Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 11
Исследование процессов прямого, обратного и радиаль- 11
ного выдавливания
1.2 Теоретический анализ операций радиального, обратного и 29
комбинированного выдавливания
Методы исследования напряженно-деформированного 32 1.3
состояния металла при холодной объемной штамповке
Влияние деформации на изменение ударной вязкости ме- 44
талла
1.5 Цель и задачи работы 54
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОМБИНИРО- 56
ВАННОГО ПРОЦЕССА РАДИАЛЬНОГО И ОБРАТНО
ГО ВЫДАВЛИВАНИЯ В КОНИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕ
2.1 Методика проведения теоретического исследования 56
Описание комбинированного процесса радиального и об- 59 2.2
ратного выдавливания в конической матрице
Моделирование силового режима комбинированного 62
2.3 процесса выдавливания в конической матрице с учетом
упрочнения
Описание программы для моделирования комбинирован- 79 2.4
ного процесса
2.5 Выводы 80
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕ- 81
МАТИКИ ТЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛА ПРИ КОМБИНИРО-
з ВАННОМ РАДИАЛЬНОМ И ОБРАТНОМ ВЫДАВЛИВАНИИ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ С ФЛАНЦЕМ В КОНИЧЕСКОМ ИНСТРУМЕНТЕ
Методика исследования кинематики течения металла ме- 81 тодом координатной сетки.
Обработка результатов испытания образцов. 88
Кривая упрочнения стали 10, построенная по результатам 97 осадки цилиндрических образцов
Компьютерное моделирование процессов пластического 100 деформирования
Сравнение результатов математического моделирования с 111 данными, полученными конечно-элементным моделированием и опытными данными
3.6 Выводы 113
ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЕФОРМАЦИИ И СХЕ- 115
МЫ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ НА УДАРНУЮ ВЯЗКОСТЬ СТАЛИ
Методика проведения испытаний для исследования зави- 115 симости ударной вязкости от деформации.
Анализ полученных результатов 122
4.3 Выводы 128
ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА 130
ХОЛОДНОЙ ОБЪЁМНОЙ ШТАМПОВКИ ДЕТАЛИ «НАКОНЕЧНИК» ПРИМЕНЕНИЕ КОМБИНИРОВАННОГО ПРОЦЕССА ВЫДАВЛИВАНИЯ В КОНИЧЕСКОМ ИНСТРУМЕНТЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ДЕТАЛЕЙ С ФЛАНЦЕМ
Разработка и исследование технологического процесса 131 детали «наконечник» шарово-конусных соединений труб
для воздухопроводов подвижных железнодорожных составов
Моделирование технологического процесса холодной 138 объемной штамповки детали «Наконечник»
Экспериментальная оснастка для опытного производства 139 детали «наконечник»
Результаты опытной штамповки 142
Производственная оснастка для изготовления детали «на- 143 конечник»
Выбор оборудования 146
5.7 Результаты и выводы 149
ОБЩИЕ 151
ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 153
ПРИЛОЖЕНИЯ 163
Акт использования результатов исследования в произ- 163
Приложение 1
водство
Акт о внедрении результатов исследования в учебный 164
Приложение 2
процесс
Программа для автоматического расчета силы дефор- 165
Приложение 3 мирования и определения положения границы раздела
течения
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 и 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, появляется направленность волокон вдоль конфигурации штампованной заготовки, улучшается микрогеометрия (по сравнению с обработкой резанием, литьём и горячей штамповкой), увеличивается коэффициент 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 снижается трудоёмкость. Процессы характеризуются высоким уровнем механизации и автоматизации. 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.
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, уело-
6 вий 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, Г.И. Кириллова, СМ. Колесникова, Ф.А. Коммеля, А.А. Коставы, Д.П. Кузнецова, А.Д. Матвеева, А.Н. Мить-кина, 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, Л.А. Шофмана, а также Б. Авицура, У.Джонсона, Э. Томсона, Г.Д. Фельдмана, Р. Хилла, Ч. Янга и др.
Одним из перспективных процессов холодной объёмной штамповки является комбинированное выдавливание. Данный процесс может быть успешно применён для изготовления изделий типа стакан с фланцем с различным профилем как внутренней, так и наружной поверхностей.
Создание новой технологии производства деталей холодной объёмной
штамповкой требует подробного изучения поведения материалов в процессе их
формообразования.
Ввиду изложенного, актуальной научной задачей в области развития технологии заготовительного производства является повышение качества изделий и технологических возможностей холодной объемной штамповки за счет изучения и освоения процессов комбинированного выдавливания, а также исследования влияния деформации на изменение механических свойств. Научная новизна.
установлены теоретически и подтверждены экспериментально зависимости деформирующей силы и положения границы раздела течения металла от геометрии инструмента и заготовки, коэффициента трения и характеристик штампуемого материала при комбинированном радиальном и обратном выдавливании в конической матрице;
расчетными методами определено влияние угла матрицы на процесс деформирования, конечную форму и размеры готовой детали, а также на силу де-
формирования при комбинированном процессе радиального и обратного выдавливания в конической матрице;
- выявлена экспериментально зависимость ударной вязкости стали 10 от
накопленной деформации и схемы напряженно-деформированного состояния.
Практическая значимость:
на базе метода баланса мощности разработана специальная программа для определения деформирующей силы при комбинированном процессе;
определены геометрические соотношения инструмента, обеспечивающие рациональные технологические режимы операции комбинированного радиального и обратного выдавливания в конической матрице;
с использованием зависимости ударной вязкости стали 10 от накопленной деформации и схемы напряженно-деформированного состояния, выраженного в показателе Лодэ-Надаи получены рекомендации по прогнозированию ударной вязкости деталей, получаемых методами холодного выдавливания;
разработан технологический процесс комбинированного выдавливания полых осесимметричных деталей типа стакан с фланцем на примере детали «наконечник» из стали 10 с учетом изменения ударной вязкости. Спроектирована экспериментальная оснастка и производственные штампы. Технологический процесс и конструкция штампов переданы в производство для освоения; методика расчета технологии используется в учебном процессе.
Личный вклад соискателя заключается в обосновании цели работы, разработке основных идей и методик исследований, постановке и решении задач диссертационной работы.
Автором установлены закономерности комбинированного выдавливания, разработана математическая модель процесса, технология производства осесимметричных деталей с фланцем, спроектированы чертежи штамповой оснастки для выдавливания деталей с фланцем; получены рекомендации по проектированию технологических процессов холодного выдавливания деталей.
В результате экспериментальных исследований установлена зависимость ударной вязкости стали 10 от накопленной деформации и схемы напряженно-деформированного состояния.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на 49-й международной научно-технической конференции ассоциации автомобильных инженеров «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров», г. Москва, 2005; на международной научно-технической конференции «Достижение и перспективы развития процессов и машин обработки давлением в металлургии и машиностроении», Украина, г. Краматорск, 2008; на научно-технической конференции «Состояние, проблемы и перспективы создания корабельных информационно-управляющих комплексов» Москва, 2008.
В первой главе приводится обзор литературных источников, связанных с изучаемыми вопросами: формообразование тела при холодной деформации; исследование процессов прямого, обратного и комбинированного выдавливания; существующие подходы к моделированию процессов холодного выдавливания; классификация типовых деталей с фланцем и существующих математических моделей процессов выдавливания деталей с фланцем.
Также в главе проанализированы экспериментальные и экспериментально-аналитические методы исследования формоизменения в различных процессах деформирования деталей.
Из обзора литературных источников, приведенных в главе, следует, что отсутствует анализ процесса комбинированного радиального и обратного выдавливания заготовки типа стакан с фланцем в конической матрице, не изучено влияние геометрии инструмента на конечные размеры детали и силу деформирования. Таюке влияние накопленной деформации на изменение величины ударной вязкости многих марок сталей до сих пор не достаточно изучено.
На основании анализа литературы поставлены цель и задачи исследования.
Во второй главе проведен анализ напряженно-деформированного состояния и определены силовые параметры холодной объемной штамповки комбинированного процесса радиального и обратного выдавливания в конической
матрице; выполнен теоретический анализ комбинированного процесса методом баланса мощности выдавливания с учетом упрочнения металла. Приводятся результаты экспериментальной проверки полученных решений.
При этом были приняты следующие допущения: - материал несжимаем, упругими деформациями пренебрегают; - материал изотропен; - скорость движения инструмента постоянна; - напряжения трения на контакте постоянны и наперед заданы (по закону Прандтля); - условие неразрывности нормальных компонент скорости течения.
В третьей главе приведены результаты исследования процесса радиального и обратного выдавливания в конической матрице. С помощью экспериментального метода (координатных сеток) и методом конечных элементов в системе Q-FORM 2D получены данные о распределении скоростей в деформируемой заготовке, которые подтверждают адекватность математической модели, приведенной во второй главе.
Проведено моделирование комбинированного процесса с варьированием геометрических соотношений инструмента в системе конечно-элементного моделирования Q-FORM-2D. Кривая упрочнения стали 10 для проведения экспериментов задавалась на основе экспериментов в табличном виде для фиксированного диапазона значений деформации є,, температуры Т и скорости деформации ,. Размеры исходной заготовки и виртуального инструмента для моделирования соответствовали размерам экспериментального образца и штампа для комбинированного выдавливания.
Проведенный анализ комбинированного процесса радиального и обратного выдавливания детали типа стакан с коническим фланцем позволил получить рекомендации по выбору оптимальных условий проведения этого процесса.
В четвертой главе приводятся результаты исследований влияния деформации на изменение ударной вязкости стали 10.
Технические условия на производство множества ответственных деталей требуют определенную величину ударной вязкости, так как это необходимо для выдерживания ударных нагрузок. Ударная вязкость измеряется, как правило, только у исходного материала заготовок деталей, причем размеры исходных заготовок должны быть достаточно большими, чтоб из них можно было изготовить образцы. Следовательно, определить величину ударной вязкости для небольших деталей, полученных методами холодной объемной штамповки, не представляется возможным.
Поэтому была поставлена задача определить зависимость ударной вязкости от накопленной деформации и от схемы напряженного состояния для прогнозирования свойств деталей, получаемых холодной объемной штамповкой.
В пятой главе представлена разработка и исследование технологического процесса производства детали «Наконечник», входящей в шарово-конусное соединение воздуховодных труб. Одной из особенностей данной детали является наличие ступенчатого фланца. При помощи комбинированного процесса радиального и обратного выдавливания удалось получить высокую точность детали при минимальном числе переходов и энергозатратах.
На базе полученных результатов исследований влияния деформации на изменение механических свойств, получено значение величины ударной вязкости в данной детали согласно заводским техническим требованиям. Это позволило заменить исходный материал заготовки на более технологичный для холодной объемной штамповки (сталь 10).
Приводится технологический процесс, конструкция экспериментальных и производственных штампов.
Работа выполнена на кафедре «Кузовостроение и обработка давлением» МГТУМАМИ.
Автор выражает признательность за советы и помощь в проводимых ис-
следованиях профессору, доктору технических наук [Головину В.А
