Введение к работе
Актуальность работы. В современном машиностроительном производстве существует большой класс деталей, получаемых штамповкой из заготовок пространственной формы (тонкостенных труб, цилиндрических, конических оболочек, стаканов и. т. д.). В условиях мелкосерийного производства получение таких деталей связано с рядом трудностей: дорогая технологическая оснастка, большие сроки подготовки производства, недостаточная точность штампуемых деталей и т. д. Поэтому наиболее целесообразно и эффективно получать такие детали методами штамповки с применением подвижных сред (эластичных, жидкостных и т.п.), а использование при этом импульсного нагружения заготовки значительно расширяет технологические возможности данных методов. Среди импульсных методов нагружения наиболее широко применяется электрогидроимпульсная штамповка (ЭГИШ), которую характеризуют простая и дешёвая технологическая оснастка, возможность создания высоких импульсных давлений, хорошая управляемость энергией и распределением прилагаемой к заготовке нагрузки, повышенная точность штампуемых деталей за счёт малого упругого последействия материала заготовки, комбинированное выполнение различ-ных операций в одном штампе, экологическая чистота и др.
В большинстве случаев при получении такого класса деталей методом ЭГИШ применяют различного рода концентраторы силового поля (отражатели, прокладки и накладки, воздушные ітрослойки и т. д.), которые позволяют перераспределить действующее на заготовку давление, создать требуемое для эффективного формоизменения заготовки силовое поле. Однако, имеющиеся в настоящее время рекомендации по проектированию технологических процессов с использованием концентраторов силового поля основаны, как правило, на экспериментальных исследованиях, что сужает область их применения, а в ряде случаев дает погрешность при определении технологических параметров, превышающую десятки и сотни процентов. Это сдерживает внедрение высокоэффективных технологических процессов ЭГИШ деталей из пространственных заготовок в промышленное производство.
Решению этой проблемы способствует данная диссертационная работа, посвященная математическому моделированию многоразрядного процесса ЭГИ гофро-образования сложнопрофильных деталей из тонкостенных труб с учетом комплексности гидродинамических и деформационных волновых процессов, рассмотрении процесса деформирования заготовки в упруго-пластической постановке, двухмерно-сти задачи и сложных граничных условий, а также разработке рекомендаций по проектированию оснастки с использованием концентраторов силового поля.
Цель работы. Повышение эффективности ЭГИ штамповки поперечногофри-рованных деталей из пространственных заготовок путем создания программного обеспечения и графического визуализатора по проектированию технологий на основе комплексного математического моделирования гидродеформационных процессов и использование этой методики на практике.
Научная новизна.
1. На основе гидродеформационной модели процесса ЭГИШ осесимметрнчной цилиндрической оболочки, учитьшающей двумерность гидродинамики сжимаемой рабочей жидкости и граничные условия, характеризующие особенности процесса: осесиммет-
4 ричное расширение канала разряда при заданной функции выделения электрической энергии; ограничение рельефом матрицы перемещения заготовки, описываемой нелинейной системой с распределенными параметрами с учетом деформационного и скоростного упрочнения ее материала, разработана математическая модель формообразования сложнопрофильной поперечногофрированной заготовки, расширением возможностей которой является рассмотрение переходных процессов деформирования заготовки в совместной упруго-пластической постановке, учет многоразрядности процесса, а также наличие и влияние на перераспределение поля давления концентраторов силового поля (отражателей).
-
С учетом особенностей поставленной задачи разработан конечно-разностный алгоритм ее решения на ЭВМ типа IBM PC, представленный в виде блока программ на языке Borland C++. Разработан также двумерный графический визуализатор результатов расчета.
-
Предложен комплекс безразмерных параметров, отражающих физическую сущность процесса ЭГИ формовки поперечногофрированных заготовок и определяющих гидромеханический КПД процесса. Статистической обработкой результатов математического эксперимента по определению влияния параметров функции выделения энергии в канале разряда, геометрических размеров камеры, отражателя и заготовки, физико-механических характеристик ее материала на гидромеханический КПД процесса получена регрессионная зависимость, позволяющая прогнозировать гидромеханический КПД в практике технологических расчетов. Получена также зависимость электрического КПД от основных параметров разрядного контура и межэлектродного промежутка, что позволило определить общий КПД процесса, используемый при расчете энергоемкости необходимого оборудования.
-
На основе пакета прикладных программ, графического интерфейса и анализа чертежа деталей и типовых технологических процессов разработана методика проектирования процесса многоразрядной формовки поперечногофрированной детали, обеспечивающего максимальный КПД процесса и отсутствие брака вследствие разрушения заготовки.
На зашиту выносятся:
-
Развитие математической модели процесса электрогидроимпульсного формообразования поперечных гофров на безмоментной оболочке при заданном законе выделения энергии в канале разряда, учитывающей двумерность задачи, наличие отражателя в полости заготовки, взаимосвязь гидродинамических процессов в сжимаемой рабочей жидкости и переходных процессов упруго-пластического деформирования заготовки, как системы с распределенными параметрами, деформационно-скоростное упрочнение материала заготовки.
-
Алгоритм численного решения задачи с учетом особенностей ее математической постановки и программная реализация данного алгоритма.
-
Результаты численных многофакгорньк экспериментов по влиянию электрических характеристик разрядного контура и канала разряда, геометрических соотношений размеров заготовки, матрицы и отражателя, его формы, схемы и параметров нагру-жения, длительности и уровня выделяемой в канале разряда энергии, марки материала заготовки на ее кинематические и деформационные (Аґ3 и ^/^) характеристики, составляющие энергетического баланса процесса, а также получены регрессионные зависимости электрического т}э и гидромеханического tjrM КПД процесса от перечисленных факторов, представленных в виде безразмерных параметров.
-
Результаты эксперимента по измерению электрических характеристик разряда, параметров импульсного давления, кинематических и деформационных параметров заготовки при ее ЭГИ нагружении в условиях наличия концентратора силового поля и
5 результаты проверки адекватности разработанной математической модели реальному процессу. 5. Методика проектирования технологических процессов и оснастки ЭГИ штамповки
деталей типа поперечногофрированных оболочек, а также реальные технологические
процессыштамповки деталей типа_"сильфок", использованные ка КПП "Завод им.
ЪЯ .Климова" (г. Санкт-Петербург).
Методы исследований, достоверность результатов и степень обоснованности выводов. Теоретическое исследование процесса ЭГИШ осуществлялось на базе уравнений гидродинамики идеальной сжимаемой жидкости, механики деформируемого твердого тела с учетом деформационно-скоростного упрочнения материала заготовки при применении определяющих соотношений теории пластического течения на этапе пластического деформирования и обобщенного закона Гука на этапе упругого деформирования заготовки. Разработка алгоритма численной реализации моде.ш осуществлялась на базе основных принципов теории разностных схем. При экспериментальных исследованиях импульсного давления использовались пьезоэлектрические датчики, тарированные градуировочнымп импульсами, близкими к реальным. Измерение разрядного тока проводили с помощью пояса Роговского, а напряжения -делителями напряжения. Параметры деформированного состояния заготовки определялись методом сеток. Выявленное расхождение экспериментальных и расчетных данных, полученных при заданной из эксперимента функции выделения энергии, по деформационным параметрам в среднем составляет 8 - 16 %, а по параметрам давления-до 19,0%. .. ,
Изложенные подходы к решению задач исследования определили достаточную степень обоснованности выводов. Научные выводы и рекомендации подтверждаются также практикой использования результатов работы в промышленности.
Практическая ценность и реализация результатов работы. На основе теоретических и экспериментальных исследований процесса ЭГИШ, опыта промышленной реализации ЭГЙ штамповки разработана методика проектирования технологических процессов ЭГИ формообразования гофров на пространственной заготовке, позволяющая произвести выбор размеров отражателя и заготовки, схемы ее нагружения и деформирования, расчет кинематических и деформационных параметров (компонент тензора логарифмических деформаций), предельных степеней деформаций и прогнозирования возможного разрушения заготовки, а также определение энергетических параметров как с использованием гидромеханического, так и общего КПД процесса.
Разработаны новые технологические схемы выполнения операций ЭГИШ для получения поперечногофрированных оболочек из трубчатых заготовок как групповыми, так и последовательными методами деформирования с целью интенсификации процесса и повышения точности штампуемых деталей.
Результаты исследований использованы НПП "Завод им. В.Я.Климова" (Санкт-Петербург) при получении деталей типа "сильфон".
Некоторые вопросы научных исследований включены в отдельные разделы кафедрального лекционного курса по обработке металлов давлением, а также использованы в студенческих дипломных проектах.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Российской научно-технической конференции "Перспективные технологические процессы обработки металлов" (С.-Петербург, 1995 г.), на Международной научно-технической конференции "Электрофизические и электрохимические технологии" (С.-Петербург, 1997 г.), на научно-техническом семинаре кафедры "Машины и технология обработки металлов давлением" Санкт-Петербургского государственного технического университета в 1997 году, а так же на молодежной научной конференции (в рамках XXVI Недели науки СПбГТУ) в 1998 году.
Публикации. Содержание диссертации отражено в 4 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы в количестве 112 наименований и содержит 129 страниц машинописного текста, 58 рисунков и 20 таблиц.
Диссертационная работа выполнена на кафедре "Машины и технология обработки металлов давлением" Санкт-Петербургского государственного технического университета. Научными консультантами работы являлись д.т.н., профессор Мамутов B.C. и к.ф,-м.н., доцент Чихачев БЛ.