автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Холодное обратное выдавливание латунных заготовок плоско-конусным пуансоном

На правах рукописи

Нгуен Куанг Ман

ХОЛОДНОЕ ОБРАТНОЕ ВЫДАВЛИВАНИЕ ЛАТУННЫХ ЗАГОТОВОК ПЛОСКО-КОНУСНЫМ ПУАНСОНОМ

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки

давлением

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 НОЯ 2013

Тула 2013

005536998

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кузин Владимир Федорович

Официальные оппоненты: Панфилов Геннадий Васильевич, доктор

технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», профессор кафедры «Механика пластического формоизменения»;

Митин Олег Николаевич, кандидат технических наук, заместитель начальника отдела №4 ОАО «Научно-производственное объединение «СПЛАВ» (г. Тула).

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс» (г. Орел).

Защита состоится «27» ноября 2013 г. в 16 час. на заседании диссертационного совета Д 212.271.01 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300012, г. Тула, ГСП, просп. Ленина, д. 92, 9-101).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Автореферат разослан «25» октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Черняев Алексей Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время Социалистическая Республика Вьетнам уверенно идёт по пути развития и индустриализации своей экономики, одной из важнейших отраслей которой является машиностроение. Современные отрасли машиностроения постоянно нуждаются в полуфабрикатах и деталях, к которым предъявляются высокие требования по качеству, связанные с физико-механическими свойствами, геометрической точностью изготовления, шероховатостью поверхности и рядом других параметров. Большое количество практически важных вопросов, касающихся холодного обратного выдавливания, в настоящее время достаточно хорошо изучены и основные результаты сведены в справочники и пособия. Тем не менее, проектирование новых и оптимизация существующих технологических процессов приводит к необходимости решения новых конкретных задач с учётом их специфики.

Исследуемые процессы холодного обратного выдавливания относятся к прогрессивным методам обработки металлов давлением и позволяют значительно уменьшить расход материалов на изделие, повысить точность заготовок, производительность труда и снизить трудоемкость изготовления благодаря использованию высоких степеней деформаций. Однако использование в технологических циклах операций холодного выдавливания требует очень точного выбора режимов деформирования, геометрии рабочего инструмента, смазочных материалов, определенного сочетания механических и пластических свойств заготовки.

Таким образом, актуальной задачей является теоретическое обоснование рациональных технологических режимов операции холодного обратного выдавливания прутковых заготовок, обеспечивающих снижение материалоемкости, заданное качество и сокращение сроков подготовки производства новых изделий.

Цель работы. Повышение эффективности изготовления цилиндрических деталей методом холодного обратного выдавливания из прутковых заготовок, на основе установления теоретически обоснованных режимов пластического деформирования с использованием точных методов расчета и современных достижений вычислительной техники, обеспечивающих формирование требуемых эксплуатационных свойств, а также сокращение трудоемкости и материалоемкости.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи исследований:

1. Сформулировать основные уравнения и соотношения объемного пластического течения, позволяющие с привлечением метода конечных элементов учитывать неоднородность деформаций и напряжения, кинематические, деформационные, силовые характеристики в процессе обратного выдавливания;

2. Построить математическую модель для расчета процесса холодного обратного выдавливаний, цилиндрических заготовок в условиях объемной деформации с использованием пакета прикладных программ БЕРОЯМ-ЗБ У6.1;

3. Установить влияние технологических параметров, геометрии рабочего инструмента, коэффициента трения на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния, величину повреждаемости, неоднородность интенсивности деформации и сопротивления материала пластическому деформированию в стенке поковки, силовые режимы операции обратного выдавливания;

4. Провести расчет повреждаемости материала при обратном выдавливании цилиндрических поковок;

5. Дать рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления цилиндрических деталей с заданными эксплуатационными свойствами с использованием операции холодного обратного выдавливания.

Объект исследования. Операция обратного выдавливания прутковых заготовок в режиме холодной штамповки.

Предмет исследования. Напряженно-деформированное состояние заготовки, и силовые режимы обратного выдавливания.

Методы исследования. Теоретические исследования процесса холодного обратного выдавливания цилиндрических поковок выполнены с использованием основных положений теории пластичности с пластической неоднородности материала и деформационной повреждаемости. Анализ напряженно-деформированного состояния и расчет силовых параметров процесса обратного выдавливания осуществлен численно методом конечных элементов.

Автор защищает:

- на основе решения известных уравнений при вводимых граничных условий полученную картину напряженно-деформированного состояния заготовки в процессе обратного выдавливания;

- результаты теоретических исследований процесса обратного выдавливания;

- закономерности влияния технологических параметров, геометрии рабочего инструмента, коэффициента трения и степени деформации на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния заготовки, повреждаемость, неоднородность интенсивности деформации и сопротивления материала пластическому деформированию в стенке поковки, силовые режимы операции обратного выдавливания;

- разработанные рекомендации по проектированию технологии изготовления заготовок латунных гильз охотничьих патронов на базе операций обратного выдавливания из прутковых заготовок.

Научная новизна. Установлены закономерности изменения кинематики течения материала и напряженно-деформированного состояния, пластической неоднородности материала от технологических параметров процесса холодного обратного выдавливания прутковых заготовок с учетом геометрий заготовки, граничных условий и степени деформации.

Практическая значимость. На основе выполненных исследований разработаны рекомендации и пакет адаптированных прикладных программ по расчету рациональных технологических параметров операции обратного выдавливания прутковых заготовок, обеспечивающих интенсификацию технологиче-

ских процессов, уменьшение трудоемкости и металлоемкости деталей, заданное качество их изготовления, сокращение сроков подготовки производства новых изделий.

Реализация работы. Отдельные результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе при подготовке специалистов и магистров по специальности 170104 «Высокоэнергетические устройства автоматических систем» и включены в разделы лекционных курсов «Технологическая механика», «Современные методы подготовки производства», а также в научно-исследовательской работе студентов при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на Международной научно-технической конференции «Автоматизация; проблемы, идеи, решения» (АПИР-14, АПИР-16, АПИР-17) (г. Тула: ТулГУ, 2009, 2011, 2012 г.), на Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых "Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов" (г. Тула, 2010, 2012), на ежегодной магистерской научно-технической конференции Тульского государственного университета (Тула, 2009, 2010), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г.Тула, 2010-2012).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ, в том числе 4 работы в изданиях, входящих в Перечень рецензируемых научных журналов ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников из Ца" наименований, 2 приложения и включаетесь страниц машинописного текста, содержш^рисунка и 5 таблиц^. Общий объем - 124 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе научно-технической задачи, сформулированы цель работы, положения, выносимые на защиту, научная новизна, методы исследования, практическая значимость, приводятся данные о реализации работы, публикациях, структуре и объеме диссертационной работы, краткое содержание разделов диссертации.

В первом разделе дан обзор литературных источников, связанных с изучаемыми вопросами: формообразование тела при холодной деформации; исследование процессов холодного выдавливания. Приведена классификация схем объемной штамповки.

Значительный вклад в развитие теории пластичности, методов анализа процессов обработки металлов давлением внесли Ю.А. Алюшин, A.A. Богатов, P.A. Васин, С.И. Вдовин, Э. By, O.A. Ганаго, В.Д. Головлев, Ф.В. Гречников, С.И. Губкин, Г.Я. Гун, Г.А. Данилин, Г.Д. Дель, В. Джонсон, A.M. Дмитриев, Д. Друкер, А.К. Евдокимов, A.A. Ильюшин, Е.И. Исаченков, Ю.Г. Калпин, JI.M. Качанов, И.А. Кийко, B.JJ. Колмогоров, X. Кудо, В.Д. Кухарь, H.H. Малинин,

А.Д. Матвеев, А.Г. Овчинников, В.А. Огородников, С.С. Одинг, Е.А. Попов, И.П. Ренне, В.П. Романовский, Ф.И. Рузанов, Е.И. Семенов, E.H. Сосенушкин, Л.Г. Степанский, А.Д. Томленов, Е.П. Унксов, Р. Хилл, В.В. Шевелев, С.П. Яковлев С.С. Яковлев и другие. В трудах этих ученных разработаны и усовершенствованы методы анализа процессов пластического формоизменения, даны примеры их применения к анализу процессов обработки металлов давлением. На основе приведенного обзора поставлена научная задача диссертационного исследования, состоящая в моделировании процесса обратного выдавливания прутковых заготовок с использованием трехмерной модели.

Во втором разделе даны основные соотношения и уравнения, необходимые для теоретического анализа процесса обратного выдавливания методом конечных элементов. Математическое моделирование обратного выдавливания выполнено в предположении, что материал жесткопластический несжимаемый, изотропный.

Основные уравнения для проведения расчета следующие:

Условие текучести запишем в виде

/(о,) = о,+/(£„,$„) = °> (!)

где интенсивность деформаций определяется по формуле

Е. = .М-

(2)

о

В приведенных выражениях и а„ - соответственно интенсивности скоростей деформаций и напряжений, определяемые выражениями

=- ++ -и2+§(<+<+(3) = ~ ау? + "°г)2+ + 6« + < + • (4)

При построении численных решений технологических задач теории пластичности принимаем:

- в случае медленного пластического течения уравнение равновесия

а,=0; (5)

- определяющие уравнения в формулировке Леви-Мизеса

3 £

£ ..=-—5-; (6)

- соотношения связи компонентов скоростей деформаций с компонентами вектора скорости перемещения

2; (7)

- условие несжимаемости

4,=0; (8)

- начальные условия для компонентов скорости

где с^.-компоненты тензора напряжений; ^ = - б^.а - компоненты девиато-ра напряжений; 5.. - символ Кронекера; - компоненты скоростей деформаций; V, - компоненты вектора скоростей; / - время; индексы г,у =1,2,3.

Связь между инвариантами аи,еи и может определяться уравнением состояния в общем виде

(Ю)

где еи - интенсивность деформаций; Т - температура; %к - физико-структурные параметры, характеризующие состояние материала в рассматриваемый момент времени и определяемые соответствующими кинетическими уравнениями.

Рассмотренная система уравнений является замкнутой относительно функций а у,{¡у и V,.. Они должны быть проинтегрированы по объему V.

Для построения единственного решения сформулируем граничные условия в любой текущий момент деформирования ( на поверхности тела 5 объемом V в предположении, что поверхность 5 состоит из трех частей

На поверхности

v1.=vI^ (п)

где V* - заданная скорость перемещения - в технологических задачах, как правило, скорость инструмента. На поверхности

где V* - нормальные составляющие скорости. Условие (12) называют иногда

условием обтекания или непроницаемости, согласно которому приконтактные частицы деформируемой среды перемещаются по поверхности инструмента.

Если в касательной к поверхности , к плоскости инструмента имеет место скольжение деформируемого металла со скоростью у, , направление и величина которой известна, то граничные условия включают учет трения. Напряжение от сил трения определяется с помощью какого-либо известного закона трения, который в общем виде определяется выражением

**=*,(•/>„•••), (13)

где /п - нормальное давление.

На поверхности - задается вектор поверхностного напряжения

/,=/;. (14)

В частном случае, если плоскость свободна от нагрузок, то f = 0. Начальное условие задачи определим в виде задания исходных координат точек тела в начальный момент времени I

х, = х,(х0,у0,г0,{) (г = 1, 2, 3). (15)

Кроме того, в качестве начальных условий можно задавать значения механических и физико-структурных характеристик в каждой точке тела.

Решение сформулированной задачи ищем из совокупности функций:

V, = уХх,у,г,1); = ац{х,у,г^)\ (',] = 1,2,3) (16)

в пределах пластически деформируемого объема V, которые связаны системой уравнений (5 - 8) и граничными условиями (9 - 14).

Известно, что сформулированная выше система уравнений, для решения статических задач может трактоваться как система уравнений типа Эйлера для некоторого функционала и решение их эквивалентно исследованию на экстремум соответствующего функционала. Для решения технологических задач ОМД будем использовать принцип возможных перемещений с представлением соответствующего функционала для множественного состояний деформируемого тела. В качестве возможных перемещений принимаются величины, пропорциональные скоростям перемещений точек деформируемой среды. Для нестационарной стадии деформирования задача решается шаговым методом, т.е. функционал рассматривается справедливым на некотором достаточно малом временном отрезке Дг. Вводятся следующие допущения:

- весь материал в рассматриваемом объеме V находится в пластическом состоянии;

- значение интенсивности напряжений аи =<т5. (ст3 - сопротивление материала пластической деформации), в рассматриваемый момент времени, задано (или вычислено) по известному с предыдущего шага решению в соответствии с уравнением состояния (10);

- ускорение материала на текущем шаге решения задачи не варьируется, а плотность материала в процессе всего периода деформирования остается неизменной и принимается равной ее начальному значению.

Функционал полной мощности, эквивалентный системе уравнений с учетом принятых допущений для статической задачи принимает следующий вид

* = + НкИ- - (1?)

V 5, В/

где /' - известное напряжение на поверхности тела.

Согласно принципу Журдена, действительное поле скоростей, в отличие от всех кинематически возможных, сообщает функционалу полной мощности минимальное значение. Минимум функционала (17) должен быть найден для класса функций, соответствующих условию несжимаемости.

На основе разработанной конечно-элементной методики решения задач составлены соответствующие схемы алгоритмов и адаптирован пакет прикладных программ БЕРОИМ-ЗО для расчета технологических процесса обратного выдавливания, протекающего в условиях объемной деформации при статическом подходе к исследованию процесса деформирования. Пакет прикладных программ имеет модульную структуру и состоит из трех частей: автоматизированной подготовки данных; непосредственного решения задачи и визуализации результатов расчетов в виде диаграмм, графиков, рисунков.

Приведены результаты численной апробации разработанного программного обеспечения для решения указанной задачи. Результаты расчета формоизменения заготовки с диаметром 16.15 мм из латуни при обратном выдавлива-

нии с параметрами Язаг =9.18 мм; R = 8.075 мм; г = 6.545 мм приведено на рис. 1, модель в программе DEFORM 3D - на рис. 2, коэффициентом трения = Цп =0.12, углом конусности пуансона а = 10°, степенью деформации

y = D2JDl= 0.66

Step -1

Рис. 1. Схема процесса обратного

выдавливания Анализ процесса обратного выдавливания реализуется в трехмерной системе координат. Течение материала принимается установившееся. Принимается, что на контактных границах заготовки и рабочего инструмента реализуется закон трения Кулона.

Результаты решения в виде графиков изменения компонент тензора деформаций, скоростей деформации и компонент тензора напряжений для характерной точки 3 (рис.3) приведены на рис.4-6.

■

Рис. 2. Схема процесса обратного выдавливания в DEFORM 3D Step 100

Рис. 3. Выбор точки на заготовке после деформации

0 0.005 0.0 1 0.015 0.02 0.025 0.03 время 1,с

Рис. 4. График изменения компонент тензора деформаций

0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 время t,c

Рис. 5. График изменения компонент тензора скоростей деформаций

График зависимости силы обратного выдавливания от времени приведен на рис.7. Сила обратного выдавливания пуансона достигает максимального значения 215,9 (кН).

время 1,0

Рис. 6. График изменения компонент тензора напряжений

Время !.е

Рис. 7. График зависимости силы обратного выдавливания от времени

Полученные результаты вычислений показывают, что предложенный подход позволяет решать трехмерную задачу с определением силовых режимов и анализом напряженно-деформированного состояния процесса обратного выдавливания.

Третий раздел посвящен исследованию процесса обратного выдавливания на основе адаптированного программного комплекса ОЕНОКМ-ЗЦ. В качестве основных технологических параметров учитывалось влияние степени деформации, угла конусности пуансона, коэффициента трения на кинематику течения материала, силовые режимы, неоднородность интенсивности деформации и сопротивления материала пластическому деформированию в стенке поковки.

10 15 20 25 30

степень деформации у

Рис. 9. Графические зависимости из- рис. 10. Графические зависимости изменения удельной силы q от угла ко- менения удельной силы д от степени нусности пуансона а деформации у

На рис. 9 приведены графические зависимости изменения удельной силы от угла конусности пуансона а при обратном выдавливании. Расчет выполнен при степени деформации у = 0.66. Здесь кривая 1 соответствует коэффициенту трения ц. = 0.1, кривая 2 - ц = 0.12, кривая 3 - ц = 0.14.

Анализ графических зависимостей и результатов расчетов показывает, что с ростом угла конусности пуансона а удельная сила уменьшается. Причем,

с увеличением коэффициента трения при фиксированной величине угла конусности пуансона а величина удельной силы q возрастает.

Графические зависимости изменения удельной силы q от степени деформации у при величине угла конусности пуансона а = 20° при обратном выдавливании приведены на рис. 10. Здесь кривая 1 соответствует коэффициенту трения ц = 0.1, кривая 2 - ц = 0.12, кривая 3 - ¡л = 0.14.

Установлено, что с увеличением степени деформации у удельная сила q возрастает. Интенсивность роста не превышает 30% .

Графические зависимости неоднородности интенсивности деформации 8 =(е. -eimin)/sjmin и сопротивления материала пластическому деформированию 5С = Сстimax " cimin У °/min в стенке поковки, где £/max , Eimin и ст/тах , CT/min " максимальная и минимальная величины интенсивности деформации и напряжения по толщине стенки поковки представлены на рис. 11-12. Здесь введены обозначения: кривая 1 соответствует \|/=0.5; кривая 2 - у =0.6; кривая 3

Рис. 11. Графические зависимости из- Рис. 12. Графические зависимости изменения 5е от угла конусности пуан- менения 8а от угла конусности пуан-

сона а сона а

Анализ результатов расчетов показывает, что с увеличением угла конусности пуансона а и уменьшением степени деформации величина неоднородности интенсивности деформации 5£ и величина неоднородности сопротивления материала пластической деформации 8а в стенке поковки возрастает, что говорит о более благоприятных условиях формирования механических свойств материала стенки изготавливаемого изделия. Увеличение угла конусности пуансона с 0° до 30° сопровождается ростом неоднородности интенсивности деформации по толщине детали: при ц/ = 0.8 в 5 раз, при *(/ = 0.5 в 3 раза; и ростом величины неоднородности сопротивления материала пластическому деформированию: при \|/ = 0.8 в 3 раза, при у = 0.5 в 1.5 раза.

Повреждаемость материала заготовки оценивалась, используя критерий разрушения, полученный на основе деформационной теории прочности. Для условий деформирования, при которых предельная деформация не зависит от скорости проведения операции, оценка величины накопленной повреждаемости деформируемого металла, проводится с использованием линейной модели пла-

стического разрыхления, предложенной В.Л. Колмогоровым:

Л„ .

| ¿/Л, • (18)

О Аир

где предельная степень деформации сдвига Апр, которая является функцией показателя напряженного состояния с. Вид функции Л (а) определялся по экспериментальной диаграмме пластичности для изучаемой латуни (рис. 13).

Рис. 13. Диаграмма пластичности латуни Л68 (по ГОСТ 931-90) Степень деформации сдвига определяется по формуле:

Л = \Holt = л/з.е„,

(19)

где Н - обобщенная характеристика скорости деформации сдвига; £,, е2, Е3 главные компоненты тензора деформаций.

Выполняя расчеты повреждаемости вдоль траектории движения совокупности частиц материала в пластической области, установили распределение меры повреждаемости в стенках цилиндрической поковки после выдавливания.

Повреждаемость материала неравномерно распределяется по толщине стенок поковки. Увеличение повреждаемости в зоне контакта материала с пуансоном и матрицей связано с большими накопленными деформациями в этих зонах (рис. 14).

I

Рис. 14. Расположение повреждаемости по толщине стенки полуфабриката

В четвертом разделе предложена разработанная новая, более эффективная технология производства латунных гильз охотничьих патронов. Использование разработанной технологии дает возможность прогнозировать силовые и деформационные характеристики, эксплуатационные свойства и устанавливать предельные степени деформирования при разработке новых технологических процессов изготовления деталей с заданными эксплуатационными свойствами

на базе операций холодного обратного выдавливания при рациональном выборе режимов обработки.

Схема технологического процесса изготовления латунной гильзы ОМЦ 32 представлена в табл. 1.

Таблица 1

1. Отрезка

Do

- Пресс RYE 25

- Производительность 50 шт./ мин

Р.....= 500кН

2. Термохимические операции

- Отжиг в температуре 580-620 °С

Электропечь ОКБ-355 Производительность 750- 1050 шт./мин

- Травление

- Промывка

- Обезвоживание

- Сушка_

3.Осадка

И! и у

Пресс ЯУЕ 25 - Производительность

50 шт./мин

Р„ом=500кН

4.Термохимические операции

- Отжиг в температуре 580-620 °С

Электропечь ОКБ-355 Производительность 750 - 1050 шт./мин

- Травление

- Промывка

- Обезвоживание

- Сушка

5.Обратное выдавливание

- Пресс К2139Б

- Производительность

40 - 50шт. / мин Р„ом=Ю00кН

6. Термохимические операции

- Отжиг в температуре 580-620 °С Электропечь ОКБ-355 Производительность 750 - 1050 шт./мин

- Травление

- Промывка

- Обезвоживание

- Сушка

7.Первая вытяжка с утонением

- Линия М-ЛГ-2

- Производительность

200 +20 шт./мин

8. Термохимические операции

- Отжиг в температуре 580-620 °С

Электропечь ОКБ-355 Производительность 750- 1050 шт./мин

- Травление

- Промывка

- Обезвоживание

- Сушка

9.Вторая вытяжка

- Линия М-ЛГ-2

- Производительность 200 +20 шт./мин

10.Обрезка полуфабриката

11 .Штамповка дна

- Оборудование пресс Ш-71

- Производительность 33шт. / МИН

- Номинальная сила 450кН

12.Формулирование фланца и калибровка

- Оборудование автоматическая ЛМОГ-109

- Производительность 200 шт./мин

- Оборудование станок РД-7

- Производительность 30 шт./ мин

13.Пробивка запального отверстия - Оборудование пресс П30 - Производительность 108 шт./мин - Номинальная сила 25кН 14.0бжим гильзы - Оборудование пресс 0811 - Производительность 105 шт./ мин - Номинальная сила 5кН 15.Подрезка дульца - Оборудование станок РД-7 - Производительность 30 шт./ МИН

16. Пассивирование При температуре 30°С в растворе: - СгОз (ГОСТ 2548-77)-15 -20 г/л; - сульфат аммония (ГОСТ 894-78)- 75-н 100 г/л 17. Комплектация партии продукции с проведением испытаний гильз, полученных ударным выдавливанием. 18. Упаковка продукции для реализации.

Следует выделить отличительные особенности расчета:

1. Расчет размеров на окалинообразования ведется увеличением общего размера заготовки;

2. При расчете объема заготовки учитывалось также увеличение его на механическую обработку;

3. Определение силовых параметров, напряженно-деформированного состояния процесса обратного выдавливания ведется методом конечных элементов.

На основании изложенного можно сделать вывод о том, что внедрение подобной технологии и методик расчета в производство способно дать существенный экономический эффект за счет повышения коэффициента использования материала с 0.6 до 0.88, снижения трудоемкости при разделке прутка на штучные заготовки на 15...20%. Сроки подготовки производства сокращаются в 1.6 раза.

Отдельные результаты диссертационной работы использованы в учебно-исследовательской работе студентов и магистров при выполнении лабораторных работ, курсовых и дипломных проектов, а также в учебном курсе «Спецдисциплина по выбору».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В работе решена актуальная научная задача, имеющая важное значение для машиностроения и состоящая в теоретическом обосновании рациональных технологических режимов операции холодного обратного выдавливания прутковых заготовок, обеспечивающих снижение материалоемкости, заданное качество и сокращение сроков подготовки производства новых изделий.

В результате теоретических и экспериментальных исследований и моделирования процесса обратного выдавливания получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Сформированы определяющие уравнения и соотношения для анализа процесса пластического формоизменения цилиндрических поковок обратным выдавливанием из жесткопластического, несжимаемого, изотропного материала в условиях объемного пластического течения, позволяющие определить ки-

нематику течения материала, силовые режимы, напряженно-деформированное состояние.

2. На основе предложенного метода решения статических задач составлены соответствующие схемы алгоритмов и адаптирован программный комплекс DEFORM-3D V6.1 для расчета технологического процесса холодного обратного выдавливания цилиндрических поковок в условиях объемной деформации с применением многошагового процесса принятия решения. Использование пакета прикладных программ дает возможность уменьшить время проведения технологических расчетов, обеспечивает наглядность результатов и позволяет сократить сроки освоения выпуска продукции.

3. Установлено, что с увеличением степени деформации \|/ удельная сила возрастает. Интенсивность роста не превышает 30%. С ростом угла конусности пуансона ос удельная сила уменьшается. Причем, с увеличением коэффициента трения при фиксированной величине угла конусности пуансона а величина удельной силы q возрастает. С увеличением угла конусности пуансона а и уменьшением степени деформации v|/ величина неоднородности интенсивности деформации 5Е и величина неоднородности сопротивления материала пластической деформации 5С в стенке поковки возрастает, что говорит о более благоприятных условиях формирования механических свойств материала стенки изготавливаемого изделия.

4. Проведена оценка повреждаемости материала заготовки. Повреждаемость материала неравномерно распределяется по толщине стенок поковки. Увеличение повреждаемости в зоне контакта материала с пуансоном и матрицей связано с большими накопленными деформациями в этих зонах. Наибольшая величина повреждаемости материала при обратном выдавливании ®тах = 0.36 в слоях на внутренней поверхности поковки меньше величины допустимой повреждаемости [ю] = 0.5...0.6, при достижении которой возможно образование полостных дефектов.

5. Даны рекомендации по проектированию технологических процессов обратного выдавливания заготовок с заданными эксплуатационными свойствами , и разработана технологическая схема изготовления латунной охотничьей гильзы ОМЦ 32. Технико-экономическая эффективность, предлагаемого технологического процесса связана с применением прутковой заготовки с оптимальным соотношением высоты и диаметра, повышающей коэффициент использования материала с 0.6 до 0.88 и снижающей трудоемкость ее получения отрезкой прутка на 15...20%. Сроки подготовки производства сокращаются в 1.6 раза.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Нгуен Куанг Mail. Деформированное состояние разностенного цилиндра при его нагружении давлением [текст] / Ман Нгуен Куанг, В.Ф. Кузин, С.М. Бочаров // Известия ТулГУ, Серия. Технические науки. - Ту-

ла: Изд-во ТулГУ. - 2012. - Вып. 1. - С. 252 - 259. \

2. Нгуеи Куанг Май. Нгуен Куанг Ман. Осадка цилиндрического образца из упруго-пластичного упрочняющегося материала [текст] / Ман Нгуен Куанг, В.Ф. Кузин // Известия ТулГУ. Серия. Технические науки. -Тула: Изд-во ТулГУ. - 2012. - Вып. 10. - С. 131 - 137.

3. Нгуен Куанг Ман. Исследование влияние технологических параметров на силовые режимы обратного выдавливания [текст] / Ман Нгуен Куанг // Известия ТулГУ. Серия. Технические науки. - Тула: Изд-во ТулГУ. - 2012. - Вып. 12. - часть 2. - С. 84 - 88.

4. Нгуен Куанг Ман. Исследование силовых параметров процесса холодного обратного выдавливания [текст] / Ман Нгуен Куанг, В.Ф. Кузин // Известия ТулГУ. Серия. Технические науки. - Тула: Изд-во ТулГУ. — 2013. - Вып. 6. - часть 2 - С. 111 - 114.

5. Нгуен Куанг Ман. Автоматизация прогрессивных технологических процессов [текст] / Ман Нгуен Куанг // Вестник ТулГУ. Автоматизация: проблемы, идеи, решения (АПИР - 14). - Тула: Изд-во ТулГУ. - 2009. - часть 2. — С. 59 - 62.

6. Нгуен Куанг Ман. Повышение эффективности технологии изготовления гильз охотничьих патронов [текст] / Ман Нгуен Куанг, В.М. Лялин // Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов: Материалы докладов Всероссийской НТК студентов, магистров, аспирантов и молодых ученых. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. - С. 110-112.

7. Нгуен Куанг Ман. Термопластический анализ напряженно-деформированного состояния оболочки [текст] / Ман Нгуен Куанг // Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов: Материалы докладов Всероссийской НТК студентов, магистров, аспирантов и молодых ученых. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. - С. 296-299.

8. Нгуен Куанг Ман. Осадка полосы из изотропного упруго-пластичного упрочняющегося материала [текст] / Ман Нгуен Куанг, В.Ф. Кузин // Вестник ТулГУ. Автоматизация: проблемы, идеи, решения (АПИР - 16). — Тула: Изд-во ТулГУ. - 2011. - часть 2. - С. 59 - 62.

9. Нгуен Куанг Ман. Напряженно-деформированное состояние оболочки при ее нагружении внутренним давлением [текст] / Ман Нгуен Куанг, В.Ф. Кузин, Ту Фан Нгок // Вестник ТулГУ. Автоматизация: проблемы, идеи, решения (АПИР - 17). - Тула: Изд-во ТулГУ. - 2012. 324с. - С. 182 - 188.

Изд. лиц.ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 22.10.2013 Формат бумаги 60x84 Бумага офсетная.

Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 0,8. Тираж 100 экз. Заказ 060. Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, пр. Ленина, 95.

ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

На правах рукописи

Нгуен Куанг Ман

0420*1450225

ХОЛОДНОЕ ОБРАТНОЕ ВЫДАВЛИВАНИЕ ЛАТУННЫХ ЗАГОТОВОК ПЛОСКО-КОНУСНЫМ ПУАНСОНОМ

Специальность 05.02.09 - Технология и машины обработки давлением

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Кузин Владимир Федорович

Тула - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ХОЛОДНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ...............................................................................................12

1.1. Особенности процесса холодного выдавливания....................................12

1.2. Классификация схем объемной штамповки.............................................15

1.3. Методы анализа процессов обработки металлов давлением..................20

1.4. Основные выводы и постановка задач исследования.............................30

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАТНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ...........................................................31

2.1. Постановка задачи расчета процесса обратного выдавливания методом конечных элементов...........................................................................................31

2.2. Сведение о программе БЕРОИМ-ЗО........................................................53

2.3. Исследование и моделирование процесса обратного холодного выдавливания...............................................................:......................................54

2.4. Определение сходимости полученных результатов...............................65

2.5. Вывод............................................................................................................65

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА СИЛОВЫЕ РЕЖИМЫ ПРИ ОБРАТНОМ ВЫДАВЛИВАНИИ...............67

3.1. Силовые режимы.........................................................................................67

3.2. Неоднородность интенсивности деформации и сопротивления материала пластическому деформированию в стенке поковки....................69

3.3. Повреждаемость материала при обратном выдавливании.....................70

3.4. Выводы.........................................................................................................73

4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................................................75

4.1. Проектирование технологических операций на базе применения холодного выдавливания...................................................................................76

4.2. Исходные данные для проектирования технологического.....................79

процесса изготовления латунной охотничьей гильзы....................................79

4.3. Расчет технологических режимов.............................................................81

4.4. Разработка штамповой оснастки для обратного выдавливания.............96

4.5. Использование результатов исследований...............................................98

4.6. Выводы.........................................................................................................98

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................99

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ...............................................101

ПРИЛОЖЕНИЕ 1................................................................................................112

ПРИЛОЖЕНИЕ 2................................................................................................123

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время Социалистическая Республика Вьетнам уверенно идёт по пути развития и индустриализации своей экономики, одной из важнейших отраслей которой является машиностроение. Современные отрасли машиностроения постоянно нуждаются в полуфабрикатах и деталях, к которым предъявляются высокие требования по качеству, связанные с физико-механическими свойствами, геометрической точностью изготовления, шероховатостью поверхности и рядом других параметров. Большое количество практически важных вопросов, касающихся холодного обратного выдавливания, в настоящее время достаточно хорошо изучены и основные результаты сведены в справочники и пособия. Тем не менее, проектирование новых и оптимизация существующих технологических процессов приводит к необходимости решения новых конкретных задач с учётом их специфики.

Исследуемые процессы холодного обратного выдавливания относятся к прогрессивным методам обработки металлов давлением и позволяют значительно уменьшить расход материалов на изделие, повысить точность заготовок, производительность труда и снизить трудоемкость изготовления благодаря использованию высоких степеней деформаций. Однако использование в технологических циклах операций холодного выдавливания требует очень точного выбора режимов деформирования, геометрии рабочего инструмента, смазочных материалов, определенного сочетания механических и пластических свойств заготовки.

Таким образом, актуальной задачей является теоретическое обоснование рациональных технологических режимов операции холодного обратного выдавливания прутковых заготовок, обеспечивающих снижение материалоемкости, заданное качество и сокращение сроков подготовки производства новых изделий.

Цель работы. Повышение эффективности изготовления цилиндрических деталей методом холодного обратного выдавливания из прутковых заготовок, на основе установления теоретически обоснованных режимов пластического деформирования с использованием точных методов расчета и современных достижений вычислительной техники, обеспечивающих формирование требуемых эксплуатационных свойств, а также сокращение трудоемкости и материалоемкости. Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи исследований:

1. Сформулировать основные уравнения и соотношения объемного пластического течения, позволяющие с привлечением метода конечных элементов учитывать неоднородность деформаций и напряжения, кинематические, деформационные, силовые характеристики в процессе обратного выдавливания;

2. Построить математическую модель для расчета процесса холодного обратного выдавливания цилиндрических заготовок в условиях объемной деформации с использованием пакета прикладных программ ОБРСЖМ-ЗО У6.1;

3. Установить влияние технологических параметров, геометрии рабочего инструмента, коэффициента трения на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния, величину повреждаемости, неоднородность интенсивности деформации и сопротивления материала пластическому деформированию в стенке поковки, силовые режимы операции обратного выдавливания;

4. Провести расчет повреждаемости материала при обратном выдавливании цилиндрических поковок;

5. Дать рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления цилиндрических деталей с заданными эксплуатационными свойствами с использованием операции холодного обратного выдавливания.

Объект исследования. Операция обратного выдавливания прутковых заготовок в режиме холодной штамповки.

Предмет исследования. Напряженно-деформированное состояние заготовки, и силовые режимы обратного выдавливания.

Методы исследования. Теоретические исследования процесса холодного обратного выдавливания цилиндрических поковок выполнены с использованием основных положений теории пластичности с пластической неоднородности материала и деформационной повреждаемости. Анализ напряженно-деформированного состояния и расчет силовых параметров процесса обратного выдавливания осуществлен численно методом конечных элементов.

Автор защищает:

- на основе решения известных уравнений при вводимых граничных условий полученную картину напряженно-деформированного состояния заготовки в процессе обратного выдавливания;

результаты теоретических исследований процесса обратного выдавливания;

- закономерности влияния технологических параметров, геометрии рабочего инструмента, коэффициента трения и степени деформации на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния заготовки, повреждаемость, неоднородность интенсивности деформации и сопротивления материала пластическому деформированию в стенке поковки, силовые режимы операции обратного выдавливания;

- разработанные рекомендации по проектированию технологии изготовления заготовок латунных гильз охотничьих патронов на базе операций обратного выдавливания из прутковых заготовок.

Научная новизна. Установлены закономерности изменения кинематики течения материала и напряженно-деформированного состояния, пластической неоднородности материала от технологических параметров процесса холодного обратного выдавливания прутковых заготовок с учетом геометрий заготовки, граничных условий и степени деформации.

Практическая значимость. На основе выполненных исследований разработаны рекомендации и пакет адаптированных прикладных программ по расчету рациональных технологических параметров операции обратного выдавливания прутковых заготовок, обеспечивающих интенсификацию технологических процессов, уменьшение трудоемкости и металлоемкости деталей, заданное качество их изготовления, сокращение сроков подготовки производства новых изделий.

Реализация работы. Отдельные результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе при подготовке специалистов и магистров по специальности 170104 «Высокоэнергетические устройства автоматических систем» и включены в разделы лекционных курсов «Технологическая механика», «Современные методы подготовки производства», а также в научно-исследовательской работе студентов при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на Международной научно-технической конференции «Автоматизация; проблемы, идеи, решения» (АПИР-14, АПИР-16, АПИР-17) (г. Тула: ТулГУ, 2009, 2011, 2012 г.), на Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых "Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов" (г. Тула, 2010, 2012), на ежегодной магистерской научно-технической конференции Тульского

государственного университета (Тула, 2009, 2010), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2010 - 2012).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ, в том числе 4 работы в изданиях, входящих в Перечень рецензируемых научных журналов ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников из 115 наименований, 2 приложения и включает 100 страниц машинописного текста, содержит 34 рисунка и 5 таблиц. Общий объем - 124 страницы.

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе научно-технической задачи, сформулированы цель работы, положения, выносимые на защиту, научная новизна, методы исследования, практическая значимость, приводятся данные о реализации работы, публикациях, структуре и объеме диссертационной работы, краткое содержание разделов диссертации.

В первом разделе дан обзор литературных источников, связанных с изучаемыми вопросами: формообразование тела при холодной деформации; исследование процессов холодного выдавливания. Приведена классификация схем объемной штамповки.

Значительный вклад в развитие теории пластичности, методов анализа процессов обработки металлов давлением внесли Ю.А. Алюшин, A.A. Богатов, P.A. Васин, С.И. Вдовин, Э. By, O.A. Ганаго, В.Д. Головлев, Ф.В. Гречников, С.И. Губкин, Г.Я. Гун, Г.А. Данилин, Г.Д. Дель, В. Джонсон, A.M. Дмитриев, Д. Друкер, А.К. Евдокимов, A.A. Ильюшин, Е.И. Исаченков, Ю.Г. Калпин, J1.M. Качанов, И.А. Кийко, B.JI. Колмогоров, X. Кудо, В.Д. Кухарь, H.H. Малинин, А.Д. Матвеев, А.Г. Овчинников, В.А. Огородников, С.С. Одинг, Е.А. Попов, И.П. Ренне, В.П. Романовский, Ф.И. Рузанов, Е.И. Семенов, E.H. Сосенушкин, Л.Г. Степанский, А.Д. Томленов, Е.П. Унксов, Р. Хилл, В.В. Шевелев, С.П. Яковлев С.С. Яковлев и другие. В трудах этих ученых разработаны и усовершенствованы методы анализа процессов пластического формоизменения, даны примеры их применения к анализу

процессов обработки металлов давлением. На основе приведенного обзора поставлена научная задача диссертационного исследования, состоящая в моделировании процесса обратного выдавливания прутковых заготовок с использованием трехмерной модели.

Во втором разделе даны основные соотношения и уравнения, необходимые для теоретического анализа процесса обратного выдавливания методом конечных элементов. Математическое моделирование обратного выдавливания выполнено в предположении, что материал жесткопластический несжимаемый, изотропный. Рассмотрены системы уравнений для статической задачи, которые являются замкнутыми относительно функций о и уг Для построения единственного решения

сформулированы граничные условия в любой текущий момент деформирования ^ на поверхности тела 5 объемом V.

Построен функционал полной мощности, эквивалентный системе уравнений с учетом принятых допущений для статической задачи. Выполнена процедура конечно-элементной дискретизации, для чего непрерывное тело разбивается на множество элементов конечных размеров (конечных элементов), рассматривается как совокупность этих элементов. При этом непрерывные функции, описывающие физические и механические величины, заменяются приближенными выражениями, которые, являясь гладкими в пределах каждого конечного элемента, будут непрерывными и кусочно-дифференцируемыми во всем теле.

На основе разработанной конечно-элементной методики решения задач составлены соответствующие схемы алгоритмов и адаптирован пакет прикладных программ ВЕРСЖМ-ЗВ для расчета технологического процесса обратного выдавливания, протекающего в условиях объемной деформации при статическом подходе к исследованию процесса деформирования. Пакет прикладных программ имеет модульную структуру и состоит из трех частей:

автоматизированной подготовки данных; непосредственного решения задачи и визуализации результатов расчетов в виде диаграмм, графиков, рисунков.

Рассмотрен расчет операции обратного выдавливания с использованием метода конечных элементов и многошагового процесса принятия решения. Разработанный алгоритм реализован с помощью программы конечно-элементного анализа ОЕРСЖМ-ЗО. Приведены результаты решения в виде графиков изменения компонент тензора деформаций, скоростей деформации и компонент тензора напряжений для 3 произвольно взятых точек.

Третий раздел посвящен исследованию процесса обратного выдавливания на основе адаптированного программного комплекса БЕРОИМ-ЗР. В качестве основных технологических параметров учитывалось влияние степени деформации, угла конусности пуансона, коэффициента трения на кинематику течения материала, силовые режимы, неоднородность интенсивности деформации и сопротивления материала пластическому деформированию в стенке поковки.

Оценка величины накопленной повреждаемости деформируемого металла проводится с использованием линейной модели пластического разрыхления, предложенной В. Л. Колмогоровым. Проведен расчет повреждаемости вдоль траектории движения совокупности частиц материала в пластической области, установлено распределение меры повреждаемости в стенках цилиндрической детали после выдавливания.

В четвертом разделе предложена разработанная новая, более эффективная технология производства латунных гильз охотничьих патронов. Использование разработанной технологии дает возможность прогнозировать силовые и деформационные характеристики, эксплуатационные свойства и устанавливать предельные степени деформирования при разработке новых технологических процессов изготовления деталей с заданными

эксплуатационными свойствами на базе операций холодного обратного выдавливания при рациональном выборе режимов обработки.

Разработана штамповая оснастка для операции обратного выдавливания прутковых заготовок.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого

технологического процесса связана с применением прутковой заготовки с оптимальным соотношением высоты и диаметра, повышающей коэффициент использования материала с 0.6 до 0.89 и снижающей трудоемкость ее получения отрезкой прутка на 15...20%. Сокращаются сроки подготовки производства в 1.6 раза.

Отдельные результаты диссертационной работы использованы в учебно-исследовательской работе студентов и магистров при выполнении лабораторных работ, курсовых и дипломных проектов, а также в учебном курсе «Спецдисциплина по выбору».

В заключении приводятся результаты и выводы по выполненной работе.

Приложения содержат полученные тексты программы компьютерного моделирования процесса обратного выдавливания и акт внедрения полученных результатов в учебный процесс.

1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ХОЛОДНОГО

ВЫДАВЛИВАНИЯ

1.1. Особенности процесса холодного выдавливания

Процессы холодного выдавливания являются высокоэффективными операциями, позволяющими максимально экономить используемый для деформации материал, снижать энергозатраты, экономить трудовые ресурсы, сберегать подготовительное и ра