Удосконалення процесів штампування порожнистих деталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА МАШИНОБУДІВНА АКАДЕМІЯ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском

УДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСІВ ШТАМПУВАННЯ ПОРОЖНИСТИХ ДЕТАЛЕЙ

Виконав Чучин Олег Володимирович

Краматорськ - 2008

АНОТАЦІЯ

штампований деталь деформування технологічний

Чучин О.В. Удосконалення процесів штампування порожнистих деталей. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском. Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ. 2008.

Дисертаційна робота присвячена підвищенню ефективності та конкурентоспроможності процесів холодного видавлювання з роздачею порожнистих деталей типу стакан на основі зменшення силових параметрів і розширення технологічних можливостей способів за рахунок фасонування бічних поверхонь порожнистого виробу. Теоретичні дослідження процесу радіально-прямого видавлювання з роздачею порожнистих деталей виконані енергетичним методом, в основі якого лежить блоковий підхід. Для дослідження силового режиму розроблені математичні моделі, що враховують конфігурацію деталі, форму осередку деформації. Вперше отримана математична модель, що дозволяє розрахувати траєкторії переміщення матеріальних часток, величину накопичених деформацій і напруження плинності в будь-якій точці на лінії плину. Зіставлено силовий режим виготовлення виробу типу стакан в процесах зворотного, прямого, радіально-прямого з роздачею та їхніх різновидів видавлювання. Експериментально якісно й кількісно підтверджена адекватність розроблених математичних моделей результатам експериментів. Підтверджена можливість одержання в процесі радіально-прямого видавлювання з роздачею складнопрофільованих порожнистих деталей.

Розроблені технологічні процеси, рекомендації, методики проектування та штампове оснащення для виготовлення порожнистих деталей у процесі радіально-прямого видавлювання з роздачею.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Найважливішим завданням машинобудування в сучасних умовах є випуск високоякісної продукції з найменшими показниками метало-, енерго та трудомісткості виробництва. Цим вимогам в повній мірі відповідають процеси обробки металів тиском і, зокрема, ресурсозберігаючі процеси точного об'ємного штампування, у тому числі холодне видавлювання.

Порожнисті вироби типу стакан, широко розповсюджені в промисловості, традиційно виготовляють холодним поздовжнім (зворотним і прямим) видавлюванням, для якого характерні високі питомі й повні навантаження на інструменти й обмежена номенклатура виробів простої форми. Для зниження сил деформування при поздовжньому видавлюванні збільшують кількість переходів і ступенів свободи течії металу, знижують сили тертя і площу контакту інструмента з заготовкою. Але на практиці реалізація багатьох перехідних процесів з розподілом ступеня деформації по переходах приводить до зниження продуктивності, а застосування схем видавлювання з полегшуючими камерами, з активними силами тертя, з ультразвуковими й вібраційними коливаннями, а також сферорухомого і валкового штампування - до ускладнення конструкції технологічного оснащення та обладнання.

З погляду зниження сил деформування значний інтерес представляють способи поздовжнього видавлювання з роздачею, що супроводжується збільшенням поперечних розмірів заготовки в осередку деформації й виникненням різнойменної схеми напруженого стану. Розширенню переваг процесів видавлювання з роздачею сприяє введення розвиненої радіальної течії матеріалу для збільшення поперечних розмірів порожнистого виробу та перехід до способу послідовного (комбінованого) радіально-прямого видавлювання. Реалізації на практиці позитивних особливостей радіально-прямого видавлювання перешкоджає недостатня вивченість процесу, відсутність практичних рекомендацій з проектування технологічного процесу, штампового оснащення і оцінки технологічних можливостей способу одержання порожнистих деталей.

У зв'язку із цим, тема дисертаційної роботи, присвяченої розробці й застосуванню процесу радіально-прямого видавлювання з роздачею, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами. Дисертаційна робота виконана в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт (№ держреєстрації 0100U001549, 0103U003514, 0106U001619), що відповідають пріоритетним напрямкам науки і техніки та проведених на кафедрі «Обробка металів тиском» Донбаської державної машинобудівної академії. У всіх темах автор був виконавцем.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності процесів штампування порожнистих деталей на основі розробки і застосування способу радіально-прямого видавлювання, що забезпечує розширення технологічних можливостей процесу та зниження енергосилових параметрів.

Для досягнення мети були поставлені та вирішені наступні задачі:

- розробити математичні моделі процесу радіально-прямого видавлювання з роздачею порожнистих деталей, що дозволяють врахувати вплив геометрії інструментів, визначити траєкторії переміщення матеріальних часток і розподіл накопичених деформацій в об'ємі, який деформується, встановити силовий режим деформування з урахуванням зміцнення;

- розробити експериментальну установку для видавлювання порожнистих деталей;

- виконати експериментальну перевірку адекватності розроблених математичних моделей;

- оцінити можливості нових способів видавлювання в напрямку зниження енергоємності процесу деформування та збільшення складності форми деталей, які штампуються;

- надати практичні рекомендації з розробки технологічного процесу радіально-прямого видавлювання з роздачею та штампового оснащення.

Об'єкт дослідження. Процес видавлювання порожнистих деталей.

Предмет дослідження. Закономірності формозміни і технологічні режими штампування порожнистих деталей у процесі радіально-прямого видавлювання з роздачею.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження процесу радіально-прямого видавлювання з роздачею порожнистих деталей проведені з використанням енергетичного методу балансу потужностей на кінематично можливих полях швидкостей (КМПШ) і методу кінцевих елементів (МКЕ).

Експериментальні дослідження процесу проводилися з використанням методу фізичного моделювання для виміру технологічних зусиль і методу координатних сіток для визначення накопичених деформацій та траєкторій переміщення матеріальних часток.

Для оцінки точності отриманих результатів експериментальних досліджень використовувалися методи математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів:

- одержала подальший розвиток математична модель процесу радіально-прямого видавлювання з роздачею порожнистих деталей, що дозволяє визначити силовий режим деформування з урахуванням впливу форми та геометричних параметрів деталі, яка штампується;

- вперше на основі енергетичного методу отримані залежності для розрахунку траєкторій переміщення матеріальних часток уздовж лінії плину, накопиченої деформації й напружень плинності по перетині стінки видавленої деталі, а також енергосилових параметрів з урахуванням деформаційного зміцнення металу в процесі радіально-прямого видавлювання;

- встановлено можливість зниження силових параметрів при виготовленні порожнистої деталі типу стакан в процесі радіально-прямого видавлювання з роздачею в порівнянні з традиційними способами поздовжнього видавлювання;

- одержали подальший розвиток уявлення про закономірності перебігу процесу радіально-прямого видавлювання з роздачею, що дозволили обґрунтувати та запропонувати способи видавлювання порожнистих деталей із профілюванням бічних поверхонь і маловідходного процесу видавлювання-відрізки деталей типу втулок.

Практичне значення отриманих результатів.

Розроблено технологічні рекомендації та методики проектування процесів радіально-прямого видавлювання з роздачею, що дозволяють виготовляти порожнисті вироби типу стакан з найменшими енерговитратами, з високою точністю і якістю поверхні.

Запропоновано й випробувано новий спосіб одержання фасонних бічних поверхонь порожнистих деталей у процесі радіально-прямого видавлювання з роздачею. Запропоновано новий спосіб одержання деталей типу втулок з гладкими й фасонними поверхнями із суцільної групової заготовки в процесі радіально-прямого видавлювання з роздачею. Новизна запропонованих способів підтверджена патентами України.

Розроблено й передано для промислового освоєння технології і штампове оснащення для видавлювання деталей з номенклатури заводу автогенного обладнання «ДОНМЕТ» і Сніжнянського машинобудівного заводу (СМЗ) «Мотор Січ».

Результати теоретичних і експериментальних досліджень процесу радіально-прямого видавлювання з роздачею порожнистих деталей та розроблене на їхній основі програмне забезпечення використовуються в навчальному процесі при вивченні студентами спеціальності ОМТ дисциплін «Теорія процесів кування і штампування», «Технологія ковальсько-штампувального виробництва. Холодне об'ємне штампування» та при виконанні курсових, дипломних проектів і магістерських робіт студентами спеціальності ОМТ ДДМА.

Особистий внесок здобувача полягає в наступному: удосконалення та розробка математичних моделей процесу радіально-прямого видавлювання з роздачею порожнистих деталей; проведення, аналіз і обробка результатів експериментальних досліджень; розробка технологічних рекомендацій та методик проектування процесу радіально-прямого видавлювання з роздачею; розробка технологій і штампового оснащення для видавлювання деталей з номенклатури заводів.

В анотаціях до списку опублікованих робіт з теми дисертації представлений внесок здобувача в роботах, виконаних разом із співавторами.

Апробація роботи. Основні результати дисертації доповідалися на міжнародних і всеукраїнських науково-технічній конференціях (НТК): міжнародних НТК із проблем дослідження та удосконалювання технології й обладнання обробки тиском, Краматорськ, 2001-2005 рр.; Міжнародній НТК «Застосування теорії пластичності в сучасних технологіях обробки тиском» (м. Вінниця, 2001); Міжнародній НТК «Современные проблемы механики и физико-химии процессов резания, абразивной обработки и поверхностного пластического деформирования» (м. Київ, 2002); Міжнародній НТК «Механика пластического формоизменения. Технология и оборудование обработки материалов давлением» (м. Тула, 2004); VIII Всеукраїнській науково-практичній конференції студентів, аспірантів і молодих вчених «Технологія-2005» (м. Сєвєродонецьк, 2005); Міжнародній НТК «Прогрессивные методы и технологическое оснащение процессов ОМД» (м. Санкт-Петербург, БГТУ «Военмех», 2005); Міжнародній НТК «Сучасні методи моделювання процесів обробки матеріалів тиском» (м. Краматорськ, 2006); Міжнародній НТК «Фізико-механічні проблеми формування структури та властивостей матеріалів методами обробки тиском» (м. Краматорськ, 2007); Міжнародній НТК «Інформаційні технології в обробці тиском (дослідження, проектування та освоєння процесів і машин)» (м. Краматорськ, 2008), а також на щорічних наукових семінарах ДДМА ( 2001-2007 рр.) і об'єднаному науковому семінарі (2008 р.).

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відзначена актуальність дисертаційної роботи, зазначений зв'язок роботи з науковими програмами та планами, сформульовані мета й задачі дослідження, розглянуті об'єкт і предмет дослідження, установлені наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, відзначена апробація дисертації й кількість опублікованих робіт.

У першому розділі розглянуті найбільш ефективні способи виробництва порожнистих виробів типу стакан з різними конструктивними елементами й, зокрема, процеси точного холодного об'ємного штампування, у тому числі холодне видавлювання, що дозволяє одержувати деталі з високою точністю і якісними поверхнями, та не вимагає, у деяких випадках, наступної механообробки.

Порожнисті вироби традиційно виготовляють у процесах поздовжнього (зворотного й прямого) видавлювання, для якого характерні підвищена різностінність деталей, невелика номенклатура виробів простої форми, високі енергосилові параметри.

Знизити енергосилові параметри в процесах поздовжнього видавлювання можна за рахунок збільшення кількості переходів і ступенів свободи витікання металу, зменшення площі контакту деформуючого інструмента з заготовкою та сил тертя на поверхнях контакту. Але збільшення кількості переходів для раціонального розподілу ступеня деформації по переходах приводить до зниження продуктивності. Схеми поздовжнього видавлювання з полегшувальними камерами, з активними силами тертя, з ультразвуковими та вібраційними коливаннями, при сферорухомому і валковому штампуванні ведуть до ускладнення конструкції технологічного оснащення та обладнання.

Знизити сили деформування дозволяють також способи поздовжнього видавлювання з роздачею, для яких характерні збільшення поперечних розмірів заготовки у осередку деформації та поява різноіменної схеми напруженого стану в процесі деформації. Подальший розвиток способів поздовжнього видавлювання з роздачею привів до появи послідовного (комбінованого) радіально-прямого видавлювання. Цей процес відноситься до нових маловивчених способів видавлювання з інтенсивною роздачею, що дозволяє одержати порожнистий виріб із гладким і складним профілем, поперечними розмірами, які перевищують розміри заготовки.

Теоретичні та експериментальні дослідження процесу радіально-прямого видавлювання з роздачею порожнистих деталей не достатні для реалізації позитивних особливостей способу. Існуючі математичні моделі досліджуваного процесу не дозволяють оперативно оцінити форму деталей, що змінилася, врахувати зміцнення матеріалу заготовки. В літературі не достатньо даних про можливість одержання складнопрофільованих порожнистих деталей у процесі радіально-прямого видавлювання з роздачею. Відсутні практичні рекомендації з проектування технологічного процесу та штампового оснащення.

На підставі виконаного огляду літературних джерел сформульовані мета і задачі дослідження.

У другому розділі обґрунтований вибір енергетичного методу як методу теоретичних досліджень процесу радіально-прямого видавлювання з роздачею та методів фізичного моделювання й координатних сіток як методів експериментальних досліджень.

Для аналізу процесів видавлювання енергетичним методом використаний блоковий підхід. Розрахункові схеми формувалися з кінематичних вісесиметричних блоків, які дозволяють швидше врахувати конфігурацію деталі, що змінилася.

Математичні моделі, отримані енергетичним методом і МКЕ, дозволяють визначити деформований стан матеріальної частки в об'ємі заготовки, що видавлюється, розрахувати силові параметри процесу радіально-прямого видавлювання порожнистих деталей з урахуванням зміцнення.

Проводилися експериментальні дослідження процесу радіально-прямого видавлювання з роздачею порожнистих деталей, зіставлялися силові параметри різних способів видавлювання деталі типу стакан, оцінювався деформований стан заготовки в процесі деформації, підготовлені оснащення та спеціальна експериментальна установка.

Для оцінки точності результатів експериментальних досліджень використовувалися методи математичної статистики.

У третьому розділі представлені результати теоретичного дослідження енергетичним методом процесу радіально-прямого видавлювання з роздачею порожнистих деталей.

Розрахункові схеми процесу формувалися з самостійних кінематичних вісесиметричних блоків, до складу яких можуть входити кілька кінематичних елементів. З рівняння енергетичного балансу визначали залежності компонентів швидкостей переміщень, інтенсивностей швидкостей деформацій, приведені напруження пластичної деформації, зрізу й тертя для кожного блоку або елемента в складі блоку. Встановлено вплив геометричних параметрів і умов тертя на величину приведеного тиску блоку .

Були розглянуті окремо групи блоків, що описують кінематичний стан у центральній зоні заготовки, в зоні радіального плину та у зоні розвороту течії металу з радіального напрямку на прямий з урахуванням конфігурації перехідних пругів матриці (гостра, фаска, заокруглення). У першій зоні оцінений вплив складу блоку, у другій і третій зонах - форми перехідних пругів матриці на приведений тиск блоку. Розраховані приведені напруження блоків у групах порівнювались між собою з метою визначення блоків, що забезпечують найменші значення . Установлено, що з трьох блоків центральної зони заготовки найменший приведений тиск забезпечує блок, що складається із пластичних кінематичних елементів трапецеїдальної і прямокутної форми перетину завдяки варіюванню двох геометричних параметрів, у зоні перехідного пругу матриці найменший приведений тиск забезпечує блок, що описує гострий пруг, а найбільше - заокруглення.

Для теоретичного дослідження процесу радіально-прямого видавлювання порожнистих деталей була обрана розрахункова схема, яка складається з пластичних блоків, що враховують конфігурацію матриці (блок 4), радіальну течію (блок 5), які забезпечують найменші значення приведених напружень (пластичні кінематичні елементи «3б», «3в» у складі блоку центральної зони та «7в» у складі блоку розвороту течії металу з радіального напрямку на прямий). Варіювання відносних геометричних розмірів , і оптимізація коефіцієнта (при товщині дна стакана) забезпечили найменші значення приведеного тиску

( - напруження плинності). Оптимальні значення геометричних параметрів знаходились в діапазоні: , . У роботі геометричні параметри процесу є безрозмірними та представлені малими літерами (віднесені до радіуса заготовки ), на відміну від позначень натуральних параметрів, відзначених великими літерами. Аналіз отриманої математичної моделі дозволив установити залежність приведеного тиску процесу радіально-прямого видавлювання від відносних геометричних параметрів процесу ( ) та умов тертя на контактних поверхнях, що враховуються коефіцієнтом тертя . Результати цього аналізу отримані після розробки відповідних програм у середовищі MathCAD 7 (рис. 2). Установлено, що найбільше впливають на приведений тиск процесу радіально-прямого видавлювання відносні товщина стінки , товщина дна стакана та коефіцієнт тертя . Збільшення коефіцієнта тертя однозначно приводить до зростання приведеного тиску . Для параметра

,

що характеризує товщину стінки порожнистої деталі, і товщини дна стакана характерні оптимальні значення, що відповідають найменшому значенню приведеного тиску в досліджуваному діапазоні параметрів. Ці значення перебувають у діапазоні 0,76…0,8 для параметра й 0,87…0,95 для параметра . При значеннях параметра відбувається збільшення величини на 40%, що можна пояснити збільшенням ступеня деформації в зоні розвороту течії металу з радіального напрямку на прямий.

Теоретичний аналіз процесу радіально-прямого видавлювання порожнистих деталей на стаціонарній стадії дозволив визначити величину накопичених деформацій та енергосилових параметрів з урахуванням зміцнення. У якості деформованого матеріалу був обраний алюмінієвий сплав АД31, експериментальна крива якого апроксимована ступеневою функцією

.

Установлено, що для трьох розрахункових схем найбільші значення інтенсивності накопиченої деформації та напруження плинності зосереджені в шарі матеріалу заготовки поблизу внутрішнього радіуса стакана , а найменші - у шарі поблизу зовнішнього радіуса .

Тиск деформування на стаціонарній стадії процесу радіально-прямого видавлювання порожнистих деталей розраховувався по формулі

,(1)

після підстановки в неї залежностей для розрахунку приведеного тиску і накопиченої деформації для кожної з трьох розрахункових схем.

Аналіз математичних моделей (1) для розрахункових схем 1, 2 і 3, що описують процес радіально-прямого видавлювання порожнистих деталей з матеріалу АД31, який зміцняється, дозволив установити вплив відносних геометричних параметрів і умов тертя на тиск деформування (рис. 4). Найменший тиск деформування характерний для розрахункової схеми 3, а найбільший - для розрахункової схеми 1, що можна пояснити зменшенням кількості блоків, на які розбитий деформований об'єм, від розрахункової схеми 1 із загальною кількістю блоків, рівною 5, до розрахункової схеми 3 із загальною кількістю блоків, рівною 3.

Установлено, що на величину тиску деформування найбільше впливають відносні товщина стінки , товщина дна , внутрішній радіус стакана і коефіцієнт тертя . Збільшення коефіцієнта тертя та внутрішнього радіусу стакана однозначно приводить до зростання приведеного тиску, що пов'язано з ростом енергетичних витрат на подолання сил тертя деформованим матеріалом заготовки. Збільшення відносного радіуса порожнини від 1,1 до 2,0 веде до росту тиску деформування на 20%.

При значеннях відносних параметрів <0,7 і <0,5 відбувається істотне зростання тиску деформування завдяки росту ступеня деформації в зоні розвороту течії металу з радіального напрямку на прямий та у зоні дна порожнини. В досліджуваному діапазоні значень відносної товщини дна стакана для трьох розрахункових схем була встановлена наявність оптимального значення , що відповідає найменшому значенню тиску деформування . З ростом коефіцієнта тертя від 0,1 до 0,4 оптимальне значення висоти змінюється від 0,6 до 0,65 для розрахункової схеми 1, від 0,55 до 0,65 - для розрахункової схеми 2 і від 0,45 до 0,65 - для розрахункової схеми 3. Зі зменшенням геометричного параметра від відбувається зростання тиску деформування , що можна пояснити збільшенням ступеня деформації в зоні дна порожнини. Зменшення відносної товщини дна стакана від 0,6 до 0,2 приводить до збільшення тиску деформування на 26%.

У четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень процесів поздовжнього та радіально-прямого видавлювання, метою яких було зіставлення силового режиму виготовлення виробу типу стакан в різних процесах холодного видавлювання, підтвердження адекватності розроблених математичних моделей результатам експериментів, вивчення деформованого стану заготовки на стаціонарній стадії процесу радіально-прямого видавлювання, виявлення дефектів деталей, причин їхнього виникнення та способів усунення, підтвердження можливості одержання в процесі радіально-прямого видавлювання з роздачею складнопрофільованих порожнистих деталей.

Для експериментів застосовувалися циліндричні мірні заготовки висотою від 12 до 45 мм із діаметрами 15,0 мм, 21,0 мм і 28,0 мм, отримані з сортового прокату алюмінієвих сплавів АД31, АД1 і свинцю С1. Перед видавлюванням всі зразки з алюмінієвих сплавів піддавалися відпаленню. У якості змащення для заготовок із алюмінієвих сплавів був використаний тваринний жир, а для свинцю С1 - індустріальне мастило І-20. Для дослідження макроструктури розрізалися уздовж осі деталі з алюмінієвого сплаву АД1. Після попередньої підготовки меридіональні поверхні деталей протравлювалися в 5% розчині NaOH. Були побудовані діаграми напруження плинності алюмінієвих сплавів АД31 і АД1 після проведення випробувань на стискання. В експериментах використане переналагоджуване штампове оснащення, що складається з контейнерів, у яких центрувалися змінні пакети (матриці, пуансони, кільця, опорні прокладки та ін.). Експериментальні дослідження проводилися на іспитових машинах МС-2000, МС-500 і гідравлічному пресі ДБ 2428А зусиллям 630 кН.

Установлено, що найбільше зусилля деформування відповідає процесу зворотного видавлювання деталі типу стакан (крива 1). Пряме (без матриці) видавлювання (крива 2) дозволяє знизити зусилля деформування на 22%. Радіально-пряме видавлювання порожнистої деталі із заготовки Ш 15 мм дозволяє знизити зусилля в 2,4 рази (крива 4в), а із заготовки Ш 21 мм - на 21% (крива 4г) у порівнянні зі зворотним видавлюванням. Збільшення площі поперечного перерізу заготовки приблизно в 2 рази з 176,6 мм² (діаметр заготовки 15 мм) до 346,3 мм² (діаметр заготовки 21 мм) приводить до збільшення зусилля деформування для схеми радіально-прямого видавлювання також приблизно в 2 рази.

Становить інтерес виготовлення деталі за два переходи. На першому переході одержували напівфабрикати комбінованим зворотно-прямим видавлюванням з вільним витіканням металу у зворотному напрямку (формувалася порожнина) і прямому напрямку. На другому переході об'єм металу, що раніше надійшов у відросток, радіально-прямим видавлюванням був повернутий у стінку порожнистого виробу. Кожний з етапів забезпечив зниження зусилля деформування в порівнянні зі зворотним видавлюванням. У порівнянні зі зворотним видавлюванням комбіноване зворотно-пряме видавлювання дозволило знизити зусилля деформування при виготовленні напівфабрикатів на 35% (крива 3а) і в 3,5 рази (крива 3б). У порівнянні з радіально-прямим видавлюванням заготовки Ш 15 мм (крива 4в) зусилля формозміни зменшилося на 15% (крива 4а) і заготовки Ш 21 мм (крива 4г) - на 14% (крива 4б). Тобто, збільшення діаметра, формованого комбінованим зворотно-прямим видавлюванням відростка на першому етапі, приводить до зниження зусилля деформування на цьому етапі й збільшенню цього параметра на другому етапі. Тому діаметр відростка є оптимізованим параметром, що дозволяє регулювати навантаження на інструмент на етапах.

Характер зміни зусилля деформування по ходу процесу радіально-прямого видавлювання порожнистих деталей однаковий. Спочатку на стадії радіального видавлювання, для якої характерна нестаціонарність процесу, відбувається безперервний ріст зусилля деформування. Потім після розвороту течії металу з радіального напрямку на прямий зростання зусилля припиняється і починається стала стадія розглянутого процесу, що буде тривати до остаточного оформлення деталі.

Результати дослідження впливу товщини дна стакана H на зусилля деформування процесу радіально-прямого видавлювання підтвердили адекватність результатів розрахунків прийнятих математичних моделей. Найбільше перевищення теоретичних значень зусилля деформування над експериментальними для алюмінієвого сплаву АД31 склало 10% і 16%. Більшу розбіжність з результатами експериментальних досліджень дає математична модель, у якій зміцнення металу враховувалося по середній інтенсивності накопиченої деформації, а меншу - математична модель, що дозволяє розрахувати накопичені матеріальною часткою деформації в будь-якій точці деформованого об'єму й енергосилові параметри з урахуванням зміцнення матеріалу заготовки.

У процесі радіально-прямого видавлювання були виготовлені вісесиметричні порожнисті деталі типу стакан із зовнішніми діаметрами 28 мм та 56 мм.

Для дослідження деформованого стану заготовки в процесі радіально-прямого видавлювання порожнистої деталі застосували метод координатних сіток. На одну з меридіональних поверхонь напівфабрикату в центральній зоні, який складався з двох частин, отриманого в процесі радіально-прямого видавлювання, була нанесена квадратна сітка з базою 2 мм. Надалі, на стаціонарній стадії радіально-прямого видавлювання напівфабрикату з нанесеною сіткою, був отриманий виріб з деформованою сіткою. Установлено границі областей в деформованому об'ємі матеріалу заготовки - пластичної області, розташованої між двома жорсткими. В області інтенсивних пластичних деформацій переважними є приріст стискаючої радіальної та розтягуючої окружної компонент деформації, а також деформації зсуву.

Для зіставлення результатів експериментальних і теоретичних досліджень були виділені дві частки металу, розташовані в точках 1 і 2.

Після зробленого повзуном іспитової машини робочого ходу 50 мм перша частка металу перемістилася з точки 1 у точку 2, перебуваючи постійно у жорсткій області, а друга частка металу пройшла весь осередок деформації, охоплений пластичною областю, почавши рух з точки 1 жорсткої області в межах поперечних розмірів заготовки й закінчивши рух у точці 3 жорсткої області в межах товщини стінки порожнистого виробу.

Були розраховані траєкторії переміщення матеріальних часток (між двома лініями плину по центру вічок), координати R і Z положення точки 3, а також представлений графік залежності накопичення деформацій другою часткою при переміщенні її із точки 2 у точку 3 в залежності від координати R . Експериментальне зусилля видавлювання склало 57 кН. Відповідно до математичної моделі, що враховує зміцнення матеріалу заготовки в процесі деформації, були зроблені розрахунки наступних параметрів: приріст компонент деформації для вічок, розташованих між двома виділеними лініями плину, накопиченої деформації вічкою при її переміщенні з попереднього положення, а також підсумкової деформації зсуву, накопиченою вічкою на виході з осередку деформації. Прийнята математична модель добре якісно та кількісно описує результати експериментальних досліджень. Завищення теоретичного значення зусилля деформування (61 кН) над експериментальним склало 8,0%.

Були виявлені наступні характерні дефекти при виготовленні порожнистих деталей радіально-прямим видавлюванням: тріщини; різностінність порожнини; поздовжній вигин по висоті стакана; осьова утяжина. Встановлено причини виникнення дефектів, запропоновані шляхи усунення. Істотно зменшити ймовірність появи тріщин в області фланця на стадії радіального видавлювання можна завдяки реалізації на практиці технологічного ланцюжка виготовлення деталі типу стакан: спочатку комбіноване зворотно-пряме видавлювання, а потім радіально-пряме видавлювання. Різностінність деталей типу стакан, отриманих радіально-прямим видавлюванням (0,1 мм), виявилася меншою, ніж при зворотному видавлюванні (0,4 мм). Для повного виключення різностінності стакана необхідно збільшити діаметр опорної ділянки нижнього пуансона. Такий дефект, як поздовжній вигин по висоті стакана, був виявлений у декількох порожнистих виробів з товщиною дна 5 і 6 мм. Для усунення цього дефекту необхідно збільшити висоту калібруючих поясків матриці та нижнього пуансона. Деякі порожнисті вироби, виготовлені в процесі радіально-прямого видавлювання, мали осьову утяжину. У той же час осьова утяжина, що з'явилася на дні порожнистих напівфабрикатів, отриманих комбінованим зворотно-прямим видавлюванням, на наступному етапі (радіально-прямому видавлюванні) повністю закрилася. Поява осьової утяжини в порожнистих деталях пояснюється тим, що шари деформованого металу заготовки поблизу внутрішнього радіуса стакана переміщаються в процесі деформації з більшою швидкістю та накопичують більшу деформацію, ніж шари металу поблизу зовнішнього радіуса

Радіально-пряме видавлювання також дозволяє виготовляти складнопрофільовані стакани зі змінною та постійною товщиною стінки по висоті, що істотно розширює номенклатуру порожнистих виробів, які штампуються, і підвищує ефективність досліджуваного способу.

В експериментах застосовувалися мірні заготовки з прокату діаметром 28 мм і довжиною від 55 до 65 мм. Складний зовнішній та внутрішній контур порожнистих деталей одержували за кілька переходів. Отримані порожнисті вироби мали циліндричну зовнішню та внутрішню бічні поверхні з однією або двома східцями на внутрішній бічній поверхні. Для одержання сходів на внутрішній бічній поверхні порожнистого виробу на переходах зменшувалися поперечні розміри нижніх пуансонів, а для одержання бічних конічних поверхонь - збільшувалися діаметри отворів формозмінних ділянок матриць.

У п'ятому розділі розглянуті основні етапи проектування технологічних процесів виготовлення холодним видавлюванням порожнистих деталей і технологічні рекомендації з проектування процесу радіально-прямого видавлювання з роздачею виробів.

На основі результатів досліджень розроблені розрахункові залежності й рекомендації, необхідні для визначення силового та деформаційного режимів у процесі радіально-прямого видавлювання, що дозволяють врахувати конфігурацію й геометричні розміри деталі, умови тертя та зміцнення матеріалу заготовки в процесі деформації. Установлено різновиди та технологічні можливості процесу радіально-прямого видавлювання з роздачею порожнистих деталей.

Запропоновано новий спосіб радіально-прямого видавлювання, що дозволяє одержати фасонні бічні поверхні стаканів. Розроблено новий спосіб одержання деталей типу втулка з гладкими та фасонними поверхнями з суцільної багатоштучної заготовки в процесі радіально-прямого видавлювання з роздачею. Для здійснення способів використовуються матриця та нижній пуансон з декількох частин і додаткова кінематика руху цих інструментів. Новизна запропонованих способів підтверджена патентами України на корисну модель.

Розроблені способи, що дозволяють зменшити ймовірність появи тріщин на пругу фланця на стадії радіального видавлювання й тим самим збільшити граничний діаметр порожнини одержуваного стакана. Ефективними при радіально-прямому видавлюванні порожнистих деталей в цьому випадку можуть бути технологічні прийоми підсадження фланця, обтиснення стержня та видавлювання металу в радіальну порожнину, яка звужується.

Розроблено технології та штампове оснащення для видавлювання порожнистих деталей з номенклатури заводу автогенного обладнання «ДОНМЕТ» і Сніжнянського машинобудівного заводу «Мотор Січ». Ефективність розроблених технологій і штампового оснащення для виготовлення порожнистих деталей забезпечується за рахунок зменшення витрати металу (підвищення коефіцієнта використання металу в 1,5…2,0 рази) та зниження трудомісткості виготовлення в 1,2…1,5 рази в порівнянні з механічною обробкою.

Результати теоретичного та експериментального аналізу процесу радіально-прямого видавлювання з роздачею порожнистих деталей і розроблені на їхній основі програми використовуються в навчальному процесі при вивченні студентами спеціальності ОМТ таких дисциплін, як «Теорія процесів кування і штампування», «Технологія ковальсько-штампувального виробництва. Холодне об'ємне штампування» та при виконанні курсових, дипломних проектів і магістерських робіт студентами спеціальності ОМТ ДДМА.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота присвячена дослідженню процесу радіально-прямого видавлювання з роздачею порожнистих деталей типу стакан і спрямована на рішення актуальних завдань машинобудування, пов'язаних зі зменшенням енергосилових параметрів, підвищенням якості продукції, розширенням номенклатури виробів за рахунок ускладнення форми.

1.Аналіз відомих технологій і оснащення для штампування порожнистих деталей різної конфігурації дозволив установити високу ефективність способів холодного видавлювання, за допомогою яких одержують деталі високої точності та з якісними поверхнями, не потребуючих, у більшості випадків, подальшої обробки різанням. Перспективним способом формоутворення порожнистих деталей з погляду зниження силових параметрів і розширення технологічних можливостей за рахунок одержання складного профілю є радіально-пряме видавлювання.

2.Отримано уточнені залежності процесу радіально-прямого видавлювання з роздачею порожнистих деталей типу стакан, що дозволили визначити силовий режим деформування з урахуванням впливу форми та геометричних параметрів деталі, яка штампується. Для розрахункової схеми розроблені кінематичні вісесиметричні блоки, що враховують конфігурацію деталі та забезпечують найменші значення приведеного тиску. Установлено, що найбільше впливають на приведений тиск процесу радіально-прямого видавлювання відносні товщина стінки, товщина дна стакана та коефіцієнт тертя. При зменшенні значень безрозмірного параметра, що характеризує товщину стінки, від 0,6 до 0,2 відбувається збільшення величини приведеного тиску на 40% через підвищення ступеня деформації в зоні розвороту течії металу з радіального напрямку на прямий.

3.Енергетичним методом проведений аналіз процесу радіально-прямого видавлювання з роздачею порожнистої деталі, що дозволив розрахувати траєкторії переміщення матеріальних часток уздовж лінії плину, величину накопичених деформацій і напруження плинності в будь-якій точці лінії плину, розподіл накопичених деформацій і напруження плинності по перетині стінки видавленого порожнистого виробу та величину тиску деформування з урахуванням зміцнення. Найбільше впливають на величину тиску деформування відносні радіус порожнини, товщина дна та стінки стакана, коефіцієнт тертя. Тиск деформування зростає на 26% при зменшенні відносної товщини дна стакана від 0,6 до 0,2 і на 20% при збільшенні відносного радіуса порожнини в діапазоні 1,1…2,0.

4.Зіставлені силові режими виготовлення виробу типу стакан в процесах зворотного, прямого, прямого (без матриці), радіально-прямого видавлювання, а також комбінованого зворотно-прямого та наступного радіально-прямого (з роздачею) видавлювання. Установлено, що при радіально-прямому видавлюванні з роздачею зусилля деформування може бути знижено в декілька разів у порівнянні зі зворотним видавлюванням (за експериментальними даними при виготовленні стакану з діаметром порожнини 24 мм і товщиною стінки 2 мм - в 2,4 рази).

5.Експериментальний аналіз силового режиму процесу радіально-прямого видавлювання підтвердив адекватність результатів розрахунків розроблених математичних моделей. Найбільше перевищення теоретичних значень зусилля деформування над експериментальними для алюмінієвого сплаву склало 10% і 16%. Більшу розбіжність з результатами експериментальних досліджень дає математична модель, у якій зміцнення металу враховувалося по середній інтенсивності накопиченої деформації, а меншу - математична модель, що дозволяє розрахувати накопичені матеріальною часткою деформації в будь-якій точці об'єму, який деформується, та енергосилові параметри з урахуванням зміцнення матеріалу заготовки.

6.Експериментально встановлені особливості одержання в процесі радіально-прямого видавлювання з роздачею порожнистих деталей складної форми (деталей з різною товщиною стінки по висоті порожнини, з циліндричними і конічними внутрішніми та зовнішніми поверхнями на окремих ділянках порожнистої деталі) шляхом зміни висоти радіальної порожнини та положення зони розвороту течії металу з радіального напрямку на прямий.

7.Класифіковано та установлено способи деформування, різновиди й можливості, характерні відхилення форми та дефекти деталей в процесах радіально-прямого видавлювання з роздачею. Для розширення діапазону діаметрів порожнистих деталей і запобігання руйнувань при радіально-прямому видавлюванні ефективні технологічні прийоми підсадження фланця, обтиснення стержня та видавлювання металу в радіальну порожнину, яка звужується. Технологічні можливості процесу радіально-прямого видавлювання з роздачею можуть бути розширені за рахунок одержання порожнистих деталей типу втулки з гладкими та фасонними поверхнями з суцільної багатоштучної заготовки.

8.Розроблено технологічні рекомендації з проектування процесів радіально-прямого видавлювання з роздачею порожнистих деталей. Спроектовано й передано для промислового освоєння технології та штампове оснащення для видавлювання деталей «мундштук», «внутрішнє сопло», «накидна гайка» з номенклатури промислових підприємств. Результати теоретичних і експериментальних досліджень процесу радіально-прямого видавлювання з роздачею порожнистих деталей та розроблені на їхній основі програми використовуються в навчальному процесі.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Крюгер К. Анализ процесса комбинированного поперечно-прямого выдавливания / К. Крюгер, О.В. Чучин, А.А. Носаков // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в машинобудуванні та металургії: Зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА, 1999. - С. 42-45.

2. Чучин О.В. Кинематически возможные поля скоростей при выдавливании в разъёмных матрицах / О.В. Чучин, В.Г. Бойко, Р.С. Борисов // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА, 2000. - С. 52-56.

3. Чучин О.В. Расчёт силовых параметров при холодном радиально-прямом выдавливании / О.В. Чучин, В.Г. Бойко, И.Г. Савчинский // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА, 2001. - С. 222-226.

4. Чучин О.В. Течение упрочняющегося материала при комбинированном радиально-прямом выдавливании / О.В. Чучин, Л.И. Алиева, А.И. Лобанов // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. пр. - Луганськ: СНУ, 2001. - С. 37-44.

5. Чучин О.В. Комбинированное последовательное радиально-прямое выдавливание полых деталей / О.В. Чучин, Л.И. Алиева // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА, 2002. - С. 352-355.

6. Алиев И.С. Технологические процессы выдавливания с раздачей / И.С. Алиев, О.В. Чучин, А.А. Носаков // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА, 2003. - С. 328-334.

7. Алиев И.С. Исследование силового режима процесса комбинированного последовательного поперечно-прямого выдавливания / И.С. Алиев, О.В. Чучин, Р.С. Борисов // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: зб. наук. пр. в 2-х ч., Ч.1. - Луганськ: вид-во СНУ ім. В. Даля, 2004. - С. 11-16.

8. Алиев И.С. Технологические возможности последовательного радиально-прямого выдавливания / И.С. Алиев, О.К. Савченко, О.В. Чучин // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА, 2005. - С. 346-351.

9. Алиев И.С. Моделирование процесса радиально-прямого выдавливания полых деталей из упрочняющегося материала. Сообщение 1 / И.С. Алиев, О.В. Чучин, П. Абхари // Вісник ДДМА. - 2005. - №2. - С. 24-29.

10. Алиев И.С. Моделирование процесса радиально-прямого выдавливания полых деталей из упрочняющегося материала. Сообщение 2 / И.С. Алиев, О.В. Чучин, П. Абхари // Вісник ДДМА. - 2006. - №3(5). - С. 97-102.

11. Алиев И.С. Технологические возможности процесса комбинированного радиально-прямого выдавливания / И.С. Алиев, О.К. Савченко, О.В. Чучин // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. - 2007. - №11. - С. 21-25.

12. Алиев И.С. Исследование процесса бокового выдавливания отростков с прямоугольным поперечным сечением / И.С. Алиев, Р.С. Борисов, О.В. Чучин // Известия ТулГУ. Серия: Механика деформируемого твёрдого тела и обработка металлов давлением: сб. науч. тр., г. Тула: ТулГУ, Вып. 1, 2004. - С. 101-106.

13. Пат. 67960 Україна, В21К21/00, В21К23/04. Спосіб видавлювання порожнистих деталей з фасонною бічною поверхнею / І.С. Алієв, О.К. Савченко, Л.І. Алієва, О.В. Чучин; заявник і патентовласник Донбаська державна машинобудівна академія. - № 2003076832; заявл. 21.07.03; опубл. 15.07.04, Бюл. № 7.

14. Пат. 7430 Україна, В21К21/00. Спосіб виготовлення порожнистих деталей / Л.І. Алієва, О.В. Чучин; заявник і патентовласник Донбаська державна машинобудівна академія. - № 20041210328; заявл. 15.12.04; опубл. 15.06.05, Бюл. № 6.

15. Чучин О.В. Технологическая оснастка для процессов радиального и комбинированного выдавливания / О.В. Чучин, В.Г. Бойко, К.Д. Махмудов // Застосування теорії пластичності в сучасних технологіях обробки тиском: Збірник тез доповідей міжнародної науково-технічної конференції. - Вінниця, 2001. - С. 90-91.

16. Чучин О.В. Давление деформирования при комбинированном выдавливании упрочняющегося материала / О.В. Чучин, К. Крюгер // Застосування теорії пластичності в сучасних технологіях обробки тиском: Збірник тез доповідей міжнародної науково-технічної конференції. - Вінниця, 2001. - С. 86-87.

17. Алиев И.С. Технологические возможности новых способов выдавливания с раздачей / И.С. Алиев, О.В. Чучин // Современные проблемы механики и физико-химии процессов резания, абразивной обработки и поверхностного пластического деформирования. Материалы Междун. науч. конф. - К.: ИСМ НАНУ, 2002. - С. 95-96.

18. Чучин О.В. Возможности процессов выдавливания с раздачей / О.В. Чучин // Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку. Матеріали другої міжнародної науково-практичної конференції 1-3 червня 2004 року. - Краматорськ: ДДМА, 2004. - С. 64-65.

19. Чучин О.В. Технологические возможности комбинированного радиально-прямого выдавливания / О.В. Чучин // Сборник тезисов II Международной научно-технической конференции «Механика пластического формоизменения. Технология и оборудование обработки материалов давлением». - Тула: ТулГУ, 2004. - С. 94-95.

20. Чучин О.В. Блочный подход при решении задач энергетическим методом / О.В. Чучин // Збірник тез доповідей VIII Всеукраїнської науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених “Технологія - 2005” (частина 2) / СТІ СНУ ім. В. Даля. - Сєвєродонецьк, 2005. - С. 82-83.

21. Чучин О.В. Ресурсосберегающие процессы штамповки деталей типа стакан / О.В. Чучин // Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку. Матеріали третьої міжнародної науково-технічної конференції 31 травня - 3 червня 2005 року. - Краматорськ: ДДМА, 2005. - С. 10.

22. Алиев И.С. Технологические процессы выдавливания с раздачей / И.С. Алиев, О.В. Чучин // Прогрессивные методы и технологическое оснащение процессов ОМД. Сб. тезисов межд. науч.-техн. конф. - Санкт-Петербург: БГТУ «Военмех», 2005. - С. 19-22.

23. Чучин О.В. Выбор оптимального варианта изготовления полых деталей холодным выдавливанием / О.В. Чучин // Розвиток методів розрахунку, удосконалення технологій та обладнання процесів обробки металів тиском. Матеріали науково-практичної конференції. - Краматорськ: ДДМА, 2007. - С. 85.

Размещено на Allbest.ru