Совершенствование технологии комбинированного выдавливания полых деталей с фланцем с учетом изменения механических свойств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Совершенствование технологии комбинированного выдавливания полых деталей с фланцем с учетом изменения механических свойств

Общая характеристика работы

выдавливание осесимметричный стакан фланец

Актуальность работы. Обеспечение конкурентоспособности продукции машиностроения в современных условиях связано с разработкой и освоением новых технологий, позволяющих получать изделия высокого качества с заданными механическими свойствами при минимальных трудовых, материальных и энергетических затратах на их производство.

В связи с этим возрастает роль технологий заготовительного производства и особенно наиболее эффективных ресурсосберегающих методов обработки металлов давлением, среди которых видное место занимает холодная объемная штамповка. Технологические и экологические преимущества позволяют применить процессы холодной объемной штамповки взамен литья, горячей штамповки и механической обработки резанием при производстве широкой номенклатуры заготовок и деталей.

Комбинирование схем обратного и радиального выдавливания при изготовлении деталей c фланцем повышает технологические возможности процессов штамповки за счет снижения энергетических затрат и сокращения количества технологических переходов.

Однако внедрение комбинированных процессов холодного выдавливания в настоящее время затруднено из-за недостаточной изученности этих технологий и, как следствие, отсутствия информации в литературе.

Холодная объемная штамповка обладает рядом преимуществ. Она обеспечивает получение точных заготовок, а иногда и готовых деталей, обладающих высоким качеством поверхности, благодаря чему расход металла на изготовление изделий и трудоемкость становятся минимальными. Увеличивается прочность деталей за счет упрочнения при холодной деформации.

Помимо преимуществ у этой технологии имеются и недостатки. Одним из главных является понижение пластичности и снижение ударной вязкости обработанного металла. Это особенно важно для ответственных деталей, работающих в условиях ударных нагрузок. В настоящее время влияние накопленной деформации на изменение механических свойств в достаточной мере не изучено.

Ввиду изложенного, актуальной научной задачей в области развития технологии заготовительного производства является повышение качества изделий и технологических возможностей холодной объемной штамповки за счет изучения и освоения процессов комбинированного выдавливания, а также исследования влияния деформации на изменение механических свойств.

Цель работы: повышение качества полых осесимметричных деталей с фланцем, получаемых холодным выдавливанием с учетом влияния деформации на изменение ударной вязкости.

Задачи исследования:

1. Разработать математическую модель процесса комбинированного радиального и обратного выдавливания в конической матрице заготовок типа стакан с фланцем; провести анализ модели на основе метода баланса мощности с варьированием начальных и граничных условий моделирования;

2. Провести моделирование экспериментально-аналитическим методом и методом конечных элементов процесса формообразования заготовки типа стакан с фланцем комбинированным радиальным и обратным выдавливанием;

3. Выявить закономерности изменения силового и деформационного режимов процесса, а также размеров конечной детали в зависимости от геометрических параметров инструмента;

4. Провести экспериментальную проверку адекватности разработанной математической модели, оценить точность определения технологической силы на основе выбранной модели комбинированного процесса радиального и обратного выдавливания;

5. Установить зависимость ударной вязкости от схемы напряженно-деформированного состояния и величины деформации, обосновать выбор марки стали для холодной объемной штамповки в зависимости от изменения физико-механических характеристик в процессе деформации;

6. Разработать технологический процесс холодного комбинированного радиального и обратного выдавливания изделия типа стакан с фланцем на примере детали «Наконечник».

Методы исследования.

Теоретические исследования комбинированного процесса радиального и обратного выдавливания в конической матрице выполнены с использованием классических методов описания движения и напряженно-деформированного состояния материала, принятых в механике сплошных сред и в теории пластичности. Математическое моделирование процесса комбинированного выдавливания выполнялось с помощью специально разработанной программы на языке программирования «C#» Использовалась бесплатная среда программирования - Microsoft Visual С# 2005 Express. Сайт разработчиков: http://www.microsoft.com/express/vcsharp. для рабочей среды «DotNet Framework 2.0» Сайт разработчиков: http://msdn.microsoft.com/ru-ru/netframework/default.aspx.. Исследования кинематики течения проводились на основе метода конечных элементов в программе Q-FORM 2D Сайт разработчиков: http://www.qform3d.ru. и с помощью методов, базирующихся на теории пластичности течения. Экспериментальные методы определения энергетических, силовых и деформационных параметров в процессе комбинированного выдавливания применялись с использованием современных измерительных приборов.

Научная новизна:

- установлены теоретически и подтверждены экспериментально зависимости деформирующей силы и положения границы раздела течения металла от начальных условий процесса при комбинированном радиальном и обратном выдавливании в конической матрице;

- с помощью математического моделирования выявлено влияние угла матрицы на конечную форму и размеры готовой детали, а также на силу деформирования при комбинированном процессе радиального и обратного выдавливания в конической матрице;

- определена экспериментально зависимость ударной вязкости стали 10 от накопленной деформации и схемы напряженно-деформированного состояния.

Практическая значимость:

- на базе метода баланса мощности разработана специальная программа для определения деформирующей силы при комбинированном процессе;

- получены соотношения, обеспечивающие рациональные технологические режимы операции комбинированного радиального и обратного выдавливания в конической матрице;

- выявлена зависимость ударной вязкости стали 10 от накопленной деформации и схемы напряженно-деформированного состояния, выраженного в показателе Лодэ-Надаи.

- разработан технологический процесс комбинированного выдавливания полых осесимметричных деталей типа стакан с фланцем на примере детали «наконечник» из стали 10 с учетом изменения ударной вязкости. Спроектирована экспериментальная оснастка и производственные штампы. Технологический процесс и конструкция штампов переданы в производство для освоения; методика расчета технологии используется в учебном процессе.

Основные научные результаты, полученные лично соискателем:

Личный вклад соискателя заключается в обосновании цели работы, разработке основных идей и методик исследований, постановке и решении задач диссертационной работы.

Автором установлены закономерности комбинированного выдавливания, разработана математическая модель процесса, технология производства осесимметричных деталей с фланцем, спроектированы чертежи штамповой оснастки для выдавливания деталей с фланцем; получены рекомендации по проектированию технологических процессов холодного выдавливания деталей.

В результате экспериментальных исследований установлена зависимость ударной вязкости стали 10 от накопленной деформации и схемы напряженно-деформированного состояния.

Вклад соискателя в работах, опубликованных вместе с соавторами, представлен в аннотациях к списку опубликованных работ по теме диссертации.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на:

- 49-й международной научно-технической конференции ассоциации автомобильных инженеров «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров», Москва, 2005;

- международной научно-технической конференции «Достижение и перспективы развития процессов и машин обработки давлением в металлургии и машиностроении», Украина, Краматорск, 2008;

- научно-технической конференции «Состояние, проблемы и перспективы создания корабельных информационно-управляющих комплексов», М., 2008;

- международном научном симпозиуме «Автотракторостроение - 2009», Москва, 2009.

Публикации.

Основное содержание работ опубликовано в 8 печатных работах, в том числе 3 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в список ВАК.

Связь темы диссертации с общенаучными и общегосударственными задачами

Работа выполнена в рамках тематического плана 1.4.08 «Разработка и исследование комбинированных процессов обработки на основе принципов создания оптимальных методов обработки в машиностроении» научно-исследовательских работ Московского государственного технического университета «МАМИ», проводимого по заданию Федерального агентства по образованию в 2008 г.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и приложений. Работа выполнена на 150 страницах машинописного текста, содержит 85 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 101 наименования и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и цели диссертационной работы, приведены научная новизна, практическая значимость, методы исследования и основные положения, выносимые на защиту, краткое содержание диссертации.

В первой главе приводится обзор литературных источников, связанных с изучаемыми вопросами: формообразование тела при холодной деформации; исследование процессов радиального, обратного и комбинированного выдавливания; существующие подходы к моделированию процессов холодного выдавливания; классификация типовых деталей с фланцем и существующих математических моделей процессов выдавливания деталей с фланцем.

Исследованию процессов выдавливания посвящены работы Н.С. Курнакова и С.Ф. Жемчужного, С.И. Губкина, Е.П. Унксова, Г.А. Смирнова-Аляева, А.Д. Томленова, А.К. Евдокимова, П.С. Истомина, И.М. Павлова, И.А. Норицына, А.В. Ребельского, И.Л. Перлина, Л.А. Шофмана, Л.Г. Степанского, А.Г. Овчинникова, В.В. Евстифеева, В.Я. Шехтера, А.Н. Митькина и других отечественных исследователей. Из зарубежных исследователей данным вопросом занимались Х. Ункель, Г. Закс и В. Эйсбейн, Э. Зибель, Э. Фангмайер, В. Прагер, Ф Ходж, А. Грин.

Вопросам комбинированного и совмещенного выдавливания посвящены работы Л.Д. Оленина, А.Э. Артеса, В.А. Головина, Ю.К. Филиппова, А.М. Дмитриева, А.Л. Воронцова, В.А. Евстратова, В.А. Крохи, И.О. Сивака, И.С. Алиева, К.Н. Богоявленского, Г.Я. Гуна, Я.Е. Бейгельзимера и других авторов.

В главе проанализированы экспериментальные и экспериментально-аналитические методы исследования формоизменения в различных процессах деформирования деталей.

Также приводится обзор литературных источников, посвященных исследованию влияния деформации и схемы деформирования на ударную вязкость углеродистых сталей.

Из обзора литературных источников, приведенных в главе, следует, что отсутствует анализ процесса комбинированного радиального и обратного выдавливания в конической матрице, не изучено влияние геометрии инструмента на конечные размеры детали и силу деформирования. Также требует уточнения зависимость ударной вязкости стали от деформации и схемы напряженно-деформированного состояния.

На основании анализа литературы поставлены цель и задачи исследования.

Во второй главе выполнен теоретический анализ комбинированного процесса радиального и обратного выдавливания в конической матрице методом баланса мощности с учетом упрочнения металла. Приводятся результаты экспериментальной проверки полученных решений.

При этом были приняты следующие допущения: материал несжимаем, упругими деформациями пренебрегают; материал изотропен; скорость движения инструмента постоянна; контактные касательные напряжения постоянны и наперед заданы (в соответствии с законом Прандтля); нормальные составляющие компоненты скорости течения неразрывны.

Как показали результаты предварительных экспериментов, процесс выдавливания в конической матрице можно разделить на три стадии. Первая стадия начинается с момента касания пуансона заготовки и продолжается до полного заполнения конической части матрицы, при этом комбинированного выдавливания не происходит, так как весь металл течет в область фланца. Во время второй стадии наблюдается комбинированный процесс, металл одновременно течет и в обратном, и в радиальном направлении. Третья стадия начинается при достижении пуансона координаты, соответствующей толщине фланца. При этом резко возрастает сила деформирования и могут появиться такие дефекты, как утяжина.

На рисунке 1 представлена расчетная схема процесса, где деформируемая заготовка условно разделена на 8 зон: 1-5 и 8 - пластические зоны, а 6 и 7 - жесткие.

Граница раздела течения металла в обратном и радиальном направлениях определяется координатой и находится между зонами 1 и 8.

Рисунок 1. Расчетная схема для определения силы деформирования комбинированного процесса радиального и обратного выдавливания

Первым этапом метода баланса мощности является выбор кинематически допустимого поля скоростей в каждой зоне очага деформации.

Кинематически допустимое поле скоростей должно удовлетворять граничным условиям и условию постоянства объема в каждой точке очага деформации. Используется цилиндрическая система координат (ось z совпадает с осью очага деформации).

Для определения силы деформирования и границы раздела течения было составлено уравнение энергетического баланса мощности внешних и внутренних сил на кинематически возможном поле скоростей, которое связывает мощность внешних активных сил с мощностью внутренних сил:

, (1)

где (2)

- мощность пластической деформации;

- напряжение текучести с учетом упрочнения, которое учитывается с помощью степенной функции вида

,

где - накопленная деформация; (3)

- интенсивность скоростей деформации;

- объем пластической зоны.

Для вычисления накопленной деформации необходимо проследить путь материальной точки от момента вхождения в очаг деформации до момента окончания штамповки.

Для процессов осесимметричного деформирования интенсивность скорости деформации определяется по зависимости:

(4)

Мощность сил трения определяется следующей зависимостью:

(5)

где - коэффициент трения; - относительная скорость скольжения заготовки вдоль контакта с инструментом; -площадь контактной поверхности;

Мощность сил среза находится по формуле:

(6)

где - напряжение текучести на сдвиг, МПа; - модуль разности касательных составляющих скорости до и после границы; - площадь поверхности среза;

Приращение деформации точки при переходе из одной зоны в другую рассчитывается следующим образом:

, (7)

где - нормальная составляющая скорости на границе.

Полное время деформации определяем из условия равенства потоков. При рассмотрении зон обратного выдавливания, зоны радиального выдавливания принимаются жесткими; и наоборот, при рассмотрении зон радиального выдавливания, зоны обратного выдавливания принимаются жесткими.

Время, необходимое для формообразования при выдавливании:

для зон 1-4:

, (8)

для зон 5, 6, 8:

, (9)

где - объем металла, формирующего фланец (сумма объемов зон 2, 3, 4);

- объем металла, формирующего стенки стакана (объем 5-й зоны в конечный момент деформации, когда ).

Конечные координаты рассматриваемой точки для каждой зоны и , текущие - и .

Для каждой пластической зоны найдено кинематически возможное поле скоростей, удовлетворяющее граничным условиям и условию несжимаемости (таблица 1).

На основе полученных зависимостей были найдены основные параметры процесса по формулам (1-9).

Для учета упрочнения была рассчитана накопленная деформация в каждой зоне по формуле (3). Уравнения для определения координат материальной точки были получены из условия равенства потоков (таблица 1).

Для нахождения силы деформирования необходимо вычислить полную мощность (1).

Положение границы раздела течения определяется условием минимума полной мощности: .

Для проведения автоматических вычислений на ЭВМ составлена специальная программа на языке программирования «C#» для рабочей среды «DotNet FrameWork».

Таблица 1. Поля скоростей и уравнения координаты точки для зон (рисунок 1)

Входными данными для программы являются геометрические параметры инструмента, коэффициент трения на контакте поверхностей заготовки и инструмента, скорость движения инструмента. Характер упрочнения материала описывается с помощью степенной функции, получаемой в результате экспериментов.

Программа позволяет определить величину накопленной деформации, мощности сил трения, среза и пластической деформации в каждой зоне, а также полную мощность.

Граница раздела течения находится с помощью специального модуля-цикла. Последовательно в уравнения подставляются различные значения в пределах от до с шагом 0,01 мм. Из полученных значений полной мощности выбирается минимальное и выводится на экране вместе с соответствующей координатой раздела течения и силой деформирования.

Программа позволяет моделировать только вторую стадию комбинированного процесса (при ) при углах матрицы от 5 до 65.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования процесса радиального и обратного выдавливания в конической матрице. С помощью экспериментального метода (координатных сеток) и метода конечных элементов в системе Q-FORM 2D получены данные о распределении скоростей в деформируемой заготовке, которые подтверждают адекватность математической модели, приведенной во второй главе.

На конкретном примере показано, что линия раздела течения металла при комбинированном процессе выдавливания пуансоном в конической матрице детали «Наконечник» находится в пределах от 0,5 до 10 мм от опоры матрицы и присутствует до конца формообразования профиля изделия. Аналогичные результаты были получены при исследовании кинематики течения аналитическим методом и методом координатной сетки (рисунок 2).

Проведено моделирование комбинированного процесса с варьированием геометрических соотношений инструмента в системе конечно-элементного моделирования Q-FORM 2D. Кривая упрочнения стали 10 задавалась на основе экспериментов в табличном виде для фиксированного диапазона значений деформации _, температуры Т и скорости деформации . Размеры исходной заготовки и виртуального инструмента для моделирования соответствовали размерам экспериментального образца и штампа для комбинированного выдавливания.

Рисунок 2. Сравнение полей скоростей и границы раздела течения металла при комбинированном выдавливании, полученных компьютерным моделированием и методом координатной сетки

Результаты моделирования показали, что угол конусности матрицы оказывает заметное влияние на кинематику течения и размеры готовой детали (рисунок 3).

Рисунок 3. Зависимость относительной высоты и диаметра детали от угла матрицы

Проведенный анализ комбинированного процесса радиального и обратного выдавливания детали типа стакан с коническим фланцем позволил получить рекомендации по выбору оптимальных условий проведения этого процесса.

На рисунке 4 представлены графики изменения положения границы раздела течения, полученные аналитическим расчетом, методом конечных элементов и опытным путем.

Основные результаты и выводы

1. Изучение литературы и производственного опыта показало, что комбинированный процесс радиального и обратного выдавливания обладает широкими возможностями по совершенствованию технологии холодной объемной штамповки. Однако параметры и технологические возможности этого процесса в достаточной мере не изучены. В литературе отсутствуют исследования по определению зависимости ударной вязкости от накопленной деформации и показателя Лодэ-Надаи для стали 10.

2. Теоретический анализ комбинированного процесса радиального и обратного выдавливания в конической матрице показывает, что при формообразовании деталей типа стакан с фланцем можно сократить число штамповочных переходов для деталей, имеющих ступенчатый фланец. На конкретном примере показано, что угол матрицы заметно влияет на комбинированный процесс выдавливания и на размеры конечной детали.

3. На основе метода баланса мощности была разработана математическая модель комбинированного процесса радиального и обратного выдавливания в конической матрице. Составлена программа расчетов на ЭВМ для выдавливания в диапазоне углов 5…65 градусов. Сравнение опытного значения с расчетными показывает, что относительная погрешность величин при этом составляет не более 17%.

4. Проведены экспериментальные исследования параметров кинематики процесса комбинированного выдавливания, их результаты подтверждают адекватность полученных теоретических зависимостей. Расчет проведен также с использованием программы Q-FORM 2D, реализующей метод конечных элементов. Сравнение полученных результатов с расчетными данными Q-FORM-2D и с экспериментальными данными, показывает, что составленная математическая модель может применяться в практических целях при крайне малых затратах на разработку методики расчетов и их проведение.

5. Проведены эксперименты по определению величины ударной вязкости в зависимости от величины накопленной деформации и схемы напряженно-деформированного состояния. Установлено влияние коэффициента Лодэ-Надаи при предварительной деформации на величину ударной вязкости. При увеличении накопленная деформация оказывает большее влияние на снижение ударной вязкости.

6. Определены зависимости величины ударной вязкости стали 10 от деформации сжатия. При деформации e=0,2 среднее значение ударной вязкости понижается на 48%, при деформации до e=0,5, среднее значение ударной вязкости понижается на 70%. Определены зависимости величины ударной вязкости стали 10 от деформации в щелевом штампе. При деформации e=0,2 среднее значение ударной вязкости понижается на 6%, при деформации до e=0,5, среднее значение ударной вязкости понижается на 27%.

7. С использованием результатов проведенных исследований разработан технологический процесс холодной объемной штамповки детали «Наконечник» из стали 10. Спроектированы производственные штампы для изготовления деталей в условиях мелкосерийного производства. При этом экономический эффект при внедрении на предприятии ОАО «Демиховский машиностроительный завод» составил 80 000 рублей на программу 12 000 штук деталей. Результаты работы используются в учебном процессе.

Основные результаты исследований отражены в следующих работах

1. Головин В.А. Особенности кинематики течения металла при комбинированном холодном выдавливании полых деталей с фланцем заданных размеров / В.А. Головин, Ю.К. Филиппов, В.Н. Игнатенко // Материалы 49-й международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» Секция 6 «Заготовительные производства в машиностроении. Подсекция «МиТОМД». Часть 2. - М., МАМИ, 2005. -С. 18 - 20с.

2. Головин В.А. Совершенствование методики лабораторных исследований процессов холодной объемной штамповки деталей сложной формы / В.А. Головин, Ю.К. Филиппов, В.Н. Игнатенко // Материалы 49-й международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» Секция 6 «Заготовительные производства в машиностроении. Подсекция «МиТОМД». Часть 2. - М., МАМИ, 2005. -С. 35-37.

3. Головин В.А. Разработка и исследование процесса холодной штамповки деталей типа «наконечник» / В.А. Головин, Ю.К. Филиппов, В.Н. Игнатенко // Материалы 49-й международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» Секция 6 «Заготовительные производства в машиностроении. Подсекция «МиТОМД». Часть 2. - М., МАМИ, 2005г. - С. 63-65.

4. Головин В.А. Разработка и исследование процессов холодной объемной штамповки полых осесимметричных деталей сложной формы // В.А. Головин, В.В. Пыжов, В.Н. Игнатенко и др. // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. МГТУ «Станкин». - 2005. - №11. - С. 35-38.

5. Бовтало Я.Н. Исследование изменения механических свойств стали при холодной объемной штамповке / Я.Н. Бовтало, В.Н. Игнатенко Н.Ю. Калпина// Состояние, проблемы и перспективы создания корабельных информационно-управляющих комплексов: сборник докладов научно-технической конференции ОАО «Концерн «Моринформсистема - Агат» - М., 2008, С. 260 - 263.

6. Головин В.А. Холодная объемная штамповка в автомобилестроении: учеб. пособие для вузов по дисциплине «Технология ковки и объемной штамповки» / В.А. Головин, Ю.К. Филиппов, В.Н. Игнатенко и др.; - М., Мами, 2008, - 154 с.

7. Игнатенко В.Н. Применение холодной объемной штамповки в заготовительном производстве / В.Н. Игнатенко // Обработка металлов давлением: сборник научных трудов ДГМА - Краматорск, 2008, С. 168 - 171.

8. Бовтало Я.Н. Зависимость механических свойств стали от величины деформации и схемы напряженного состояния / Я.Н. Бовтало, В.Н. Игнатенко, Ю.К. Филиппов // Обработка металлов давлением: сборник научных трудов ДГМА - Краматорск. 2009 (в печати).

Размещено на Allbest.ru