Холодне видавлювання вісесиметричних порожнистих виробів з розтягненням стінки заготовки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

„Київський політехнічний інститут”

УДК 621.777.4

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Холодне видавлювання вісесиметричних порожнистих виробів з розтягненням стінки заготовки

Спеціальність 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском

Сабол Сергій Францович

Київ 2011

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасний розвиток промисловості в світі, в тому числі і в Україні, направлений на удосконалення існуючих та розробку нових технологій, що забезпечують виробництво конкурентноздатної продукції та збереження матеріальних, трудових, енергетичних, екологічних ресурсів. Одним із шляхів вирішення таких задач в металообробці є широке використання високопродуктивних процесів холодного об'ємного штампування (ХОШ), яке дозволяє суттєво зменшити витрати металів при забезпеченні точності, високих механічних властивостей та експлуатаційних характеристик виробів. Завдяки деформаційному зміцненню та покращенню мікроструктури здеформованого металу, в ряді випадків можна виключити подальшу термічну обробку виробів та замінити дорогі марки металу на більш дешеві без зміни надійності та довговічності виробів. Велику кількість деталей (близько 60 %), які отримують холодним видавлюванням (ХВ), складають вісесиметричні вироби з порожниною постійного діаметру та ступінчатими порожнинами (вироби типу «стакан», втулки, циліндри, деталі спеціальної техніки та багато інших деталей машино та приладобудування) . Однак високі питомі зусилля, які виникають при ХВ вказаних деталей, потребують використання процесів ХВ з роздачею або ХВ з розтягненням стінки заготовки для зменшення зусилля деформування та підвищення стійкості оснащення.

ХВ з розтягненням стінки заготовки дозволяє, в порівнянні з іншими способами формоутворення порожнистих виробів, досягати найбільшого зниження питомих зусиль на деформуючому інструменті. Існуючі конструкції штампів для таких процесів ХВ складні по конструкції, низькопродуктивні і, як правило, встановлюються на спеціалізоване ковальсько-пресове обладнання. Крім того, недостатньо вивчений вплив розтягувальних зусиль при ХВ на розподіл питомих зусиль на деформуючому інструменті та на механічні властивості здеформованого металу. Тому підвищення ефективності процесів холодного видавлювання вісесиметричних порожнистих виробів з розтягненням стінки заготовки з метою отримання деталей прогнозованої якості, а також розроблення простих і надійних конструкцій штампувального оснащення без використання додаткових пристроїв та приводів, і які встановлюються на універсальне пресове обладнання, є актуальною науково-практичною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась на кафедрі механіки пластичності матеріалів та ресурсозберігаючих процесів НТУУ ”КПІ”. Робота відповідає пріоритетному напрямку розвитку науки і техніки „Новітні технології ї ресурсозберігаючі технології в енергетиці і промисловості” і виконувалась в рамках держбюджетних тем № ДР 0103U000316 „Наукове та конструкторсько-технологічне забезпечення виробництва балонів скрапленого газу для вантажних автомобілів та автобусів, що відповідають міжнародним стандартам”, № ДР 0106U002485 „Виготовлення методом пластичної деформації прецизійних трубчастих виробів із спеціальним профілем внутрішньої поверхні” та № ДР 0109U000629 „Створення інформаційних технологій реалізації інтенсивного пластичного деформування матеріалів та поверхневого зміцнення при виготовленні деталей для забезпечення надійності та довговічності штампів”, виконавцем яких був автор.

Мета і задачі дослідження: Метою роботи є підвищення ефективності процесів холодного видавлювання вісесиметричних порожнистих виробів на основі розробки і застосування технологічних схем видавлювання з розтягненням стінки заготовки, що забезпечують підвищення стійкості деформуючого інструменту та отримання виробів прогнозованої якості.

Для досягнення мети було поставлено та вирішено наступні задачі:

- на основі аналізу існуючих способів холодного видавлювання порожнистих виробів із сталей, розробити та обгрунтувати схеми видавлювання вісесиметричних порожнистих виробів з розтягненням стінки заготовки без додаткових пристроїв і приводів, які забезпечують зниження питомих зусиль на деформуючому інструменті та реалізацію вказаних процесів на стандартному пресовому обладнанні.

- розрахунковим шляхом виявити зміну силових режимів деформування, напружено-деформованого стану заготовок в залежності від величини прикладеного розтягувального зусилля до стінки заготовки, а також від геометричних розмірів пуансонів і вихідних заготовок. Встановити вплив розтягувальних зусиль на фізико- механічні властивості отриманих виробів.

- розробити математичні моделі вісесиметричного холодного видавлювання порожнистих виробів з прикладанням розтягувальних зусиль до стінки заготовок для виявлення впливу вказаних зусиль на закономірності формоутворення виробів, розподіл питомих зусиль на деформуючому інструменті.

- на основі теоретичного аналізу процесу видавлювання вісесиметричних порожнистих виробів з розтягненням стінки заготовки отримати аналітичні залежності для визначення силових режимів деформування, розподілу питомих зусиль на інструменті, зміцнення здеформованого металу.

- експериментально перевірити адекватність створених математичних моделей.

- розробити рекомендації з проектування технологічних процесів та конструкцій штампувального оснащення для видавлювання вісесиметричних порожнистих виробів з розтягненням стінки заготовки на універсальному ковальсько-пресовому обладнанні. Впровадити технологічні процеси холодного видавлювання порожнистих виробів із сталей з прикладанням розтягувальних зусиль до заготовок в виробництво.

Об'єкт дослідження. Процеси холодного видавлювання вісесиметричних порожнистих виробів з навантаженням розтягувальними зусиллями стінки заготовки.

Предмет дослідження. Конструктивні, технологічні та фізико-механічні параметри процесів холодного видавлювання порожнистих виробів з розтягненням стінки заготовки, їх комплексний вплив спільно з прикладанням розтягувального зусилля на силові режими, питомі зусилля та якість виробів після ХВ.

Методи дослідження. Теоретичний аналіз формоутворення порожнистих виробів на неусталеній, перехідній та усталеній стадіях і до отримання кінцевого виробу шляхом моделювання виконаний МСЕ та методом балансу потужностей. Експериментальні дослідження проводилися в лабораторних і виробничих умовах з використанням універсального пресового обладнання і застосуванням спеціально виготовленого оснащення на натурних зразках. Фізико-механічні властивості здеформованого металу визначали згідно ГОСТ 1497-73.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукову новизну мають перелічені нижче результати теоретичних і експериментальних досліджень.

1. Вперше розроблено скінченно-елементні математичні моделі формоутворення порожнистих вісесиметричних виробів з розтягненням стінки заготовки, які, з урахуванням основних конструктивних, технологічних та фізико-механічних параметрів, включають визначення розвитку пружно-пластичних деформацій, виявлення впливу розтягувальних зусиль на: силові режими видавлювання, розподіл питомих зусиль на деформуючому інструменті, напружено-деформований стан, зміцнення і пластичність заготовок.

2. Вперше при ХВ порожнистих вісесиметричних виробів з розтягненням стінки заготовки теоретичним шляхом встановлені причини зменшення зусиль деформування і точний розподіл питомих зусиль при видавлюванні з різними ступенями деформації та кутом конусу пуансона. За допомогою комплексної оцінки впливу конструктивних, технологічних та фізико-механічних параметрів на процеси формоутворення порожнистих виробів визначені раціональні параметри, які необхідні для отримання виробів з прогнозованою якістю.

3. Вперше методом балансу потужностей, з урахуванням навантаження розтягувальним зусиллям, геометрії пуансонів, ступеня деформації, тертя та зміцнення металу отримані аналітичні залежності для визначення силових режимів, розподілу питомих зусиль на деформуючому інструменті в процесах ХВ порожнистих виробів з розтягненням стінки заготовки.

4. Вперше при ХВ порожнистих вісесиметричних виробів з розтягненням стінки заготовки встановлені механічні властивості здеформованого металу в виробах, які отримані пуансонами з різною геометрією торця.

Практичне значення отриманих результатів:

1. На основі встановлених закономірностей зміни силових режимів, питомих зусиль, виду напружено-деформованого стану заготовок, розроблена методика проектування технологічних процесів ХВ вісесиметричних порожнистих виробів з розтягненням стінки заготовки, яка дозволяє знизити витрати на технологічну підготовку виробництва, отримання виробів з мінімальними зусиллями деформування та виробів прогнозованої якості.

2. Запропоновані аналітичні залежності, які дозволяють на стадії проектування технології ХВ вісесиметричних порожнистих виробів з розтягненням стінки заготовки, визначати зусилля видавлювання, питомі зусилля на деформуючому інструменті та зміцнення здеформованого металу.

3. Розроблено рекомендації з проектування технологічних процесів ХВ вісесиметричних порожнистих виробів з розтягненням стінки заготовки, що сприяють розширенню марок сталей для отримання вказаних виробів ХВ.

4. Розроблені конструкції штампового оснащення для отримання холодним видавлюванням з розтягненням стінки заготовки порожнистих виробів з порожниною постійного діаметра та ступінчатою порожниною на стандартному гідро-пресовому обладнанні.

5. Результати експериментів, розроблені процеси формоутворення виробів методами ХВ з розтягненням стінки заготовки, математичні моделі використовуються в навчальних курсах “Технологія холодного об'ємного штампування” та “Чисельні методи вирішення прикладних задач обробки металів тиском”, а також при виконанні лабораторних і курсових робіт по вказаним дисциплінам, у роботах магістрів та дослідницьких роботах кафедри МПМ та РП.

Результати роботи по визначенню параметрів видавлювання, розробці конструкцій штампового оснащення та технології формоутворення порожнистих виробів використані на Банкнотно-монетному дворі НБУ України м. Київ (акт від 12.12.2008 р.), ВАТ „Меридіан” ім. С.П. Корольова м. Київ (акт від 07.06.2008), АНТЦ „Діагностика” м. Київ (акт від 12.10.2008 р.). Довідка про використання результатів роботи в навчальному процесі від 17 вересня 2010 р.

Особистий внесок здобувача. У дисертації не використані ідеї співробітників, що сприяли виконанню роботи. При проведенні досліджень, результати яких опубліковані в співавторстві, автором дисертації здійснені розробка теоретичних положень, алгоритмів і програм, розрахунки та аналіз процесів ХВ з використанням методів комп'ютерного моделювання, планування, аналіз і узагальнення результатів експериментальних досліджень, розробка процесів ХВ і впровадження результатів у виробництво.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались і обговорювались на: Міжнародних науково-технічних конференціях ”Новые наукоемкие технологии, оборудование и оснастка для обработки материалов давлением», Краматорськ, 2008, 2009 р.; 8 -й Міжнародній конференції “Прогрессивная техника и технология”, Севастополь, 2009 р., ІІ Міжнародній науково-практичній конференції „Теоретичні і експериментальні дослідження в технологіях сучасного матеріалознавства та машинобудування, Луцьк, 2009 р., Міжнародній науково-технічній конференції „Теоретичні та практичні проблеми в обробці металів тиском”, Київ, 2010.

Публікації. Основні результати досліджень по темі дисертації опубліковані в 8 друкованих працях. З них - 7 надруковано у фахових виданнях, 1 - в виданнях за кордоном . Отримано 1 авторське свідоцтво СРСР і 3 патенти України.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, п'яти розділів, основних висновків, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг дисертації викладено на 215 сторінках, з них 130 основної частини, 6 таблиць, 52 рисунків, список літературних джерел з 134 найменувань, 3 додатки.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність науково-практичного завдання досліджень, сформульовано мету роботи та шляхи її досягнення, показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана характеристика наукової новизни та практичного значення отриманих результатів, а також їх впровадження.

У першому розділі проведено аналіз існуючих способів ХВ вісесиметричних виробів з порожниною постійного діаметра, ступінчатою порожниною та ступінчатою зовнішньою поверхнею. Велике значення в розвитку теорії та практики вказаних процесів, належить українським вченим: Алієву І.С, Бейгельзімеру Я.Ю., Дорошко В.І., Євстратову В.О., Нахайчуку В.О., Огороднікову В.А., Сиваку І.О., Спусканюку В.З., Стеблюку В.І., Чорному Ю.Ф., російським - Ілюшину Ю.В., Ганаго О.О., Губкіну С.І., Дмитрієву В.М., Ляснікову О.В., Навроцькому Г.О., Овчіннікову А.Г., Попову Є.О., Прозорову Л.В., Рене І.П., Степанському Л.Г., Тарновському Й.Я., Унксову Є.П. та ін.., а також вченим дальнього зарубіжжя Авіцуру Б., Джонсону В., Еверхарду Д., Кудо Г., Кобаяші Ш., Томсену Е., Уіку Ч., Фельдману Г., Янгу С. та ін

Зменшення зусиль деформування і питомих зусиль на деформуючому інструменті (на 10-20%) за рахунок виключення або зміни напрямку дії сил тертя досягають в процесах видавлювання з вільним та примусовим переміщенням матриці, видавлювання з прикладенням ультразвукових коливань, диференційоване видавлювання. Суттєве зменшення зусилля деформування до 25% забезпечується видавлюванням з роздачею, та до 40% видавлюванням з навантаженням стінки заготовки розтягувальним зусиллям. Однак такі процеси не знайшли широкого розповсюдження завдяки складності реалізації, низької продуктивності та необхідності використання спеціалізованого пресового обладнання. Проведений аналіз основних параметрів, які впливають на формозміну металу в процесах ХВ порожнистих виробів з розтягненням стінки заготовки. Всі параметри поділені на три групи:

1. Конструктивні - геометрична форма пуансонів, матриць, виштовхувачів;

2. Технологічні - форма заготовки, ступінь деформації, наявність неусталеної течії металу, що деформується, локальний характер осередку деформації, тип змащення, швидкість деформування, примусове зміщення інструмента, дія розтягувального зусилля, розвантаження здеформованого металу після пластичної деформації;

3. Фізико-механічні властивості матеріалу заготовки, діаграма істинних напружень та діаграма пластичності металу, що деформується. Показано, що конструктивні, технологічні, фізико-механічні параметри та, особливо, розтягувальні зусилля обумовлюють схему напруженого стану в осередку деформації, яка в свою чергу є визначальними для зусилля деформування, розподілу питомих зусиль на оснащенні та технологічної пластичності металу. Силові режими та технологічна пластичність дають можливість отримати кінцеву геометрію виробу за один перехід. Кінцева геометрія виробу, розміри осередку деформації, зміцнення та ступінь використання ресурсу пластичності разом з пружною деформацією здеформованого металу визначають якість порожнистих виробів після ХВ. Проведено аналіз теоретичних досліджень в процесах ХВ вісесиметричних порожнистих виробів та показано можливості методів по врахуванню вказаних основних параметрів. Використання чисельних методів аналізу, таких як метод скінчених елементів (МСЕ) та метод граничних елементів (МГЕ), дозволяють враховувати названі параметри при комп'ютерному моделюванні. Проведено аналіз існуючих результатів комп'ютерного моделювання з використанням МСЕ і МГЕ процесів ХВ порожнистих виробів. Основна увага в них приділялась визначенню силових режимів, питомих зусиль та напружено-деформованого стану по всьому об'ємі заготовки в основному на усталених стадіях процесів традиційного ХВ порожнистих виробів. Встановлено, що відсутні дані по впливу розтягувальних зусиль на розподіл питомих зусиль на деформуючому інструменті та якість виробів, що отримуються. Виходячи із наведеного були сформульовані мета і задачі дослідження.

Рис. 1. Схема ХВ з навантаженням стінки заготовки розтягувальним зусиллям

У другому розділі обґрунтований вибір методик теоретичних і експериментальних досліджень процесу ХВ вісесиметричних порожнистих виробів з розтягненням стінки заготовки по схемі, яка наведена на рис. 1. Рухома матриця 1 встановлена на опорі 2 з ущільненнями 3. На опорі встановлений виштовхувач 4, який приводиться в дію штовхачем 5. В резервуар 10 заливається робоча рідина, яка з порожнини 6 вільно проходить в порожнину 8 через канали 7. На виштовхувач встановлюється заготовка 9 з попередньо виготовленим буртом. В вихідному стані перед видавлюванням, коли плунжер 12 з ущільненням 13 і пуансоном 11 заходить в матрицю 1, між торцем пуансона 1 і заготовкою 9 є зазор для стискання робочої рідини в верхній 6 та нижній 8 порожнинах штампу і створення розтягувального зусилля РТ за бурт. При видавлюванні плунжер 12 витискує рідину з порожнини 6 в порожнину 8, що забезпечує постійне зчеплення матриці 1 при його русі вгору з буртом заготовки 9. Для виявлення впливу розтягувальних зусиль на зусилля видавлювання, розподіл питомих зусиль на деформуючому інструменті, напружено-деформований стан (НДС) заготовок, ступінь використання ресурсу пластичності і зміцнення здеформованого металу використаний метод скінченних елементів і пакет програм, який створений та апробований на кафедрі МПМ та РП НТУУ „КПІ”.

В основу побудови скінченно-елементної математичної моделі формозміни ХОШ, в якій має місце пружно-пластичне деформування металу, розподілене на певну кількість кроків навантаження, для малих переміщень використаний наступний принцип віртуальності робіт:

,

де - компоненти тензора напружень і- компоненти тензора малих деформацій на кроці навантаження; - об'єм металу, що деформується; - зовнішнє навантаження, - символ варіації, ui - компоненти переміщень. Моделювання виконували з вихідного стану заготовок перед видавлюванням до переходу процесів в усталену стадію з використанням способу початкових напружень для визначення пружно-пластичного НДС при холодній формозміні металів. Заготовку розподіляли на вісьмивузлові ізопараметричні скінченні елементи. Діаграму істинних напружень апроксимували степеневою залежністю, діаграму пластичності - формулою Г.Д. Деля. Ступінь використання ресурсу пластичності розраховували по критерію В.А. Огородникова з врахуванням впливу третього інваріанту тензора напружень. Тертя на контактуючих поверхнях враховували по методиці В.О. Євстратова для змащення фосфатування з омилюванням. До бурта стінки заготовки при видавлюванні прикладали розтягувальне зусилля РТ. Зусилля в стінці виробу створює розтягувальні осьові напруження

(- площа поперечного перерізу стінки). Для розповсюдження результатів розрахунків на різні марки сталей, вони бути представлені в залежності від відносної величини: (- умовна межа текучості). Значення вказаної величини . Дію зусилля представляли у вигляді розподіленого навантаження

(-площа поверхні бурта. Розрахунковим шляхом визначали вплив зусилля різної величини на зусилля і питомі зусилля видавлювання, напружено-деформований стан заготовки при формоутворенні порожнистих виробів з різним ступенем деформації та пуансонами з різним кутом конусу робочого торця.

Рис. 2. Макроструктура виробу з виділеним осередком деформації

Рис. 3. Розрахункова схема видавлювання з розтягом : 1- пуансон, 2- заготовка, 3- матриця, 4- виштовхував

холодний видавлювання вісесиметричний порожнистий

Для розрахунків зусилля видавлювання, питомих зусиль на стадії проектування технології ХВ вісесиметричних порожнистих виробів з розтягненням стінки заготовки, запропоновано отримати залежності енергетичним методом балансу потужностей для осередку деформації, форму якого на усталеній стадії встановлено попередньо проведеними експериментами (рис. 2). Розрахункова схема для аналізу методом балансу потужностей наведена на рис. 3. Вказаний підхід дозволяє врахувати вплив від зусилля на верхній границі осередку деформації радіусом та більш строго визначити дотичні напруження на пуансоні і матриці у вигляді , а також врахувати зміцнення по середньому значенню істинного напруження в осередку деформації.

Експериментальні дослідження проводились на оригінальному штампувальному оснащенні, спроектованому та виготовленому на кафедрі МПМ та РП. Для визначення зусиль деформування використаний метод тензометрії. Механічні властивості здеформованого металу визначали шляхом випробування на розтяг згідно ГОСТ 1497-73. стандартних зразків, які вирізали із стінок порожнистих виробів, що отримані видавлюванням з розтягненням стінки заготовки.

Третій розділ присвячений теоретичному аналізу ХВ порожнистих вісесиметричних виробів з розтягненням стінки заготовки. Розрахунки МСЕ виконували для заготовок із сталі 20. Властивості вихідного металу після відпалу: модуль Юнга - Е=2,1? 105 МПа, коефіцієнт Пуассона - н=0,3, умовна межа течії - МПа. Діаграму дійсних напружень апроксимували залежністю = 260 + 670?е0,56. Моделюванням встановлена залежність зусилля видавлювання від переміщення пуансона на неусталеній і переході в усталену стадію процесу, на якій має місце максимальне зусилля.

Рис. 4. Залежність зусилля видавлювання від величини

Рис. 5. Залежність висоти осередку деформації на вісі заготовки від величини

На рис. 4 наведена розрахункова залежність максимального зусилля деформування на пуансоні від величини відносних розтягувальних напружень , які виникають при прикладанні розтягувальних зусиль РТ до бурта заготовки при видавлюванні зі ступенем деформації е= 56 % пуансоном з кутом конусу при вершині . При =0 (традиційне видавлювання) отримане максимальне зусилля на переході в усталену стадію процесу 1,57 МН. Зі збільшенням відношення зменшується зусилля видавлювання. При прикладанні РТ = 0,105 МН () зусилля видавлювання зменшується на 0,3 МН. На рис. 5 показана висота осередку деформації під пуансоном на вісі заготовки, яка виникає при різних значеннях . Зі збільшенням значень висота осередку деформації зменшується. Розподіл відносних осьових напружень по об'єму заготовки показаний на рис. 6. При традиційному видавлюванні відносні розтягувальні напруження виникають на внутрішніх шарах металу стінки (рис. 6 а). Зі збільшенням зусилля РТ , виникають по всій ширині стінки на виході металу із осередку деформації (рис. 6 б). Подальше збільшення розтягувального зусилля приводить до зміни схеми напруженого стану в осередку деформації - замість схеми нерівномірного всебічного стискування виникає схема стисло-розтягнута (рис. 6 в). В напрямку вісі z виникають розтягувальні напруження.

а) б) в)

Рис. 6. Розподіл відносних осьових напружень по об'єму заготовки при: а) =0 ; б) =0.5; в) =1

Моделюванням встановлено, що зменшення зусилля видавлювання обумовлено:

а) зміною схеми напруженого стану в осередку деформації в заготовці - схема від нерівномірного всебічного стискування переходить в стисло-розтягнуту;

б) виникненням активних сил тертя на контактуючій поверхні матриці і металом в осередку деформації;

в) зменшенням величини гідростатичного тиску в осередку деформації;

г) зменшенням висоти осередку деформації під пуансоном. Розподіл відносних осьових напружень на поверхні заготовки, яка контактує з пуансоном показаний на рис. 7. На конічній поверхні з кутом розподіл практично рівномірний. Максимальні значення виникають на радіусі пуансону 12 мм. Розподіл відносних радіальних напружень на поверхні заготовки, яка контактує з матрицею показаний на рис. 8. При традиційному видавлюванні і при видавлюванні в умовах прикладання розтягувальних зусиль максимальні значення r/0,2 виникають на поверхні в осередку деформації, однак при =1 вказані відносні напруження зменшуються в 1,3 рази. На виштовхувачі відносні напруження по радіусу розподілені рівномірно (рис. 9).

Прогнозування механічних властивостей здеформованого металу можливе по визначеному коефіцієнту зміцнення . На рис. 10 показаний розподіл вказаного коефіцієнта по ширині стінки виробів, які отримані традиційним видавлюванням та видавлюванням з розтягненням стінки заготовки, що створює в стінці відносне значення вказаних зусиль =0,5 і 1. Збільшення значення співвідношення при видавлюванні приводить до збільшення по товщині стінки. Аналогічний розподіл має отриманий ступінь використання ресурсу пластичності, причому максимальне значення на внутрішніх шарах металу стінки спостерігається при =1

Рис. 7. Розподіл відносних осьових напружень по радіусу пуансона для різних значень

Рис. 8. Розподіл відносних радіальних напружень по висоті матриці для різних значень

Рис. 9. Розподіл відносних осьових напружень по радіусу виштовхувача для різних значень

Рис. 10. Розподіл коефіцієнта зміцнення по товщині стінки виробу для різних значень

Наведено результати моделювання по визначенню впливу кута конусу пуансона на параметри процесу видавлювання з розтягом порожнистих виробів (е=56 %). Розрахунковий аналіз проводився для кута конусу при вершні б: 1700, 1600, 1500 і 1400. До бурта заготовки прикладали розтягувальне зусилля , яке створювало в стінці =0,5. Мінімальне зусилля видавлювання (1,41 МН) отримане для пуансона з кутом б=1500. Встановлений розподіл відносних нормальних напружень на контактуючих поверхнях заготовки з деформуючим інструментом. При мінімальному зусиллі видавлювання на виштовхувачі виникають (максимальні по абсолютній величині згідно з отриманим розподілом) відносні напруження-4,41, на матриці -4,77. Висота осередку деформації на вісі заготовки зменшується від 26 мм при куті пуансону б=1700 до 20 мм при б=1400.

Максимальний коефіцієнт зміцнення і ступінь використання ресурсу пластичності ш здеформованого металу також зменшуються при збільшенні кута б: при б=1700 =3,6 і ш=0,78, а при б=1400 -=3,32 і ш=0,6.

Рис. 11. Зусилля деформування при видавлюванні з різним ступенем деформування

Теоретичним аналізом визначений вплив розтягувальних зусиль різних величин, які створюють в стінці =0; 0,25; 0,5 і 0,75, на силові режими і якість порожнистих виробів при видавлюванні пуансоном з кутом б=1500 зі ступенями деформації е = 40, 50 і 60 %. Встановлено, що із збільшенням ступеня деформації при однаковій величині зусилля деформування на пуансоні зменшується практично на однакову величину див. рис. 11.

Для інженерних розрахунків зусилля видавлювання на пуансоні, розподілу питомих зусиль на матриці проведений аналіз процесу видавлювання з прикладанням розтягувальних зусиль до заготовки методом балансу потужностей (МБП), згідно наведеної вище схеми (див. рис. 3).

Потужність яка прикладається до пуансона позначали через . Вказану потужність необхідно затратити на: подолання опору деформування металу в осередку деформації (відповідна потужність ); подолання сил тертя на матриці на конічній поверхні пуансона (потужність цих сил тертя); подолання сил тертя на калібруючому пояску пуансона довжиною (потужність ); подолання сил зсуву на верхній границі осередку деформації (потужність); подолання сил зсуву на нижній границі осередку деформації (потужність). Тоді баланс потужностей сил, які необхідно прикласти до пуансона виглядає так:

(1)

Напружений стан в осередку деформації був визначений інженерним методом і отримані залежності для визначенням напружень і з урахуванням розтягувальних напружень , які виникають на верхній границі осередку деформації радіусом при прикладанні розтягуючого зусилля :

(2)

Напруження було використане для знаходження потужностей і . Отримавши вирази для потужностей, була визначена залежність для знаходження зусилля деформування на пуансоні для різних та однакових коефіцієнтів тертя на матриці і пуансоні, яка для останнього випадку має вигляд:

(3)

Для врахування зміцнення при холодній формозміні визначене середнє значення напруження в осередку деформації по середньому значенню тангенційної деформації :

(4)

Рис. 12. Зусилля видавлювання, яке визначене МСЕ і МБП

На рис. 12 наведені результати розрахунків зусилля при видавлюванні із ступенем деформації = 70 % та пуансоном з кутом конусу = 1500 по формулах (3) і (5), а також дані, які отримані моделюванням МСЕ. Різниця в значеннях зусилля склала 0,07 МН.

У четвертому розділі представлені експериментальні дослідження процесів ХВ вісесиметричних порожнистих виробів з розтягненням стінки заготовки. Виконаний порівняльний аналіз результатів з традиційним видавлюванням по силовим режимам і механічних властивостях матеріалу отриманих виробів. Видавлюванню підлягали відпалені зразки із сталі 20,сталі 25 та сталі 20Х з попередньо отриманим холодним висаджуванням буртом. Ступінь деформації при цьому дорівнював е = 40, 50 і 56 %. Тягнуче зусилля , створювало в стінках виробів відносні напруження 0,5.

Рис. 13. Експериментальні та розрахункові значення зусилля на пуансоні

Використовували пуансони з кутом робочого торця =1660 і 1500. Значення максимальних експериментальних значень зусиль деформування на пуансоні з =1500, а також розрахункових даних МСЕ і МБП показані на рис. 13. При е = 40 % дані експерименту, МСЕ і МБП відрізняються відповідно на 0,05 і 0,08 МН. Із збільшенням значення ступеню деформації е зменшується різниця в експериментальних і теоретичних даних.

Рис. 14. Експериментальні та розрахункові значення коефіцієнта зміцнення

Фізико-механічні властивості здеформованого металу визначали шляхом випробування на розтяг на випробувальній машині „Instron” зразків, які були вирізані із стінок порожнистих виробів, що були видавлені при 0,5. Вихідний матеріал мав наступні властивості: границя міцності 455 МПа, умовна межа текучості 260 МПа, відносне подовження 38,5 %, відносне потоншення 70 %. Дані МСЕ по коефіцієнту зміцнення брали по середині стінки виробу. На рис. 14 показані дані випробувань та розрахункові МСЕ. Встановлено, що кут конусу пуансона також впливає на властивості здеформованого металу. Дані випробувань зразків з виробів, які отримані видавлюванням з ступенем деформації =56 % пуансонами з =1700 і 1500 показали зменшення коефіцієнта зміцнення на 0,1 або 26 МПа.

Проведені експериментальні дослідження підтвердили достатній ступінь відповідності розроблених математичних моделей по силовим режимам та прогнозуванню якості виробів реальному процесу видавлювання з розтягненням стінки заготовки.

П'ятий розділ присвячений розробленій на основі теоретичних і експериментальних досліджень, методиці проектування технологічних процесів ХВ вісесиметричних порожнистих виробів з розтягненням стінки заготовки. Запропоновано рекомендації з розрахунку і призначенню технологічних параметрів, визначенню тиску робочої рідини для створення необхідного розтягувального зусилля, прикладеного до бурта заготовки.

Наведені аналітичні залежності для визначення конструктивних розмірів штампувального оснащення для створення тиску рідини і підтримки його на протязі процесів видавлювання порожнини пуансоном постійного діаметра і ступінчатим пуансоном.

Розроблені технологічні процеси отримання виробів зі ступінчатою зовнішньою поверхнею з порожниною постійного діаметра і ступінчатою порожниною, які включають операції отримання заготовок шляхом розподілу вихідних прутків різанням в штампах, підготовки заготовок перед видавлюванням (відпал, очистка, нанесення змащення, калібрування прямим видавлюванням з формоутворенням порожнини і бурта) і зворотне видавлювання. На рис. 15 показаний штамп для ХВ вісесиметричних порожнистих виробів, який встановлений на гідравлічного пресі зусиллям 4 МН, на рис. 16 представлені деформуючі пуансони та деталі, що отримані видавлюванням.

На базі створеного на кафедрі МПМ та РП спеціалізованого пакету програм для аналізу і проектування процесів ХОШ (МСЕ) розроблені елементи САПР процесів ХВ порожнистих виробів в умовах прикладання розтягувальних зусиль до заготовки, що дозволяють суттєво прискорити проектування вказаних процесів без доопрацювання експериментальними роботами. Дані елементи САПР використовуються в навчальному процесі на кафедрі МПМ та РП.

Розроблені і передані в виробництво технологічні процеси і штампове оснащення для виготовлення точних заготовок порожнистих виробів на Банкнотно-монетний двір НБУ України м. Київ та АНТЦ „Діагностика” м. Київ.

Рис. 15. Штамп, який встановлений на гідравлічному пресі ДБ-2436 зусиллям 0,4 МН

а) б)

Рис. 16. Деформуючі пуансони: а) деталі; б) які отримані видавлюванням

Висновки

1. На основі аналізу технологічних можливостей холодного видавлювання порожнистих виробів, встановлено, що максимальне зменшення питомого зусилля видавлювання на пуансонах і підвищення їх стійкості забезпечують процеси видавлювання з роздачею та видавлювання з прикладанням розтягувальних зусиль до заготовки. Однак перший процес не знайшов розповсюдження із-за складності виштовхування готового виробу, а другий потребує спеціалізованого обладнання і складного штампувального оснащення для реалізації.

2. Розроблені схеми та штампувальне оснащення для ХВ порожнистих виробів пуансоном постійного діаметра та ступінчатим пуансоном, які дозволяють створювати розтягувальне зусилля при формоутворенні виробів без додаткових пристроїв і приводів та використовувати універсальне пресове обладнання.

3. Розроблено скінченно-елементні математичні моделі для процесів вісесиметричного видавлювання порожнистих виробів з розтягненням стінки заготовки, які дозволяють визначити геометрію виробів, зусилля видавлювання, точний розподіл питомих зусиль на деформуючому інструменті, прогнозувати механічні властивості здеформованого металу.

4. Отримано аналітичні залежності для інженерних розрахунків зусилля видавлювання на пуансоні при ХВ вісесиметричних порожнистих виробів з розтягненням стінки заготовки з урахування зміцнення металу при холодній формозміні.

5. Розрахунковим шляхом оцінено вплив прикладеного розтягувального зусилля до заготовки на зусилля, питомі зусилля видавлювання, а також якість виробів - зміцнення здеформованого металу, ступінь використання ресурсу пластичності, висоту осередку деформації під пуансоном.

6. Встановлено, що прикладання розтягувального зусилля до бурта заготовки, яке створює в стінці виробу при видавлюванні відносні розтягувальні напруження =0,25; 0,5; 0,75 і 1, приводить до зменшення зусилля видавлювання на пуансоні і питомих зусиль на виштовхувачі на 4,4; 13; 18 і 23% відповідно в порівнянні з традиційним видавлюванням (=0). При=1 максимальні значення питомих зусиль на пуансоні зменшуються на 28 %, матриці на 25%. Збільшення значень при видавлюванні приводить до зростання коефіцієнта зміцнення здеформованого металу стінки виробу.

7. Встановлено, що зменшення зусилля видавлювання обумовлено: а) зміною схеми напруженого стану в осередку деформації в заготовці - схема від нерівномірного всебічного стискування переходить в стисло-розтягнуту; б) виникненням активних сил тертя на контактуючій поверхні матриці і металом в осередку деформації: в) зменшенням висоти осередку деформації під пуансоном.

8. Встановлено, що мінімальне зусилля при видавлюванні з різними ступенями деформації та значеннями забезпечується пуансоном з кутом конуса при вершині б = 1500. Зменшення кута б пуансонів з 1800 до 1400 приводить до зменшення коефіцієнта зміцнення здеформованого металу стінок виробів.

9. Проведені експериментальні дослідження видавлювання порожнистих виробів з розтягненням стінки заготовки підтвердили адекватність запропонованих математичних моделей для визначення силових режимів, питомих зусиль та зміцнення здеформованого металу. При малих ступенях деформації е=40% значення зусилля, яке визначене МСЕ більше на 7 % від експериментального, а значення , що вирахуване МБП менше на 10%. Зі збільшенням ступеня деформації різниця в значеннях зусилля зменшується. Аналогічні результати отримані по коефіцієнту зміцнення здеформованого металу стінок виробів.

10. На основі результатів теоретичних і експериментальних досліджень розроблені рекомендації з проектуванню ресурсозберігаючих процесів холодного видавлювання точних порожнистих виробів з прикладанням розтягувальних зусиль до заготовки. Розроблені конструкції штампувального оснащення, в яких розтягувальне зусилля при видавлюванні створюється без додаткових пристроїв і приводів. Запропоновані залежності для визначення основних конструктивних елементів штампового оснащення, створення тиску рідини для утворення розтягувального зусилля при видавлюванні порожнин постійного діаметра та ступінчатих порожнин. На базі пакету програм, який розроблений на кафедрі МПМ та РП, створені елементи САПР холодного видавлювання порожнистих виробів з прикладанням розтягувальних зусиль до заготовки. Дані елементи використовують на кафедрі в навчальному процесі і науково-дослідній роботі.

12. Розроблені і передані на виробництво технологічні процеси і креслення штампувального оснащення для холодного зворотного видавлювання точних порожнистих заготовок.

Список опублікованих праць

1. Калюжний В.Л. Комп'ютерне моделювання холодного видавлювання фланців з заготовок у вигляді тора / Калюжний В.Л., Калюжний О.В., Куценко В.М., Сабол С.Ф.// Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. Тематичний збірник наукових праць. Краматорськ, ДДМА, 2008.-С.7-8

2. Калюжний В. Л. Силові режими та якість виробів при холодному видавлюванні порожнистих виробів із сталі в умовах прикладання розтягуючого зусилля до заготовки/ Калюжний В. Л., Сабол С.Ф., Калюжний О.В., Піманов В.В.// Наукові нотатки. Міжвузівський збірник. Луцький національний технічний університет. Вип. 25, частина 2, 2009. - С. 103-109.

3. Калюжний В.Л. Розробка конструкції та розрахунок конструктивних параметрів штампу для холодного видавлювання сталевих порожнистих виробів / Калюжний В.Л., Калюжний О.В., Сабол С.Ф., Піманов В.В.// Обработка материалов давлением. Сборник научных трудов, № 2(21) 2009, -Краматорск, ДГМА. - С. 382-387.

4. Калюжний В.Л. Розрахунковий аналіз методом скінчених елементів процесу холодного видавлювання з різним ступенем деформації порожнистих виробів із сталі 20 з прикладанням розтягую чого зусилля до заготовки / Калюжний В.Л., Сабол С.Ф., Поліщук П.В.// Вестник НТУУ КПИ. Машиностроение, вып. 56.Київ.-2009. - C. 300-305.

5. Калюжний В.Л. Визначення силових режимів холодного видавлювання з розтягом сталевих порожнистих виробів / Калюжний В.Л., Сабол С.Ф., Калюжний О.В., Запорожченко А.С. //- Технологические системы. -2009. №2. -С. 70-77.

6. Сабол С.Ф. Наближений аналіз силових режимів при видавлюванні порожнистих виробів з високими ступенями деформації в умовах прикладання розтягуючих зусиль до заготовки / Сабол С.Ф. // Вестник НТУУ КПИ. Машиностроение, вып. 60.-Київ.-2009.- С. 68-70.

7. С.В. Федоров. Об оптимальном использовании свойства самоорганизации деформируемых тел и управлении операциями холодной обработки давлением. Инженерные проблемы трения, смазки, изнашивания / С.В. Федоров, С.Ф. Сабол, В.В. Ревенко // Сб. научн. труд. Вып. 48. Балтийская государственная академия. Калининград, 2001- С. 59-85.

8. А.С. СССР №1357111 Устройство для штамповки деталей./ Черный Ю.Ф., Калюжный В.Л., Сабол С.Ф., Бондаренко А.В. Заявл. та Опубл. в Бюл. №45, 1987.

9. Патент України на корисну модель. № 35489 Інструмент для пресування труб. Калантир С.Ф., Тривайло М.С., Сабол С.Ф. та ін. Опубл. В бюл. № 18, 2008 р.

10. Патент України на корисну модель. № 40860. Спосіб виготовлення біметалевих виробів. Тривайло М.С., Тітов В.А., Сабол С.Ф. та ін. Опубл. В бюл. № 8, 2009 р

11. Пат. №38005 Україна, МПК В21С 23/00.Інструмент для високошвидкісного пресування: Пат. №38005 Україна, МПК В21С 23/00 Тривайло М.С.,Маковей В.О.,Сабол С.Ф., Бородій Ю.П. (Україна); НТУУ «КПІ».-№u2008 03174; Заявл.12.03.2008; Опубл.25.12.2008, Бюл. №24- 6 с.

Анотація

Сабол С.Ф. Холодне видавлювання вісесиметричних порожнистих виробів з розтягненням стінки заготовки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском. Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”. Київ, 2011.

Дисертаційна робота спрямована на підвищення ефективності процесів холодного видавлювання вісесиметричних порожнистих виробів на основі розробки і застосування технологічних способів видавлювання з розтягненням стіни заготовки, що забезпечують зниження енерго - і металоємності виробництва, підвищення стійкості оснащення та отримання виробів прогнозованої якості.

Розроблено методики теоретичного аналізу процесів видавлювання вісесиметричних порожнистих виробів із ступінчатою зовнішньою поверхнею з розтягненням стінки заготовки методом скінчених елементів та методом балансу потужностей, що дозволяє виявити вплив розтягувальних зусиль на силові режими, розподіл питомих зусиль на деформуючому інструменті, закономірності формозміни металу та виконати інженерні розрахунки параметрів отримання виробів з мінімальними зусиллями деформування та виробів прогнозованої якості. Теоретичним шляхом встановлені величини зменшення зусиль деформування та розподіл питомих зусиль при холодному видавлюванні порожнистих виробів з різними ступенями деформації та кутом конусу пуансона. Виявлені величини зміцнення та ступінь використання ресурсу пластичності здеформованого металу.

Отримані результати пройшли достатню експериментальну перевірку та промислову апробацію та дали змогу запровадити нові технологічні схеми, методики їх розрахунку та нові конструкції штампового оснащення, що суттєво розширює можливості холодного видавлювання порожнистих виробів з важкодеформівних сталей та зменшує енерговитрати.

Ключові слова: Холодне видавлювання, вісесиметричні порожнисті вироби, скінченно-елементна математична модель, питомі зусилля, оптимальні параметри.

Аннотация

Сабол С.Ф. Холодное выдавливание осесимметричных полых изделий с растяжением стенки заготовки. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05- процессы и машины для обработки металлов давлением.- Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт». Киев, 2011.

Диссертационная работа направлена на повышение эффективности процессов холодного выдавливания осесимметричных полых изделий на основе разработки и применения способов выдавливания с растяжением стенки заготовки, что обеспечивает снижение энерго- и материалоемкости производства, повышения стойкости инструмента, а так же получение изделий прогнозированного качества.

На основании анализа существующих способов получения полых осесимметричных изделий, предложены и обоснованы новые технологические схемы холодного выдавливания с растяжением стенки заготовки с использованием жидкости высокого давления, реализация которых может осуществляться на универсальном кузнечно-штамповочном оборудовании.

Разработаны методики теоретического анализа процессов выдавливания осесимметричных полых изделий со ступенчатой внешней поверхностью с растяжением стенки заготовки методом конечных элементов и методом баланса мощностей, что позволяет определить влияние технологических, конструкционных, механических параметров а тек же растягивающих усилий на силовые режимы, распределение удельных усилий на деформирующем инструменте, закономерности формоизменения металла, а так же провести инженерные расчеты параметров процессов получения изделий с минимальными усилиями деформирования и изделий прогнозированного качества.

Теоретически определены величины уменьшения усилий деформирования, и точное распределение удельных усилий на деформирующем инструменте при холодном выдавливании полых изделий с разной степенью деформации и углом конуса пуансона. Определено оптимальное значение угла конусности торца пуансона, а так же величина упрочнения и степень использования ресурса пластичности деформированного метала.

Установлено, что снижения усилия выдавливания обусловлено изменением схемы напряженного состояния в очаге пластической деформации, уменьшением очага пластической деформации а так же возникновением активных сил трения на поверхности контакта матрицы и материала заготовки в очаге пластической деформации.

Предложены аналитические зависимости, которые на стадии проектирования технологии холодного выдавливания осесимметричных полых изделий позволяют определить усилия деформирования, удельные усилия на рабочем инструменте и упрочнение деформированного металла.

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана методика проектирования технологических процессов холодного выдавливания осесимметричных полых изделий с растяжением стенки заготовки, а так же рекомендации по проектированию технологических процессов холодного выдавливания.

Полученные результаты прошли достаточную экспериментальную проверку и промышленную апробацию, что дало возможность внедрения новых технологических схем, и методики их расчетов, новых конструкций штамповочной оснастки, что существенно расширяет возможности холодного выдавливания полых изделий из труднодеформируемых сталей, повышает стойкость штамповочной оснастки и уменьшают энергозатраты.

Ключевые слова: холодное выдавливание, осесимметричные полые изделия, конечно-элементная модель, удельные усилия, оптимальные параметры.

Abstract

Sabol. S. F. Cold extrusion of hollow axisymmetrical products in conditions of application of straining forces to the metal blanks. - Manuscript.

Dissertation for achieving scientific grade of candidate of technical science in speciality 05.03.05 - processes and machines for pressure application. - National Technical University “Kyiv Polytechnic Institute”. Kyiv, 2011.

Dissertation is devoted to increase the efficiency of processes of cold extrusion of hollow products based on working out and application of technical tools for extrusion with strain that provide reduction of energy and steel in production and receipt of products with forecasted and required quality.

There is worked out the methodology of theoretical analysis of straining processes of hollow products with stepped external surface in conditions of application of straining forces to the metal blanks while using the method of terminated elements and method of power balance that respectively allows by means of modeling find out the influence of straining forces on forcing modes, division of specific on the straining instrument, regularity of metal shape change and to fulfill engineering calculations of the parameters in receiving products with minimal forces of straining and products of forecasted quality. In theoretic way there are identified the amounts of forces reduction of straining and precise division of specific forces while cold extrusion of hollow products with different stages of straining and angle of punch cone. There are disclosed amounts of consolidation and level of resources usage for ductility of deformed metal.

Received results gave possibility to implement new technological schemes and methodologies of its calculation that essentially widens features of cold extrusion of hollow products of heavy-deformed steel and reduces energy costs.

Keywords: cold squeezing out, axisymmetrical hollow wares, eventual-element model, specific efforts, optimum parameters.

Размещено на Allbest.ru