Удосконалення процесів холодного торцевого розкочування та ротаційної витяжки на основі математичного моделювання механіки формоутворення

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Краєвський Володимир Олександрович

УДК 621.77

Удосконалення процесів холодного торцевого розкочування та ротаційної витяжки на основі математичного моделювання механіки формоутворення

Спеціальність: 05.03.05 - Процеси та машини обробки тиском

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вінниця - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі прикладної математики Вінницького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

Доктор технічних наук, професор

Михалевич Володимир Маркусович,

Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри прикладної математики

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Тришевський Олег Ігорович,

Харківський національний технічний університет сільського господарства, професор кафедри технології матеріалів

кандидат технічних наук, доцент

Нахайчук Олег Вікторович,

Вінницький державний аграрний університет, доцент кафедри сільськогосподарських машин

Провідна установа:

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, кафедра механіки пластичності матеріалів та ресурсозберігаючих технологій, Міністерство освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться " 3 " лютого 2005 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 05.052.03 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий " 24 " грудня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Дерібо О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

торцеве розкочування ротаційна витяжка

Актуальність роботи. Важливою проблемою на сучасному етапі формування вітчизняної економіки є виробництво конкурентноспроможної продукції. Забезпечити високу якість і низьку вартість продукції можна створенням і впровадженням у промисловість маловідходних, енергозберігаючих технологій. Досягти цього в області обробки металів тиском можна впровадженням технологічних процесів із локальним прикладенням деформуючого зусилля.

Саме до таких процесів відносяться холодне торцеве розкочування та ротаційна витяжка. До переваг цих процесів слід віднести екологічну чистоту, безшумність, низьку вартість та універсальність обладнання, високу якість готових виробів, можливість отримання деталей, штампування яких звичайними методами ускладнене чи неможливе. Це дозволяє віднести холодне торцеве розкочування та ротаційну витяжку до найперспективніших напрямків в обробці металів тиском.

Широкому застосуванню холодного торцевого розкочування та ротаційної витяжки у промисловості заважає недостатньо розвинутий розрахунковий апарат механіки формоутворення (кінематики течії металу, накопичення пошкоджень та напружено-деформованого стану заготовок), який дозволить на стадії проектування визначати параметри технологічного процесу для забезпечення необхідних умов деформування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано у відповідності до плану кафедри прикладної математики Вінницького національного технічного університету у рамках держбюджетної теми 12-Д-241 - „Побудова тензорних моделей накопичення пошкоджень із ергодинамічними ядрами”.

Мета і задачі дослідження.

Мета дисертаційної роботи - удосконалення розрахункового апарату механіки формоутворення, який дозволить забезпечувати бажану якість деталей, а також визначати енергосилові характеристики, основні закономірності й особливості процесів холодного торцевого розкочування та ротаційної витяжки.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані такі задачі роботи:

- дослідити механіку формоутворення виробів в процесах холодного торцевого розкочування та ротаційної витяжки для виявлення її основних особливостей;

- розробити тензорні моделі накопичення пошкоджень у матеріалах, які враховують неспіввісність тензорів приростів пошкоджень та деформацій при немонотонному деформуванні;

- розробити метод визначення параметрів тензорних моделей накопичення пошкоджень;

- встановити залежність напряму та інтенсивності течії металу під час холодного торцевого розкочування циліндричним та конічним валками від основних технологічних параметрів процесу;

- отримати аналітичні залежності для визначення площі контакту конічного валка із заготовкою під час холодного торцевого розкочування за закритою схемою на етапі калібрування;

- розробити математичну модель процесу згинання смуги змінної товщини та ширини із врахуванням радіусів заокруглень матриці та пуансона;

- розробити інструмент для ротаційної витяжки, який дозволяє отримувати внутрішні та зовнішні бурти за один перехід;

- розробити рекомендації щодо вибору технологічних параметрів процесу переформування тонких квадратних заготовок у круглі методом холодного торцевого розкочування, який дозволить отримувати суцільні заготовки;

- на основі теоретичних та експериментальних досліджень удосконалити методики визначення енергосилових параметрів обладнання для ротаційної витяжки та холодного торцевого розкочування;

- визначити можливості комбінованого процесу, що включає в себе переформування квадратних заготовок у круглі методом холодного торцевого розкочування із подальшим утворенням зовнішніх буртів ротаційною витяжкою.

Об'єктом дослідження є технологічні процеси холодного торцевого розкочування та ротаційної витяжки.

Предмет дослідження - механіка формоутворення виробів в процесах холодного торцевого розкочування та ротаційної витяжки, як основа прогнозування параметрів якості та енергосилових характеристик.

Методи дослідження. Методологічною основою дослідження є положення математичної теорії пластичності і феноменологічної теорії деформівності металів без руйнування. Для досягнення мети були використані такі методи дослідження: теоретичні (застосування елементів апарату тензорного аналізу, аналітичної геометрії, математичного аналізу при створенні та розв'язанні математичних моделей), експериментальні (побудова кривих діаграм пластичності; визначення напружено-деформованого стану методом ділильних сіток та методом твердості; визначення поперечної складової зусилля деформування при ротаційній витяжці; натурні експерименти в умовах виробництва), експериментально-розрахункові (апарат математичної статистики для обробки експериментальних даних і пошуку кривих апроксимацій).

Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна отриманих результатів, які виносяться на захист:

1. Розроблено тензорну модель накопичення пошкоджень у матеріалах із врахуванням „пам'яті напрямів”, яка відрізняється від наявної тензорно-лінійної моделі тим, що між етапами деформування вводиться буферна зона, під час якої відбувається поворот головних напрямів тензора накопичення пошкоджень до головних напрямів тензора приростів деформацій, що дозволило підвищити якісну і кількісну відповідність тензорних моделей експериментальним даним.

2. Розроблено метод визначення параметрів тензорних моделей накопичення пошкоджень, який відрізняється від відомих тим, що параметри визначаються на основі кривих повзучості. Це дозволяє уникнути проведення експериментальних досліджень при нестаціонарному деформуванні.

3. Вперше одержано математичні моделі формоутворення при холодному торцевому розкочуванні циліндричним та конічним валками, які дозволяють цілеспрямовано керувати технологічними параметрами процесу для забезпечення необхідних умов деформування.

4. Отримано аналітичні вирази для визначення площі контакту конічного валка із заготовкою під час процесу холодного торцевого розкочування, які враховують утворення пластичної хвилі і дозволяють розраховувати площу контакту на етапі калібрування у закритій матриці.

5. Розроблено математичну модель процесу згинання смуги змінної ширини та товщини, яка враховує радіуси заокруглень матриці та пуансона і дозволяє визначати рівняння вигнутої осі смуги та точки дотику до матриці та пуансона в процесі згинання.

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність отриманих результатів така:

1. Розроблено алгоритм розв'язання задачі згинання смуги; на основі алгоритму складено програми у середовищі Maple, які дозволяють знаходити рівняння вигнутої осі смуги під час згинання та визначати необхідне зусилля деформування.

2. Розроблено інструмент для формування внутрішніх та зовнішніх буртів, який дозволяє за один прохід виконувати операції відбуртовки та калібрування. На його базі розроблено розкочувальний пристрій на лоботокарний верстат ЛТ2 для виготовлення тарілок, комірців, ковпаків ректифікаційних і бражних колон на ВАТ “Вінницький дослідний завод”, що підтверджено відповідним актом впровадження.

3. На основі математичної моделі згинання смуги запропоновано методику визначення енергосилових параметрів обладнання для розробленого процесу ротаційної витяжки із врахуванням радіусів заокруглення оправки та розкочувального валка та врахуванням зміни відстані між оправкою та валком внаслідок дії на розкочувальну головку пружин.

4. На основі критеріїв руйнування та гофроутворення розроблено методику визначення граничних геометричних параметрів виробів, що виготовляються ротаційною витяжкою.

5. Розроблено рекомендації щодо вибору технологічних параметрів процесу переформування тонких квадратних заготовок у круглі методом холодного торцевого розкочування, який дозволяє отримувати суцільні заготовки.

6. На основі моделей формоутворення при холодному торцевому розкочуванні циліндричним та конічним валками розроблено комбінований технологічний процес виготовлення фланців із квадратних заготовок, який включає в себе процес переформування квадратних заготовок та пряме видавлювання конічним валком із кутом конуса ?=10⁰ і процес осаджування та оберненого видавлювання циліндричним валком.

7. Удосконалено методику визначення зусилля деформування при переформуванні квадратних заготовок у круглі методом холодного торцевого розкочування на етапі калібрування у закритій матриці на основі аналітичних виразів для визначення площі плями контакту валка із заготовкою із врахуванням утворення пластичної хвилі.

8. Визначено граничні можливості комбінованого технологічного процесу, який включає у себе переформування квадратних заготовок у круглі методом холодного торцевого розкочування конічним валком у жорсткій матриці із кутом конуса інструмента із наступним формуванням зовнішніх буртів ротаційною витяжкою.

9. Створено пакет прикладних програм у середовищах MathCad та Maple для моделювання процесів холодного торцевого розкочування та ротаційної витяжки, які можуть використовуватись для інженерних розрахунків технологічних можливостей цих процесів та енергосилових параметрів обладнання.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. В публікаціях, які написані у співавторстві, здобувачеві належить: розробка тензорно-лінійної моделі накопичення пошкоджень із врахуванням „пам'яті напрямів” [3]; розробка та експериментальна перевірка методу визначення параметрів моделей накопичення пошкоджень [1, 2]; розробка моделі формоутворення при холодному торцевому розкочуванні циліндричним валком [9]; розробка моделі формоутворення при холодному торцевому розкочуванні конічним валком [8]; розробка технологічного процесу переформування квадратних плоских заготовок у круглі методом холодного торцевого розкочування[4]; експериментальні дослідження напружено-деформованого стану заготовки під час переформування квадратних плоских заготовок у круглі [4]; удосконалення технологічного процесу ротаційної витяжки оболонкових циліндричних та конічних деталей [6, 7]; розвиток методів прогнозування якості оболонкових циліндричних та конічних виробів у вигляді оцінювання: мінімального радіусу заокруглення оправки, максимальної ширини фланця [10].

Апробація роботи. Основні наукові і практичні результати роботи доповідались і обговорювались на: щорічних університетських науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, співробітників і студентів за участю інженерно технічних робітників підприємств м. Вінниці та області (2001-2004 рр.); міжрегіональній науково-практичній конференції „Математична та педагогічна спадщина видатного українського математика М.В. Остроградського”, м. Вінниця, ВНТУ, 13-14 березня 2001 р.; міжнародній науково-технічній конференції “Застосування теорії пластичності в сучасних технологіях обробки тиском”, м. Вінниця, ВНТУ, 2001 р.; міжнародній науково-технічній конференції „Нові досягнення та перспективи розвитку процесів та машин обробки тиском”, м. Краматорськ, ДДМА, 22-25 квітня 2003 р.; на засіданнях наукових семінарів кафедр технології підвищення зносостійкості та прикладної математики Вінницького національного технічного університету (2001-2004 рр.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 11 друкованих праць. З них 8 статей у журналах, що входять до переліку ВАК, 1 стаття в збірнику матеріалів міжнародної науково-технічної конференції, 1 праця у збірнику тез міжнародної науково-технічної конференції, 1 патент України на винахід.

Обсяг та структура дисертації. Дисертаційна робота містить вступ, чотири розділи, основні висновки, список використаних джерел, 13 додатків. Загальний об'єм дисертації викладено на 242 сторінках друкованого тексту, з яких основний зміст складає 150 сторінок друкованого тексту, 84 рисунка, 3 таблиці. Список використаних джерел складається із 154 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено об'єкт і предмет дослідження, наукову новизну і практичне значення, наведено відомості про апробацію та впровадження результатів роботи.

У першому розділі на основі аналізу методів виготовлення габаритних тонкостінних вісесиметричних деталей обґрунтовано доцільність використання для цієї мети ротаційної витяжки. Проаналізовано методики визначення енергосилових параметрів обладнання для ротаційної витяжки.

Обґрунтовано використання холодного торцевого розкочування для переформування багатогранних заготовок у круглі. Зроблено попередній аналіз впливу технологічних параметрів процесу холодного торцевого розкочування на напрям та інтенсивність течії металу заготовки під час формоутворення.

Переформування багатогранних заготовок у круглі методом холодного торцевого розкочування є підготовчою операцією, після якої утворена кругла заготовка піддається наступному формоутворенню. Тобто необхідно оцінити залишковий ресурс пластичності заготовки. На основі проведеного порівняльного аналізу скалярних та тензорних моделей накопичення пошкоджень обґрунтовано переваги тензорного підходу при описі процесів немонотонного деформування. Підкреслено, що тензорні моделі накопичення пошкоджень не в повній мірі враховують потреби практики, так як у феноменологічному підході, на базі якого розробляється більшість моделей, що використовуються для практичних розрахунків, не в повній мірі врахована фізика процесу накопичення пошкоджень.

У другому розділі для оцінки здатності переформованої заготовки до наступного формоутворення розроблено тензорну модель накопичення пошкоджень із врахуванням неспіввісності головних напрямів тензорів накопичення пошкоджень та приростів деформацій. При її побудові висунена наступна гіпотеза, яка має “прозоре” фізичне тлумачення. При зміні головних напрямів приростів тензора деформацій, головні напрями тензора накопичення пошкоджень на початку другого етапу деформування співпадають з попередніми напрямами тензора приростів деформацій. І тільки після накопичення певного ступеня пластичної деформації головні напрями тензора накопичення пошкоджень поступово змінюються до нових головних напрямів приростів тензора деформацій. Тобто, зміна головних напрямів тензора приростів деформацій не супроводжується так само раптовою зміною головних напрямів тензора накопичення пошкоджень, оскільки матеріал “пам'ятає” “уторовані доріжки”, за якими відбувалося накопичення пошкоджень і на створення нових “доріжок” потрібний певний ступінь пластичної деформації.

За базову взято тензорно-лінійну модель накопичення пошкоджень, що запропонована Г.Д. Делем

, (1)

де F(e_u,h,m_s) - позитивна функція, яка залежить від характеристик матеріалу; ?- показник напруженого стану; m_s- параметр Надаі-Лоде; b_ij - напрямний тензор приростів деформацій; e_u - накопичена деформація.

Стосовно до двохетапного деформування напрямний тензор подано у вигляді

(2)

де b_ij⁽¹²⁾ - напрямний тензор, який визначає поворот головних напрямів тензора накопичення пошкоджень; e_u⁽¹⁾, e_*- ступінь накопиченої деформації на першому етапі деформування та до руйнування відповідно; De_кр - ступінь накопиченої пластичної деформації на другому етапі, після досягнення якого головні напрями тензорів накопичення пошкоджень та приростів пластичних деформацій стають співвісними.

Напрямний тензор b_ij⁽¹²⁾, що визначає положення головних напрямів тензора накопичення пошкоджень при їх повороті від напряму, який збігається із головними напрямами тензора приростів деформацій на першому етапі деформування e_u⁽¹⁾, до напряму, який збігається із головними напрямами тензора приростів деформації на другому етапі деформування в_ij⁽²⁾, подано у вигляді лінійної комбінації напрямних тензорів на першому та другому етапах деформування

(3)

Параметр d визначається накопиченою деформацією на другому етапі деформування та критичною деформацією, при якій головні напрями тензорів накопичення пошкоджень та приростів деформацій стають співвісними. Функція d(e_u) повинна бути монотонно зростаючою на проміжку [e_u⁽¹⁾;e_u⁽¹⁾+De_кр] і задовольняти наступні умови

(4)

Крім того повинна виконуватися умова

. (5)

Проведено перевірку адекватності запропонованої тензорної моделі накопичення пошкоджень існуючим експериментальним даним двохетапного деформування. Результати перевірки у порівнянні із тензорно-лінійною моделлю без врахування неспіввісності головних напрямів тензорів накопичення пошкоджень та приростів пошкоджень приведено на рис. 1.

Як видно з рис. 1, врахування неспіввісності головних напрямів тензорів накопичення пошкоджень та приростів деформацій сприяє кращій кількісній відповідності тензорної моделі експериментальним даним. Крім того у випадку, коли косинус зламу траєкторії деформування менше за нуль, отримано значну якісну відмінність розробленої моделі на ділянці, коли матеріал майже вичерпав ресурс пластичності, тобто при . Тоді спостерігається різке зменшення залишкового ресурсу пластичності і набагато краща якісна та кількісна відповідність експериментальним даним.

а)б)

в)

Рис. 1. Двохетапне деформування за схемами:

а - знакозмінне кручення;

б - розтяг-стиск;

в - розтяг осьовий-стиск ортогональний

-- - розрахунок за тензорною моделлю із врахуванням „пам'яті напрямів”;

- - - - розрахунок за тензорно-лінійною моделлю (1);

Размещено на http://www.allbest.ru/

- експеримент ст. 45,

Размещено на http://www.allbest.ru/

- експеримент 9ХС, - експеримент Р6М5

При аналізі наявних у літературі апроксимацій кривих повзучості та експериментальних даних отримано висновок, що криві повзучості побудовані у відносних координатах e_u/e_*c_t/t_*c, інваріантні до навантаження, при якому відбувається випробовування. На основі цього запропоновано метод визначення параметрів тензорних моделей накопичення пошкоджень на основі кривих повзучості, що побудовані у відносних координатах, який має наступні переваги: параметри визначаються за умови стаціонарних навантажень, а так як у літературі накопичена значна кількість даних по стаціонарному навантаженні, то у більшості випадків експерименти для визначення параметрів моделей руйнування проводити не потрібно або їх кількість незначна; в попередніх методиках при визначенні параметрів зважали лише на граничну точку, а при даному підході враховується уся крива повзучості, тобто більш повно враховуються особливості конкретного матеріалу.

Третій розділ включає математичне описання широкого спектру закономірностей механіки формоутворення, що спостерігаються при холодному торцевому розкочуванні та ротаційній витяжці.

Визначено, що напрям течії приконтактних шарів металу заготовки під час холодного торцевого розкочування зумовлений різною направленістю векторів швидкості заготовки та інструмента у плямі контакту, внаслідок чого виникає радіальна складова сили тертя. На основі цього, із застосуванням апарату аналітичної геометрії, знайдено значення і напрямок кута між проекціями векторів швидкості інструмента та заготовки на горизонтальну площину, що, відповідно, визначає інтенсивність та напрямок течії приконтактних шарів металу заготовки під час процесу холодного торцевого розкочування.

Пляма контакту заготовки із інструментом повністю визначається геометрією валка. При холодному торцевому розкочуванні циліндричним валком радіусом R_в поверхня інструмента представлена у вигляді (рис. 2а):

(y-д)²+(z-R_в)²-R_в²=0. (6)

Тоді, із урахуванням введених позначень (див. рис. 2а), кут між проекціями векторів швидкості інструмента та заготовки на горизонтальну площину у плямі контакту визначено як

. (7)

При холодному торцевому розкочуванні конічним валком (рис. 2б) рівняння інструмента подано у вигляді

F(x,y,z)=0;

(8)

а)б)

Рис. 2. Розрахункова схема при холодному торцевому розкочуванні циліндричним (а) та конічним (б) валками.

Тоді кут між проекціями векторів швидкості інструмента та заготовки на горизонтальну площину у плямі контакту

(9)

Де

(10)

Аналіз створеної моделі (9) показав (рис. 3), що при додатному зміщенні д конічного валка матеріал тече від центру заготовки, а при від'ємному - до центру. Цей висновок повністю узгоджується із експериментальними даними. Встановлена залежність дозволяє посилювати вплив зміщення валка на напрям течії металу шляхом зміни кута конусності та подачі валка.

Запропоновано аналітичні вирази для визначення площі контакту конічного валка із заготовкою при холодному торцевому розкочуванні на етапі калібрування, які враховують утворення попереду валка пластичної хвилі. При цьому вважається, що увесь метал, який витискується валком, йде на утворення хвилі, плоский переріз якої подано у вигляді трикутника. У випадку, коли холодне торцеве розкочування здійснюється із нульовим зміщенням валка відносно осей заготовки (д=0, див. рис. 2б) запропоновано апроксимацію коефіцієнта зменшення площі контакту конічного валка із суцільною заготовкою

l=F_k/pR²

у вигляді

, (11)

де R - радіус заготовки, л - коефіцієнт тертя.

а)

б)

Рис. 3. Залежність кута ш від напряму та величини зміщення д (а) та від відстані від центру заготовки R при нульовому зміщенні д=0 (б) розрахована за формулою (9) при різних кутах конуса інструмента

Отримано математичну модель згинання широкої смуги, яка враховує радіуси заокруглень матриці та пуансона (див. рис. 4)



Рис. 4. Розрахункова схема

(12)

де m(x) - рівняння матриці; p(x) - рівняння пуансона; E - модуль пружності; b(x) - ширина заготовки; s(x) - товщина заготовки; у_т - границя текучості; M_пл(x) - згинальний момент у пружно-пластичній ділянці заготовки; M_пр(x) - згинальний момент у пружній ділянці заготовки; щ(x) - рівняння серединної поверхні частини смуги, яка знаходиться у пружно-пластичному напружено-деформованому стані; z(x) - рівняння серединної поверхні частини смуги, яка знаходиться у пружному напружено-деформованому стані; x_A та x_B - координати точок дотику смуги до матриці та пуансона відповідно; x_D - координата точки, в якій відбувається зміна напружено-деформованого стану смуги із пружно-пластичного у пружний. Згинальні моменти M_пл(x) та M_пp(x) визначено як

; (13)

, (14)

Де

. (15)

Запропоновано та реалізовано у математичному додатку Maple алгоритм розв'язання задачі, що відповідає математичній моделі згинання смуги (12). При цьому використано ідеї методу стрільби. Запропоновано математичні моделі, які описують початок та кінець процесу згинання широкої смуги матрицею та пуансоном, що мають радіуси заокруглень співрозмірні із відстанню між ними.

У четвертому розділі на основі розробленого розрахункового апарату запропоновано практичні рекомендації щодо вибору технологічних параметрів, визначення граничних геометричних розмірів заготовок, розрахунку енергосилових параметрів обладнання при процесах холодного торцевого розкочування та ротаційної витяжки.

Запропоновано інструмент для ротаційної витяжки та виготовлено на його основі розкочувальний пристрій до лоботокарного верстату (рис. 5), який дозволяє за один прохід виконувати операції відбуртовки та калібрування (рис. 6).

Рис. 5. Розкочувальна приставка

Рис. 6. Вироби, що виготовлені ротаційною витяжкою

Давильний інструмент представляє собою конічний ролик, бокова поверхня якого проектується в залежності від бокової поверхні бурта деталі. Давильний ролик 1 встановлюється в гніздо осі 2, при цьому державка 5 розміщується під необхідним кутом до осі оправки на супорті 4, який разом з державкою 5 і давильним роликом 1 підводиться до ділянки заготовки, яка відбуртовується. Підпружинення давильного ролика 1 пружними елементами 6 дозволяє запобігати перевантаженню пристрою при радіальному битті поверхні оправки, а також формувати бурти при від'ємному куті нахилу бокової поверхні оправки, що передбачається для компенсації пружинення заготовки.

На основі моделі формоутворення розроблено технологічні схеми процесу переформування квадратних заготовок у круглі методом холодного торцевого розкочування конічним валком, які дозволяють отримати суцільні круглі заготовки без стоншення у центральній частині. Для виготовлення круглих заготовок діаметром до 50 мм з матеріалів, які мають границю текучості до 200 МПа, рекомендується схема холодного торцевого розкочування конічним валком без зміщення валка відносно центру заготовки (д=0, див. рис. 2б) і з кутом конуса інструмента б=2⁰. Для виготовлення круглих заготовок, які потребують більшого зусилля деформування, рекомендується застосовувати схему холодного торцевого розкочування конічним валком із від'ємним зміщенням валка (д<0) і з кутом конуса інструмента б=10⁰. Дані технологічні процеси були виконані на розкочувальному верстаті СО424.

Базуючись на моделях формоутворення при холодному торцевому розкочуванні циліндричним та конічним валками, розроблено комбінований технологічний процес виготовлення фланців із квадратних заготовок, який включає в себе процес переформування квадратних заготовок та пряме видавлювання конічним валком із кутом конуса a=10⁰ і процес осаджування та оберненого видавлювання циліндричним валком.

На основі тензорно-лінійної моделі накопичення пошкоджень із врахуванням „пам'яті напрямів” визначено граничні можливості комбінації процесів переформування квадрата у круг в жорсткій матриці з наступним формуванням виробів ротаційною витяжкою. Найбільш небезпечною зоною для руйнування при формуванні зовнішніх буртів ротаційною витяжкою є зовнішні шари осередку згинання (зона А) та периферія заготовки, де маємо найбільший ступінь деформації при переформуванні та відбуртовці (зона В) (рис. 7).



Рис. 7. Розподіл інтенсивності деформацій і показника напруженого стану

Для оцінки залишкового ресурсу пластичності використано тензорну модель накопичення пошкоджень із врахуванням „пам'яті напрямів”. Процес формування циліндричних заготовок розбито на два етапи: перший етап - етап переформування квадратної заготовки у круглу методом холодного торцевого розкочування, другий - процес відбуртовки зовнішнього контуру штампуванням обкочуванням. Прийнято, що у межах кожного етапу напрямний тензор приростів деформації в_ij=const. Косинус зламу траєкторії деформування k₁₂ у зоні А k₁₂=1, а у зоні В k₁₂=0. За формулою (1), скориставшись діаграмою пластичності матеріалу заготовки, визначено залишкові ресурси пластичності у зонах А та В - ш_2A та ш_2B відповідно. Тоді за критерієм руйнування мінімальний радіус заокруглення оправки R_опmin та максимальна ширина фланця B_max визначаються за співвідношеннями

;

, (16)

де s, D - товщина та діаметр круглої заготовки; е_*c(з)- діаграма пластичності.

Для практичного використання результатів дослідження складено алгоритми та відповідні Maple та MathCad програми, які дозволяють прогнозувати як параметри якості виробів, так і визначати енергосилові параметри обладнання для процесів холодного торцевого розкочування та ротаційної витяжки.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове розв'язання наукової задачі удосконалення розрахункового апарату механіки формоутворення (кінематики течії металу, накопичення пошкоджень та напружено-деформованого стану виробів) при процесах холодного торцевого розкочування та ротаційної витяжки.

В результаті досліджень, здійснених за темою дисертаційної роботи, отримані такі наукові і практичні результати:

1. Розроблено тензорну модель накопичення пошкоджень із врахуванням „пам'яті напрямів”, яка відрізняється від існуючої тензорно-лінійної моделі тим, що при її побудові відкидається постулат про співвісність головних напрямів тензорів накопичення пошкоджень і приростів деформацій. Між етапами деформування вводиться буферна зона, під час якої відбувається поворот головних напрямів тензора накопичення пошкоджень від головних напрямів тензора приростів деформацій на попередньому етапі до головних напрямів тензора приростів деформацій на поточному етапі.

2. На базі розробленої тензорно-лінійної моделі накопичення пошкоджень із врахуванням „пам'яті напрямів” із використанням лінійної, квадратичної, степеневої та експоненціальної апроксимацій функцій пошкодженості знайдено критеріальні співвідношення для випадків найпростіших видів деформування: двохетапного, багатоетапного, циклічного та проведено перевірку адекватності розробленої моделі експериментальним даним двохетапного деформування. Перевірка показала кращу кількісну відповідність запропонованої моделі у порівнянні із тензорно-лінійною моделлю накопичення пошкоджень без врахування „пам'яті напрямів” (середня відстань від експериментальних точок до кривої, яка описується тензорно-лінійною моделлю (1) - 0,136, а до кривої, яка описується тензорно-лінійною моделлю із врахуванням “пам'яті напрямів” - 0.067). Також спостерігається значна якісна відмінність у випадку, коли косинус зламу траєкторії деформування менше за нуль і матеріал майже вичерпав ресурс пластичності на першому етапі деформування, тобто при , тоді відбувається різке зменшення залишкового ресурсу пластичності, що пояснює значний розкид експериментальних даних при .

3. Для уникнення проведення експериментальних досліджень при нестаціонарному деформуванні та більш повного врахування особливостей конкретного матеріалу розроблено метод визначення параметрів тензорних моделей накопичення пошкоджень на основі кривих повзучості.

4. Вперше отримано математичні моделі формоутворення при холодному торцевому розкочуванні циліндричним та конічним валками, які визначають кут між векторами швидкостей точок заготовки та інструмента у плямі контакту в залежності від технологічних параметрів процесу і дозволяють цілеспрямовано на стадії проектування варіювати цими параметрами для забезпечення необхідної інтенсивності та напряму течії приконтактного шару металу.

5. Отримано аналітичні залежності для визначення площі контакту конічного валка із заготовкою, які, на відміну від існуючих, враховують виникнення під час формоутворення пластичної хвилі перед валком. На їх основі удосконалено методику визначення енергосилових параметрів обладнання для технологічного процесу холодного торцевого розкочування конічним валком за закритою схемою деформування на етапі калібрування.

6. Розроблено математичну модель згинання смуги змінної ширини та товщини матрицею та пуансоном, які мають радіуси заокруглень, що співрозмірні із відстанню між ними, яка дозволяє визначати точки дотику смуги до матриці та пуансона, координату перерізу, при якому відбувається перехід смуги із пружно-пластичного напружено-деформованого стану у пружний, рівняння вигнутої осі ділянки смуги, що знаходиться у пружно-пластичному напружено-деформованому стані, та рівняння вигнутої осі ділянки смуги, що не має пластичних деформацій.

7. Розроблено технологічний процес формування внутрішніх та зовнішніх буртів на круглих заготовках. Розробка включає в себе: інструмент, який дозволяє за один прохід виконувати операції відбуртовки та калібрування; розкочувальний пристрій на лоботокарний верстат ЛТ2, в якому конструктивно передбачене підпружинення розкочувальної головки для регулювання максимальних навантажень та усунення ефекту пружинення заготовки після деформування; методику визначення енергосилових параметрів обладнання із врахуванням радіусів заокруглення оправки та розкочувального валка та врахуванням зміни відстані між оправкою та валком внаслідок дії на розкочувальну головку пружин; методику визначення геометричних розмірів заготовок для формування внутрішніх та зовнішніх буртів; співвідношення на базі критеріїв руйнування та гофроутворення для визначення граничних геометричних розмірів виробів.

8. Розроблено рекомендації щодо вибору технологічних параметрів процесу переформування тонких квадратних заготовок у круглі методом холодного торцевого розкочування, який дозволить отримувати суцільні заготовки. Стоншення у центральній частині усувається зменшенням кута конуса інструмента до 2⁰ чи зміщенням валка у напрямі плями контакту. Розроблено комбінований технологічний процес виготовлення фланців із квадратних заготовок.

9. На основі тензорно-лінійної моделі накопичення пошкоджень із врахуванням „пам'яті напрямів” визначено граничні можливості комбінованого технологічного процесу, який включає у себе переформування квадратних заготовок у круглі методом холодного торцевого розкочування конічним валком у жорсткій матриці із кутом конуса інструмента ?=2⁰ із наступним формуванням зовнішніх буртів ротаційною витяжкою.

10. Для практичного використання результатів дослідження складено алгоритми та відповідні Maple та MathCad програми, які дозволяють прогнозувати як параметри якості виробів, так і визначати енергосилові параметри обладнання для процесів холодного торцевого розкочування та ротаційної витяжки.

11. Результати роботи пройшли промислову апробацію. Процес формування буртів на круглих заготовках ротаційною витяжкою був впроваджений у промислове виробництво для виготовлення тарілок, комірців, ковпаків ректифікаційних і бражних колон для спиртового виробництва. Процеси переформування квадратних заготовок у круглі методом холодного торцевого розкочування також були реалізовані на існуючому обладнанні для виготовлення заготовок під подальшу пластичну обробку.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Михалевич В. М., Краєвський В. О. Ідентифікація параметрів моделей руйнування за кривими повзучості // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2001.- №3. - С. 133-137.

2. Михалевич В. М., Краєвський В. О. Ідентифікація параметрів моделей руйнування по кривим повзучості // Праці міжнародної науково-технічної конференції “Застосування теорії пластичності в сучасних технологіях обробки тиском”. - Вінниця: ВДТУ. - 2001. - С. 53_54.

3. Михалевич В. М., Матвійчук В. А., Краєвський В. О., Козлов К. Є. Тензорно-лінійна модель з врахуванням “пам'яті напрямів” при двохступеневому деформуванні // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні (Донбаська державна машинобудівна академія). - Краматорськ-Хмельницький: ДДМА. - 2002. - С. 13-15.

4. Матвійчук В. А., Михалевич В. М., Краєвський В. О. Розробка і дослідження процесів розкочування складнопрофільних заготовок з використанням операцій осадки і переформування // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні (Донбаська державна машинобудівна академія). - Краматорськ-Хмельницький: ДДМА. - 2002. - С. 117-121.

5. Mikhalevich V.M., Kraevsky V.A., Kozlov K.E. The comparative analysis of scalar and tensor models of damage accumulation on two-stage cold deformation example // Buletinul Institutului Politehnic din Iasi. - Iasi. - 2002. - Tomul XLXII(LI), fasc. 3-4. - p. 21-28.

6. Матвійчук В. А., Михалевич В. М., Краєвський В. О., Алієва Л. І. Розробка процесів штампування порожнистих виробів методами видавлювання та обкочування // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні (Донбаська державна машинобудівна академія). - Краматорськ: ДДМА. - 2003. - С. 359-363.

7. Матвійчук В. А., Михалевич В. М., Краєвський В. О. Розробка технологічних процесів штампування обкочуванням складнопрофільних виробів з буртами та фланцями // Проблеми трибології. - 2003. - №3. - С. 47_50.

8. Краєвський В. О., Матвійчук В. А., Михалевич В. М. Вплив технологічних параметрів на кінематику холодного торцевого розкочування // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні (Донбаська державна машинобудівна академія). - Краматорськ-Слов'янськ: ДДМА. - 2003. - С. 286-291.

9. Краєвський В. О. Математична модель формоутворення при холодному торцевому розкочуванні циліндричним валком // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2004. - №1. - С. 76-80.

10. Матвійчук В. А., Михалевич В. М., Краєвський В. О. Розробка маловідходних процесів формування тонкостінних циліндричних деталей // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні (Донбаська державна машинобудівна академія). - Краматорськ: ДДМА. - 2004. - С. 281-286.

11. Патент України 70888 А, МПК 7 B21D22/16. Пристрій для давильних робіт / Матвійчук В. А., Михалевич В. М., Краєвський В. О. - №20031213282. - Заявлено 31.12.2003; Опубл. 15.10.2004, Бюл. №10. - 2 с.

АНОТАЦІЇ

Краєвський Володимир Олександрович. Удосконалення процесів холодного торцевого розкочування та ротаційної витяжки на основі математичного моделювання механіки формоутворення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - Процеси та машини обробки тиском. - Вінницький національний технічний університет, Вінниця, 2004.

Дисертація присвячена розв'язанню задачі удосконалення розрахункового апарату механіки формоутворення при холодному торцевому розкочуванні та ротаційній витяжці. Для оцінки службових характеристик та здатності до наступного формоутворення деталей створено тензорно-лінійну модель накопичення пошкоджень, що враховує неспіввісність головних напрямів тензорів приростів деформацій та накопичення пошкоджень. Розроблено математичні моделі, які визначають напрям течії приконтактного шару металу під час процесу холодного торцевого розкочування конічним та циліндричним валками. Запропоновано аналітичні вирази для обчислення площі контакту конічного валка із заготовкою із врахуванням утворення попереду валка пластичної хвилі. На основі розробленої математичної моделі згинання смуги запропоновано методику визначення зусилля деформування при ротаційній витяжці. Розроблені технологічні процеси переформування квадратних заготовок у круглі методом холодного торцевого розкочування та відбуртовки внутрішнього та зовнішнього контурів ротаційною витяжкою.

Ключові слова: механіка формоутворення, холодне торцеве розкочування, ротаційна витяжка, тензорна модель накопичення пошкоджень, неспіввісність головних напрямів тензорів, течія металу, пластична хвиля, згинання смуги, переформування, відбуртовка.

Краевский Владимир Александрович. Усовершенствование процессов холодной торцовой раскатки и ротационной вытяжки на основе математического моделирования механики формообразования. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением. - Винницкий национальный технический университет, Винница, 2004.

Диссертация посвящена решению задачи усовершенствования расчетного аппарата механики формообразования при холодной торцовой раскатке и ротационной вытяжке.

Во вступлении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и задачи исследования, определены объект и предмет исследования, научная новизна и практическое значение, приведены сведения об апробации и внедрении результатов работы.

В первом разделе на основе анализа методов изготовления габаритных тонкостенных осесимметрических деталей обоснована целесообразность использования для этой цели ротационной вытяжки. Проанализированы методики определения энергосиловых параметров оборудования для ротационной вытяжки. Обосновано использование холодной торцовой раскатки для переформирования многогранных заготовок в круглые. Сделан предварительный анализ влияния технологических параметров процесса холодной торцовой раскатки на направление и интенсивность течения металла заготовки во время формообразования. На основе проведенного сравнительного анализа скалярных и тензорных моделей накопления повреждений обоснованы преимущества тензорного подхода при описании процессов немонотонного деформирования.

Во втором разделе разработана тензорная модель накопления повреждений с учетом „памяти направлений”, которая отличается от существующей тензорно-линейной модели тем, что при ее построении откидывается постулат о соосности главных направлений тензоров накопления повреждений и приростов деформаций.

Для упрощения использования тензорных моделей накопления повреждений для прогнозирования остаточного ресурса пластичности разработан метод определения параметров моделей, уменьшающий количество необходимых экспериментальных данных и более полно учитывающий особенности конкретного материала.

Третий раздел включает математическое описание широкого спектра закономерностей механики формообразования, которые наблюдаются при холодной торцовой раскатке и ротационной вытяжке.

Впервые получены математические модели формообразования при холодной торцовой раскатке цилиндрическим и коническим валками, которые определяют угол между векторами скоростей точек заготовки и инструмента в пятне контакта в зависимости от технологических параметров процесса.

Получены аналитические зависимости для определения площади контакта конического валка с заготовкой, которые учитывают возникновение во время формообразования пластической волны перед валком.

Разработана математическая модель изгиба полосы переменной ширины и толщины, которая позволяет определять точки соприкосновения полосы с матрицей и пуансоном, координату сечения, при котором происходит переход полосы из упруго-пластического напряженно-деформированного состояния в упругий, уравнения изогнутой оси участка полосы, которая находится в упруго-пластическом напряженно-деформированном состоянии, и уравнения изогнутой оси участка полосы, не имеющего пластических деформаций.

В четвертом разделе разработан технологический процесс формирования внутренних и внешних буртов на круглых заготовках. Разработка включает в себя: инструмент; раскатывающее устройство на лоботокарный станок ЛТ2; методику оценки энергосиловых параметров оборудования; методику определения геометрических размеров заготовок для формирования внутренних и внешних буртов; соотношения на базе критериев разрушения и гофрообразования для определения предельных геометрических размеров изделий.

Разработаны технологические процессы, которые позволяют получать сплошные заготовки переформированием квадратных заготовок в круглые методом холодной торцовой раскатки. Разработан комбинированный технологический процесс изготовления фланцев из квадратных заготовок.

Для практического использования результатов исследования составлены алгоритмы и соответствующие Maple и MathCad программы. Процесс формирования буртов на круглых заготовках ротационной вытяжкой был внедрен в промышленное производство для изготовления тарелок, воротничков, колпаков ректификационных и бражных колонн для спиртового производства.

Ключевые слова: механика формообразования, холодная торцовая раскатка, ротационная вытяжка, тензорная модель накопления повреждений, несоосность главных направлений тензоров, течение металла, пластическая волна, изгиб полосы, переформирование, отбортовка.

Volodymyr O. Kraevskyy. Improvement of the cold face flare and rotary drawing processes on the basis of the profile mechanics mathematical simulation. - Manuscript.

Thesis for PhD in technical science on speciality 05.03.05 - Processes and machines of the non-cutting shaping. - Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, 2004

The thesis is dedicated to the improvement of the mathematical apparatus by definition of the profile mechanics during cold face flare and rotary drawing. There had been created the tensorial linear model of damages accumulation which considers principal directions' misalignment of the tensor of the deformations increments and damages increments. The received model allows to estimate service characteristics and ability to the following profile of the billets, which received cold face flare and rotary drawing. There had been developed mathematical models which determine flow direction of the metal's contact layer during cold face flare process by the conic and cylindrical rollers. There had been suggested the analytical expressions of the contact area's calculation of the conic roller with billet considering the formation ahead roller plastic wave. On the basis of the developed mathematical model of the plate flexure there had been suggested the procedure of deformation effort estimation during rotary drawing. There had been developed the technological processes for reforming the square billets into the circular by cold face flare method and flanging of the internal and external contours by rotary drawing.

Key words: profile mechanics, cold face flare, rotary drawing, tensorial model of the damages accumulation, misalignment of the tensor's principal direction, flow of the metal, plastic wave, plate flexure, reforming, flanging.

Підписано до друку 17.12.2004 р. Формат 29.7х42 1/4

Наклад 100 прим. Зам №2004-207

Віддруковано в комп'ютерному інформаційно-видавничому центрі Вінницького національного технічного університету м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 93. Тел.: 44-01-59

Размещено на Allbest.ru

...