Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса 8
1.1 Методы изготовления осесимметричных деталей комбинированными способами холодной объемной штамповки- 8
1.2 Особенности теоретического анализа операций прямого, обратного и комбинированного выдавливания - 11
1.3 Экспериментально-аналитические методы исследования напряженно-деформированного состояния. - 23
1.4 Цель и задачи работы 36
ГЛАВА 2 Исследование процесса комбиниро ванного выдавливания полых осесимметричных изделий с коническим участком - 37
2.1 Теоретическое исследование процес са комбинированного выдавливания - 37
2.2 Исследование процесса комбинированного выдавливания изделий с коническим участком методом баланса мощности - 38
2.3 Исследование процесса комбинированного выдавливания изделий с коническим участком методом конечных элементов 45
2.4 Цели и задачи численного мсследования 46
2.5 Анализ полученных результатов 50
2.6 Выводы по главе 59
ГЛАВА 3 Кинематика течения металла при комбинированном выдавливании полых осесимметричных изделий с коническим участком - 60
3.1 Компьютерное моделирование процессов пластического деформирования. 60
3.2 Методика исследования кинематики течения металла методом координатной сетки 97
3.3 Методика исследования формообразования выдавливания в коническом инструменте - 100.
3.3.1 Материалы и оборудование для проведения экспериментов - 100
3.3.2 Обработка результатов испытания образцов из различных металлов. - 102
3,3.3 Сравнение результатов измерения кинематики течения металла полученных аналитическим и экспериментально-аналитическим методами при комбинированном выдавливании образцов - 108
3.4 Выводы по главе 110
ГЛАВА 4 Применение процесса комбинирован ного выдавливания полых осесимметричных изделий с коническим участком в производстве - 112
4.1 Разработка и исследование технологического процесса 11 б
4.2 Комбинированное холодное выдавливание детали «корпус заряда» 119
4.3 Штамповая оснастка для производства детали «корпус заряда» 121
4.4 Выводы по главе 122
Основные результаты и выводы 122
Литература
- Особенности теоретического анализа операций прямого, обратного и комбинированного выдавливания
- Исследование процесса комбинированного выдавливания изделий с коническим участком методом баланса мощности
- Методика исследования кинематики течения металла методом координатной сетки
- Комбинированное холодное выдавливание детали «корпус заряда»
Введение к работе
Развитие науки тесным образом связано с повышением практического использования ее результатов в промышленном и хозяйственном производстве. Важнейшим фактором в решении подобных задач является разработка новых технологических процессов, позволяющих получать изделия высокого качества с заданными эксплуатационными свойствами с наименьшими затратами на их производство.
Одним из прогрессивных ресурсосберегающих методов получения изделий высокого качества является холодная объемная штамповка. При холодной объёмной штамповке (ХОШ) достигается: деформационное упрочение, отсутствие надрезов, направленность волокон вдоль конфигурации штампованной заготовки, улучшение микрогеометрии (по сравнению с обработкой резанием, литьём и горячей штамповкой), увеличение коэффициента использования металла (по сравнению с литьём и горячей штамповкой-на 30% и более, по сравнению с обработкой резанием - в 2-3 раза). В среднем коэффициент использования металла достигает - 0.9 - 0.93. Значительно снижаются трудоёмкость изготовления. Процессы характеризуются высоким уровнем механизации и автоматизации, значительно опережая процессы литья и горячей штамповки. Применение многопозиционных штамповочных автоматов, а также установка на прессы многопозиционных штампов-автоматов обеспечивает повышение производительности в 5 - 10 раз и более по сравнению с современными автоматами для обработки резанием эквивалентных деталей. При холодной деформации металлов и сплавов возможно получение более мелкозернистой структуры по сравнению с их структурой до деформации.
Холодная объёмная штамповка обладает и рядом недостатков, главным из которых является высокое сопротивление пластической деформации и пониженная пластичность большинства металлов при комнатной температуре. Высокое сопротивление пластической деформации, а следовательно и низкая пластичность, связаны с деформационным упрочнением.
Основной проблемой теоретического и экспериментального анализа операций холодной объёмной штамповки является определение технологической силы деформирования в зависимости от вида напряжённо - деформированного состояния, значения деформации, формы профиля рабочего инструмента, условий на контакте заготовки с инструментом, а также изучение напряжённого состояния. Эти вопросы рассмотрены в работах Ю.А. Алюшина, А.Э. Артеса, А.Л. Воронцова, О.А. Ганаго, В.А. Головина, Г.Я. Гуна, A.M. Дмитриева, В.В. Евстифеева, В.А. Евстратова, А.З. Журавлёва, Ю.Г. Калпина, Г.И. Кириллова, СМ. Колесникова, Ф.А. Коммеля, А.А. Коставы, Д.П. Кузнецова, А.Д. Матвеева, А.Н. Митькина, Г.А. Навроцкого, Р.И. Непершина, А.Г. Овчинникова, В.А. Огородникова, Л.Д. Оленина, И.П. Ренне, Ю.С. Сафарова, Е.И. Семёнова, Г.А. Смирнова-Аляева, Л.Г. Степанского, А.Д. Томленова, Е.П. Унксова, В.Е. Фаворского, Ю.Ф. Филимонова, Ю.К.Филиппова, А.И. Хыбемяги, В.Я. Шехтера, Л.А. Шофмана, Н.А. Шестакова, а также Б. Авицура, У.Джонсона, Э. Томсена, Г.Д. Фельдмана, Р. Хилла, Ч. Лига и др.
Одним из распространенных процессов холодной объёмной штамповки является комбинированное выдавливание. Данный процесс может быть успешно применён для изготовления полых осесимметричных изделий с коническим участком.
Первой задачей в данной работе является разработка математической модели процесса комбинированного выдавливания полых осесимметричных изделий с коническим участком, проведение анализа математической модели на основе метода баланса мощности с варьированием начальных и граничных условий моделирования.
Вторая задача провести эксперимент и моделирование предложенной схемы деформации методом конечных элементов на основе компьютерной программы QFonn-2D.
Третьей задачей является разработка рекомендаций по выбору размеров инструмента для комбинированного выдавливания полых осесимметричных изделий с коническим участком.
6 Четвертая задача, поставленная в настоящей работе, связана с разработкой технологии получения полых осесимметричных изделий с коническим участком на примере детали "корпус заряда", основанной на процессе комбинированного выдавливания. Решение этой задачи требует создания надёжной математической модели, описывающей поведение металла в условиях холодной деформации. Поставленная задача требует также решения вопросов, связанных с механикой процесса выдавливания (определение формоизменения при течении металла, напряжённо - деформированного состояния, контактного трения и
ДР-)-
Создание новой технологии производства деталей холодной объёмной штамповкой требует подробного изучения поведения материалов в процессе их формообразования.
Таким образом, целью диссертации является повышение эффективности операций холодной объемной штамповки на основе научно обоснованных методов проектирования и реализации новых технологических режимов, обеспечивающих снижение энергоемкости операций путем комбинированного выдавливания полых осесимметричных изделий с коническим участком.
Научная новизна работы заключается в разработке и обосновании методики расчета процесса комбинированного выдавливания полых осесимметричных изделий с коническим участком.
Практическая ценность работы состоит в полученной методике расчета процесса комбинированного выдавливания полых осесимметричных изделий с коническим участком, рекомендаций на её основе для разработки ресурсосберегающих технологий получения полых осесимметричных изделий с коническим участком.
В первой главе дан обзор литературных источников, связанных с изучаемыми вопросами: формообразование тела при холодной деформации; исследование процессов прямого, обратного, комбинированного выдавливания; существующие подходы к моделированию процессов холодного выдавливания. В заключение обзора сформулированы неисследованные или требующие уточнения проблемы, цель и задачи настоящей работы.
Во второй главе приведена методика и результаты исследования сопротивления деформации металлов при комнатной температуре. Предложена, обоснована и реализована новая методика определения кинематики течения металла в полых осесимметричных изделиях с коническим участком. При обработке результатов экспериментов был использован аппарат математической статистики. Экспериментально обоснован выбор математической модели, описывающий поведение холодно деформируемого металла при формообразовании полых осесимметричных изделий с коническим участком.
В третьей главе на основе полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований проведено численное решение задачи о комбинированном выдавливании полых осесимметричных изделий с коническим участком. На основе результатов численного моделирования получены рекомендации по выбору размеров исходной заготовки и формообразования при выдавливании в коническом инструменте. Приводятся сравнительные данные кинематических характеристик при формообразовании полых осесимметричных изделий с коническим участком, полученные аналитическим и экспериментальным методами.
В четвёртой главе показана возможность использования результатов аналитических и экспериментальных исследований при решении практической задачи обработки металлов давлением а именно в комбинированном выдавливании изделия типа "корпус заряда". Результаты численного моделирования технологического процесса данной детали позволили внести изменения в существующую технологию влияющие как на качество получаемых изделий, так и на надежность самого процесса.
Работа выполнена на кафедре и в лаборатории "Кузовостроение и обработка давлением" МГТУ МАМИ.
Автор выражает признательность за советы и помощь в проводимых исследованиях профессору, доктору технических наук Калпину Ю.Г.
Особенности теоретического анализа операций прямого, обратного и комбинированного выдавливания
По целям и задачам, исследования операций штамповки выдавливанием можно разделить на следующие группы: разработка методов расчёта усилий; интенсификация прямого и обратного выдавливания, за счёт оптимизации геометрии инструмента и активизации сил трения; оценка пластичности.
По кинематике течения металла при выдавливании процесс может быть прямым, обратным, боковым (радиальным) и комбинированным,
Б. Авицур, Е, Бишоп, В. Хан[66] исследовали стационарную стадию прямого и обратного выдавливания с использованием однозонной модели. М.В, Сторожев и А. Сконечныи предложили модификацию решения Б. Авицура.
Г.Я. Гун [8] выполнил решение некоторых задач со стационарным течением упрочняемого материала, И.П. Ренне [40] разработал методику оценки деформации при плоском течении. П.Д. Чудаков и В.Д. Коробкин [69] разработали метод оценки накопленной деформации при использовании разрывных полей скоростей.
П. Бариани и О.Зурла оценили неравномерность деформации и упрочнения при обратном выдавливании толстостенных стаканов. Е.П. Унксов и Сафа-ров Ю.С.[53] методом фотоупругости исследовали распределение нормальных и касательных напряжений при обратном выдавливании в плоском и цилиндрическом контейнерах.
Способ обратного выдавливания заготовки с фланцем в принудительно перемещаемом контейнере предложен Г. Геллером в 1943 г.
С.Ш. Яшаев [70] впервые исследовал обратное выдавливание с активными силами трения. Ю.П. Можейко и Н.Л. Розенталь [30] предложили конструкцию гидравлического пресса для реализации этого процесса.
Рисунок 1.2 Схема обратного выдавливания с активными силами трения.
Исследование холодного обратного выдавливания с активным трением выполнено в МГТУ им. Баумана А.Г. Овчинниковым, И.Е. Семеновым, A.M. Дмитриевым, В.И. Малышевым, К.А. Макиной и А.Л. Воронцовым.[5] При выдавливании ступенчатым пуансоном, у которого длина первой ступени невелика, образуется единый очаг пластической деформации, форму которого можно представить в виде сферической оболочки (рисунок 1.3).
При выдавливании в «плавающей» матрице, последняя, перемещается под действием сил трения на поверхности контакта с деформируемой заготовкой. Скорость вертикального перемещения частиц металла в зоне контакта заготовки с матрицей изменяется от нуля на дальней от пуансона границе очаге пластической деформации до скорости течения в стенку. Поэтому при перемещении матрицы ее скорость будет превышать скорость вертикального перемещения частиц металла. В нижней части заготовки, следовательно, на части высоты очага силы трения остаются активными. Скорость перемещения матрицы по мере выдавливания возрастает. Перемещение матрицы может быть осуществлено специальным приводом.
Если скорость перемещения матрицы больше скорости истечения металла, то направление сил трения, приложенных к заготовке, способствует течению металла.
Результаты показывают возможность значительного снижения (по сравнению с выдавливанием по обычной схеме) удельных усилий, действующих на пуансон и матрицу.
Наряду с выдавливанием с активными силами трения, позволяющим значительно снизить деформирующее усилие, является выдавливание с раздачей. Анализ напряженно-деформированного состояния металла был проведен методом верхней оценки, авторы получили выражение для определения удельного усилия на пуансоне, которое составило 2,77 от. С целью выявления соотношения усилий выдавливания и раздачи в общей величине удельного усилия на пуансоне и определения зависимостей удельных усилий на торце и в цилиндрической части пуансона от относительных размеров инструмента был выполнен анализ. В анализе учтено, что для повышения ресурса
Деформируемое тело принято идеально жесткопластическим. Пластическая деформация металла заготовки сосредоточена в областях II и IV, в областях I и III металл жесткий. Решение проведено в сферической системе координат.
А.Г. Овчинниковым [32] был исследован процесс обратного выдавливания коническим пуансоном в цилиндрической матрице, схема представлена на рисунке 1.5
Отличительной особенностью выдавливания коническим пуансоном по сравнению с цилиндрическим является пластическое деформирование заготовки в зазоре между пуансоном и матрицей. При исследовании поля скоростей в сходящемся канале автором принял изменение угла в узком интервале и интенсивность скоростей деформации в этой области постоянной и равной некоторой средней величине. Определение напряженно-деформированного состояния в пластической области он определял по аналогии процесса обратного выдавливания гладким пуансоном в цилиндрической матрице.
Исследование процесса комбинированного выдавливания изделий с коническим участком методом баланса мощности
При разработке технологических процессов холодной объемной штамповки основное внимание следует уделять выбору режимов деформации, обеспечивающих наименьшие нагрузки на деформирующий инструмент, а также получение наилучших прочностных и других эксплуатационных свойств получаемых изделий. Для сокращения объема доводочных работ желательно такие параметры устанавливать теоретическим путем с минимальной экспериментальной проверкой.
Применение схемы комбинированного выдавливания, как известно, приводит к снижению деформирующих сил; уменьшается также неоднородность деформаций по объему изделия. Практически осуществить схему комбинированного выдавливания до самого конца процесса формоизменения не удается. Одна из полостей штампа заполняется обычно раньше других, и штамповка заканчивается как простой процесс. Это связано и с колебаниями легирующих элементов в сплаве и связанной с этим неодинаковостью свойств металла в исходных заготовках, и с неодинаковыми условиями трения от заготовки к заготовке, и с износом штампа. Однако все же следует стремиться к тому, чтобы стадия комбинированного выдавливания при штамповке продолжалась как можно дольше.
Из сказанного следует, что важнейшим параметром, позволяющим повысить эффективность процесса комбинированного выдавливания, является определение границы раздела течения деформируемого металла. К традиционно важным показателям можно отнести также значения деформирующих сил.
Теоретическое исследование процесса можно осуществить различными методами. В последнее время широкое распространение получает метод конечных элементов. Однако пока еще он не дает надежных результатов, особенно при деформировании сложных деталей с большими перепадами сечений, тонкими стенками. Как отмечает автор [47], при решении задач пластического деформирования часто применяются методы компьютерного моделирования, при этом практически игнорируется необходимость опытной проверки получаемых результатов.
Поэтому в настоящей диссертации используется как метод конечных элементов, так и метод баланса мощности с введением в выбранное кинематически допустимое поле скоростей варьируемого параметра, с проверкой полученных результатов экспериментом.
На рисунке 2.1 приведена схема процесса. Труба имеет переход от одного диаметра к другому в виде участка, ограниченного снаружи и изнутри усеченными коническими поверхностями; при этом высоту конического участка и углы наклона образующей внутреннего и внешнего конуса к оси можно изменять, что позволяет управлять границей раздела течения металла, а следовательно, и продолжительностью стадии комбинированного выдавливания.
Если толщина стенки трубы невелика, то логично будет предположить, что граница раздела течения металла в прямом и обратном направлении близка к горизонтальной плоскости, располагающейся между плоскостями I - I и II -II, которые, в свою очередь, ограничивают очаг деформации вместе с коническими поверхностями пуансона и матрицы. Положение границы раздела течения будем считать варьируемым параметром, определяемым из условия минимума полной мощности деформации.
Первым этапом метода баланса мощности является выбор кинематически допустимого поля скоростей в каждой зоне очага деформации. Кинематически допустимое поле скоростей должно удовлетворять граничным условиям и условию постоянства объема в каждой точке очага деформации.
Рассмотрим зону 1, располагающуюся выше границы раздела течения. Используем цилиндрическую систему координат р,0, z (ось z совпадает с осью очага деформации). В силу осевой симметрии составляющие скорости частиц в очаге деформации не зависят от координаты 0; примем также, что осевая составляющая скорости uz не зависит от координаты р, т.е. иг = u:(z); естествен но, при z- za иг=0
Методика исследования кинематики течения металла методом координатной сетки
Расчетная схема процесса представлена на рисунке 2.3. Исходные данные: 1) материал - углеродистая конструкционная сталь 10 ГОСТ 10702-86; 2) оборудование - механический пресс; 3) температура заготовки, инструмента - 20С; 4) фактор трения смазки - 0.274. Кривая упрочнения стали 10 получена по результатам испытаний материала осадкой, при расчетах используется экспериментальная кривая упрочнения и ее аппроксимация экспоненциальной функцией.
Приводим формообразование корпуса заряда по переходам штамповки, при этом определяем кинематику и напряжения течения металла, соответственно, усилия деформирования при процессе комбинированного выдавливания детали. Процесс формообразования при комбинированном выдавливании в инструменте с внутренним углом матрицы от 10 до 80 градусов и углом пуансона от 10 до 80 градусов представлен на рисунках 3.1-3.15. Картины изменения полей скоростей в процессе перемещения пуансона показывают линию раздела течения металла, положение которой меняется в зависимости от углов на пуансоне и матрице. При углах пуансона больших углов матрицы происходит прямое выдавливание, при меньших углах обратное выдавливание. Среднее положение границы раздела течения наблюдается в основном при равных углах на матрице и пуансоне
Наиболее важным для оценки допустимых возможностей формоизменения и качества получаемых изделий является изучение деформированного состояния обрабатываемого материала. Устанавливаемое распределение деформаций в меридиональных сечениях полуфабриката позволяет прогнозировать механические характеристики материала, что важно для формирования показателей качества готовых деталей. Кроме того, известное распределение деформаций позволяет устанавливать наиболее опасные зоны с большим локальным деформированием и по ним оценивать допустимые геометрические характеристики формообразования конструктивных элементов деталей. Для решения этой задачи хорошо зарекомендовал себя метод координатной сетки.
Для нанесения сетки при исследовании процессов осесимметричной деформации приходится прибегать к предварительной разрезке полуфабриката по плоскости симметрии, т. е. пользоваться заготовкой, состоящей из двух половин.
Это обстоятельство приводит к тому, что количественная оценка накопленного значения интенсивности деформаций при движении вдоль линии тока оказывается, как правило, несколько завышенной.
Так как любой экспериментальный метод определения интенсивности деформации, в том числе метод координатной сетки, размеры ячейки которой не бесконечно малы, всегда дает несколько заниженные значения интенсивности деформации по отношению к действительным, то ошибка, связанная с необходимостью использования заготовки состоящей из двух половинок , частично компенсирует это уменьшение.
Расчет локальных деформаций производится по параметрам ячеек делительной координатной сетки.
Обработка результатов эксперимента для определения накопленной деформации по методу координатной сетки.
Деформацию образца за один этап выдавливания определяли по изменению размеров ячеек координатной сетки. При расчете по методу координатной сетки [40] принимается допущение: ячейка ABCD изменившая свои размеры в следствии приложения нагрузки Р, переместится в положение C]B,A,Di при нагружеиии усилием Р2 и т.д. Расчет деформации проводили для каждого ряда ячеек по длине исходного образца.
Величина интенсивности деформации на одном этапе выдавливания (рисунок 3.24) определяется следующим образом: компоненты деформации по осям координат:
Комбинированное холодное выдавливание детали «корпус заряда»
Моделирование малоотходной технологии комбинированного выдавливания выполнялось с целью определения технологических параметров рассматриваемого процесса.
Процессы холодного выдавливания изделий типа стакан характеризуются тяжелыми условиями протекания процесса вследствие: 1) высокого давления на формообразующий инструмент со стороны деформируемого металла (до 2000...3000 МПа и более); 2) нагрева металла за счет теплового эффекта деформации до 100С и более; 3) значительного относительного перемещения металла и инструмента при формообразовании.
Технологический процесе холодной объемной штамповки.
Исходные данные: 1) материал - углеродистая конструкционная сталь 10 ГОСТ 10702-86; 2) оборудование - механический пресс; 3) температура заготовки, инструмента - 20С; 4) коэффициент трения смазки - 0.1. В качестве смазки использовали раствор молибдена с графитом. Кривая упрочнения стали 10 получена по результатам испытаний материала. При расчетах используется экспериментальная кривая упрочнения и ее аппроксимация экспоненциальной функцией.
Приводим формообразование корпуса заряда по переходам штамповки, при этом определяем напряжения течения и кинематику течения металла, соответственно, сила деформирования при процессе комбинированного выдавливания детали (рисунок 4.6).
Размеры исходной заготовки для моделирования соответствовали размерам экспериментальной заготовки для выдавливания изделия типа «кумулятивный заряд», а именно 028x40 мм.
Рассматриваемая деталь может быть получена за 6 переходов (рисунок 4.5), а именно: 1) предварительная отрезка заготовки диаметром 028_о4 мм (рис. 4.5 а); 2) осадка на наружный диаметр 044_О5 мм ; 3) обратное выдавливание стакана (наметка) на наружный 043.85 мм и внутренний 034.85 мм, вы сота дна 14 мм; 4) обратное выдавливание стакана на наружный 043.9 мм и внутренний 034.85 мм, высота дна 8 мм ; 5) комбинированное выдавливание ; 6) окончательное формообразование . Таким образом, технологический процесс получения детали типа «стакан» включает 5 операций штамповки и 1 операцию отрезки.
На ричунке 4.6 представлены графики изменения деформирующей силы при формообразовании по ходу движения пуансона. С использованием результатов проведенного исследования разработан техноло гический процесс холодной штамповки детали «корпус заряда» из стали 10 кп. При этом число штамповочных переходов сократилось от 5 до 4 по сравнению с существующей технологией. Спроектирован штамп для осуществления новой технологии. Процесс и конструкция штампа передана в производство для ос воения. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Изучение литературы и производственного опыта показало, что большие возможности совершенствования технологии объемной холодной штамповки дает комбинирование различных деформационных схем. Из анализа состояния вопроса следует, что существующие методы определения кинематики течения прямого и обратного выдавливания обладают некоторыми недостатками, которые можно преодолеть при использовании процесса комбинированного выдавливания. По литературным данным установлено, что силовые и деформационные параметры выдавливания достаточно хорошо изучены, в то время как методика определения кинематики течения комбинированного выдавливания полых осесимметричных изделий с коническим участком требуют уточнения. На основе метода баланса мощности такая методика разработана. В отличие от существующих она предусматривает учет границы раздела течения металла в каждой области очага деформации. Составлена программа расчетов на ЭВМ для случая комбинированного выдавливания осесимметричных изделий с коническим участком.
2. Теоретический анализ комбинированного процесса выдавливания по казывает, что при формообразовании осесимметричных изделий с коническим участком можно значительно сократить число штамповочных переходов. При этом должны выполняться условия наличия комбинированного выдавливания металла и не разрушения детали. На конкретном примере показано, что при уг лах матрицы 68 градусов и пуансона 35 градусов граница раздела течения ме талла находится в середине боковой стенки в продолжении практически всего процесса выдавливания и опускается вниз в самом конце формообразующей операции.
3. Результаты проведенных экспериментальных исследований парамет ров кинематики комбинированного выдавливания удовлетворительно подтвер ждают работоспособность полученных теоретических зависимостей. Анало гичный расчет проведен также с использованием программы QFORM-2D, реа лизующей метод конечных элементов. Сравнение результатов полученных ана литическим расчетом, с результатами моделирования в QFORM-2D и с экспе риментальными данными, показывает, что метод баланса мощности вполне может применяться в практических целях при крайне малых затратах на разра ботку методики расчетов и их проведение для осесимметричных изделий с ко ническим участком.
4. С использованием результатов проведенного исследования разработан технологический процесс холодной штамповки детали «корпус заряда» из ста ли 10 кп. При этом число штамповочных переходов сократилось с 5 до 4 по сравнению с существующей технологией. Спроектирован штамп для осуществ ления новой технологии. Технология штамповки и конструкция штампа пере даны в производство для освоения. Методика расчета технологии используется в учебном процессе.
