Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Технология штамповки деталей эластичными средами и жидкостью
1.1. Раздача трубных заготовок при помощи эластичных материалов. 18
1.2. Детали, изготавливаемые методом гидроформовки 22
1.3. Гидроформовка полых деталей 24
1.4. Гидроформовка полых осесимметричных деталей большой длины раздачей жидкостью высокого давления с осевым подпором 31
1.5. Гидроформовка полых осесимметричных деталей большой длины раздачей жидкостью высокого давления 33
1.6. Другие методы изготовления полых осесимметричных деталей 34
1.7. Оборудование для гидроформовки 34
1.8. Материал труб, подвергаемых раздаче 40
1.9. Постановка задачи исследования 41
ГЛАВА 2. Анализ напряженно-деформированного состояния осесимметричнои трубчатой заготовки большой длин ы при гидравлической штамповке
2.1. Методика теоретического исследования процесса 43
2.2. Решение на основе уравнений равновесия и пластичности 44
2.3. Решение численным методом 59
2.3.1. Численная реализация метода 64
2.4. Учет влияния краевого эффекта 67
2.5. Анализ полученных данных 73
2.6. Выводы по главе 2 84
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование процесса деформирования
3.1. Исследование на растяжение продольных, поперечных и трубных образцов сплава Э-110 87
3.2. Численный эксперимент 94
3.3 Исследование процесса образования поперечной складки на кольцевых образцах
3.4 Исследование процесса деформирования со свободными торцами без осевой силы
3.5 Результаты виртуального эксперимента 107
3.6 Проведение натурного эксперимента ПО
3.7 Исследование деформированного состояния 113
3.7.1 Метод координатных сеток 114
3.7.2. Подготовка заготовок 117
3.8. Анализ полученных данных 118
3.9. Выводы по главе 3 127
ГЛАВА 4. Проектирование технологического процесса гидроформовки тонкостенных осесимметричных деталей большой длин ы из трубчатых заготовок
4.1. Инженерный метод расчета процесса 128
4.2. Определение длины трубной заготовки. 134
4.3. Энергосиловые параметры процесса . 138
4.3.1. Расчет силы смыкания полуматриц 138
4.3.2. Расчет осевой сжимающей силы боковых пуансонов. 139
4.3.3. Определение суммарной работы деформирования. 140
4.4. Установка для гидроформовки 142
4.5. Выводы по главе 4 142
Выводы 146
Литература 149
Приложение
- Гидроформовка полых деталей
- Решение на основе уравнений равновесия и пластичности
- Исследование процесса образования поперечной складки на кольцевых образцах
- Энергосиловые параметры процесса
Введение к работе
Одним из главных направлений совершенствования производства является поиск новых и внедрение интенсивных процессов штамповки, ' которые позволяют снизить трудоемкость изготовления и себестоимость получаемых изделий. Листовая штамповка является одним из направлений штамповки, которая позволяет добиваться большой эффективности производства при относительно высоком коэффициенте использования материала. Для получения деталей из трубных заготовок наряду с классическими методами используется гидроформовка.
Детали, изготавливаемые методом гидроформовки, отличает выгодный
показатель прочность/материалоемкость, высокая точность размеров и
минимальная потребность в последующей механической обработке. В связи с -
этим трубчатые детали, полученные гидроформовкой средой нашли свое
применение в авиационной, автомобильной промышленности и отчасти в
среднем машиностроении. Ярким примером применения методов
гидроформовки может служить проект USLAB (Ультралегкий Стальной
Кузов автомобиля), который разрабатывался под руководством фирмы
«ПОРШЕ», Германия. При изготовлении кузова продольные стойки и часть
подрамника двигателя были изготовлены гидроформовкой, что позволило
повысить крутильную жесткость кузова автомобиля и обеспечить снижение
его массы более чем на восемь процентов. '
Особое преимущество методы гидроформовки могут
продемонстрировать при изготовлении полых деталей типа тройников, крестовин, переходников, конусных и эллиптических оболочек с большими степенями деформирования и повышенными требованиями к качеству внутренней и наружной поверхностей, шероховатости, точности формы и размеров. Указанное преимущество состоит в возможности создания в заготовке оптимального напряженного состояния, которое позволяет
провести процесс деформирования за минимальное число переходов без применения промежуточных отжигов.
Существенное снижение себестоимости изделий от применения гидроформовки следует ожидать в случае использования материалов с умеренными пластическими свойствами и трудоемким, дорогостоящим процессом рекристаллизационного отжига. Примером такого материала является сплав на основе циркония, легированный 1% ниобия. Данный материал широко применяется в среднем машиностроении. Так для изготовления полого конусообразного осесимметричного переходника (максимальная степень деформации до 50%) с применением эластичного пуансона по жесткой матрице требует не менее трех переходов с двумя промежуточными отжигами.
Основные существующие процессы гидроформовки можно разделить на два класса, на основании размещения материала трубной заготовки в инструменте. К первому классу относятся детали типа крестовин, тройников, пространственных рам и другие детали с отростками и небольшими изменениями сечения. Особенностью данного класса является значительная относительная толщина стенки и небольшая длина неопертои части заготовки, подвергнутой нагружению.
Второй класс включает в себя детали типа тонкостенных симметричных оболочек вращения. В этом случае значительная длина трубной заготовки подверженная нагружению является неопертои. Как показало исследование номенклатуры изделий, их геометрии характерна незначительной относительной толщиной, значительными изменениями форм и диаметров сечении, что подразумевает значительные степени деформации материала заготовки. Осуществление значительных изменений форм заготовки за минимальное число переходов требует создания благоприятного ' напряженного состояния в материале заготовки, что требует создания значительных сжимающих напряжении. Деформирование оболочки при наличии значительного осевого сжатия и неопертои поверхности может
привести к потери устойчивости заготовки. На этом основании целью работы определена разработка научно — обоснованной методики построения технологического процесса гидроформовки тонкостенных осесимметричных деталей большой длины из трубных заготовок.
В связи с этим проведение исследования процесса гидроформовки тонких осесимметричных заготовок большой длинны, обеспечивающего снижение себестоимости изделий, является актуальной задачей.
Решение задачи в теории листовой штамповки в общем случае сводится к определению распределения напряжений и деформаций с целью определения допустимых степеней деформации и необходимых силовых параметров. Точное знание характера напряженного состояния позволяет принять меры по интенсификации конкретного технологического процесса [10,25].
Проблема определения параметров процесса гидроштамповки полой трубной осесимметричной детали большой длины основана на использовании теории оболочек, теоретическую основу которой разрабатывали такие ученые как И.А. Биргер, В.З. Власов, А.С. Вольмир, А.А Ильюшин, А.И. Лурье, В.В. Новожилов, П.М Огибалов, СП. Тимошенко, В.И. Феодосьев [29,37,38,40,41]. В подавляющем числе работ исследуется упругое либо упругопластическое деформирование цилиндрических оболочек.
Теоретические исследования упругопластического деформирования толстостенных труб с различными граничными условиями можно найти у ' А.Г. Овчинникова, В Прагера, А. Надай, Ф. Ходжа. Однако в силу специфики рассматриваемого нами процесса ценность данных из этих работ ограничена.
Основные ограничения, не позволяющие в полной мере использовать классическую теорию оболочек при рассмотрении процесса, гидроштамповки, состоят в следующем:
— все решения предполагают малые деформации,
напряженное состояние принимается равномерным, без учета краевого эффекта,
рассматриваемый материал считается идеально пластичным. Наиболее полное теоретическое описание процесса гидроштамповки из
трубной заготовки встречается в работе Е.И. Исаченкова [8]. В данной работе приводится анализ напряженно—деформированного состояния и определение потребных давлений деформирующей среды для процесса формообразования тонкостенной трубчатой детали со свободными и защемленными торцами. Основные допущения, принятые в этой работе следующие:
давление равномерно распределено по поверхности заготовки напряженное состояние считается безмоментным
напряженное состояние в заготовке принимается двухосным материал заготовки однороден, анизотропия механических свойств отсутствует
силы внешнего трения между заготовкой и поверхностью матрицы не учитываются
При анализе деформирования заготовки со свободными торцами определяются совместным решением уравнений равновесия оболочки (уравнение Лапласа):
R, R2 Si' Уравнения равновесия отсеченной части:
2л = <тг cos/fc,.2;zir..
Условия постоянства объема:
(l + sjl + ejl + e^l. Условия пластичности: сг, - <т2 = pas и уравнений связи между деформациями и
напряжениями:
i( l Ї
о-д 2 ;
о-Д 2 J
Предлагаемые решения не позволяют определить значения деформаций и напряжений у торцов заготовки, а также не учитывает влияние сил трения между заготовкой и матрицей. Для полного соответствия расчетных формул схеме осевым нагружением заготовки необходимо учесть дополнительную сжимающую нагрузку обеспечиваемую осевыми пуансонами.
Большое количество работ посвящено гидроформовке полых
толстостенных деталей с отводами [11,12,13,14,15]. Однако использовать
результаты этих работ для исследования напряженно — деформированного
состояния при гидроформовке осесимметричной детали невозможно в силу
того, что условия деформации полых деталей с отводами и полых
осесимметричных деталей различны. '
В работах Б.А Щеглова, А.И. Орешенкова, B.C. Мамутова, А.Н Пережогина [20,21] приводятся теоретические решения для процессов электрогидроимпульсной штамповки трубных заготовок, однако данные решения ввиду импульсной нагрузки не могут быть применены к процессу гидравлической штамповки.
В работе И.Г. Филина [17], посвященной вопросам гидроштамповки деталей осесимметричных полых валов и кулачков, в качестве объекта исследований выбран класс полых деталей с s0/d0 «0,09...0,1 и длиной деформируемой части L в пределах l,5d0, материал заготовок — сталь 12Х18Н10Т, 10 и латунь 62. Расчет напряженно—деформированного состояния автор проводит на основе решения уравнения движения материала цилиндрической оболочки под действием внешних сил. Большая часть работы посвящена проведению и анализу результатов эксперимента. Данные , о деформированном состоянии получены методом координатных сеток и замерами твердости. На основании результатов проведенных экспериментов
10 автор отмечает возможное появление следующих браковочных признаков: разрыв в купольной части, неполное заполнения формы матрицы и потеря устойчивости. Дополнительных сведений о исследовании вопроса потери устойчивости н приводится. В качестве критерия качества получаемой детали параметров автор рассматривает разнотолщинность стенки детали; для оценки используется максимальная деформация по толщине:
hJfasL
у = тах
В качестве параметров процесса, влияющих на максимальную степень утонения, автор рассматривает только геометрические размеры заготовки. , Автор сообщает, что соотношение внутреннего давления и осевой силы также влияет на разнотолщинность детали. Однако конкретных данных о определении оптимальных соотношений этих параметров в работе нет.
В диссертационной работе Фам Ван Нге, выполненной в 1993 году под руководством проф. Рябинина [18] исследуется получение осесимметричных деталей из трубных заготовок. В качестве объекта исследований выбран класс полых деталей с s0ld0 « 0,1...0,2 и длиной деформируемой части L в
пределах l,6
Автор ставит следующие задачи исследования: '
установить силовые параметры процесса гидроформовки тонкостенных полых осесимметричных деталей с большой длинной деформируемой части из трубчатых заготовок;
определить соотношение между осевым усилием и давлением для получения осесимметричных деталей типа расширителя с максимальным коэффициентом раздачи;
исследовать механизм возникновения зоны потери устойчивости с образованием складки;
провести экспериментальные исследования механизма' образования поперечной складки и установить справедливость результатов, полученных в ходе теоретических исследований.
Автор утверждает, что для получения максимальной раздачи следует использовать комбинированную схему нагружения со скользящими вкладышами (рис. 1.7). Теоретическое исследование проведено с использованием метода конечных элементов на основании анализа которых определяются два браковочных признака: разрыв в купольной части заготовки и образование складки в зоне деформирования. Соотношение осевого усилия и внутреннего давления автор определяет методом баланса работ без условий. Сведений о расчете зоны потери устойчивости в работе нет.
С точки зрения анализа напряженно — деформированного состояния близким процессом к гидроформовки является деформирование эластичной средой. Последние работы по раздаче тонкостенных (s0/d0 «0,05...0,1) трубных заготовок с неопертой частью относятся к второй половине 90 — х. В работе В.Г. Егорова [16] рассматриваются теоретические и практические вопросы получения тонкостенных патрубков эластичной рабочей средой. ' Рассматриваемые в работе детали имеют значительное изменения сечения, однако формообразование ведется по внутреннему жесткому пуансону, а длины неопертых участков материала незначительны. Основное внимание автор уделяет вопросам устойчивости процесса с точки зрения недопущения разрыва заготовки. Вопрос о потери устойчивости не рассматривается.
В конце 2001 года были опубликованы результаты работ об исследовании процесса гидроформовки шовных и бесшовных алюминиевых трубных заготовок, проведенных в лаборатории «Пасифик Норвест Нашенел», Ричленд, США [61]. В работе приводятся результаты' исследования деформирования заготовок с внешними диаметрами 76, 50 мм и толщиной стенок 2 и 3,5 мм соответственно. Длины неопертых участков составляли до 420 и 360 мм соответственно. Основное внимание в отчете было уделено получению допустимых параметров проведения процесса гидроформовки с осевым напряжением сжатия и растяжения. Авторы рассматривали появление браковочных признаков типа продольного разрыва
12 и изгиба заготовки. Определение напряженного состояния проводилось при помощи метода координатных сеток. Главным результатом, отмеченным в ' работе стало определение допустимых соотношений осевого и окружного напряжений. В отчете нет упоминаний об исследовании потери устойчивости заготовкой.
Анализа литературных источников показал, что вопрос о потери
устойчивости в операциях гидроштамповки полых осесимметричных
трубных деталей большой длинны не выяснялся, хотя в работах
присутствуют упоминания о браковочных признаках, связанных с локальной
потерей устойчивости [51,52,55]. В связи с этим насущными задачами
исследования является подробное описание напряженного '
деформированного состояния заготовки, изучение факторов влияющих на потерю устойчивости заготовки и определение параметров интенсификации процесса деформирования.
Наличие неопертых участков и сжимающих напряжений, а также тонкостенность трубчатой заготовки ставит вопрос о устойчивости деформирования в смысле общей или локальной потери устойчивости заготовкой.
Исследование процесса гидроформовки выполняется на основании совместного решения уравнений равновесия и пластичности, решением ' уравнения движения материала оболочки. Развитие напряжений в зонах возможной потери устойчивости проводится методом конечных элементов. Справедливость полученных теоретических данных проверятся экспериментальными исследованиями.
Научная новизна диссертации состоит в получении научно— обоснованной методики построения технологического процесса деформирования тонкостенных заготовок большой длинны на основании оценки напряженно—деформированного состояния материала заготовки и влияния напряженно—деформированного состояния на возможную потерю ' устойчивости заготовки в процессе деформирования.
Практическая значимость диссертации состоит в получении конкретных рекомендаций по расчету технологических процессов гидроштамповки, тонкостенных осесимметричных деталей большой длинны из трубчатых заготовок.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложения и выполнена на Щ? страницах машинописного текста, содержит 70 рисунка, 8 таблиц, список литературы из 67 наименований и приложения.
На защиту автор выносит следующее:
— математические модели расчета процесса деформирования
тонкостенных осесимметричных деталей большой длин ы, ,
определяющие напряженно — деформированное состояние материала
заготовки в условиях гидроформовки,
методику расчета начальных параметров процесса гидроформовки на основании моделирования напряженного состояния заготовки в момент начала пластических деформаций,
результаты экспериментальных и теоретических исследований получения тонкостенной осесимметричной детали большой длинны,
методику проектирования технологических процессов гидроформовки, позволяющих значительно интенсифицировать , производство тонкостенных осесимметричных деталей большой длинны из трубчатых заготовок.
Гидроформовка полых деталей
Сущность процесса заключается в следующем (рис. 1.5): трубчатая заготовка 1 помещается в полость жесткой разъемной матрицы 2, которая, в свою очередь, закрывается и фиксируется в закрытом состоянии центральным (вертикальным) гидроцилиндром. Матрица делается разъемной для беспрепятственного извлечения полученной детали. Торцы заготовок , подпирают правый и левый боковые пуансоны 3 и 4. Боковые пуансоны выполняют две функции: с их помощью происходит уплотнение торцов заготовки для предотвращения прорыва жидкости высокого давления из полости заготовки наружу и создание осевого сжимающего напряжения в заготовке, что создает более благоприятное для проведения штамповки напряженное состояние.
Для начала процесса деформирования необходимо сомкнуть полуматрицы, ввести боковые пуансоны и уплотнить торцевые соединения пуансонов и заготовки, а затем подать жидкость высокого давления q от автономного источника. Под действием внутреннего давления и осевого усилия со стороны боковых пуансонов заготовка принимает форму внутренней поверхности матрицы. Высокая точность и чистота поверхности детали позволяют получать готовую деталь, для которой требуется минимум финишных операций.
Аналогичным способом происходит деформирование заготовки при использовании отличных от жидкости наполнителях (например, полиуретане). В этом случае внутренне давление создается осадкой боковыми штоками цилиндра из полиуретана. Основным ограничением при работе с полиуретанами является потеря устойчивости цилиндра при его осадке и необходимость компенсировать прирост объема заготовки в процессе деформирования. Согласно [9] соотношение высоты деформируемой области Н к её диаметру d не может быть более 3. Кроме того происходит взаимодействие полиуретана и материала заготовки в месте их контакта, что приводит к образованию повышенной шероховатости на внутренней поверхности детали. Так же следует отметить, что полиуретан не t может обеспечить внутренне давление более 500 МПа, а так же обладает остаточной деформацией. В связи с этим производство полых деталей с применением полиуретанов довольно ограничено, но относительная простота оснастки и ее низкая стоимость делают применение полиуретанов незаменимым в мелкосерийном производстве.
Известно несколько схем нагружения заготовки в процессе гидроформовки. К наиболее простой схеме относится схема с защемленными или малоподвижными торцами заготовки. Таким способом получают детали из пластичных материалов при небольших степенях деформирования.
Принципиальная схема гидроформовки со свободными торцами и скользящими вкладышами Изолирование внутреннего объема при этом происходит за счет уплотнений, установленных на неподвижных пуансонах. Пуансоны при данной схеме нагружения используются только для изолирования внутреннего пространства полуматриц. Для получения деталей более сложной формы могут применяться схемы со свободными торцами. Для реализации этих схем нагружения пуансоны делаются подвижными (рис. 1.6), а в некоторых случаях используют и подвижные вкладыши, деформирующие деталь до необходимых размеров (рис. 1.7).
Классификация схем (рис. 1.8) нагружения при гидроформовке может быть основана на наличии деформирующих усилий: Q1 — сила вертикального прижима со стороны полуматриц, Q2 - сила от боковых пуансонов (осевая осадка), Q3 - сила от скользящих вкладышей, q и ql внутреннего давления и внешнего противодавления.
Схемы «а, б, г» являются наиболее сложными их объединяет наличие скользящих вкладышей. Схема «а» характерна наличием скользящих вкладышей и отсутствием противодавления; схема «б» обеспечивает более благоприятное напряженно—деформированное состояние благодаря наличию противодавления ql, создаваемого дополнительным источником давления; в схеме «г» присутствует ограничивающий пуансон, препятствующий неконтролируемому увеличению степени деформации в зоне отростка. Данные схемы могут с успехом применяться для изготовления деталей с отводами большой длины. Скользящие вкладыши позволяют проталкивать малодеформированный материал в зоны формирования отростков. Схемы «г, д, е» оцениваются как средние по сложности, но в то же время обеспечивающие получение деталей с большими степеням деформрования. Схема «г» обеспечивает благоприятное трехосное напряженное состояние; в схеме «е» присутствует ограничивающий пуансон, а схема «е», являясь наиболее простой, позволяет создавать в заготовке двухосное напряженное состояние. Данные схемы подходят для работы с осесимметричными и неосесимметричными деталями и сильфонами. Схемы «ж» и «з» характерны тем, что заготовка подвержена только внутреннему давлению, что позволяет работать по данной схеме лишь с пластичными материалами только в случае небольших деформаций. , Некоторое осевое усилие в начальный момент деформирования присутствует благодаря воздействию жидкости на торцы заготовки.
Решение на основе уравнений равновесия и пластичности
Начальное исследование напряженно—деформированного состояния заготовки проведено на основании решения уравнений равновесия совместно с уравнениями пластичности. Расчетная модель построена на основании модели, предложенной Е.И. Исаченковым для расчета оболочки со свободными торцами [8]. Наличие осевого нагружения будет учтено добавлением в расчетную модель сжимающего осевого напряжения. Решение будет проведено с использованием предложенных допущений (стр. 8). Решение с использованием уравнений равновесия и пластичности позволит с достаточной точностью оценить напряженно—деформированное состояние в фасонной части заготовки.
В дальнейшем напряженно—деформированного состояния заготовки будет проведено на основании уравнения движения материала с учетом трения между заготовкой и инструментом. Полученные данные используются для определения напряжений в зонах резких изгибов материала. Для определения напряженного состояния в месте выхода материала из цилиндрической в фасонную используется уравнение положения образующей цилиндрической оболочки. На основании полученных результатов будет проведен анализ, результатом которого будет определение допустимых соотношений силовых параметров для устойчивого / проведения процесса деформирования
Затем будут определены энергосиловые параметры проведения процесса гидроформовки. 2.2. Решение на основе уравнений равновесия и пластичности
Для анализа напряженно—деформированного состояния трубчатой заготовки под действием внутреннего давления q и осевой сжимающей силы Q будем использовать следующие допущения: — напряженное состояние в заготовки считается плоским, тем самым полагается, что радиальным напряжением аг, находящимся в пределах (0...q) можно пренебречь по сравнению с двумя другими напряжениями. Другие напряжения, тангенциальное тв и меридиональное сгг, принимаются главными, деформированное состояние - трехосное, соотношение между деформациями согласное требованию несжимаемости заготовки выглядит как: (і + яДі + Хі + И; — материал заготовки считался изотропным, толщина заготовки предполагается одинаковой, материал несжимаемый; — нагружение предполагается простым для использования соотношения связывающего тензор напряжения с тензором деформации в виде линейной зависимости (при этом принималась гипотеза единой кривой) сг,. = Ає, на участке нагружения (увеличения модуля напряжений), при разгрузке считалось, что набранная степень деформации сохраняется, а упругими напряжениями можно пренебречь, учитывая их малость; — матрица при ее взаимодействии с заготовкой считается абсолютно жесткой; — заготовка считается безмоментной, изгиб заготовки будет учитываться соответствующим изменением меридионального напряжения Дсгг, которое определяется по формуле: A asS ACT = —i— где s — текущая толщина заготовки в месте изгиба, Rp — радиус изгиба материала заготовки; — силы трения между заготовкой и матрицей начинают действовать только в момент соприкосновения матрицы и деформированной заготовки в ее купольной части. Полагается, что в цилиндрической части трение между заготовкой и матрицей отсутствует.
Рассмотрим схему расчета напряженно—деформированного состояния, предложенную [8], дополнив ее действующей осевой силой.
Уравнение равновесия элементарного объема материала заготовки запишем в виде уравнения Лапласа: Я. 2 s, где Я, — радиус заготовки, вычисленный от оси симметрии по нормали к поверхности заготовки в точке измерения, R2 - радиус заготовки, в меридиональном направлении (рис. 2.1).
Для получения дополнительного уравнения, связующего меридиональное напряжение с остальными параметрами, рассмотрим равновесие произвольно отрезанной части заготовки (рис.2.2) max 2л l qdr - Aq = a i cos /?2яг;. 5 где г х — максимальный достигнутый радиус заготовки, А - условная площадь, позволяющая учесть усилие осевого сжатия.
Исследование процесса образования поперечной складки на кольцевых образцах
Данный эксперимент проводился с целью определения начальных силовых параметров деформирования, а именно соотношение внутреннего давления и осевой силы. Одновременно можно проанализировать возможное разбиение процесса деформирования на несколько этапов. Для проведения экспериментов выбрана среда SOLIDWORKS, а для реализации расчета среда COSMOSWORKS.
Для симуляции процесса деформирования заготовки (рис. 3.1) составлялась расчетная схема. Учитывая симметричность детали (рис. 2.12), будет рассматриваться половина заготовки. Расчетная схема представлена на рис. 3.2.
Сторона «А» заготовки жестко закреплена. Сторона «Б» находится в пуансоне «В», который имитирует реальный пуансон и внутреннюю поверхность матрицы в цилиндрической ее части, а также радиусный переход из цилиндрической в фасонную часть матрицы.
Материал пуансона имеет механические свойства — ут = 620МПа, сгв=738МПа. Материал заготовки - аО2=300МПа, ав=350МПа, диаметр заготвки - d0 = 24мм. Усилия задаются в виде давления на торцевую поверхность пуансона «В» и внутреннего давления в заготовке. Критерием окончания поиска является нахождение соотношения осевого и окружного напряжений в заготовке для достижения пластического состояния и минимизация длины зоны «преимущемтвенного деформирования». Зоной «преимущемтвенного деформирования» считается кольцевая зона с большей интенсивностью деформации, чем в соседних областях, находящихся у выходов из цилиндрической в фасонную часть. Считается, что развитие -пластической деформации начнется в кольцевой зоне, в которой условие пластичности реализуется в первую очередь. Выбор зоны осуществлялся на основании условия пластичности Мизеса.
Для начала деформирования необходимо обеспечить в материале заготовки напряжения для выполнения условия пластичности Je az - f3as.
Будем варьировать осевым и окружным напряжениями. Рассмотрим состояние заготовки при заниженном окружном напряжении. При \сгв/сгД = 0,043 (рис. 3.3) отчетливо наблюдается зона «преимущественного деформирования», расположенная у места выхода материала заготовки из цилиндрической в фасонную часть матрицы. Данная зона менее выражена, но также присутствует при \ гв1 а21 =0,27 (рис. 3.4). Рассматривая данные варианты, можно предположить, что в месте выхода материала заготовки из цилиндрического участка матрицы может произойти / переход в пластическое состояние одновременно с центральной частью заготовки. Так как данная зона окружена участками, где наступление пластического состояние невозможно, то деформация будет локальной в виде поперечного гофра, размер которого в осевом направлении соответствует ширине зоны. Очевидно, жесткость данного участка в осевом направлении f резко уменьшиться и будет определяться моментом изгиба в вершине складки.
Вследствие этого произойдет смятие складки и образование новой зоны «преимущественного деформирования». Наличие избыточного осевого сжимающего напряжения создает мягкое напряженное состояние, однако не позволит провести начальную стадию процесса деформирования без образования браковочного признака типа поперечной складки. Рассмотрим состояние заготовки при качественно ином соотношении напряжений. При ( / (= 2,31 (рис. 3.5) зона «преимущественного деформирования» смещается к центру заготовки и по интенсивности напряжения уже незначительно отличается от центральной части заготовки.
Зона «преимущественного деформирования» слабо выражена при [сг /стг[=1,65 (рис.3.6) и практически отсутствует при сг0/сгг=1,2 (рис.3.7). Следовательно, процесс деформирования заготовки следует начинать при соотношении! ов1а\= 1,2...1,6. Тем самым подтверждается необходимость проводить процесс деформирования как минимум за два перехода. Первый переход имеет относительно «жесткую» схему нагружения и проводится до достижения максимально возможного диаметра заготовкой. Второй переход должен осуществляться при значительно более «мягком» напряженном состоянии и проводится до достижения необходимой степени деформации.
Оценивая схему нагружения в первом переходе можно предположить возможность осуществить деформацию заготовки до достижения диаметра (єв =0,22...0,4). Дальнейшее увеличение диаметра приведет к разрыву заготовки.
Энергосиловые параметры процесса
Для определения необходимой длины заготовки нужно учитывать, что на изменения длины образующей заготовки влияют: — трение между заготовкой и матрицей; — схема напряженного состояния; — отношение ——; — толщина материала заготовки.
Из указанных выше факторов основное влияние на изменение длины образующей оказывает схема напряженного состояния. Как показывают исследования [9] при деформировании заготовки эластичными пуансонами
Диаграмма определения соотношения напряжений без существенного осевого сжатия, первоначальная длина заготовки должна быть скорректирована в меньшую сторону на 10...15% длины, образующей продольного сечения готовой детали.
При деформировании заготовки с использованием осевого сжимающего напряжения утонение стенки заготовки не столь интенсивное, как при отсутствии подпора, и первоначальная длина заготовки будет в основном определяться соотношением —-. Как показывает анализ полученных теоретических исследований, данное соотношение является фактором, определяющим успешное протекание процесса деформирования. Отклонение данного соотношения от рекомендуемого вызывает появление браковочных признаков. Таким образом можно утверждать, что: где Гф — геометрические размеры готовой детали.
Влияние геометрических размеров необходимо учитывать, так как они определяют противодействие жидкости высокого давления и максимальную , интенсивность деформации заготовки в купольной части.
Отношение предела текучести материала т02 к пределу прочности as определяет способность материала к утонению без разрыва. Чем больше данное соотношение, тем большая деформация заготовки может происходить за счет утонения стенки заготовки. В этом случае меньшее осевое нагружение требуется для достижения заданной степени деформации. Меньшее осевое нагружение определяет меньшее осевую деформацию и меньшее изменение длины исходной заготовки.
В общем случае длина исходной заготовки /0 может быть определена / как: /0 = 1ХК, 137 где /, — длина деформируемой части, К - коэффициент, которым учитывают трение между заготовкой и матрицей, механические свойства материала и напряженное состояние в заготовке.
Для деформирования без осевого подпора коэффициент К обычно принимают в диапазоне 0,35 - 0,75. Вести расчет длины заготовки по данной формуле при наличии осевого напряжения неудобно, так как коэффициент К является функцией многих параметров.
Для расчета длины заготовки при наличии осевого сжимающего напряжения целесообразно использовать условие постоянства объема материала полученной детали и исходной заготовки. Объем материала полученной детали определяется гомерическими размерами детали; толщина стенки детали определяется напряженным состоянием в процессе деформирования.
Пренебрегая трением между заготовкой и матрицей, а также изменением толщины стенки детали за пределами фасонной части можно записать: детфасон = Г\\Гф Г ) = J \ ) = Vзаг . окр Приравнивая объемы материала заготовки и готовой детали, получим: ] si(ri -i-)dx + L4m =s0(rQ - -)L3az и, 0 Гі l L выражая L3ae —длину исходной заготовки, определим: J - ,(i- fr Т =1ІІ і т заг „ цил , / 0 \ УоС о-у) где Ьцш — длина цилиндрической части детали, L - длина фасонной части детали. 138 Теоретические расчеты не позволяют получить непрерывной функции rt, однако известны значения толщины в точках, в которых известны и rt. Заменяя интегрирование суммированием, получим: L =-2-5 г— + L заг цш , о( о-у) где і— номер точки, для которой заданы 11п,гп5;, Ах = —, п— количество п точек.
Энергосиловые параметры процесса Основными энергосиловыми параметрами процесса гидравлической штамповки с осевым нагружением заготовки являются внутреннее давление рабочей жидкости в полости заготовки q и осевая сила сжатия Q. Для обеспечение процесса деформирования необходимо обеспечивать / определенное сочетание окружного растягивающего напряжения тв и осевого сжимающего напряжения а2. Данные параметры процесса определяются давлением рабочей жидкости. Кроме обеспечения необходимых напряжений оборудование должно обеспечивать достаточный расход жидкости высокого давления для обеспечения заполнения дополнительного объема заготовки, надежное смыкание полуматриц и надежное торцевое уплотнение трубчатой заготовки.
