.8 (/о =50 мм; 0=4 мм; ц = 0,05). Анализ результатов расчетов показывает, что с увеличением величины степени деформации гх предельный коэффициент раздачи Кп1 уменьшается. Увеличение относительной высоты цилиндрической части заготовки / приводит к росту предельного коэффициента раздачи Кп1.
Напряженное и деформированное состояния заготовки. Силовые режимы
Приведенные выше соотношения позволили оценить влияние цилиндрической анизотропии механических свойств трубной заготовки, угла конусности матрицы, условий трения на контактной поверхности рабочего инструмента и заготовки на напряженное и деформированное состояния и силовые режимы. На рис. 4.3 приведены графические зависимости изменения относи тельных величин меридионального аб = Рбг а0,26 напряжений на коническом участке заготовки от относительного радиуса р = р0/р (при г0=50 мм; SQ=4 мм; ц = 0,05). Расчеты выполнены для трубной заготовки из стали 08кп и алюминиевого сплава АМгб со следующими механическими характеристиками и геометрическими размерами трубной заготовки: сталь 08кп - ст/о = 377,15 МПа; Л = 488,9 МПа; « = 0,48; Rp = 0,817, RQ = 0,783; алюминиевый сплав АМгб - а/0 = 194,19 МПа; Л = 275,11 МПа; « = 0,256; Др = 0,67; RQ=0,54 [87]. Анализ графических зависимостей показывает, что с увеличением относительного радиуса р относительное окружное напряжение \щ\ увеличивается. Меридиональное напряжение ар уменьшается от наибольшего значения при р=1 до нуля на кромке заготовки. Графические зависимости изменения относительной величины силы процесса P = P/(2nrQSQGQ2Q) от угла конусности матрицы а (К0$=\,4; и = 0,05) для трубных заготовок из стали 08кп и алюминиевого сплава АМгб представлены на рис. 4.4. Анализ результатов расчетов и графических зависимостей, приведенных на рис. 4.4 и 4.5, показывает, что выявлены оптимальные углы конусности матрицы в пределах 12... 18, соответствующие наименьшей величине силы. Установлено, что с ростом коэффициента обжима K0Q И коэффициента трения \i величина относительной силы Р возрастает (рис. 4.4 и 4.5). На рис. 4.6 приведены графические зависимости изменения относительной толщины кромки трубной заготовки SK=SK/SQ ОТ коэффициента обжима K0Q при обжиме трубных заготовок из стали 08кп и алюминиевого сплава АМгб.
Из графических зависимостей (рис. 4.6) видно, что с увеличением коэффициента обжима К0б относительная толщина кромки трубной заготовки sK существенно увеличивается. Приведенные выше соотношения для определения деформированного и напряженного состояний анизотропной трубной заготовки позволяют установить предельные возможности процесса. Предельные возможности формоизменения оценены из условия, что максимальная величина осевого напря где asp - сопротивление материала пластическому деформированию в условиях плоского напряженного состояния при заданной величине изменения начальной толщины стенки заготовки. В расчетах принималось а5р = ао р Эта величина напряжения аддр соответствует условию, что при р = ро, s » SQ . Результаты расчетов предельных возможностей формоизменения представлены на рис. 4.7. Как и при исследовании силовых параметров процесса обжима трубной заготовки, выявлены оптимальные углы конусности матрицы в пределах 15...20, соответствующие максимальной величине предельного коэффициента обжима К"%.
Величина предельного коэффициента обжима К1 для алюминиевого сплава АМгб меньше, чем при обжиме трубных заготовок из стали 08кп. В работе выполнены теоретические исследования предельных возможностей формоизменения при обжиме анизотропных трубных заготовок, при которых возникает потеря устойчивости ее свободной части. На рис. 4.8 приведены графические зависимости изменения величины HQ/SQ при осадке трубной заготовки от степени деформации єх (при 7 =50 мм; so =4 мм; ц = 0,05) для алюминиевого сплава АМгб и стали 08кп со еле дующими механическими характеристиками: сталь 08кп - а/0 =377,15 МПа; А = 488,9 МПа; п = 0,48; Rp = 0,817, Щ = 0,783; алюминиевый сплав АМгб -а/0 = 194,19 МПа; А = 275,11 МПа; п = 0,256; Лр = 0,67; / =0,54 [87]. Анализ результатов расчетов показывает, что с увеличением степени деформации устойчивость заготовки и, следовательно, величина HQ/SQ уменьшается и, достигнув минимума, начинает возрастать в связи с увеличением толщины стенки заготовки, упрочнения материала и уменьшением высоты заготовки. Полученные зависимости справедливы до / / Rcp 6. При больших отношениях hQlRCp в заготовке начинают возникать две выпучины на расстоянии от торцов до середины выпучины l = h/4. Графические зависимости изменения величины HQ/SQ ОТ степени деформации гх и параметра деформационного упрочнения п представлены на рис. 4.9. Расчеты выполнены по выражению (2.62) для материала со следующими механическими характеристиками: G;o =377,15 МПа; А = 488,9 МПа; w = 0,48; Rp =0,817, = 0,783 (г0=50 мм; s0=4 мм; ц = 0,05).
