25

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбаська державна машинобудівна академія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Удосконалення процесів одержання листових деталей з буртом на основі використання способу сполученого формування-пробивання

Спеціальність 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском

Короткий Сергій Олександрович

Краматорськ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Донбаській державній машинобудівній академії (ДДМА, м. Краматорськ) Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Тарасов Олександр Федорович, Донбаська державна машинобудівна академія, завідувач кафедри комп`ютерних інформаційних технологій

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Синков Вадим Григорович, Інститут фізики гірничих процесів НАН України (м. Донецьк), заступник директора з наукової роботи

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Юрченко Олександр Анатолійович, Національний технічний університет "ХПІ" (м. Харків), доцент кафедри "Обробка металів тиском"

Захист відбудеться "12" травня 2010 р. о 13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.105.01 із захисту дисертацій у Донбаській державній машинобудівній академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й навчальний корпус, ауд.1319).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Донбаської державної машинобудівної академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й навчальний корпус).

Автореферат розісланий " 9 " квітня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Ю.К. Доброносов

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Підвищення якості готових штампованих виробів з листового матеріалу та інтенсифікація технологічних процесів їх одержання є основними напрямами розвитку листового штампування.

У машинобудуванні та приладобудуванні широко використовуються листові деталі, за контурами яких формуються технологічні елементи різного функціонального призначення (бурти, скоси, фасонні поверхні і т.д.). Традиційно такі деталі одержують шляхом послідовного виконання базової технологічної операції розділення та формоутворення буртів або інших елементів за контуром розділення. В деяких випадках з метою підвищення продуктивності процес штампування таких деталей здійснюють шляхом сполучення розділових та формоутворюючих операцій. Але відомі технологічні процеси не дозволяють здійснювати формування бурту за периметром розділення, коли його висота є співрозмірною з товщиною заготовки. Крім того, процес розділення заготовки характеризується локалізацією деформації між пуансоном та матрицею, що знижує якість поверхні розділення та може призводити до появи браку при виконанні наступних переходів штампування, що обмежує технологічні можливості даних процесів. Тому особливого значення набуває розробка та практичне впровадження сполучених технологічних процесів одержання листових деталей з буртом, при яких розділення заготовки здійснюється сумісно з формуванням бурту за контуром деталі.

Аналіз особливостей перебігу сполучених процесів штампування листових деталей з невисокими буртами та напружено-деформованого стану (НДС) металу заготовки, який виникає при їх реалізації, класичними методами розрахунку процесів обробки металів тиском є ускладненим, тому що вони не дозволяють повною мірою враховувати схему навантаження заготовки, зміну механічних характеристик її матеріалу в осередку пластичної деформації, зміну товщини заготовки в процесі деформування та інші фактори. Це перешкоджає практичному впровадженню даних технологічних процесів у виробництво внаслідок їх недостатньої вивченості та відсутності рекомендацій з проектування технології та штампового оснащення для їх реалізації.

Таким чином, подальший розвиток технології одержання листових деталей із невисоким буртом за периметром розділення є актуальною задачею, яка має важливе наукове та практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт, передбачених планами Міністерства освіти і науки України (№ державної реєстрації 0105U002201, 0107U001302) та проведених у Донбаській державній машинобудівній академії, в яких автор був виконавцем.

Мета та завдання дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності процесів штампування листових деталей з буртом на основі розробки та застосування способу сполученого формування-пробивання.

Для досягнення поставленої мети сформульовані наступні задачі:

- виконати аналіз технологічних процесів листового штампування, які супроводжуються деформуванням зони розділення, з метою визначення шляхів розвитку технології одержання листових деталей з буртом;

- розробити розрахункові моделі сполучених технологічних процесів розділення та деформування кільцевої зони навколо пробитого отвору у листових деталях, а також навантажених елементів штампового оснащення на основі використання методу скінченних елементів (МСЕ);

- теоретично та експериментально виявити закономірності впливу параметрів технологічного процесу на ступінь перерозподілу металу в бурті, на НДС металу заготовки, ступінь використання ресурсу пластичності матеріалу заготовки у процесі сполученого формування-пробивання заготовки;

- встановити особливості перебігу процесу деформування бурту, одержаного шляхом сполученого формування-пробивання, при його подальшому осадженні на жорсткій або пластичній оправках;

- встановити вплив геометричних та експлуатаційних параметрів штампового оснащення на пружні деформації робочого пакету штампа при виконанні сполученого формування-пробивання заготовки;

- дати оцінку ступеня вірогідності отриманих теоретичних результатів шляхом їхньої експериментальної перевірки;

- розробити рекомендації та методику проектування технологічних процесів та штампового оснащення для одержання листових деталей з буртом.

Об'єкт дослідження. Сполучені процеси одержання листових деталей з буртом.

Предмет дослідження. Закономірності формозміни та технологічні режими одержання листових деталей з буртом при сполученому формуванні-пробиванні.

Методи досліджень. Теоретичний аналіз НДС металу заготовки та навантажених елементів штампового оснащення проведений з використанням МСЕ та феноменологічної деформаційної теорії руйнування, а також методів кластерного аналізу.

Експериментальні дослідження технологічних процесів проводилися з використанням методу фізичного моделювання для виміру технологічних сил та аналізу особливостей формозміни заготовки, методу визначення НДС металу заготовки за розподілом мікротвердості та методу тензометрії для визначення пружних деформацій штампового оснащення, а також методів випробування механічних властивостей листових матеріалів на розтягання та зсув.

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

Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше для розробленого сполученого процесу формування-пробивання листових заготовок з утворенням бурту встановлені співвідношення товщини заготовки, діаметра пуансона, глибини та діаметра формоутворюючої порожнини матриці, які забезпечують накопичення металу у бурті та підвищення якості поверхні розділення при проникненні пуансона в заготовку у процесі формування;

- одержала подальший розвиток модель процесу формування-пробивання заготовки на основі сполученого використання методу скінченних елементів та феноменологічного критерію деформівності, що дозволило оцінити ступінь використання ресурсу пластичності заготовки та встановити умови її розділення при сполученому формуванні бурту;

- поширено уявлення про характер деформування робочого пакету штампа у процесі сполученого формування-пробивання з урахуванням піддатливості елементів технологічної системи, що дозволило запропонувати схему робочого пакету, яка забезпечує стабільність зазорів між пуансоном та матрицею;

- набули подальшого розвитку уявлення про закономірності перебігу процесу деформування бурту, який отримано шляхом сполученого формування-пробивання, що дозволило обґрунтувати та запропонувати нові способи зміцнення внутрішніх контурів листових деталей та одержання нероз'ємних з'єднань підвищеної міцності.

Практична цінність результатів роботи:

- розроблено рекомендації з визначення геометричних параметрів вузла матриці при проектуванні штампового оснащення для одержання листових деталей з буртом шляхом сполученого формування-пробивання;

- розроблено методику та програмне забезпечення, які дозволяють на основі обчислення ступеня використання ресурсу пластичності встановити стадію розрахунків, на якій відбувається розділення заготовки при моделюванні процесів її деформування в універсальних середовищах скінченно-елементного аналізу;

- за результатами проведених досліджень запропоновано: заклепувальне з'єднання, яке має підвищену міцність та піддатливість; спосіб зміцнення внутрішніх контурів листових деталей, які захищені патентами України;

- розроблено рекомендації з проектування штампового оснащення з урахуванням схеми установлення та закріплення штампа в робочому просторі преса; запропоновано схему установлення штампа на додаткову підштампову плиту, що забезпечує зниження пружних деформацій штампового блоку.

Результати дисертаційної роботи у вигляді методики скінченно-елементного моделювання технологічних процесів штампування листових деталей з буртом з оцінкою ступеня використання ресурсу пластичності матеріалу заготовок, а також рекомендацій з удосконалення технологічних процесів і штампового оснащення для одержання листових деталей з буртом використані на ЗАТ "Новокраматорський машинобудівний завод" (м. Краматорськ), на ЗАТ "ПОЖЗАХИСТ" (м. Маріуполь). Окремі положення дисертації використовуються на кафедрі "Машини та технології обробки металів тиском" Донбаської державної машинобудівної академії в рамках викладання низки спеціальних дисциплін, а також при виконанні науково-дослідних робіт, курсових та дипломних проектів студентами спеціальності "Обладнання для обробки металів тиском".

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно здійснив постановку задач скінченно-елементного аналізу та підготовку вхідних даних для розрахунку НДС металу заготовки та елементів штампового оснащення при виконанні технологічних операцій одержання листових деталей з буртом, зміцнення внутрішніх контурів листових деталей, одержання заклепувальних з'єднань, розробку розрахункових моделей розглянутих технологічних процесів, розробку методики, що дозволяє прогнозувати стадію скінченно-елементного моделювання процесів деформування заготовки, на якій відбувається її розділення, розробку методик та проведення експериментальних досліджень розглянутих технологічних процесів та пружних деформацій штампового оснащення, аналіз та узагальнення отриманих у роботі результатів теоретичних та експериментальних досліджень, реалізацію розроблених методик у вигляді програмного забезпечення.

В анотаціях до списку опублікованих робіт за темою дисертації поданий внесок здобувача в роботах, виконаних у співавторстві.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи повідомлені та обговорені: на 6 Міжнародних науково-технічних конференціях (МНТК) із проблем дослідження та удосконалення технології та обладнання обробки тиском (м. Краматорськ, 2000-2005); на науково-практичній конференції "Розвиток методів розрахунку, удосконалення технології та устаткування обробки металів тиском" (м. Краматорськ, 2007); на МНТК "Машини та пластична деформація металів" (м. Запоріжжя, 2007); на VI Міжнародній науково-практичній конференції "Інтелект молодих - виробництву 2007" (м. Краматорськ, 2007); на V, VI МНТК "Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку" (м. Краматорськ, 2007, 2008); на МНТК "Сучасні методи моделювання процесів обробки металів тиском" (м. Краматорськ, 2008); на МНТК "Сучасні тенденції розвитку машинобудування та транспорту" (м. Кременчук, 2008); на МНТК "Прогресивна техніка та технологія - 2009" (м. Севастополь, 2009); на щорічних наукових семінарах (2001-2009) і на об'єднаному науковому семінарі (2008, 2010) ДДМА; на науковому семінарі кафедри "Механіка пластичності матеріалів та ресурсозберігаючі процеси" НТУУ "КПІ" (2009).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи викладені у 16 друкованих наукових працях, з них 10 опубліковані у 10 спеціалізованих наукових виданнях з переліку ВАК України. Отримано 4 патенти України на корисну модель.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків та додатків. Загальний обсяг роботи - 206 сторінок машинописного тексту, у тому числі 142 сторінки основного тексту, 39 рисунків на 29 сторінках, 10 таблиць на 8 сторінках, список використаних джерел з 125 найменувань на 13 сторінках та 3 додатка на 14 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, показаний зв'язок роботи з науковими програмами та темами, сформульовані мета та завдання дослідження. Відзначено особистий внесок здобувача, дана характеристика наукової новизни та практичної цінності результатів роботи, а також їхня апробація.

У першому розділі виконана систематизація існуючих технологічних схем одержання листових деталей з деформуванням кільцевої зони заготовки за контуром розділення. Проведено огляд та аналіз методів розрахунку параметрів НДС металу заготовки при виконанні операцій листового штампування, під час яких здійснюється формування зони вздовж периметра розділення, а також навантажених елементів штампового оснащення при реалізації технологічних операцій даної групи. Значний внесок у розвиток теоретичних та експериментальних методів аналізу операцій листового штампування та штампового оснащення для їхньої реалізації внесли О.Ю. Аверкієв, С.А. Валієв, С.І. Вдовін, А.А. Воропаєв, Г.Д. Дель, В.О. Жарков, Є.К. Козлов, Г.І. Майоров, Ф.П. Михаленко, А.Г. Овчинников, В.А. Огородников, Є.О. Попов, І.П. Ренне, В.П. Романовський, Л.І. Рудман, Г.Д. Скворцов, Г.О. Смирнов-Аляєв, В.І. Стеблюк, Л.Г. Степанський, Л.О. Шофман, С.П. Яковлев та інші вчені.

У результаті проведеного аналізу встановлено наступне:

- у машинобудуванні та приладобудуванні існує значна номенклатура листових деталей, що мають бурти, висота яких є співмірною з товщиною листового матеріалу, та інші конструктивні елементи за контуром розділення, отримані їхнім формуванням, які забезпечують відносне позиціювання деталей у процесі складання, зміцнення контурів деталі та інші функції;

- існуючі інженерні методики аналізу НДС металу заготовки у процесі виконання технологічних операцій формування бурту за контуром розділення не дозволяють повною мірою враховувати реальні умови їхньої реалізації, такі як деформаційне зміцнення матеріалу заготовки, умови тертя на контактних поверхнях, зміну товщини заготовки у процесі деформування та інші фактори;

- відсутні методики розрахунку НДС металу листових заготовок при виконанні сполучених операцій формування-пробивання;

- удосконалення технологічних процесів холодного листового штампування вимагає розгляду як технологічних, так і конструктивних аспектів проектування штампового оснащення, тому що пружні деформації елементів штампів істотно впливають на точність та якість деталей, які штампуються;

- при проектуванні штампового оснащення використовуються різні методики розрахунку, які, однак, не дозволяють виконати комплексний аналіз деформування робочого пакету штампа, тому що відсутні методики, що дозволяють визначати деформації штампового оснащення з урахуванням піддатливості елементів технологічної системи: матриці, штампових та підштампових плит та стола преса, а також способу кріплення штампа та інших факторів.

У другому розділі виконаний вибір напряму та обґрунтування методів теоретичних та експериментальних досліджень.

У якості універсального теоретичного методу аналізу параметрів НДС металу заготовки у процесі виконання технологічних операцій сполученого формування-пробивання та пружних деформацій штампового оснащення при реалізації даного технологічного процесу був обраний МСЕ. При цьому з метою визначення моменту остаточного розділення заготовки скінченно-елементні моделі, які використовувались, були доповнені розробленими автором методикою та програмними засобами розрахунку ступеня використання ресурсу пластичності на основі феноменологічного критерію деформівності матеріалу.

Експериментальні дослідження в лабораторних умовах проводили з метою виявлення закономірностей перебігу процесу сполученого формування-пробивання, уточнення вхідних даних для постановки задач скінченно-елементного моделювання, а також для оцінки ступеня вірогідності отриманих теоретичних результатів. Для аналізу полів напружень та деформацій у зоні пластичного деформування заготовки при реалізації розглянутого способу використовували методику визначення НДС металу заготовки в осередку пластичної деформації випробуванням мікротвердості. З метою оцінки величини пружних деформацій навантажених елементів штампового оснащення проводили дослідження відхилення колонок штампа від вертикального положення під дією технологічного навантаження з використанням методів тензометрії.

Достовірність отриманих результатів експериментальних досліджень оцінювали на основі застосування методів математичної статистики.

У третьому розділі наведені результати теоретичних досліджень НДС металу заготовки та штампового оснащення при виконанні технологічного процесу сполученого формування-пробивання. У межах виконаної систематизації типових схем технологічних операцій для розробки теоретичних моделей і виконання досліджень зазначені та вирішені задачі: сполучене формування-пробивання листової заготовки, стиснене осадження бурту листової заготовки на жорсткій оправці та осадження бурту листової заготовки на оправці, яка пластично деформується. Ці задачі є основою проектування різних технологічних процесів.

У запропонованому автором технологічному процесі сполучене формування-пробивання листової заготовки конструктивно реалізовували шляхом розміщення на матриці контурної накладки з отвором, контур якого є еквідистантним до контуру отвору в матриці. При деформуванні листової заготовки на контурній накладці відбувається її прогин в отвір та пробивання. Перебіг процесу залежить від геометричних параметрів матриці та пуансона:

, , , , (1)

де - діаметр отвору у контурній накладці; - діаметр отвору у матриці; - товщина заготовки; - висота формоутворюючої порожнини матриці; - радіус заокруглення на пуансоні; - радіус заокруглення на матриці.

Залежно від співвідношень параметрів (1) можливі різні режими перебігу процесу, а саме: розділення заготовки над пробивною матрицею з одночасним формуванням кільцевої області навколо отвору або на матриці після формування.

У рамках дослідження даного технологічного процесу вивчали вплив геометричних параметрів схеми деформування (1) на НДС металу заготовки та особливості виконання процесу. Для цього здійснювали чисельне моделювання процесу сполученого формування-пробивання (рис.1) в середовищі системи скінченно-елементного аналізу ABAQUS (№ ліцензії 003048701cb2).

Як показали результати моделювання, визначальне значення на режим формування кільцевої області навколо пробитого отвору при постійній товщині заготовки та висоті формоутворюючої порожнини матриці має параметр : при невеликих значеннях цього параметра розділення заготовки здійснюється над матрицею без виникнення контакту між нею та заготовкою; зі збільшенням значення при досягненні деякого значення розділення заготовки здійснюється на матриці після виникнення контакту з нею у процесі формування. Гарантоване розділення заготовки на матриці після виконання формування бурту дозволяє прогнозувати його висоту та форму, які визначаються геометрією вузла матриці.

Для визначення раціонального значення параметра необхідно контролювати момент розділення заготовки, для чого була розроблена та реалізована у вигляді програмного забезпечення методика, яка дозволяє оцінити ступінь використання ресурсу пластичності в осередку пластичної деформації на довільній стадії скінченно-елементного моделювання.

Застосування розробленого програмного забезпечення та обробка результатів розрахунків МСЕ дозволили встановити умови, за яких остаточне розділення заготовки здійснюється на робочій крайці матриці після формування максимально можливого для даної заготовки бурту, що забезпечує стабільність розмірів отриманої деталі:

де - константа, що характеризує міцністні параметри матеріалу, що штампується (на основі кластерного аналізу результатів проведених у роботі теоретичних та експериментальних досліджень процесу сполученого формування-пробивання виявлено, що для досліджених матеріалів (сталь 08кп, Ст3) ).

У результаті деформування кільцевої області заготовки у процесі сполученого формування-пробивання за рахунок радіального плину металу під пуансоном здійснюється накопичення металу в бурті. Цьому процесу сприяє також підвищення радіусу заокруглення пуансона. У зв'язку з цим другою задачею розглядали осадження отриманого бурту на жорсткій оправці, яке супроводжується випрямленням отриманого раніше бурту, у результаті чого здійснюється зміцнення контуру листового виробу, що підвищує його експлуатаційні властивості.

Для чисельного аналізу параметрів НДС металу заготовки при зміцненні контурів деталей на жорсткій оправці була розроблена розрахункова схема (рис.2, а), що включає пуансон 1, матрицю 2 та притиск 3, які моделювали як абсолютно тверді тіла, а також заготовку 4 з отвором і буртом. Моделювання здійснювали у вісесиметричній постановці з урахуванням тертя між елементами моделі (коефіцієнт тертя ). Крім того, при моделюванні враховували зміцнення металу заготовки, параметри якого визначали експериментально для сталі 08кп. При виконанні розрахунків приймали, що матриця та притиск жорстко затиснені, а пуансон переміщується у вертикальному напрямку, здійснюючи деформування бурту деталі. При моделюванні приймали значення , а значення параметра варіювали в діапазоні , що дозволило розглянути різні режими формування-пробивання заготовки. Значення сили деформування бурту (рис.2, б) визначали залежно від параметра , де - хід пуансона; - висота бурту, одержаного в процесі формування-пробивання заготовки при даних параметрах.

За результатами теоретичних досліджень процесу деформування бурту деталі на жорсткій оправці встановлено, що його перебіг можна умовно поділити на три етапи. На першому етапі відбувається зминання виступу, яке характеризується швидким зростанням сили деформування до певного значення, достатнього для виконання зворотного вивороту бурту (другий етап), у результаті чого здійснюється вирівнювання кільцевої зони навколо пробитого отвору. У процесі виконання вивороту бурту спостерігається розповсюдження осередку пластичної деформації на весь об'єм металу бурту, завдяки чому відбувається його зміцнення. Після того, як до процесу пластичного деформування включений значний обсяг металу бурту, здійснюється його осадження (третій етап), яке супроводжується різким зростанням сили деформування.

Розглядали також процес сумісного деформування сформованого бурту листової деталі та оправки. До таких процесів відноситься, зокрема, одержання заклепувальних з`єднань. Тому на основі розглянутих вище задач запропонований технологічний процес одержання заклепувального з'єднання шляхом спільного осадження стрижня заклепки та буртів на листових деталях, які з`єднують. При цьому процес формоутворення замикаючої головки заклепки супроводжується частковим виворотом буртів та підкарбуванням усього з'єднання, що призводить до додаткового зміцнення металу в зоні розташування заклепки. У результаті, на відміну від традиційного заклепувального з'єднання, виворіт буртів сприяє виникненню більш щільного з'єднання та залишкових стискаючих напружень у зоні контакту між стінками отворів у деталях, які з'єднують, та заклепкою.

З метою чисельного аналізу параметрів даного процесу з'єднання листових деталей із буртами розроблені скінченно-елементні моделі. Моделювали як процес одержання традиційного заклепувального з'єднання (рис.3, а), так і процес спільного деформування буртів листових деталей і стрижня заклепки (рис.3, б).

При постановці задачі скінченно-елементного аналізу пуансон моделювали як жорстку поверхню, яка не деформується, а заготовки, які заклепують, та заклепку - як тіла, що деформуються та зміцнюються. При цьому в якості матеріалу заготовок використовували сталь 08кп, а в якості матеріалу заклепки - сталь Ст2. Моделювання здійснювали з урахуванням тертя на контактуючих поверхнях (коефіцієнт тертя приймали ).

Особливістю даної розрахункової схеми є те, що моделювання виконували в 2 етапи. На першому етапі моделювали процес сумісного деформування стрижня заклепки та буртів листових деталей, що з'єднуються. Одержані при цьому поля параметрів НДС використовували як вхідні дані для виконання другого етапу розрахунку, на якому моделювали відносне зрушення листових деталей у площині їхнього контакту аж до руйнування стрижня заклепки.

Порівняльний аналіз отриманих результатів моделювання (рис.4) показав, що для руйнування заклепувального з'єднання, отриманого на основі використання деталей із буртом, необхідна сила, значення якої на 30% більше, ніж для руйнування традиційного заклепувального з'єднання, що пояснюється зміцненням металу в зоні з'єднання, а також наявністю буртів та фасок на деталях, які викликають збільшення діаметра кільцевої зони, яка сприймає навантаження, а також зростання площі контакту між з'єднувальними деталями та заклепкою. Установлено також, що відносна деформація, яку здатне сприйняти запропоноване заклепувальне з'єднання до його руйнування, перевищує відповідне значення для традиційного з'єднання на 12%, що в цілому підвищує енергію руйнування розглянутого заклепувального з`єднання у 1,5 рази за рахунок того, що перед руйнуванням заклепки відбувається об'ємне деформування з'єднання з виникненням напружень розтягання у стрижні заклепки.

Особливістю розглянутого процесу сполученого формування-пробивання є навантаження заготовки у процесі формування над матрицею, що викликає пружне деформування штампового оснащення та порушує співвісність робочого інструменту штампа. Тому з метою аналізу пружних деформацій штампового оснащення у процесі виконання формування-пробивання була розроблена розрахункова схема, що включає елементи технологічної системи: плиту, яка моделює стіл преса, нижню плиту штампового блоку та матрицю. Геометрія плит відповідала реальній конструкції штампа та стола преса. Моделювання здійснювали з урахуванням тертя на контактуючих поверхнях і дії групових болтових з`єднань, що є попередньо затягнутими та мають осьову піддатливість, які моделюють кріплення матриці до нижньої плити штампового блоку та нижньої плити до стола преса. Аналіз даної моделі здійснювали з використанням інтегрованої системи скінченно-елементного моделювання COSMOSWorks (серійний № 9701 0020 0112 6231).

У результаті моделювання встановлено, що матриця не тільки передає технологічну силу на нижню плиту штампового блоку, як це заведено вважати в інженерних методиках розрахунку навантажених елементів штампа, але й сама чинить істотний опір прикладеному навантаженню. Крім того, під дією технологічної сили робоча крайка матриці пружно деформується, що може призводити до зміни технологічного зазору між матрицею та пуансоном і негативно впливати на якість штампованих деталей.

На основі аналізу характеру пружних деформацій навантажених елементів штампа запропонована конструктивна схема, відповідно до якої нижня плита штампового блоку виконується без поздовжнього паза для видалення деталей і встановлюється на універсальну додаткову підштампову плиту з пазом, що дозволяє підвищити жорсткість нижньої плити штампового блоку в області дії максимальних навантажень та обмежити зону контакту нижньої плити штампа та стола преса. При цьому згинальний момент, що виникає при затягуванні болтів, які кріплять нижню плиту штампового блоку до стола преса, компенсує дію моменту, який виникає внаслідок прикладення технологічного навантаження. Як показали результати чисельного моделювання даної схеми, використання додаткової підштампової плити дозволяє істотно знизити пружні деформації нижньої плити штампового блоку при одночасному зниженні маси плити штампа (для розглянутої конструкції штампа - до 26%). Запропонована схема забезпечує підвищення експлуатаційних характеристик штампового оснащення.

Четвертий розділ присвячений експериментальним дослідженням, статистичній обробці та аналізу їхніх результатів.

З метою визначення механічних властивостей металу заготовок, які використовувались, побудови експериментальної кривої зміцнення матеріалу та поверхні граничних деформацій, які застосовані при скінченно-елементному моделюванні розглянутих технологічних процесів, здійснювали випробування листових матеріалів на лінійне розтягання та зсув.

Для підтвердження вірогідності розроблених скінченно-елементних моделей здійснювали експериментальне дослідження сполученого процесу формування-пробивання листової заготовки.

Експериментальні дослідження проводили у наступних діапазонах параметрів:

бурт листова деталь формування пробивання

- у заготовках зі сталі 08кп, Ст3 та алюмінію АД1 товщиною , пробивали отвір при та , та ;

- у заготовках зі сталі 08кп товщиною пробивали отвір при , , та ;

- у заготовках зі сталі 08кп товщиною , які складалися з 6 шарів (товщина шару ), пробивали отвір при , .

Порівняння отриманих теоретичних та експериментальних значень сили штампування показало, що відносна похибка отриманих розрахункових значень даного параметра не перевищує 13% у всіх розглянутих випадках. При цьому відзначено, що у випадку, коли розділення заготовки відбувається до виникнення контакту з матрицею, якість стінки пробитого отвору підвищується внаслідок перетікання металу через радіусну крайку пуансона при його проникненні в заготовку (рис.5, а).

Аналіз геометрії відходу матеріалу заготовки показав, що у результаті перетікання металу з-під пуансона у бурт відбувається зменшення товщини відходу відносно товщини основного матеріалу та збільшення об'єму металу в бурті. Встановлено, що при сполученому формуванні-пробиванні отворів діаметром до 20% металу відходу перетікає в бурт.

Для визначення розподілу параметрів НДС металу в об'ємі заготовки здійснювали аналіз мікротвердості, яку вимірювали на шліфах заготовок зі сталі 08кп товщиною , отриманих у результаті формування-пробивання отворів діаметром в заводських умовах. Порівняльний аналіз теоретичних та експериментальних полів напружень та деформацій в об`ємі бурту заготовки показав, що відносна похибка чисельного рішення не перевищує 7% (див. рис.5, б).

Проводили також експериментальне дослідження міцності заклепувального з'єднання, отриманого в результаті спільного осадження стрижня заклепки та буртів на листових деталях, які з'єднують. Для проведення досліджень у заготовках зі сталі Ст3 товщиною здійснювали формування-пробивання отворів діаметром , в які встановлювали та розклепували заклепки за ДСТ 10300-80. З метою оцінки міцності отриманого заклепувального з'єднання зразки розтягували на іспитовій машині ІМЧ-30 аж до руйнування з'єднання.

Порівняльний аналіз теоретичних та експериментальних значень максимальної сили руйнування заклепувального з'єднання показав, що відносна похибка теоретичного розрахунку не перевищує 13% (див. рис.4), підтверджуючи тим самим адекватність чисельних моделей. При цьому експериментально встановлено, що міцність запропонованого з'єднання підвищилася на 27% при одночасному збільшенні на 16% відносного подовження заготовок, які розтягують. Таким чином, енергія руйнування запропонованого з'єднання зростає до 1,5 разів у порівнянні із традиційним заклепувальним з'єднанням, що відповідає результатам чисельного рішення.

У межах експериментальних досліджень пружних деформацій елементів штампового оснащення, які виникають під дією технологічного навантаження, вимірювали кут відхилення напрямних колонок штампового блоку від вертикального положення. Порівняльний аналіз теоретичних та експериментальних значень даного параметру показав, що відносна похибка чисельного рішення не перевищує 10%, підтверджуючи тим самим адекватність теоретичних результатів, одержаних при скінченно-елементному моделюванні.

Для лабораторного штампу використання додаткових опор нижньої плити, за допомогою яких моделювали запропоновану схему встановлення штампу на підштампову плиту, дозволило знизити кут відхилення напрямних колонок штампового блоку від вертикального положення у 3,7 рази.

Результати експериментальних досліджень обробляли методами математичної статистики. Адекватність теоретичних на експериментальних даних підтверджена на основі критерію Фішера.

У п`ятому розділі отримані в роботі результати використані при розробці нових та удосконаленні існуючих технологічних процесів одержання листових деталей методами формування-пробивання, які супроводжуються деформуванням кільцевої зони навколо контуру розділення.

Зокрема, застосування формування-пробивання отворів у деталі "Перегородка" глушника автомобіля ВАЗ 2108 дозволило забезпечити можливість сполучення даної деталі з патрубками після додаткової відбортовки та виключити необхідність виконання операції роздачі, що використовується у базовому технологічному процесі, за рахунок наявності скосу на торці одержаного борту, який є достатнім для виконання складальних операцій.

На підставі отриманих у роботі результатів удосконалена технологія виробництва вузла кріплення корпусу вогнегасника типу ОП-6 з патрубком, суть якої полягає у формуванні бурту за периметром отвору, що пробивається, та його наступному зворотному вивороті на патрубку, у результаті чого забезпечується калібрування отвору та виникає щільне з'єднання до виконання зварювання.

Розроблено технологічний процес та штампове оснащення для одержання листових деталей типу "Ніж", номенклатуру яких складають кутерні ножі, ножі побутових м'ясорубок, а також інші вироби аналогічного призначення. На відміну від традиційного способу одержання деталей даного типу, запропонований технологічний процес включає формування буртів на крайках листової деталі у процесі її вирубання-пробивання з наступним їх деформуванням, у результаті чого здійснюється деформаційне зміцнення металу в області центрального отвору та в робочих зонах ножа. Застосування такого процесу дозволяє підвищити експлуатаційні параметри виробу.

Для автоматизації проектування технології та оснащення для одержання листових деталей з буртом на основі використання структурно-функціональної моделі розроблений узагальнений алгоритм їх автоматизованого проектування. Перевагою системи є можливість виконання скінченно-елементного аналізу розглянутих у роботі моделей технологічних процесів та штампів після їхньої автоматизованої побудови в середовищі CAD-CAE-системи. Виконано програмну реалізацію модулів технологічних розрахунків, побудови геометричних моделей штампів, інтеграції з CAD - та CAE-системами, визначення ступеня використання ресурсу пластичності, а також розроблені параметричні моделі базових конструктивних елементів штампів.

Розроблені рекомендації прийняті до використання на ЗАТ "Новокраматорський машинобудівний завод" (м. Краматорськ) та на ЗАТ "ПОЖЗАХИСТ" (м. Маріуполь). Результати дисертаційної роботи та розроблене на їхній основі програмне забезпечення використовуються в навчальному процесі при вивченні студентами спеціальності "Обладнання для обробки металів тиском" низки спеціальних дисциплін, а також при виконанні науково-дослідних робіт, курсових і дипломних проектів.

Висновки

Дисертаційна робота присвячена дослідженню процесів одержання листових деталей з буртом шляхом сполученого формування-пробивання та направлена на вирішення актуальних задач машинобудування, які пов`язані з підвищенням ефективності даних технологічних процесів та якості штампованих деталей.

1 У машинобудуванні та приладобудуванні є значна номенклатура листових деталей з отворами, за периметром яких формуються бурти, що мають співрозмірну висоту з товщиною матеріалу, а також інші конструктивні елементи, які забезпечують відносне позиціювання деталей у процесі складання, зміцнення контурів деталі та інші функції. Існуючі методики аналізу НДС металу заготовки та штампового оснащення для одержання таких деталей не дозволяють повною мірою враховувати вплив технологічних факторів при виконанні сполучених операцій формування-пробивання з одержанням деталей із буртами та їх подальшому використанні. Для вирішення цієї задачі з урахуванням складного характеру НДС металу листової заготовки необхідне застосування МСЕ.

2 Чисельна модель процесу сполученого формування-пробивання листової заготовки, яка побудована на основі МСЕ, була доповнена засобами розрахунку ступеня використання ресурсу пластичності металу на основі феноменологічної теорії руйнування, що дозволило сформулювати залежність, яка за відомими значеннями технологічних параметрів процесу (товщина заготовки, діаметр пуансона, глибина та діаметр формоутворюючої порожнини матриці) дозволяє прогнозувати характер деформування та спосіб розділення заготовки в процесі її формування-пробивання. Зокрема, встановлено, що у випадку, коли висота бурту дорівнює товщині заготовки (), для забезпечення стабільності розмірів бурту його відносну ширину необхідно обирати з умови .

3 Установлено, що у випадках, коли у процесі сполученого формування-пробивання листової заготовки не відбувається локалізації деформацій між пуансоном та матрицею внаслідок відсутності контакту заготовки з робочою крайкою матриці (що спостерігається, наприклад, при , ), забезпечується підвищення якості поверхні розділення та збільшення об`єму бурту внаслідок перетікання металу через радіусну крайку пуансона при його проникненні в заготовку, що може бути використано при подальшому деформуванні бурту з метою зміцнення контурів листових деталей або одержання з'єднань з іншими деталями. Експериментально встановлено, що висота якісної поверхні на боковій стінці пробитого отвору досягає , а об`єм накопиченого металу в бурті - об`єму відходу.

4 Аналіз запропонованого технологічного процесу деформування попередньо сформованого бурту на жорсткій оправці, яке супроводжується його зворотним виворотом та підкарбуванням кільцевої зони навколо пробитого отвору, показав, що при цьому вздовж периметра отвору формується зона зміцненого металу, яка підвищує експлуатаційні параметри деталі. Встановлено умови, за яких осередок пластичної деформації поширюється на весь об`єм бурту, що забезпечує однорідність механічних властивостей металу вздовж контуру деталі: при зміні відносної ширини бурту в діапазоні необхідно забезпечити хід осадження в діапазоні .

5 Експериментальні дослідження запропонованого заклепувального з'єднання деталей з попередньо сформованими за периметром отворів буртами показали, що його міцність може бути підвищена на 27% при одночасному збільшенні піддатливості на 16%, підвищуючи тим самим енергію руйнування з'єднання до 1,5 разів.

6 Скінченно-елементний аналіз та експериментальні дослідження спільного деформування технологічної системи (штампового оснащення та стола преса) показав можливість зниження деформації матриці та нижньої плити штампа за рахунок застосування додаткової плити, що підтверджено експериментально (зокрема, для розглянутого штампа кут відхилення колонок від вертикального положення було знижено у 3,7 рази).

7 Експериментальні дослідження запропонованих в роботі технологічних процесів підтвердили адекватність результатів розрахунків, одержаних за чисельними моделями. Порівняльний аналіз результатів теоретичних та експериментальних досліджень показав, що відхилення між ними не перевищують: при визначенні НДС металу заготовки в процесі сполученого формування-пробивання - 7%, при визначенні силового режиму даного процесу - 13%; при визначенні деформацій штампового оснащення - 10%.

8 Розроблені технологічні рекомендації з удосконалення ряду процесів штампування листових деталей з невисокими буртами, які були впроваджені на двох промислових підприємствах. Розроблена та частково реалізована у вигляді програм для ЕОМ методика побудови інтегрованої системи автоматизованого проектування технологічних процесів та штампового оснащення для одержання листових деталей із буртом за периметром розділення. Результати теоретичних та експериментальних досліджень розглянутих в роботі технологічних процесів, а також розроблені програмні засоби використовуються в учбовому процесі.

Список опублікованих робіт

1 Тарасов А.Ф. Технология проектирования оборудования и оснастки на основе визуального структурного подхода / А.Ф. Тарасов, М.А. Винников, С.А. Короткий // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: зб. наук. праць. - Краматорськ: Слов`янськ, 2000. - С.311-315.

2 Тарасов А.Ф. Расчет напряженно-деформированного состояния в элементах штампов с использованием пакета конечно-элементного анализа COSMOS/Works / А.Ф. Тарасов, С.А. Короткий // Кузнечно-штамповочное производство. - 2004. - № 8. - С.27-30.

3 Тарасов А.Ф. Комплексный подход к проектированию технологии и штамповой оснастки для листовой штамповки / А.Ф. Тарасов, С.А. Короткий // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем: зб. наук. праць. - Краматорськ, 2005. - № 17. - С.308-313.

4 Тарасов А.Ф. Влияние конструкции штампа на деформацию элементов штампового блока и рабочего инструмента штампа / А.Ф. Тарасов, С.А. Короткий // Кузнечно-штамповочное производство. - 2006. - № 2. - С.34-37.

5 Тарасов А.Ф. Моделирование и экспериментальное исследование способа пробивки листовой заготовки на контурной накладке / А.Ф. Тарасов, С.А. Короткий // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем: зб. наук. праць. - Краматорськ: К., 2006. - № 20. - С.217-221.

6 Короткий С.А. Исследование процесса упрочнения контуров деталей, полученных путем вырубки-пробивки, на основе конечно-элементного моделирования / С.А. Короткий // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: зб. наук. праць. - Краматорськ, 2008. - С.83-86.

7 Короткий С.А. Моделирование и экспериментальное исследование упругих деформаций штамповой оснастки / С.А. Короткий // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем: зб. наук. праць. - Краматорськ, 2008. - № 23. - С.148-153.

8 Короткий С.А. Моделирование и экспериментальное исследование заклепочного соединения повышенной прочности / С.А. Короткий, А.Ф. Тарасов, М.Л. Корнева // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. - Кременчук, 2008. - Ч.2. - С.54-56. - (Вип.5 (52)).

9 Короткий С.А. Систематизация технологических процессов получения листовых деталей с локальным нагружением зоны деформирования / С.А. Короткий, А.Ф. Тарасов // Вісник ДДМА. - Краматорськ, 2008. - № 3Е (14). - С.100-104 // www.nbuv.gov.ua.

10 Тарасов А.Ф. Моделирование разделительных операций на основе оценки степени использования ресурса пластичности материала в среде системы конечно-элементного анализа ABAQUS / А.Ф. Тарасов, С.А. Короткий // Нові матеріали та технології в металургії та машинобудуванні: наук. журнал. - Запоріжжя, 2010. - № 1. - С.114-117.

11 Пат. 19856 Україна, B 21 D 28/24. Спосіб одержання отворів з фаскою та підвищеною якістю зрізу / О.Ф. Тарасов, С.О. Короткий; заявник і патентовласник Донбаська державна машинобудівна академія. - u 2005 04655; Заявлено 18.05.2005; Опубл.15.01.07; Бюл. №1. - 2 с., 1 л. іл.

12 Пат.31436 Україна, B 21 D 28/00. Спосіб зміцнення контуру листових деталей / О.Ф. Тарасов, С.О. Короткий; заявник і патентовласник Донбаська державна машинобудівна академія. - u 2007 13239; Заявлено 28.11.2007; Опубл.10.04.2008; Бюл. №7. - 2 с., 2 л. іл.

13 Пат.41191 Україна, B 21 D 39/03. Спосіб одержання заклепувального з`єднання підвищеної міцності / О.Ф. Тарасов, С.О. Короткий; заявник і патентовласник Донбаська державна машинобудівна академія. - u 2008 14107; Заявлено 08.12.2008; Опубл.12.05.2009; Бюл. №9. - 2 с., 1 л. іл.

14 Пат.16711 Украина, G 06 T 17/00, 17/40. Спосіб створення об`ємних моделей виробів у системі автоматизованого проектування / О.Ф. Тарасов, М.О. Вінников, С.О. Короткий, С.О. Тарасов; заявник і патентовласник Донбаська державна машинобудівна академія. - u 2006 02535; Заявлено 09.03.2006; Опубл.15.08.2006; Бюл. №8. - 3 с.

15 Тарасов А.Ф. Комплексный подход к проектированию технологии и штамповой оснастки для листовой штамповки / А.Ф. Тарасов, С.А. Короткий // Матеріали третьої міжнародної науково-технічної конференції ["Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку"]. - Краматорськ, 2005. - С.103.

16 Короткий С.А. Моделирование и экспериментальное исследование упругих деформаций штамповой оснастки / С.А. Короткий // Матеріали VI міжнародної науково-технічної конференції ["Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку"]. - Краматорськ, 2008. - С.65.

Особистий внесок здобувача у роботах, опублікованих у співавторстві:

[1, 14] - запропонована та реалізована у вигляді програмних засобів методика відносного позиціювання моделей деталей штампа в процесі його побудови в CAD-системі; [2] - виконано чисельне рішення задачі спільного деформування навантажених елементів штампового оснащення; [3, 15] - виконано експериментальне дослідження способу формування-пробивання листової заготовки на матриці з формоутворюючою порожниною; [4] - проведений чисельний аналіз НДС штампового оснащення при використанні додаткової підштампової плити; [5] - проведений чисельний аналіз параметрів НДС металу у сформованому бурті заготовки; [8] - проведено чисельне моделювання процесу одержання заклепувального з'єднання підвищеної міцності; [9] - виконаний аналіз технологічних можливостей способів штампування листових деталей, одержання яких супроводжується деформуванням зони розділення; [10] - розроблено програмне забезпечення та виконані розрахунки ступеня використання ресурсу пластичності заготовки при моделювання розділових операцій листового штампування; [11] - розроблена схема штампового оснащення для виконання сполученого формування-пробивання листової заготовки; [12] - виконане скінченно-елементне моделювання способу зміцнення внутрішніх контурів листових деталей; [13] - розроблені методика та оснащення, виконані експериментальні дослідження способу одержання заклепувального з'єднання підвищеної міцності.

Анотація

Короткий С.О. Удосконалення процесів одержання листових деталей з буртом на основі використання способу сполученого формування-пробивання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.03.05 - "Процеси та машини обробки тиском". - Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ, 2010.

Дисертаційна робота спрямована на підвищення ефективності процесів штампування листових деталей з буртом. На основі скінченно-елементного моделювання та з використанням феноменологічних критеріїв руйнування матеріалу розроблені чисельні моделі для аналізу НДС металу заготовки при виконанні сполученого процесу формування-пробивання.

На базі розглянутого процесу формування-пробивання розроблені технологічні процеси зміцнення крайок штампованих листових деталей та одержання заклепувального з'єднання підвищеної міцності. Для аналізу НДС металу заготовки при реалізації запропонованих процесів на основі методу скінченних елементів розроблені чисельні математичні моделі.

На основі скінченно-елементного моделювання встановлено вплив конструктивних та експлуатаційних параметрів штампового оснащення на пружні деформації його навантажених елементів.

Достатній ступінь вірогідності отриманих чисельних моделей підтверджений експериментально.

На підставі отриманих результатів теоретичних та експериментальних досліджень розроблені рекомендації з удосконалення ряду технологічних процесів штампування листових деталей з буртом, а також методика побудови інтегрованої системи автоматизованого проектування технології та штампового оснащення для одержання листових деталей із буртом.

Ключові слова: листове штампування, розділові операції, сполучене формування-пробивання, ресурс пластичності, скінченно-елементне моделювання.

Аннотация

Короткий С.А. Совершенствование процессов получения листовых деталей с буртом на основе использования способа совмещенной формовки-пробивки. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - "Процессы и машины обработки давлением". - Донбасская государственная машиностроительная академия, Краматорск, 2010.

Диссертационная работа направлена на повышение эффективности процессов штамповки листовых деталей с буртом на основе разработки и применения способа формовки листовой заготовки в процессе ее пробивки.

В работе предложен совмещенный технологический процесс формовки-пробивки листовой заготовки, при котором формование кромки листовой детали осуществляется путем устранения контакта заготовки с матрицей на определенной части хода пуансона за счет размещения заготовки над пробивной матрицей.