Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор результатов исследований процессов упругопластического деформирования заготовок при формообразовании трубчатых деталей 11
1.1. Математическое моделирование процессов упругопла-стического деформирования заготовок при формообразовании трубчатых деталей 11
1.2. Способы штамповки трубчатых деталей, рабочие тела и наполнители 25
Глава 2. Модели расчета давления сыпучей средой, раздачи труб и формообразования деталей типа "тройник" 31
2.1. Модель поведения сыпучего гранулированного материала при нагружении 31
2.2. Метод верхней оценки энергосиловых параметров и кинематических характеристик пластического течения наполнителя и трубчатой заготовки и его конечно-элементная реализация 44
2.3. Моделирование выдавливания пластического наполнителя 62
2.4. Моделирование деформирования трубной заготовки на основе гипотезы о плоской деформации 74
2.5. Моделирование процессов деформирования трубчатых заготовок при изготовлении тройников программными комплек сами AutoForm и MSC.Marc 83
Глава 3. Экспериментальные исследования про цесса деформирования трубчатых заготовок эластичными и сыпучими средами и определе ние качества деталей 100
3.1. Задачи и содержание экспериментальных исследований 100
3.2. Выбор оборудования, технологической оснастки и нагрев заготовки 101
3.3. Методы замера дифференцированной термической интенсификации 104
3.4. Инструментальная оснастка и силовые устройства для деформирования трубчатых заготовок 105
3.5. Трение, подготовка трубчатой заготовки и ее форма 109
3.6. Исследование точности геометрических параметров и состояния поверхностей изготовленных патрубков 114
3.7. Металлографические исследования и физико- механические испытания 118
3.8. Испытания на вибропрочность, герметичность и прочность 121
Глава 4. Перспективные схемы деформирования трубчатых заготовок эластичными и сыпучими средами 125
4.1. Перспективы применения титановых сплавов в конструкциях трубопроводов 225
4.2. Перспективные процессы деформирования трубчатых заготовок с применением электротермического воздействия 131
Заключение
Список использованых источников 139
Приложение 149
- Способы штамповки трубчатых деталей, рабочие тела и наполнители
- Моделирование выдавливания пластического наполнителя
- Выбор оборудования, технологической оснастки и нагрев заготовки
- Перспективные процессы деформирования трубчатых заготовок с применением электротермического воздействия
Введение к работе
Сокращение сроков освоения новых изделий, снижение себестоимости их изготовления и металлоемкости применяемой оснастки, повышение конкурентоспособности продукции отечественного машиностроения оказывают соответствующие стимулирующее воздействие на разработку научно-обоснованных методов расчета новой техники и технологий. В настоящее время это сопряжено с недостатком инвестиций, высокой стоимостью кредитов, жесткими требованиями и нестабильностью товарного рынка, в связи с чем, особенно актуальной становится проблема разработки систем компьютерного моделирования ресурсосберегающих технологий и оборудования, обеспечивающих минимальную трудоемкость изделий при наилучшем их качестве. В свою очередь, создание развитых систем моделирования невозможно без решения большого круга теоретических, экспериментальных, технологических и компьютерно-программных задач. К таким задачам, в первую очередь, относятся разработка более полных и точных математических моделей процессов пластического формоизменения.
Таким образом, одной из важных задач механики деформируемого твердого тела является исследование напряженно-деформированного состояния материалов при формообразовании из них разнообразных деталей.
Особое значение эти задачи приобретают в современном машиностроении, например, в авиастроении, где широко используются методы пластического деформирования при изготовлении деталей для летательных аппаратов. Среди всего разнообразия деталей самолета значительное место занимают детали элементов систем трубопроводов (патрубки, фитинги, тройники, переходники), почти все они производятся с помощью операций формовки, раздачи и гибки. При этом в качестве наполнителя или пуансона, деформирующего трубу, могут быть использованы новые синтетические эластичные материалы.
В последнее десятилетие в связи с необходимостью непрерывной модернизации изделий на первый план выходят задачи пластического деформирования, в которых используются универсальные формообразующие элементы штамповой оснастки. В этом отношении большой интерес представляют процессы формообразования трубчатых деталей сыпучими средами, которые слагаются из эластичных и металлических гранул (шариков). Использование сыпучих материалов может существенно расширить технологические возможности обработки металлов за счет трения
или давления подпора со стороны засыпки на участки, подверженных утонению или складкообразованию (гофрированию).
По трудоемкости работ трубопроводы занимают 10 % от изготовления деталей планера самолета, например, патрубки составляют 10-15 % от общей трудоемкости заготовительно-штамповочных работ (рис. 1). При этом наблюдается устойчивая тенденция к использованию для их изготовления все более стойких и прочных материалов, например, титановых сплавов, которые являются пластически труднодеформируемыми из-за сравнительно малых величин удлинения при разрыве. Повышению пластичности этих материалов способствует определенное увеличение или понижение температуры. В связи с этим важное значение имеет разработка и исследование перспективных технологических процессов, создающих благоприятное напряженно-деформированное состояние штампуемого материала, повышающих степень его формоизменения, и, в конечном счете, снижающих трудоемкость изготовления деталей на основе применения новых термостойких эластичных и сыпучих материалов в качестве рабочих тел для передачи усилия в зону деформирования заготовки с использованием методов термической интенсификации.
Настоящая работа посвящена решению задач пластического деформирования, сопряженных с данными технологическими процессами, разработке оснастки, устройств и схем реализации формообразования деталей из труб эластичными и сыпучими средами.
Целью диссертационной работы является исследование процессов деформирования трубчатых заготовок эластичными и сыпучими средами, позволяющих существенно повысить предельные возможности формоизменения, снизить трудоемкость изготовления деталей, повысить их качество и эксплуатационные характеристики:
разработка модели расчета передачи давления сыпучим материалом;
анализ напряженно-деформированного состояния сыпучего наполнителя и заготовки при формообразовании тройников;
экспериментальное исследование технологических возможностей штамповки эластичными и сыпучими средами и выработка рекомендаций для практического использования результатов исследований.
АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЙ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ГИДРОГАЗОВЫХ СИСТЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ (ЛА)
Объем холоднодеформируе- Трудоемкость изготовления Аварии и катастрофы ЛА
мых деталей в конструкции деталей планера ЛА
Показатели трудоемкости формовки трубчатых деталей, (в усл. ед.)
Преимущества процессов формовки деталей из трубчатых заготовок:
Высокая экономическая эффективность,
возможность механизации и автоматиза
ции, получение деталей с заданными точ
ностью и физико-механическими свойст-
Су7 Су17 Су25 Су27 Су35
вами
Рис. 1.
Научная новизна работы заключается в следующем.
К настоящему времени отсутствуют решения задач получения деталей трубопроводов с помощью давления эластосыпучей среды.
В работе разработаны способы и эластосыпучие рабочие тела для деформирования трубчатых заготовок при раздаче, гибке и вытяжке отводов и устройства для их осуществления, которые признаны изобретениями. Предложена модель расчета распределения напряжений в сыпучем разномодульном упрочняющем материале с внутреннем трением и дила-тансией. Исследованы линии тока и распределение скоростей пластического течения наполнителя и заготовки, рассчитаны зависимости давления осевых пуансонов при боковом выдавливании отвода. Проанализированы возможности программных комплексов Auto Form и MSC.Marc при моделировании технологических процессов изготовления тройников из отрезков труб. Разработана и исследована схема деформирования трубчатых заготовок сыпучим наполнителем при ее дифференцированном нагреве индукционными токами высокой частоты, получены экспериментальные данные об особенностях распределения температуры, влияния смазок и геометрии торцов трубы при штамповке тройников. Получены аналитические и экспериментальные данные для расчета необходимых размеров заготовок, проектирования технологического процесса и формообразующей оснастки.
Практическая значимость работы заключается в следующем.
В результате численных решений определены основные энергосиловые параметры раздачи труб и формообразования тройников из труб эластичными и сыпучими средами. Рассчитаны распределения в готовой детали остаточных напряжений и пластических деформаций, утонений стенки и зон гофрирования в зависимости от применяемых смазок, подтвержденные экспериментальными данными. На основе результатов численного моделирования и экспериментальных исследований выработаны рекомендации по использованию термической интенсификации при деформировании трубчатых заготовок из алюминиевых и титановых сплавов, а также высокопрочных коррозионностойких сталей, обеспечивающей повышение предельных возможностей формоизменения, улучшение эксплуатационных свойств получаемых деталей, а также изготовлены и внедрены новые устройства и рабочие тела для деформирования трубчатых заготовок. Разработанная технология изготовления элементов гидрогазовых систем позволяет снизить их себестоимость за счет простоты ис-
пользуемой штамповой оснастки при уменьшении количества переходов для значительных степеней формоизменения. Предложены перспективные направления и схемы использования термической интенсификации и эластосыпучих сред для операций формовки, раздачи и гибки трубчатых заготовок.
Реализация результатов работы. Способы и устройства деформирования трубчатых заготовок, в основном разработаны автором, запатентованы в Российской Федерации, нашли практическое применение на Комсомольском-на-Амуре авиационном производственном объединении им. Ю.А. Гагарина (г. Комсомольск-на-Амуре).
Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на первой научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Исследование и перспективные разработки в авиационной промышленности» (Москва, 2002); на международной научной конференции «Синергетика 2000» (Комсомольск-на-Амуре, 2000); на 49-м Всемирном салоне изобретений «Брюссель-Эврика» (Бельгия, 2000); на 28-м Международном салоне изобретений в Женеве (Швейцария, 2000); на межрегиональной конференции "Роль науки, новой техники и технологии в экономическом развитии регионов" (Хабаровск, 2002).
Публикации. Основные результаты исследований предлагаемой диссертации отражены в 14 работах, в том числе в двух монографиях, 7 научно-технических статьях и 5 авторских свидетельствах и патентах.
В первой главе работы выполнен сравнительный анализ патентной и научно-технической литературы по существующим моделям, методам расчета и способам деформирования трубчатых заготовок, дана общая характеристика рабочих тел и наполнителей, рассмотрено состояние вопроса поведения сыпучих материалов при нагружении.
Обзор и анализ проведенных работ позволил сделать выводы о необходимости решения следующих задач:
теоретического и экспериментального исследований процессов деформирования трубчатых заготовок эластичными и сыпучими средами с применением дифференцированной термической интенсификации и оптимизации параметров процесса, разработки устройств и режимов по деформированию трубчатых заготовок;
разработки методики определения энергосиловых параметров и необходимой мощности при нагреве;
анализ качества получаемых деталей;
разработки типовых технологических процессов формовки, раздачи и гибки трубчатых заготовок эластичными и сыпучими средами и рекомендаций по их освоению.
Во второй главе исследуется напряженно - деформированное состояние заготовки при штамповке деталей с отводами, а также расчетные модели раздачи заготовок и штамповки деталей типа «тройник».
Закономерности передачи давления пресса рабочей средой на заготовку определяются поведением среды под нагрузкой. Рассмотрены особенности и модели поведения сыпучих материалов.
В основу разработки модели расчета давления эластосыпучей среды была положена деформационная модель упругопластической сыпучей среды, разработанная А.И. Олейниковым.
На основе данных соотношений получена модель расчета давления эластосыпучей среды на заготовку в виде краевой задачи для нелинейного дифференциального уравнения второго порядка относительно окружной деформации. Анализ решения показал, что коэффициент бокового распора, в отличие от гипотезы Янсона, не является константой засыпки. Его изменение хорошо может быть аппроксимировано линейной функцией от давления (среднего нормального напряжения). Зависимость от давления коэффициента трения полиуретановых гранул о заготовку описывалась функцией, предложенной В.Д. Комаровым.
Оценка и расчет основных энергосиловых параметров пластического деформирования может быть осуществлен на основе метода верхней оценке (МВО), использующего экстремальные свойства действительного поля скоростей идеально жестко-пластической среды. В основу модели расчета сил, необходимых для реализации данного пластического течения наполнителя и формуемых участков трубчатой заготовки, был положен функционал верхней оценки в форме, данной Г.В. Ивановым и А.Е. Алексеевым. При этом используется конечный элемент, на границе которого допускаются разрывы касательной составляющей скорости. Решение сводится к рассмотрению последовательности вариационных задач о минимуме квадратичного функционала. Разработанная программа тестировалась на решении задачи Прандтля для слоя и была применена для моделирования этапов раздачи трубы и формовки тройника.
При моделировании технологических процессов раздачи труб или формовки тройников основной задачей является прогноз конечной формы детали и эллипсность ее каналов с учетом «пружинения», остаточных на-
пряжений, возникновения гофров, утолщений, утонений и разрывов. В работе показано распределение утонений и утолщений стенок тройника, рассчитанных программным комплексом Auto Form на основе конечного элемента, матрица жесткости которого содержит в себе два диагональных блока, описывающих мембранное и изгибное поведение заготовки. Этим комплексом моделировался процесс «холодного» пластического формообразования тройника из отрезка трубы из алюминиевого сплава АмгЗ давлением жидкости с осевой осадкой и подпором отвода в жесткую матрицу с плоскостью разъема, проходящей посредине трубы. Полученные результаты моделирования указывают на существенные ограничения данной технологии гидроформовки. Анализируется распределение радиальных деформаций в полиуретане и заготовке при осесимметричной раздаче в жесткую матрицу с помощью сжатия эластичного сплошного цилиндрического стержня внутри трубы, рассчитанные программой MSC.Marc, поведение полиуретана описывалось соотношениями Муни-Ривлина.
В третьей главе исследовались и оптимизировались параметры и методы процесса горячей штамповки деталей с отводами из тонкостенных трубчатых заготовок, в т.ч. схемы нагрева, смазки, влияние формы трубчатых заготовок и т.д. В процессе проведения экспериментов производился выбор схемы деформирования, производилась оценка технологических возможностей процесса формовки отводов с применением нагрева и перспектив их применения для изготовления деталей, находящихся в особых условиях эксплуатации.
Проводился следующий комплекс экспериментальных исследований:
а) выбор оборудования, проектирование и изготовление штампа с
учетом оптимальной схемы нагрева, смазки и формы трубчатой заготов
ки;
б) исследование физико-механических характеристик патрубков;
в) исследование точности геометрических параметров и состояния
поверхности изготовленных патрубков;
г) исследование микро- и макроструктуры патрубка с определением
критерия качества;
д) проведение испытаний на герметичность и прочность.
В четвертой главе рассмотрены перспективные схемы деформирования трубчатых заготовок эластичными и сыпучими средами.
Способы штамповки трубчатых деталей, рабочие тела и наполнители
Известен способ раздачи труб дорном [106]. Этот способ заключается в том, что сквозь трубу протягивают оправку несколько большего диаметра, чем внутренний диаметр трубы. Недостатком такого способа является неудовлетворительное качество внутренней поверхности труб, ограничение деформации за один проход оправки, получаемое в результате значительного давления металла трубы на оправку, и больших сил трения, возникающих при протяжке оправки. Известен также способ раздачи труб дорном с одновременной подачей во внутреннюю полость трубы жидкого или газообразного рабочего тела под давлением [107]. Этому способу присущи недостатки предыдущего способа, так как рабочее тело подается в полость трубы, расположенную за дорном. В [108], создав предварительное нагружение стенок трубы-заготовки каким-либо жидким или газообразным рабочим телом, осуществляют раздачу дорном. При таком способе раздачи могут уменьшиться давление деформируемого металла на дорн, а также силы трения между трубой и дорном, что положительно влияет на качество внутренней поверхности трубы и позволяет увеличить деформацию металла труб за один проход дорна. Известны устройства для гидравлической раздачи трубной заготовки, содержащие корпус с неподвижной матрицей и подвижные штоки, служащие для создания осевого сжатия и имеющие дополнительный механический привод, не зависимый от источника давления внутри трубной заготовки [109]. Использование двух независимых приводов усложняет устройство и затрудняет поддержание необходимой зависимости между осевым сжатием и внутренним давлением, требуемой для получения максимальной степени раздачи без утонения стенки заготовки. Известно устройство для гидравлической раздачи трубной заготовки, состоящее из разъемного корпуса и направляющих втулок, с которыми взаимодействуют две подвижные полуматрицы, обеспечивающие осевое сжатие трубной заготовки за счет давления жидкости на некомпенсированную площадь полуматриц [ПО]. В процессе раздачи трубной заготовки происходит постоянное прилегание участков трубной заготовки к внутреннему профилю полуматриц, что приводит к уменьшению некомпенсированной площади.
При этом невозможно поддерживать необходимую зависимость между осевым сжатием и внутренним давлением в процессе раздачи, и, следовательно, получать максимальную степень раздачи заготовки без утонения стенки. Жесткая связь торцов заготовки с подвижными полуматрицами требует точной увязки между длиной заготовки и внутренним профилем полуматриц. Наличие разъемного корпуса и направляющих втулок увеличивает металлоемкость конструкции и усложняет сборку устройства. Необходимость герметизации заготовки и полуматриц требует использование большого количества уплотнительных элементов. Известно также устройство для гидравлической раздачи труб с осевым подпором, содержащее источник давления, разъемную матрицу и шток с поршнем, ограничивающим с одной стороны полость матрицы [111]. Это устройство не позволяет получить максимальную степень раздачи без утонения стенки трубы, так как осевое сжатие не связано с внутренним давлением. В [112] применение подвижного штока позволяет создавать осевое сжатие, пропорциональное внутреннему давлению жидкости и квадрату диаметра штока. При этом осевое сжатие не зависит от формы полуматриц и степени прилегания заготовки к стенкам полуматриц. Рабочая жидкость от источника давления подается в надпоршневую полость, между стенкой заготовки верхней полуматрицей и во внутреннюю полость заготовки. При этом шток, перемещаясь относительно полуматриц, действует на торец заготовки с усилием, увеличивающимся в процессе раздачи пропорционально давлению рабочей жидкости. Известен наполнитель в виде стальной дроби, применяемый для деформирования оребренных труб [113]. Недостатком этого наполнителя является то, что для предотвращения высыпания наполнителя из межреберного пространства заготовки необходимо дополнительно применять специальные устройства, значительно усложняющие конструкцию технологической оснастки. Известен также наполнитель, включающий графит и песок [114]. Недостатком этого наполнителя является то, что наличие в нем песка значительно увеличивает трение наполнителя о заготовку и приводит к задирам на поверхности заготовки и рабочих деталей штампов.
В [115] наполнитель содержит графит, алебастр и воду при следующем соотношении компонентов, вес. ч.: графит 1-2, алебастр 3-5, вода 3-4. Для получения наполнителя берут 3 вес. ч алебастра, 1 вес. ч. графита и 3 вес. ч. воды, смешивают и выдерживают в течение 5 мин.
После этого заполняют внутреннее пространство полой заготовки. Через 10-11 мин наполнитель затвердевает и заготовку подвергают деформированию. Исключение возможности попадания эластичной среды в зазор между внутренней поверхностью обрабатываемой трубы изменяющегося по длине диаметра и некруглого сечения и боковой поверхностью оправки и износа эластичной втулки по внешней кромки достигается в [116] установкой эластичной втулки и оправки предохранительного элемента, выполненного в виде пакета по меньшей мере из двух тарельчатых пружин, каждая из которых выполнена с радиальными прорезями и установлена относительно другой с угловым смещением для обеспечения перекрытия указанных прорезей. При подаче рабочего давления жидкости в гидроцилиндр шток гидроцилиндра перемещается влево и сменная оправка через тарельчатые пружины предохранительного элемента сжимает пуансон в виде эластичной втулки. При этом тарельчатые пружины распрямляются, увеличиваясь в диаметре и перекрывают зазор между трубой и сменной оправкой, что исключает затекание эластичной среды в этот зазор. Под действием давления эластичной среды трубчатая заготовка деформируется в форме матрицы. В [117] рабочее тело для передачи усилия при раздаче трубы по жесткой матрице, содержащее стальные шарики, отличается тем, что с целью повышения качества внутренней поверхности трубы, оно снабжено размещенными между шариками эластичными, например, полиуретано-выми гранулами. В сжатые разъемные жесткие матрицы устанавливают трубную заготовку, внутри которой размещают направляющую и насыпают в промежуток между трубной заготовкой и направляющей рабочее тело, состоящее из гранул произвольной формы, перемешанных со стальными шариками, после чего устанавливают нажимной орган. Посредство перемещения ползуна пресса с усилием Р перемещается нажимной орган. Это усилие передается на рабочее тело, в результате чего получается деталь, соответствующая форме матрицы. При ходе ползуна вверх, гранулы восстанавливают свою форму. Затем раздвигают матрицу, удаляют готовую деталь и направляющую, после чего высыпают рабочее тело. Стальные шарики добавляются в гранулы из эластичного материала с целью уменьшения объема сжимаемой среды. Эластичные гранулы, заполняя пространство между шариками, позволяют равномерно воздействовать на трубу, не оставляя вмятин на ее поверхности. В [118] предложен штамп для формования деталей из листовых материалов, который содержит верхнюю плиту с закрепленными на ней шаблон-пуансоном и хвостовиком, контейнер, дно которого выполнено выпуклым и плавно сопряженным с боковыми стенками. Контейнер заполнен формующим элементом, в качестве которого применены металлические шарики диаметром 0,5...3 мм, и запрессован в обойму, которая смонтирована на плите штампа. Во внутреннюю полость контейнера подают расчетное количество шариков, между фиксаторами устанавливают штампуемую заготовку, после чего, опуская наружный ползун пресса, ее
Моделирование выдавливания пластического наполнителя
Рассмотрим начальную стадию одностороннего выдавливания для случая плоской деформации. Схема процесса и размеры заготовки показаны на рис. 2.18 (размеры даны в миллиметрах). Толстой линией показана рабочая поверхность штампа, а стрелками - направление его движения. Предполагается, что материал заготовки нечувствителен к скорости деформирования, поэтому в целях упрощения схемы расчета скорость движения инструмента берется V0 = l. Жесткие стенки показаны штриховкой. Заготовка имеет прямоугольные размеры и при выдавливании появляется отросток BCDE (показан справа на рис. 2.18). В дальнейшем будем рассматривать различные стадии деформирования в зависимости величины отростка BCDE.
Рассмотрим сначала процесс с абсолютно шероховатыми стенками и инструментом, т.е. будем предполагать, что на этих поверхностях возникает касательное напряжение, совпадающее по своей величине с пределом текучести на сдвиг т5 (поэтому коэффициент трения Пуассона, согласно формуле х = fj.x5, принимается равным {л -1). В начальной стадии область разбивалась на сетку конечных элементов 21 х 20 (рис. 2.19). Предположим теперь, что в отверстие было выдавлено некоторое количество материала, причем будем рассматривать последовательно отростки длиной 1 мм, 2 мм, 3 мм, 4 мм, 5 и 6 мм. Соответствующие характерным случаям 1мм и 6мм линии тока и распределения скорости вдоль границы ABEF представлены на рис. 2.22- 2.25. Проведены также циклы расчетов для случая ц = 0,2. В табл. 2.5 даны результаты расчетов среднего давления, отнесенного к пределу текучести, для различных длин отростка. Видно, что эта величина увеличивается с ростом длины отростка, что и показано на рис. 2.28. На рис. 2.29 даны результаты расчетов среднего давления, отнесенного к пределу текучести, для различных длин отростка и различных коэффициентов трен Рис. 2.29.
Зависимость среднего давления, отнесенного к пределу текучести, от длины отростка / для разных коэффициентов трения Для учета влияния коэффициента трения проведем следующее исследование. Рассмотрим процесс деформирования заготовки, как показано на рис. 2.30. Рис. 2.31. Линии тока для [i = 0,01 Примем величину отростка ВС равной 10 мм. Разобьем рассматриваемую область на сетку конечных элементов 24 х 15 и примем коэффициент трения для стенок области и инструмента д = 0,01. Результаты расчетов представлены на рис. 2.31-2.32. Величина среднего давления, отнесенного к пределу текучести, равна 4,02. Примем величину отростка ВС равной 10 мм. Разобьем рассматриваемую область на сетку конечных элементов 6 х 12 и примем коэффициент трения для стенок области и инструмента д = 0,01. Результаты расчетов представлены на рис.2.34-2.35 (компонента по у дана с противоположным знаком). Величина среднего давления, отнесенного к пределу текучести, равна 4,14. Проведем расчет различных этапов процесса деформирования заготовки (рис. 2.30) для разных длин отростков / и возрастающих коэффициентов трения в отростке. Примем, что коэффициент трения заготовки о стенки матрицы и инструмент равен р. = 0,1. Результаты расчетов представлены в табл. 2.6. Рис. 2.36. Зависимость удельного давления от длины отростка Проведем теперь расчет различных этапов процесса деформирования заготовки (рис. 2.33) для разных длин отростков / и возрастающих коэффициентов трения в отростке. Примем, что коэффициент трения заготовки о стенки матрицы и инструмент равен ц = 0,1. Результаты расчетов представлены в табл. 2.7.
Выбор оборудования, технологической оснастки и нагрев заготовки
Использование нагрева заготовки в процессе изготовления разветвленного патрубка, дает возможность не только повысить пластичность материала, а, следовательно, получить и большую степень деформирования, а также регулировать толщину стенки вдоль очага деформации за счет создания переменного температурного поля. Для осуществления местного нагрева был выбран индукционный нагрев токами высокой частоты, как наиболее скоростной и обеспечивающий оптимальный перепад температур. При индукционном способе нагрев металла происходит в результате воздействия вихревых токов, наводящихся в материале переменным электромагнитным полем индуктора. Интенсивность индукционного нагрева металлов определяется чистотой и напряженностью электромагнитного поля. Для ориентировочного определения величины необходимой мощности питающего генератора можно пользоваться формулой. где: Рген - мощность кВт, / - время нагрева, с; Q - количество электроэнергии, квт-ч, необходимое для нагрева G кг металла до заданной температуры. Для сквозного прогрева пуансонов и труб до температуры 450...970 С удельный расход электроэнергии составляет A Q = 0,5 кВт-ч/кг, поэтому значение Q определяется из равенства Следует отметить, что точное вычисление необходимой мощности питающего генератора можно провести только по тепловому расчету с учетом нагрева оснастки. Эффективность индукционного нагрева зависит от правильности выбора частоты тока. Толщина слоя, в котором выделяется основная масса тепловой энергии, создаваемой индуктированными в металле вихревыми токами (глубина проникновения тока), обратно пропорциональна корню квадратному из частоты.
Повышение частоты тока, хотя и позволяет сконцентрировать электромагнитную энергию в малом объеме, приводит к необходимости удлинять цикл нагрева вследствие уменьшения глубины проникновения тока. Удлинение же цикла нагрева приводит к расширению зоны нагрева за счет теплопроводности материала оснастки. Понижение частоты тока по сравнению с ее оптимальным значением влечет за собой увеличение удельной мощности, подводимой к нагреваемой трубе. При экспериментальных исследованиях был выбран ламповый генератор типа ВЧИ 4-10 с номинальной мощностью 10 кВт и частотой 440 кГц. Значительное превышение частоты генератора по сравнению с оптимальной было выбрано с целью получения более концентрированной зоны нагрева при высоких частотах. Индукционный нагрев основан на передаче электромагнитной энергии на расстояние без проводов. Коэффициент полезного действия этой передачи, а также концентрация энергии только в участках, подлежащих нагреву, в значительной степени зависит от формы индуктора (нагревателя) и его взаиморасположения с нагреваемой трубой. Наиболее важными элементами при отработке процесса формовки трубы с местным индукционным нагревом являются нагревательные индукто ры. В процессе работы было изготовлено и испытано более десятка различных индукторов. Типы индукторов были одновитковыми и многовитковыми, изготавливались из меди марки М-1 и М-2. Типовые индукторы представлены на рис. 3.2. Как отмечалось выше, одним из основных факторов, определяющих качество деформированных труб и возможности процесса, является нагрев. Поэтому теоретические и экспериментальные исследования тех или иных факторов процесса проводились в зависимости от величины нагрева. Замер температуры заготовки производился термопарами контактного типа хромель-алюминий, которые имеют предел измеряемой температуры до 1100 С. Для исследования степени неравномерного нагрева в стенку контрольного образца трубы с шагом 25 мм от торца были впаяны припоем термопары с диаметром проволоки 0,5 мм, каждая из которых была присоединена к самопишущему потенциометру ЭПД-120. Затем образец трубчатой заготовки устанавливался в матрицу и на выбранном режиме нагрева (без формовки) показания термопары записывались саморегистрирующим прибором.
В качестве записывающего прибора применялся электронный автоматический потенциометр марки ЭПП-09м. В случае неравномерного нагрева заготовки замер температуры производился одновременно несколькими приборами. На рис. 3.3 представлены результаты исследования распределения температуры по длине заготовки при формовке фланца. Из характера приведенной кривой видно, что наиболее низкая температура наблюдалась в точке 1, расположенной на торце заготовки. Затем на участке 25 мм от торца температура начинает постепенно возрастать и к месту формообразования фланца принимает необходимую температуру (450 С). Характер распределения температуры на обеих сторонах заготовки одинаков. Неравномерное распределение температуры по сечению благоприятно сказываются на процессе пластического деформирования, удается значительно расширить предельные возможности процесса, которые ограничиваются или потерей устойчивости стенки заготовки от сжимающих напряжений, или чрезмерным утонением стенки от недостаточной подачи металла в зону деформирования. Одним из важных факторов при проектировании конструкции штампа для деформирования трубчатых заготовок, является усилие смыкания частей матриц (полуматриц). Усилие смыкания полуматриц в процессе штамповки деталей не является технологическим процессом. Оно выбирается таким образом, чтобы обеспечить отсутствие каких-либо зазоров, которые могут образоваться из-за раскрытия полуматриц под действием значительных нормальных контактных напряжений. Появление такого рода зазоров вызывает образование заусенцев, что существенно снижает технологические возможности процесса, вызывает необходимость дополнительной механической обработки. Кроме того, нарушается геометрия штампуемого изделия. В общем виде усилие смыкания полуматриц Fc может быть представлено как где aKj - нормальные контактные напряжения, возникающие между матрицей и / -м участком поверхности заготовки; Si площадь проекции z -ro участка поверхности заготовки на плоскость разъема матрицы [ ]. Как видно из выражения (3.4) усилие Fc зависит от нормальных контактных напряжений, которые переменены и различны на отдельных участках заготовки. Опытным путем установлено, что в подавляющем большинстве схем наибольшие контактные напряжения имеют место на цилиндрических участках / заготовки, примыкающих к ее торцам.
Значение тк может быть уменьшено за счет снижения давления р внутри заготовки или уменьшения усилия осевого сжатия Fa. Однако подобное снижение значений технологических энергосиловых параметров приведет к браку при штамповке. Поэтому главным способом снижения усилия Fc следует считать рациональный выбор плоскости разъема матрицы. Обычно формообразование патрубков проводят в матрицах, имеющих один из трех представленных на рис. 3.4 вариантов прохождения плоскости разъема. Наибольшие усилие Fc необходимо создавать в случае использования матриц с первым вариантом разъема, так как в этом случае площадь проекции штампуемой детали на плоскость разъема будет наибольшей. Поэтому от такого исполнения полуматриц следует при возможности отказаться. Однако в отдельных случаях, например при штамповке деталей с двумя наклонными отводами, рассматриваемый вариант является единственно возможным. Несколько меньшее усилие смыкания Fc необходимо в случае применения матриц, имеющих второй вариант разъема. На плоскость разъема здесь проецируется лишь трубчатая часть заготовки. Этот вариант наиболее при емлем для штамповки деталей типа тройников и крестовин. Такая конструкция матрицы позволяет также упростить организацию подпора и выталкивания отштампованного изделия. Наименьшее усилие смыкания Fc необходимо для матриц с третьим вариантом плоскости разъема. Однако расположение разъема в зоне наибольших тангенциальных и осевых деформаций весьма нежелательно. Незначительные взаимные отклонения геометрических размеров полуматриц или износ их стыкующихся поверхностей неизбежно приводят к потере устойчивости стенкой заготовки, к появлению складок, гофр и задиров. Некоторого снижения усилия Fc при выбранном варианте исполнения матриц можно добиться за счет использования высокоэффективных смазок. Их применение облегчает условия течения материала, приводит к уменьшению утолщения стенок. Это, в свою очередь, позволяет несколько снизить значения/? и Fa, что вызовет и уменьшение 7К . В процессе штамповки усилие Fc, действующие на матрицу со стороны заготовки и стремящееся раскрыть полуматрицы, переменно. Несмотря на укорочение заготовки, оно может возрастать за счет увеличения нормальных контактных напряжений к концу штамповки.
Обычно усилие смыкания матриц развивают с помощью гидравлического силового цилиндра, поэтому целесообразно задавать усилие Fc постоянным и на 5-Ю % превышающим наибольшее значение усилия раскрытия матриц. Для проведения экспериментов по деформированию трубчатых заготовок эластично-сыпучей средой был выбран пресс ПШП 50/200, обладающий необходимыми энергосиловыми характеристиками (рис. 3.5). На этом прессе устанавливается технологическая оснастка в комплект которой входят матрица 1, контейнер 2, дно контейнера 3, плита пресса 4, пуансоны осевого сжатия 5,6, подкладные плиты 7,8 подсоединенные к гидравлическим силовым цилиндрам (рис. 3.6). Габариты матриц и толщины подкладных плит зависят от диаметра заготовок (табл. 3.2). Форма матрицы должна проектироваться с учетом геометрических параметров патрубков согласно чертежу (рис. 3.7). Максимальный диаметр отвода dn не должен быть больше диаметра исходной заготовки DH, минимальный диаметр отвода dn составляет 0,7Z)H. Высота отвода Н, радиус перехода R и толщина стенки патрубка S выбираются в зависимости от диаметра Z)H согласно табл. 3.3. Величина цилиндрического участка h на отводе должна быть не менее 5 мм.
Перспективные процессы деформирования трубчатых заготовок с применением электротермического воздействия
Положительные эффекты, полученные от применения ЭТВ в процессах деформирования листовых заготовок позволяют предположить, что целесообразно применение ЭТВ и в процессах деформирования трубчатых заготовок, например, в операции раздачи с применением эластосыпучего наполнителя. Известно, что пластичность материала, определенная по результатам растяжения стандартных образцов, не всегда соответствует уровню пластичности, проявляемому материалом в реальных процессах, когда реализуются более мягкие или более жесткие схемы напряженного состояния, отличные от одноосного растяжения. Ресурс пластичности материала, поэтому целесообразно оценивать по результатам такого вида испытания, при котором реализуется схема напряженного состояния, наиболее часто встречающаяся в реальных процессах деформирования. Для реализации экспериментальных исследований по деформированию трубчатых заготовок из титановых сплавов с применением ЭТВ было спроектировано и изготовлено оригинальное устройство для испытаний заготовок при различных температурах (рис. 4.1). Матрица выполнена из неэлектропроводного материала, рабочее тело из термостойкого эластосыпучего неэлектропроводного материала, устройство снабжено трансформатором для нагрева заготовки. Это позволяет производить испытания заготовки при различных температурах. В теле матрицы выполнены сквозные пазы, в одном из которых установлена видеокамера, в другом шток датчика измерения величины деформации трубчатой заготовки во время испытания ее на прочность. Устройство для испытания трубных заготовок содержит разъёмную полую матрицу 1, основание 2, в матрицу помещена трубная заготовка 3, с рабочей средой 4.
В пазах 11 расположен датчик определения величины деформации 6 и цифровая видеокамера 7, соединенные с компьютером 8. Ток к заготовке подводят посредством трансформатора 9. Давление Р на рабочую среду осуществляют при помощи пуансона 10. Устройство работает следующим образом. В разъёмную полую матрицу 1 установленную на основании 2, помещают испытуемую трубную заготовку 3, в которую устанавливают эластичный сыпучий стержень5, а затем засыпают диэлектрическую рабочую среду 4 (например окись алюминия). Трансформатором 9 трубную заготовку нагревают до заданной температуры, и воздействием нажимного пуансона 10 на рабочую среду деформируют трубную заготовку с заданной скоростью до её разрушения. Процесс деформации заготовки отслеживают с помощью расположенных в пазах 11 матрицы 1 датчика 6 и видеокамеры 7. Датчик 6 и видеокамера 7 позволяют фиксировать изменения в поверхностном слое заготовки в каждый момент времени, при деформации заготовки до её полного разрушения. Полученная с датчиков информация о деформации и разрушении сохраняется и затем обрабатывается на компьютере 8. Трубчатые заготовки из титановых сплавов ОТ4-1 и ПТ7М обрабатывались ЭТВ, после чего подвергались деформированию до разрушения - появления разрыва на стенки трубы. Определялись значения предельного значения средней части трубы. По результатам замеров был сделан вывод об увеличении диаметра для заготовок, обработанных ЭТВ, по сравнению с раздачей в холодном состоянии в среднем на 15-25%. Результаты таких экспериментов вполне могут стать темой большого самостоятельного исследования, которое планируется проводиться на Комсомольском-на-Амуре авиационном производственном объединении. Распространенной операцией в самолетостроении является гибка труб с внутренним давлением наполнителя. Наполнитель трубчатой заготовки при ее изгибе из-за необходимости перераспределения объемов заготовки в сжатых и растянутых зонах, а также из-за создания давления на стенки внутренней поверхности трубы должен иметь: - хорошие реологические свойства (быстротекучесть); - высокую пластичность и вязкость; - высокую способность передачи давления равномерно по всей зоне металла; - легкость ввода в заготовку и удаления из готовой детали.
По результатам исследования предложено рабочее тело в виде термопластичного гранулированного полиуретана марки ВИТУР-Т-8.433-85 по ТУ-6-05-221-889-86, перемешенным со смазкой находящихся в эластичной оболочке (рис. 4.2). Давление наполнителя, образовавшееся в результате сжатия его между пуансоном и гибкой подпорной оправкой, препятствует образованию дефектов при гибки трубных заготовок - гофрообразования и овальности сечения. По результатам работы можно сделать следующие выводы: 1.
Произведен анализ литературных источников по существующим моделям, методам расчета и способам деформирования трубчатых заготовок, который показал необходимость разработки и исследования новых эффективных способов изготовления деталей из трубчатых заготовок, одним из которых является применение термостойких эластично-сыпучих материалов в качестве рабочих наполнителей и элементов штамповой оснастки для повышения степени формоизменения и применения термической интенсификации. 2. В результате анализа поведения сыпучих материалов при на-гружении разработана модель расчета давления сыпучего наполнителя на трубчатую заготовку с учетом влияния дилатансии, трения, упрочнения и разномодульности, а также зависимости коэффициента бокового распора от давления. 3. На основе метода верхней оценки разработана и применена конечно-элементная модель расчета значений силовых и кинематических характеристик пластического течения наполнителя и формуемых участков трубчатой заготовки с учетом возможных разрывов скоростей. Определены зоны распределения скоростей в заготовке и изменение усилий при раздаче и формовке тройников. 4. Проанализированы возможности программных комплексов Auto Form и MSC.Marc при моделировании упругопластического деформирования в технологических процессах изготовления тройников и раздачи труб жидкими, эластичными и сыпучими средами. Рассчитана эволюция напряженного состояния заготовок утонения и утолщения стенок деталей, остаточные напряжения. Определены опасные по разрыву и гофрообразованию участки заготовки и меры по их устранению.
