Введение к работе
Актуальность работы. Дальнейшее повышение эффективности машиностроения связано с уменьшением энергетических и материальных затрат на всех переделах изготовления деталей. Существующая в настоящее время технология штамповки в открытых штампах при наличии заусенца (облоя) является ресурсозатратной, так как до 25% металла теряется при удалении заусенца (облоя).
Перспективным направлением, обеспечивающим получение металлопродукции высокого качества при сокращении энергоемкости и материалоемкости производства, является штамповка в закрытых штампах, при которой заусенец (облой) отсутствует. При этом объем заготовки должен быть равен объему штампованной поковки, что вызывает значительные трудности при внедрении безоблойной штамповки. В связи с наличием допусков на сортовой прокат и допусков при резке прокатных штанг на ножницах получение цилиндрической заготовки, имеющий постоянный объем, затруднено. Поэтому заслуживает внимания исследование процесса штамповки в закрытых штампах поковок круглых в плане из шаровой заготовки.
Использование компьютерного моделирования на базе метода конечных элементов, при проектировании новых технологических процессов штамповки позволит значительно ускорить и удешевить разработку.
Таким образом, разработка ресурсосберегающих технологий безоблойной штамповки поковок круглых в плане на основе компьютерного и физического моделирования формоизменения металла является актуальной задачей.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Сибирь», раздел 15.06, пункт 15.06.01 «Разработка новых технологических процессов изготовления изделий методами обработки давлением»;
Цель работы. Разработка ресурсосберегающих технологий штамповки круглых в плане поковок из шаровой заготовки на основе компьютерного моделирования и экспериментальных исследований технологических параметров штамповки.
Задачи исследования.
1. Провести компьютерное моделирование формоизменения, деформированного состояния, неравномерности деформаций и силовых параметров процесса безоблойной штамповки поковок круглых в плане из цилиндрической и шаровой заготовок. Обосновать выбор оптимальной формы заготовки.
2. Разработать методику и провести экспериментальные исследования неравномерности деформаций, деформированного состояния и силовых параметров процесса безоблойной штамповки металла в закрытых штампах из шаровой заготовки.
3. Сравнить результаты компьютерного моделирования с экспериментальными данными формоизменения металла, неравномерности деформированного состояния и силовых параметров штамповки металла в закрытых штампах из шаровой заготовки.
4 Разработать методику проектирования процесса штамповки поковок круглых в плане в закрытых штампах на основе теоретических и экспериментальных исследований. Разработать технологию безоблойной штамповки поковки типа «шестерня» из шаровой заготовки.
Методы исследований. В работе был применен метод компьютерного моделирования процесса формоизменения металла, неравномерности деформаций и силовых условий штамповки. Моделирование проводили для группы поковок, штампуемых в торец (круглые в плане), с использованием программного продукта Deform 3D.
Изготовлена оснастка и проведена поэтапная штамповка исследуемых поковок с использованием методики определения напряжений и деформаций в пластической области по распределению твердости. Выполнены замеры усилия штамповки с использованием универсальной испытательной машины ИК 6830-500-3 с выводом результатов на дисплей компьютера. Промышленные исследования были проведены на ОАО «Новокузнецкий вагоностроительный завод».
Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается большим объемом экспериментального материала, полученного в лабораторных и промышленных условиях с применением современных методик, корректным использованием современных математических методов; согласованным сравнительным анализом аналитических и экспериментальных результатов и зависимостей; адекватностью разработанных математических и компьютерных моделей; применением современных методов статистической обработки результатов; сопоставлением полученных результатов с данными других исследователей; эффективностью предложенных технических и технологических решений, подтвержденных результатами промышленных испытаний и внедрением в производство.
Научная новизна.
1. Разработана методика компьютерного моделирования процесса штамповки поковок круглых в плане из шаровой заготовки, позволяющая изучить формоизменение металла при заполнении штампа, выявить наличие или отсутствие дефектов, скорректировать размеры штампа, определить усилие штамповки.
2. Получены новые результаты на основе компьютерного моделирования по формоизменению металла, неравномерности деформированного состояния и силовых параметров штамповки в закрытых штампах поковок круглых в плане из шаровых и цилиндрических заготовок. Установлено, что при штамповке из шаровой заготовки формоизменение металла происходит плавно, меньше неравномерность деформации и ниже усилия штамповки.
3. Получены новые результаты, подтвержденные данными компьютерного моделирования, по экспериментальному исследованию деформированного состояния в пластической области по распределению твердости, получены закономерности по распределению интенсивности деформаций и неравномерности деформаций при штамповке поковок круглых в плане в закрытых штампах из шаровой заготовки. Экспериментальное исследование силовых параметров установило уменьшение величины усилия штамповки при использовании шаровой заготовки.
4. Разработан алгоритм проектирования технологических процессов штамповки в закрытых штампах поковок круглых в плане из шаровой заготовки на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая значимость.
1. Представлены результаты исследования неравномерности деформации и силовых параметров штамповки в закрытых штампах и предложено использование шаровой заготовки, обеспечивающей повышения качества поковки и использование штамповочного оборудования с более низкой мощностью.
2. Разработан алгоритм расчета технологического процесса, позволяющий уменьшить количество окалины при штамповке поковок круглых из шаровой заготовки.
3. Разработан новый технологический процесс и спроектирована новая штамповая оснастка для процесса штамповки поковки типа «шестерня» в закрытом штампе, внедрение которых позволило: сократить расход металла, необходимого для производства поковки; не задействовать в производстве единицу штамповочного оборудования; уменьшить количество штамповой оснастки; улучшить качество поковки.
Личный вклад автора состоит в научной постановке задач исследования, анализе литературных данных, в выполнении экспериментальных и промышленных исследований формоизменения металла в штампах, в статистической обработке и анализе полученных результатов, внедрения новых технологий в производство.
Реализация результатов.
Результаты исследований позволили разработать технологический процесс штамповки в закрытом штампе и проектировать штамповую оснастку в ОАО «Новокузнецкий вагоностроительный завод». Внедрение результатов работы в производство и учебный процесс подтверждены соответствующими актами о внедрении.
Научные результаты исследования внедрены в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» для подготовки студентов по специальности 15.01.06 – Обработка металлов давлением.
Положения, выносимые на защиту.
- методика и результаты компьютерного моделирования поковок круглых в плане в закрытых штампах;
- результаты экспериментальных исследований влияния различных факторов на неравномерность деформаций и силовых параметров при штамповке в закрытых штампах;
- результаты проверки адекватности компьютерного моделирования деформированного состояния и усилий штамповки экспериментальным данным;
- методика проектирования технологического процесса штамповки поковок круглых в плане из шаровой заготовки;
- разработка и результаты внедрения нового технологического процесса штамповки поковки типа «шестерня».
Соответствие диссертации паспорту специальности.
Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.16.05 – Обработка металлов давлением: п. 2 «Исследование процессов пластической деформации металлов, сплавов и композитов с помощью физического и математического моделирования», п. 4 «Оптимизация процессов и технологий обработки давлением для производства металлопродукции с заданными характеристиками качества», п. 6 «Разработка способов, процессов и технологий для производства металлопродукции, обеспечивающих экологическую безопасность, экономию материальных и энергетических ресурсов, повышающих качество и расширяющих сортамент изделий».
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на конференциях:
- Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения». – Новокузнецк. - 2008г., 2009г.
- Всероссийская научно-практическая конференция «Металлургия: новые технологии, управление, инновации и качество».- Новокузнецк. - 2008г.
- Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России».- Москва. - 2009г.
- Конференция молодых специалистов ОАО «ЕВРАЗ». Секция обработки металлов давлением.- Новокузнецк.- 2008г.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 13 печатных работах, в том числе 4 работы в рецензируемых научных журналах и изданиях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 133 наименований и одного приложения. Диссертация изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 76 рисунков и 22 таблицы.
