Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние теории и технологии получения конических деталей 11
1.1 Классификация конических деталей. Область использования 11
1.2. Анализ способов получения конических деталей 14
1.3 Технологические схемы на основе вытяжки и последующего обжима цилиндрической заготовки 31
1.4 Теоретические методы исследования 41
1.5 Выводы по главе. Цель и задачи исследования 47
2. Исследование процесса вытяжки кольцевой заготовки и последующего ее обжима с помощью программы DEFORM-2D 50
2.1 Общие принципы проведения вычислительного эксперимента 50
2.2 Развитие очага пластических деформаций при вытяжке кольцевой заготовки 56
2.2.1 Оценка длины образующей при вытяжке кольцевой заготовки 66
2.3 Развитее очага пластических деформаций при обжиме цилиндрической заготовки с отверстием 67
2.3.1 Изменение длины образующей при обжиме 71
2.3.2 Влияние межоперационного отжига на обжим заготовки цилиндрической заготовки с отверстием 72
2.4 Выводы по главе 75
3. Построение зависимостей, описывающих деформации по толщине заготовки при вытяжке и обжиме 76
3.1 Применяемые гипотезы и допущения 76
3.2 Определение зависимости деформаций по толщине заготовки при вытяжке 77
3.3 Определение деформаций по толщине заготовки при обжиме 85
3.4 Выводы по главе 90
4 Разработка методики проектирования процесса изготовления конических деталей
4.1 Определение предельных возможностей вытяжки кольцевой и обжима цилиндрической с отверстием заготовок 91
4.2 Определение размеров заготовки 95
4.3 Определение энергосиловых параметров штамповки 101
4.4 Методика проектирования вытяжки кольцевой и последующего обжима цилиндрической заготовки с отверстием 102
4.5 Выводы по главе 103
5. Экспериментальное исследование разрабатываемого процесса 104
5.1 Методика проведения эксперимента 104
5.2 Материалы заготовок, оборудование и инструмент, используемые в экспериментальных исследованиях 107
5.3 Проверка достоверности теоретических исследований
5.3.1 Сопоставление данных, полученных из физического эксперимента, с результатами моделирования в DEFORM-2D 110
5.3.2 Определение относительного размера отверстия, получаемого при вытяжке кольцевой заготовки 114
5.3.3 Оценка влияния размера отверстия в дне цилиндрической
заготовки на толщину детали после обжима 115
5.3.4 Изменения длины образующей в ходе процессов вытяжки кольцевой заготовки и обжима цилиндрической заготовки с отверстием. 116
5.3.5 Сопоставление технологических параметров, рассчитанных по аналитическим зависимостям, с экспериментальными данными 117
5.3.6 Предельные параметры формоизменения при обжиме 120
5.3.7 Разрушение заготовки при вытяжке 121
5.4 Новые устройства для штамповки конических деталей 123
5.5 Выводы по главе 126
Общие выводы 127
Список используемых источников 128
Приложения 138
- Технологические схемы на основе вытяжки и последующего обжима цилиндрической заготовки
- Развитие очага пластических деформаций при вытяжке кольцевой заготовки
- Определение зависимости деформаций по толщине заготовки при вытяжке
- Определение энергосиловых параметров штамповки
Введение к работе
Развитие экономики ставит перед машиностроением необходимость повышения качества изделий и эффективности производства. Широкое применение в различных отраслях машиностроения, в том числе и аэрокосмической, нашли конические осесимметричные детали. Используются конические детали и в трубопроводах для соединения труб различных диаметров. К коническим деталям предъявляются высокие требования по себестоимости изготовления, эксплуатационным свойствам, а также точности геометрической формы.
Для решения данных задач-широко используются методы обработки металлов давлением. Однако, обеспечения точности геометрической' формы деталей, получаемых обработкой металлов давлением, особенно в случае изготовления^ тонкостенных деталей, встречает определенные трудности, традиционным способом решения которых является использование в технологическом' процессе механической обработки.
При получении конических деталей со средней и небольшой относительной высотой, с меньшей толщиной у меньшего основания инструментальными способами штамповки, колебания технологического припуска на механическую обработку вдоль образующей получаемой заготовки составляет 25-30% от объема металла получаемой детали. Главной причиной этого является несогласованность распределения толщин вдоль образующей у штампованной заготовки и получаемой механической обработкой детали.
Для получения конических деталей с меньшей толщиной у меньшего основания перспективным является использование способа штамповки, сочетающего вытяжку кольцевой заготовки и последующий обжим цилиндрической заготовки с отверстием.
Методика проектирования вытяжки кольцевой заготовки является известной, а процесс изученным. Однако использование способа основанного на сочетании вытяжки из кольцевой заготовки и последующем обжиме цилиндрической заготовки с отверстием затруднено, так как методики проектирования
такого процесса с учетом указанной детали нет. Очевидно, что создание данной
методики является важной задачей, стоящей перед современным производством.
Данная работа является продолжением исследования совмещенных процессов вытяжки и обжима, проводимых на кафедре Обработки металлов давлением Самарского государственного аэрокосмического университета им. СП. Королева под руководством профессоров Гречникова Ф.В. и Попова И.П.
Методы исследований. Теоретические исследования процессов глубокой вытяжки заготовки с отверстием в дне и ее последующего обжима выполнены с использованием основных положений теории листовой штамповки; анализ напряженно-деформированного состояния заготовки в исследуемых процессах проведен методом конечных элементов в программном комплексе DEFORM-2D.
Экспериментальные исследования выполнены с использованием координатной делительной сетки, гидропресса ПСУ-250, современной испытательной машины Testometric; обработка экспериментальных данных проведена с применением методов математической статистики.
Автор защищает результаты расчета технологических параметров операции вытяжки кольцевой заготовки и операции последующего обжима цилиндрической заготовки с отверстием, выполненные в конечно-элементном комплексе DEFORM-2D; результаты теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния заготовки в процессе формоизменения и вскрытые особенности механизма деформирования при одновременном протекании вытяжки и увеличении размера отверстия, а также особенности операции обжима цилиндрической заготовки с отверстием; определение предельных параметров формоизменения при обжиме в зависимости от механических свойств деформируемого материала, геометрии заготовки и параметров процесса штамповки; конструкцию устройства, позволяющую интенсифицировать процесс вытяжки кольцевой заготовки (устройство для отбор-товки); результаты экспериментальных исследований; методику расчета технологических параметров для последовательного формообразования вытяжкой и
обжимом кольцевой заготовки, обеспечивающую снижение трудоемкости и сокращение расхода штампуемого металла.
Научная новизна. Установлены закономерности изменения, напряженно-деформированного состояния заготовки в процессах вытяжки кольцевой заготовки и последующего обжима цилиндрической заготовки с отверстием; установлены соотношения между технологическими параметрами процессов вытяжки кольцевой заготовки и последующего обжима цилиндрической заготовки с отверстием при изготовлении детали с меньшей толщиной у меньшего основания; разработано устройство, позволяющее расширить технологические возможности процесса вытяжки кольцевой заготовки сопровождаемого увеличением размера отверстия (устройство для отбортовки).
Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием зависимостей теоретического анализа, применяемых допущений, корректностью постановки задачи, применением известных математических методов и программных продуктов, подтверждением качественных и количественных результатов анализа экспериментальными данными.
Практическая значимость. На основании результатов выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработана методика определения основных технологических параметров процесса изготовления конических деталей с меньшей толщиной у меньшего основания вытяжкой из кольцевой заготовки и последующего обжима цилиндрической заготовки с отверстием.
Реализация работы. Разработана научно-обоснованная методика расчета технологических параметров процесса изготовления конической втулки топливного коллектора ГТД основанная на последовательном осуществлении операций вытяжки кольцевой заготовки и обжима цилиндрической заготовки с отверстием. Методика отвечает техническим условиям и требованиям технологического процесса.
Разработанная методика адаптирована для изготовления бесшовных конических переходников из 12Х18Н10Т используемых в индустрии производст-
ва напитков. Её использование обеспечивает снижение себестоимости штампованных бесшовных переходников на 22% по сравнению с импортными аналогами.
Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе ГОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени С.П.Королева».
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Металлофизика, Механика материалов и процессов деформирования» 2004 г., на ежегодных научно-технических конференциях, проводимых в СГАУ (2003 - 2007).
Технологические схемы на основе вытяжки и последующего обжима цилиндрической заготовки
Е.А. Поповым разработан и апробирован способ штамповки, совмещающий в одном переходе операции вытяжки и обжима [53,88]. Проведенные исследования показали, что вытяжка с обжимом может с успехом применяться при получении высоких конических деталей с углом конусности a=10o 30o, от носительной толщиной стенки — = 0,02 4-0,04 и отношением диаметров — = 0,49 ч- 0,5 за одну совмещенную операцию. А
Совмещение операций позволяет разгрузить опасное сечение, уменьшить утонение на 25-30% и повысить предельные возможности формоизменения по сравнению с обычной вытяжкой [54].
Большой вклад в развитие схем обжима, в которых используются заготовки, полученные вытяжкой, осуществили сотрудники кафедры обработки металлов давлением Самарского государственного аэрокосмического университета. В работах Попова И.П., Маслова В.Д., Гречникова Ф.В., Чистякова В.П. и др. представлены различные схемы изготовления конических деталей с постоянной толщиной [52,55-60,88-90,105-108, и др.].
Техническая реализация предлагаемых схем одна — согласование деформации утонения стенки заготовки при вытяжке с деформацией утолщения при обжиме.
В работах [52,55-60] даны методики проектирования технологического процесса обжима цилиндрического полуфабриката. Схема способа приведена на рисунке 1.17.
Для компенсации избыточного утолщения при обжиме у большего основания детали возможно использование способа, по которому изготовление цилиндрической заготовки для обжима осуществляется вытяжкой с утонением [61]. На рисунке 1.19 приведена последовательность изменения формы заготовки.
Указанная на рисунке 1.18(B) часть заготовки ниже линий обрезки из-за участка свободного пластичного изгиба имеет большую протяженность, что снижает коэффициент использования материала.
В рассматриваемом диапазоне толщин применение указанного способа позволяет интенсифицировать процесс формообразования сужающихся оболочек. Объясняется это следующим.
Последовательность изменения формы заготовки [55-60] При вытяжке деталей предельное формоизменение ограничено прочностью опасного сечения или возникновением чрезмерного утонения материала в результате действия значительных растягивающих напряжений ар. Для восстановления технологической пластичности материала штамповочные операции чередуются с разупрочняющими отжигами.
При обжиме заготовки в сужающейся матрице материал деформируется в условиях двухосного сжатия,- что повышает его пластичность и позволяет устранить ряд разупрочняющих отжигов [43,44].
Обжим заготовки с. дном, как и обжим трубной заготовки, увеличивает возможности протекания процесса без разрушения материала в опасном сечении, т.к. в этом случае возможности процесса определяются потерей устойчивости заготовки.
Основной направленностью работ [43,44,50-52,54-59,62,63], изучающих обжим цилиндрической заготовки, являлось получение равнотолщинной детали. Для получения рассматриваемого характера распределения толщин у детали желательно использовать цилиндрическую заготовку с распределением толщин, совпадающим с распределением толщин у детали. В ходе обжима,в этом случае устраняется утонение, возникшее в районе опасного сечения.
Повысить коэффициент использования материала можно за счет использования известной схемы (рисунок 1.19), в соответствии с которой удаление материала с донной части осуществляется перед обжимом [62].
Для получения, детали с наименьшей толщиной у меньшего основания целесообразно осуществлять обжим цилиндрической заготовки с отверстием, изготавливаемой вытяжкой из кольцевой заготовки [65-70 и др.]. Схема способа показана на рисунке 1.20. С помощью вырубки-пробивки получается заготовка в виде кольца. Затем заготовка укладывается в вытяжную оснастку .Прижим заготовки между матрицей и прижимной плитой производится заданным усилием прижима Q.
Развитие очага пластических деформаций при вытяжке кольцевой заготовки
На рисунке 2.8 показаны характерные этапы изменения очага деформации. Особенностью вытяжки кольцевой заготовки является наличие двух нестационарных этапов в начале и окончании деформирования заготовки. Так, в начале деформирования заготовки участок пластических деформаций охватывает область, показанную на рисунке 2.8 красным цветом.
На основании результатов исследования деформированного состояния в кольцевой заготовке установлено, что процесс вытяжки, как и для сплошной заготовки, целесообразно рассматривать состоящим из трех стадий.
Первая стадия характеризуется ростом очага деформаций до момента перевода всей заготовки в пластическое состояние. На второй стадии начинает перемещаться кромка фланца заготовки. Происходит пластическое течение всей заготовки.
Таким образом, для определения толщины в донной части у полученной вытяжкой цилиндрической заготовки, необходимо рассматривать момент достижения наибольшего усилия процесса.
С целью определения формы заготовки в момент достижения наибольшего усилия вытяжки кольцевой заготовки, была проведена серия вычислительных экспериментов. Положение точек, ограничивающих свободный участок, в момент достижения наибольшего значения усилия процесса при Квыт=1,65, n=0.1, TO/RQ=0,\2 Как видно из рисунка, изначально данный участок был расположен во фланцевой части заготовки. После достижения наибольшего усилия процесса положение этого участка по отношению к донной части заготовки не изменяется.
На рисунке 2.10 точкой РЗ показано также положение области наибольшего утонения заготовки (опасное сечение). Как видно из рисунка, при традиционных рекомендациях [14] по выбору величины гп/Яб опасное сечение расположено вблизи свободного участка.
На рисунке 2.11 дана качественная оценка напряжений, возникающих в различных направлениях в кольцевой заготовке при ее вытяжке в момент достижения наибольшего усилия процесса (синим цветом показаны области сжимающих напряжений, красным - растягивающих).
Заметим, что на свободном участке широтные напряжения малы по величине. Таким образом, условно можно выделить три участка с различными схемами напряженного состояния.
На первом участке схема напряженного состояния близка к плоской разноименной. Величины напряжений на данном участке могут быть приближенно рассчитаны по зависимостям, описывающим процесс вытяжки.
На втором-участке схема напряженного состояния близка к схеме линейного растяжения (широтные напряжения равны нулю), поскольку инструмент на заготовку практически не оказывает прямого воздействия.
Третьему участку (в районе дна) соответствует схема двухосного растяжения, на этом участке осуществляется отбортовка отверстия. Приближенно величины напряжений, возникающих на этом участке, могут быть- описаны в соответствие с аналитическими зависимостями для процесса отбортовки.
Ниже приведены данные по положению участка опасного сечения в зависимости от технологических параметров процесса (таблица 2.1), полученные с помощью программы DEFORM
Определение зависимости деформаций по толщине заготовки при вытяжке
В соответствии с принятыми выше допущениями, зависимости, определяющие распределение толщин у заготовки после вытяжки, определены для трех участков. При этом считалось, что формообразование на участке 0-1 завершалось в момент достижения наибольшего усилия процесса, т.е. считалось, что после достижения наибольшего усилия процесса толщина заготовки в донной и цилиндрической части более не изменялась (рисунок 3.1).
Для описания деформаций по толщине вдоль образующей заготовки после вытяжки использовали полином второй степени. Будем считать, что она состоит из двух участков. На одном из участков ограниченном длиной /, выполняется условие постоянства длины образующей (см. п. 2.4), на другом участке (R0 -/,) выполняется условие постоянства площади поверхности заготовки [10,11].
Рассчитанные по (3.22) значения величины 12 представлены на рисунке 3.4. Сравнение данных рисунка 3.4 и таблицы 2.2 показало, что отличие в данных, полученных из DEFORM-2D, и по аналитической модели составляют 7%.
Зависимости (3.7), (3.10), (3.11), (3.19), (3.22) позволяют определить значения деформаций в характерных точках на образующей цилиндрической заготовки (рисунок 3.5).
Для разработки технологического процесса штамповки, основанного на вытяжке кольцевой заготовки и последующего обжима цилиндрической заготовки с отверстием, необходимо определить ряд параметров процесса: во-первых, нужно знать предельные возможности процессов, во-вторых, необходимо рассчитать размеры заготовки; в-третьих, необходимо определить энергосиловые условия процесса.
Ограничением по возможности изготовления детали в соответствии с предлагаемым процессом является обрыв кольцевой заготовки в опасном сечении при вытяжке, т.е. достижение значения [Квыт].
Другое ограничение по возможностям изготовления цилиндрической заготовки с отверстием связано с размером отверстия в дне. В соответствии с экспериментальными данными, приводимыми в работах [12,14], а также экспериментальными данными (см. главу 5), в ходе вытяжки кольцевой заготовки возможно образование продольных трещин, возникающих на кромке отверстия. Образование трещин связано с исчерпыванием пластичности материала вблизи отверстия, а также наличием микротрещин, оставшихся в заготовке после выполнения разделительных операций [10,11]. Приближенно оценить предельный коэффициент увеличения размера отверстия можно, если считать, что разрушение материала заготовки начинается в момент, когда на кромке отверстия, обладающей линейной схемой напряженного состояния, деформация достигает значения у/ш [10,11].
В соответствии с данными, приводимыми в работах [10,11], значения коэффициента отбортовки, рассчитанные из условия равенствамд =у/ш, дают завышенные значения Квыт, в связи с чем, зависимость целесообразно использовать с учетом уменьшения величины [котя] на 15-20%.
Для осуществления технологических расчетов можно считать что предельное значение увеличения размера отверстия равно придельному значению отбортовки отверстия.
Плоская схема двухосного сжатия, возникающая при обжиме большей части заготовки, ограничена по образованию гофр. В работе [44] приводится 5 основных видов потери устойчивости, возникающих при обжиме цилиндриче-скойзаготовки. Наиболее вероятным считается образование кольцевых складок на цилиндрическом недеформируемом участке и продольных складок-в сужающемся очаге деформации.
Определение энергосиловых параметров штамповки
Усилие формообразования при вытяжке кольцевой заготовки определяют по традиционной зависимости [14]: Pe=27rRdS0 pmax (4.22) В соответствии с условием цилиндрической заготовки с отверстием за артах необходимо принять наибольшее значение напряжения, которое достигается при вытяжке, т.е. сгртах = сг . Значение сг х зависит от упрочнения материала и изменения размера фланцевой части в ходе процесса, и может быть определено по зависимости (4.4).
Получены зависимости, определяющие размеры заготовки, энергосило-вые и предельные параметры процессов. Разработана методика проектирования процесса вытяжки кольцевой заготовки и последующего обжима цилиндрической заготовки с отверстием.
Целью экспериментов являлось подтверждение достоверности результатов расчета по предлагаемым зависимостям;для исходных размеров кольцевой заготовки и предельных возможностей процессов вытяжки из кольца и обжима цилиндрической заготовки.
С целью охвата:наиболее широкой группы материалов-для?экспериментальных исследований использовалисьзаготовки из сплавов 12X18Н1 ОТи;АМц.
Серия экспериментов? проводили с коническим прижимом; При- этом считали, что напряжения в опасном сечении;(следовательно,,и величина утонения) как при вытяжке плоским прижимом, так и при вытяжке с коническим прижимом близки по значению.
При осуществлении экспериментов использовали плоские заготовки толщиной 0.,98 и1,22 мм. Изготовление кольцевых заготовок осуществляли на токарном станке.
Для оценки деформаций, приобретаемых заготовкой, использовали сетку, которую наносили на плоскую заготовку в двух направлениях: в окружном и радиальному Схема нумераций сечений; представлена на рисунке 5. Г. В окружном направлении риски наносили через 5 мм, а в радиальном;:направлении через центр проведены диаметральные риски. Нумерация сечений осуществляли следующим: образом: римскими-цифрами обозначали сечения. В; радиальном направлении»!-VIII, а арабскими d-9 окружные риски, причем номеру 1 сечений 1-10 соответствует сечение у края заготовки (рисунок 5.1).
Для оценки изменения размеров получаемого при обжиме отверстия, для случаев, когда при вытяжке происходит разрушение заготовки в виде продольных трещин, проводили серию экспериментов, в которой отверстие в заготовке выполнялось перед обжимом.
При определении предельного коэффициента обжима по образованию кольцевых складок у трубной заготовки использовали заготовки, полученные вытяжкой из кольца, с последующим удалением донной части на токарном станке. Момент начала потери устойчивости определяли визуально.
Момент потери устойчивости по продольному складкообразованию определяли по изменению усилия деформирования, так как процесс обжима сопровождается ростом усилия деформирования до момента образования складок. После чего происходит видимое изменение усилия.
Механические свойства используемых материалов определялись стандартными испытаниями на растяжение образцов в соответствии с ГОСТ 11701-84 на растяжной измерительной машине «Testometric» (рисунок 5.3) [102]. Для испытаний использовали образцы с кратностью равной десяти. На рисунке 5.4 представлены фотографии образцов для испытаний на растяжение.
