Введение к работе
Актуальность темы.
Одной из основных тенденций развития современного машиностроения является разработка' и внедрение прогрессивны:: технологических процессов, -обусловливавших павькение качества изделий :і снижение трудоемкости и материалоемкости их изготовления, а значит и:: себестоимости. Особенно это актуально для производств, занимающихся выпуском изделий, к качеству которых предъявляются повышенные требования.
К тагам производствам относится выпуск инструмента массового производства, отлнчигєльішмії- особенсстями которого
ЯВЛЯЮТСЯ і
массовость;
высокая трудоемкость, связанная как с изготовлением собственно инструмента, так и с подготовкой и настройкой необходимых длл него технологической оснастки и оборудования;-'
высокая металлоемкость и большое количество отходов ЕЬ'сококачестБенных инструментальных сталей и сплавов;
высокие требования к эксплуатационным характеристика!! производимого инструмента (точность размеров и формы рабочей чести , механическиэ свойства, стойкость и'т.д.);
использование дорогостоящего прецезионного оборудования .
Производственный опыт изготовления инструмента с использованием РЭДЦ говорит о достаточно высокой рентабельности подобных технологических процессов по сравнении с процессами, полностью построенными на обработке резанием. Речь идет ч о получении с пемощья СУД полуфабрикатов, требующих как модно меньшей последующей механической обработки и наилучлятм вариантом подобной технологии является такой, когда обработка резанием присутствует лкззь в виде доводочных операций.
Применяемыми при изготовлении полуфабрикатов инструмента массового производства являются операции объемной штамповки, в частности, прямое и обратное выдавливание в холод-пом,' горячем и неполном горяче)! (полугорячем) температурных ре.мг.кх , осутестз^яекх'з кзззистзтпчеекпм деформированием.
В тог.е г.рг<мя использование; высокоскоростной полугорлчей
і.етемиоі: ізтамповіги имеет сбои определенные достоинства по сравнения с вышеописанными режимами в случае обработки инструментальных сталей, которые относятся к трудно деформированным материалам.
Цель работы.
Диссертационная работа посвящена исследовак;го процессов высокоскоростной полугорячей ибъемной штамповки с учетом реальных свойств материалов я решению научно-технической проблемы - повышению эффективности изготовления инструмента массового производства путем создания научно-технических основ технологии изготовления их полуфабрикатов, требующіх минимальной последующей механической обработки, ка базе развития теории высокоскоростной полугорячей объемной штамповки.
Автор' защиплет :
1. Метод анализа пригасав высокоскоростной полу горячей
штамповки на основе теории осесиммєтричного вязкоплЕстичес-
кого течения с привлечением мегодз локальных вариаций, учи
тывающий СОВОКУПНОСТЬ П,.г;0ЕКЫХ СОПрОВОЛіДЕІОЩИХ ЭТИ ИрОЦЭССЫ
явлений и позволяющій прогнозироззть кинематические, деформационные и силовые характеристик!!.
-
Методику экспериментального'исследования оптимально режимом высокоскоростной полугорячей штамповки сталей У12А и Р6М5 и результаты, полученные на ее основе .
-
Теоретические исследования и разработанные на і к основе алгоритмы и программы расчета на ЗЕМ для описания новых технологических решений : высокоскоростной полугорячей закрытой прошивки полуфабриката матрицы с цилиндрическим отверстием.
-
Результаты экспериментального определения удельных к -технологических усилий деформирования при высокоскоростной полугорячей закрытой прошивке .
-
Методику расчета технологій! изготовления инструмента массового производства высокоскоростной полугорячей объемной штамповкой и реализованные на базе данной методики и экспериментальных исследований процессы изготовления полуфабрикатов стер/шевого и кольцевого инструмента массового производства.
Научная новинка.
1. На основе механики деформируемого твердого телз раз
работан метод анализа процессов высокоскоростной полугорячен
объемной штамповки, учитывающий совокупность основных сопро-
ЕО«Д.ЗЮ!ЦНХ ИХ ЯЕЛЄІШЙ И ПОЗВОЛЯЮЩИЙ ПрОГНОЭИрОЕЗТЬ КИНЄМЗТИ-
чеекпе, деформационные и силовий характеристики.
-
Получены крпЕыэ упрочнения сталей.РЄМ5 и У12Л и зависимости основных параметров (предела текучести сдвига и коэффициента вягкести) от температуры для релимз высоксскс-ростксго полугорячего деформчрог.знпл.
-
Получены алгоритм и програма для списания нового-технологического процесса : высокоскоростной полугерячеп закрытой прошивки заготовок из специальных стазей, псеволяга-гие оптимизировать технологические ре.жимы данного процесса.
-
Осуществлено прпмое тенвсм«трпровалпе процесса высокоскоростной полугорячей закрытой прошивки заготовок из специальных сталей для спределення удельного и технологического усилия при различных геометрических размерах и профилях рабочей части деформирующего инструмента.
-
Предложена методика расчета технологий изготовления инструмента массового производства высокоскоростной нолуго-рлчей объемной штамповкой, и на ее базе реализованы типологии изготовления 'полуфабрикатов стерлневсто и кольцевого инструмента массового производства, требуїсіцнх минимальной последующей механической обработки.
Методы исследований.
Теоретические исследования кинематических, дєформацпон-~1Ж и силовых характеристик процессов пластического формоизменения базируются на использовании законов осеспмметричного течения г.естко-внзкопластичасксй и г.естко-пластической сред механики деформируемого тверд- .-о тела и элементов теории теплопроводности. Полученное ;.егаеи!ія реализованы о помощью численных методов' .математики.
'-ксперименталькие исследования проводились с ИСПОЯЬОО-ВЗЛПЄН ТЄИЗО:,!9Трнр02ЕІ1ИЯ.
Прзктіічес:аії ^еннссть, и решпиятдя' BgsmQB_ работы.,
Рзэр?Сотзна методика расчета технологии и&готовления полуфабрикатов инструмента массового нреиевостеа.
Получены количественные характеристики предела текучести, коэффициента вязкости для сталей У12А и Р6М5 и определены бзлисимостк истинных сопротивлений от степени деформации для данных сталей в редкие высокоскоростного полугсрячєго-нагрулєшш.
Произведена количественная оценка технологических и удельных усилий дія процесса высокоскоростной полугорячей закрытой прошивки и исследовано влияние на них геометрические размеров и профиля деформирующего инструмента.
Результаты проведенных исследований использованы при разработке и реализации технологии изготовления полуфабрикатов для следующего инструмента : вкладыша матрицы калибровки, матрицы запрессовки, рабочей части пуансона запрессовки.
Результаты исследований могут быть использованы в производстве при разработке прогрессивных техколопжсккх про-цгссов изготовления инструмент?.
Апробация работы.
Основные полокенка работы докладывались на научло-практической конференцій! " Использование разработок ученых Тулы п области в развитии города п про;гьЬленкиго производства области ", г.Тула, 1995 г; на семинарах кафедры ППЭ факультета СТМ (19S5 - 1997 ГГ).
Публикации.
Основные положения работы отражена в четырех работах.
Структура н cGcc-i; раДот;:;. . ,
Д.тссзртацпсннал работа состоит из введешп, пяти ра^де-tCjj заключении , списка используемых источников , приложения и віизтает 115 страниц машинописного основного текста, ,59 рисунков; попгценных на 64 страница;':, список используе-Ц'.'Х источников п& 105'наименований на 12 страница:. Общий сб-ьем работы 20 страниц.
' Г-ю tin еде ніш рассмотрены основные особенности сссремэн-:іого инструментального производства. Выделены присуще е::у проблекы. Определена роль ОМД в их ркаенпн и кратко проанализировали ее основные достоинства в плаче снижения стоимости изготовления инструмента и улучшений его зксплуатацисиных характеристик.
Б ПЕ-рВОМ ПЗЯДЙ.ЛЄ Г.рС-ЗЄД-JH Сйгср ЗКСПеркМУНТЗЖНЬл ттсс-
ледований и опыта произгодства з области высокоскоростной полугсрячей объемной штамповки, рассмотрены преимущества, которые обусловлены температурным и скоростным факторами в данном ретаме.
Высокоскоростная полугорячая объемная штамповка являет
ся комплексным процессом , сочетакщім в себе достоинства,
котсрыэ обусловлены факторами скорости и температуры дефор
мирования . ,
Полугорячий режим в отличие от горячего обеспечивает минимальное скалкнообр::-ование. При нем выдерживаются более кесткне допуски и лучшая чистота поверхности. Следует отметить, что в данном'релине инструмент подвергается тепловому воздействия в меньшей степени, чем в температурном интервале, соответствующем горячей обработке.
По сравнения) с холодным формоизменением при полугорячем режиме обеспечивается лучзая ваполняемость полостей штампов, , значительно уменьшается вероятность образования трещин в обрабатываемой заготовке. Кроме того, повышенная температура нагрева металла способствует увеличению стойкости рабочего инструмента вследствие снижения временного сопротивления металла деформирования и удельной нагрузки на инструмент.
Полугорячий режим деформирования повышает ударную вязкость материала имеет пршенеиие при изготовлении инструмента массового производства.
Говоря о сісоростной фактор позволяет сократить длительность процесса штамповки и выполнить его почти без теплообмена, что создает оптимальные условия для изготовления сложных и точных поковок с тонкими элементами (ребрами, лопатками,- стенками и т.д.), которые трудно получить на низкоскоростном оборудовании.
Следует отметить, что высокоскоростная полугорячая штамповка специальных сталей относится к малоизученным процессам. Имеются результаты исследования поведения специальных сталей І8ЮА, 11ЮА, У12А, 65Г, ЗОХНЗА и 50 в полугорячем равные при кзззистатичгских скоростях натрушення, а такке мг<лоуглерод!:стых сталей іірп скоростях деформации порядка 1СГ8 - 10il с"1 . Но дл:п вагруг.снкя инструментальных сталей, з частности, У.РЛ и Рб?.Т>, з" рэдиг" ?исокосксрсот:'';*.'о по.чуго-
рячего деформирования данные по их механически),) свойства»/ отсутствует.
Для эффективного использования дачного режима б производстве при реализации конкретных операций объемной штамповки необходимо изучить особенности их проведения В ЭТИХ спе-цифкческих условиях, поскольку производственный опыт реализации подобных режимов для инструментальных сталей отсутствует.
"Вместе с тем для создания технологий, построенных не использовании данного режима деформирования, требуется разработка вопросов, связанных с достоверны;,! теоретическим определением силовых и деформационных параметров конкретных операций деформирования класса инструментальных материалов.
Второй раздел посвящен теоретическому исследование пластического течения -в осесимметричных процессах высокоскоростной полугорячей схемной штамповки.
Постановка задачи осуществляется-на основе первого экстремального принципа, который гласит, что действительному полю скоростей деформации соответствует абсолютный ыинимуь полной мощности процесса формоизменения - по сравнению с ее значением, определенным черев произвольное кішзматнческг возмоаноє поле сгаростей деформаций .
Для анализа состояния деформированной среды зышсываот-ся функционал, представляючій собой разность мощностей внутренних и внешних сил системы:
Мощность внутренних сил представляет собой для случая высокоскоростного полугорячего деформирования следующее выражение :
Wbhj-tp. = «пл. + ^еяэ. + Wimp. (1)
где: V/пл. " пластическая компонента мощности; ИВЯа. -вязкая компонента мощности; Wirap. .- инерционная компоненте мощности.
Под мощностью внесших сил понимается мощность, получаемая от воздействия осевой деформирующей нагрузки.
Пластическая и вязкая составляющие функционала записываются ь оолее удобной форм; через соотношения теории пластичности Сен-Воизна - Мизесз, свпг-wu^y.Q і.:ехду_ со'ой компоненты напряжений и скоростей дг,-фі.!смщ'/.'і, в результате чегс
функционал имеет вид .
J ts-H-dV + J —-|i-H2-dV + Г a-dV - Г X v-d5* - О . (2)
V V V S*
где: ts , ji. - соответственно предел текучести сдвига и,
коэффициент вязкости деформируемого материала; Н - интенсивность скоростей деформации сдвига;_ V - объем деформируемой среды; а - скоростная функция ; X , v - соответственно векторы поверхностпсх сил п скорости движения инструмента (скорости деформирования); S" - пдс-дэдь терца рабочего инструмента (пуансона) ;
Скоростная функция и;/еет ниц :
dv
a = p-vij ; (3)
где: . Pi vij " соответственно плотность деформируемого металла и скорость деформирования"; t - время.
.Для ресешга задач на базе вышеописанной постановки применяется метод локальных вариаций , суть которого в дачном случае заключается а варьировании с достаточно малым шагом заданного произвольного, но кинематически возможного для рассматриваемых процессов формоизменении поля скоростей деформирования, нахождения соответствующее кахдому верьпруємо->іу значеній поля , скоростей значений функционала и выборе среди ник минимального. При атом составлявшая, сязаннвл с внешними силами, з варьировании ко 'участпуэ?. Подобное поэтапное решение приводит в итоге к получению действительного поля скоростей деформирования, членам которого соответствуют минимальные значения мощностей, т.е. 15 реализации .первого экстремального принципа.
Для иллюстрации предлолеьлого решения использован численный пример, свлзанпнЛ с процессом высокоскоростной полу-горпчоп закрытой пробивки 1г:п1дричсккх отзгрстпй в цилиид-pjwscicsx полуфабрикатах .
Рассматривается в цилиндрической системе координат г, О, . z процесс вдавливания абсолютно жесткого цнлклдрз (пуак-
ю -
сонз) радиуса гп, тлеющего плоское идеально гладкое оскова-оие, в жестко-вявкопластическую несжимаемую среду (заготовку) , іаїеющую температуру полугорячего формоизменения и заполняющую объем , ограниченный жесткой идеально гладкой поверхностью (матрицей) радиуса гм . Вдавливание идет параллельно осп z. Задача при этом является осесишетричной со следующими отличными от куля компонентами вектора скорости перемецэния и тензоров деформации и напряжения : и, ш, сг, со. cz, Yrzi 6г, бо, б2, trz На основе конечно-элементной дискретизации сплошной среды представим рассматриваемую среду в виде системи дискретных 'элементов, а состояние n-го алемекта опиаем с поыошью обобщенных клеточных переменных с использованием вариационных принципоз механики . Разобьем область пластической деформации деформируемой среды на п четырехугольных элементов проведя в плоскости, проходящей через оси z и г, два семейства прямых (4) и доопределяя среду до расширенной на шаг ячейки области (5) с учетом расчета по крайним точкам Pjj (рисі) :
}, (Б);
г = а г 1 -Лі- | I г = 0 - Лг
, (4) ; D" = и г = г» + йг
z <= b + j-uz J у z-= 0; г = Н„л.
где : .
а и Ь - произвольна ; Лг > О , йг > 0 .
С учетом принципов конечно - разностной' дискретизации для лябсй точки Pj3 имеем выражение кодгастн внутренних сил, ирэдстазлякцей ссСэл сумну составлякцж по четырем дискретные блоі-гау (рис.Е) :
I = Uu ; (6)
^^
*****
—
ЇР.
* і ,J-X
"" і - 3. , ,5
j"і-І,J-X
-X, 4-ї-і
п С J . '> > }
4 з ;,"; її - ?-; "і. р"?." -~ " -"" " *- м г аг ^ :л г* :і ~-ї с г~ t? г. r:^
- г? -
где : ш, u - соответственно, скорости перемещения по
При этом аа предполагает дискретизацию по времени, а аг - только по кордпнатным осям г и 2.
В свяви с затруднительностью определения дискретизации по
времени для каждой точки среды, предлагается расчитывать
составляющую а\ по выражению, означающему накопленную к
рассматриваемому моменту времени.инерционность :
Ммакс " Ц.1ИН Имакс ~ Дмин
ei = Щлип + ' "мин ; (8)
t -. t
где :
^.іакс-, имакс " начальные (максимальные ) значения скоростей перемещения, соответственно, вдоль осей z и г;
Цлин ; иЫни - конечные (или текущие) значения скоростей перемещений, соответственно, вдоль осей г и г;
t - промедуток времени, ва который.произошло изменение , скоростей іі> и ц от максимума до минимума;
Составляющая а\ не варьируется , а-расчитывается один раз после завершения расчета и суммируется о полной действительной мощностью.
Составляющая сг варьируется, такхе как и остальные члены функционала для каждой точки поля.
Такш образом, с учетом значений 'скоростей деформаций, условия несжимаемости н вышеописанного решения для инерционной составляющей, функционал для блока Ijj клеет общий вид : 1 гг Su и \2 / и Эй \2 с и Эй \2
1ч~ —-И h і+ 2—+ —)+ г — 2,~Н +
d L ^ 9г г / . * г от / v г or /
3 г Зи Й« \ 2т г о * *5 г / ои Ц \ 2
т-hr* тг) 1 'г-**** Ы ' И-* т) *
і Ви їх \ 2 / и Эй \2 / и Зи \2 з ґ. Эй '
+2— + + -' Я + -р- ' - +
"- 8г г / * г dr / ^ г ог / * ^ 3z
5а г „ Ва „ Эй -і
1 -Гі-dr-dz + р- и*——-* ий rvdr-dzj (9)'
8г і J l Sz Dr J
где : гJ = dr (i-1).
Процесс варьирования осуществляется сіюдущші образом.
Значения заданного кинематичесіси возможного поля скоростей перемещения попеременно принимает следующие значения : "ij = "id і "id = u-j + h і Uij = Uij - h ;' (10) где : h - шаг варьирования.
В соответствии с этим изменением имеют место три уровня, на кзлдом из которых расчитываются значения Ijj для четырех окружающих точку Pjj блоков. При этом определяется минимальное среди этих уровней значение I = Е1ц ив соответствии с выбранным значением изменяется величина скорости в заданном поле. Прогег.с перебора заканчивается , когда раани-ца в значениях функционала для всего поля на п-п и n-1-й итерациях становится не более априорна заданного малого числа, т.е. функционал фактически перестает убывать.
В результате проведенных вычислений определяется действительное поле скоростей перемещений и вдоль оси г, а такте суммарная мощность формоизменения для всех точек этого ноля. При этом модность поверхностных сил трения на инструменте не учитывается.
Помимо этого, для каждой точки полученного поля, скоростей определяются интенсивности деформаций и скоростей деформаций, деформации по осям гиг, а также приращение температуры в процессе деформации (тепловой эффект).
Третий раздел посвящен определению механических свойств сталей РЄМ5 и У12А в режиме высокоскоростного полугорячего нагружения. Для решения поставленной задачи были выполнены испытания на скатне цилиндрических образцов со" шлифованными торцами. Образцы нагревались до температур 600, 700 и 800 С с запасом в БО С, учитывал возможные теплопотери при переносе образца из печи' в рабочую зону. Ранее оцененные для помещения, в котором проводились опыты, теплопотери составили 15...20 С в секунду, а время перемещения нагретого образца в рабочую зону составляло 3...4 секунды. Испытания проводились при скоростях подлета инструмента к оснастке, составлявших 2,5 , Б,О И 6,7 м/с, и соответствующих им скоростях деформзнин 66,5 , 1SS.1 и 171,9 с"1 с учетом того, что скорость, соотгетстзуїохуія возникновении пикового значения усилия составляла прі^лсрко 2/8 от скорости подлета.
Е ходе =ксгкр;;монтстз производилась запись зависимостей
- и -
"усилие - время" и определялись пиковые значения усилия деформирования и соответствующие им высоты образцов' после осадки.
Полученные зависимости являются строго воБрастаоідііми без перегибов для обеих сталей, что говорит о преобладании процесса упрочнения над процессом разупрочнения в данном режиме деформирования.
Были построены зависимости условного предела текучести бо, 2 от температуры Т. Выяснено', что их характер является убывающим с увеличением температуры, а с ростом скорости деформации наблюдается незначительное увеличение значений бо, г. что соответствует известному скоростному соотношения С.И.Губкина.
На основании полдученных кривых были построена зависимости коэффициента вяпкюти р. от температуры и скорости деформации є с использованием модели :
/а~ Hi . *
где : Ні - интенсивность скоростей деформации сдвига ;
Полученные зависимости имеют ярко выраженный убывающий характер о увеличением температуры и скорости деформации для обеих сталей.
Четвертый раздел посвящен теоретическим и экспериментальным исследованиям процесса высокоскоростной полугорячей закрытой прошивки глухих отверстий.
'Анализировалась закрытая прошивка цилиндрического глухого отверстия диаметром 7,5 мм с оотвествующек степенью деформации У = ID X в цилиндрической заготовке из стали Р6М5 с диаметром 24,5 мм и высотой 30 мм. Рассматривался процесс деформирования при температуре нагрева 850 С и скорости деформации 171,9 с-1, соответствующей в данном случае фазе установившегося процесса. Деформируемая среда была разбита в плоскости осей г и 2 па блоки со сторонами Дг = 1,25 ш и Лз; = 1,0 мм.
Расчет осуществлялся с применение:.! специально разработанной для этой цели компьютерной программы.
Гцзїі расчете Сіл;:'. v,o.vj4-.\i\: дйі"г,тг.Уітел.г.ї:со поло скорости, к
перемещений точек среди вдоль оси г и значение полной мощности деформации 290 кВт.
Помимо этого были получены поля перемещений, деформация , интенсивности сіссростей деформаций и деформаций, а таю*.е приращения температур в точках поля.
Экспериментальное' исследование проводилось для проверки гк-іеописанного теоретического результата по определению мощности деформации и для исследования влияния геометрических размеров и профиля рабочей части деформирующего инструмента (пуансона) на величину технологического усилия.
Осуществлялась лроиивкл цилиндрических стгсрстпй в цилиндрических образцах из сталей FBM5 п У12А. Деформирование проводилось при теь-пературе нагрева 850 С с учетом возможных хеплопотерь и скорости деформации 171,9 с"1. Прошивка осуществлялась пуансонанп с диаметром рабочей части 7,5 и 10',0 мм, клтсрыи соответствуют степени деформации 'і'і = 10' % л '»!2 = 13 %. Результаты эксперимента приведены в таблице 1.
Таблица 1 Результаты определения удельного усилия высокоскоростной полугорячей прегзивки цилиндрических отверстий.
стань г'ЗМЗ
Наиболее пластичной а процесс? йксперія'антз показала себя стаї'-Ь У12А. С уиенылеипрм ? глубина тхктана-П'ЫХ отверстий для образцов из сталей УІйА'п Ff.J.S йь'рряниаалзсъ.
В ходе эксперимента была определена сходимость по технологическому усилию при теоретической яналиве п практической реализаций прежкжи цплпн^рцческ-к от^ерст-:й. Сцч есстз-. ?пла )0,7 %.
С целью исследования влияния проф/ілн гчхиипкй^ого ої-
верстіш на величину технологического усилия была выполнена прошивка фасонных полостей в цилиндрических образцах из сталей У12А и Р6М5 со степенью деформации у верхнего торца 18 %. Деформирование осуществлялось в аналогичных вышеизложенны.,! условиях. В результате были подучены значения технологических усилий : а) для стали У1ЕА : 84620 Н; б) для стали Р6М5 : 89130 Н ;
Был проанализирован характер полученных зависимостей "усилие-время" для прошивки цилиндрических и фасонных отверстий . Выяснено, что более интенсивной является фаза нарастания усилия. При атом кривая, соответствующая прошивке цилиндрических отверстий, имеет более выраженную фазу уста-швиешегсся процесса и менее пологая, чем при прошивке фасонного отверстия, что говорит о большей стационарности данного процесса. Б целом технологическое усилие нылс при прошивко фасонних отверстий, нежели цилиндрических, при одинаковых степени деформации и материале образцов.
В пятом разделе приведена предлагаемая методика расчета технологий изготовления инструмента массового ирояьтодстьа с применением в качестве ключевой профплеобразукглей операции ысо1х>скороо;твой полугорячэй о6хе:.шой штамповки.
Она включает а себя следующее онов.чыг мероприятия ;
1) анализ технологичности конструкции изделия и осбеп-ностей реализации операціпі1 по ее получешзо; .
) выбор необходимых операций и составление технолог!:-ческсо процесса изготовления изделий;
-
составление черте.-ла полуфабриката и определение формы и размеров заготовки;
-
составление черте;;:а рабочих частей инструмента;
Б) определение потребного технологического усилия деформирования ;
. Данная методика иллюстрируется на типовых примерах, со-ствєствупцих сііедуиїдіім изделиям. : Екледыа к матрице калибровки, матрица запрессовки, рабочая часть пуансона запрессовки.
Для первых двух изделий профилеобразуюдп.ли операциями является, соответственно, пркшжп цилиндрического и фасонного отверстий. Рабочая часть третьеого изделия'иэготавливз-
єтся с помсти операции висадки с сблрем.
' На основании зызгаизлсденногс молча сделать вывод о tow, что внедрение подобных технологий в производство способно дать существенный экономический ,?$фект.
