автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Формообразование эксцентрических переходов обжимом трубных заготовок

На правах рукописи

АЛЕКСЕЕВ ДМИТРИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ЭКСЦЕНТРИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ ОБЖИМОМ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

?■• ""Я 2013

Тула 2013 005538996

005538996

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Пасько Алексей Николаевич

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, ОАО «Научно-производственное объединение «СПЛАВ», заместитель начальника отдела №4

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Государственный университет -учебно-научно-производственный комплекс» (г. Орёл)

Защита состоится « // У>Г?екГСг,'ЬрсК 2013 г. в и- 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 «

2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Черняев Алексей Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Обеспечение конкурентоспособности современного машиностроительного и металлообрабатывающего производства возможно созданием энерго- и ресурсосберегающих технологических процессов изготовления изделий требуемого качества.

В машиностроении, судостроении, авиастроении, нефтегазовой, химической и других отраслях промышленности широко применяются трубные переходы, которые необходимы для плавного изменения диаметра трубопровода.

Одним из путей повышения эффективности имеющихся и создания новых высокоэффективных технологических процессов изготовления трубных переходов является разработка и использование научно обоснованных методов определения параметров формоизменяющих операций, позволяющих снизить объем натурных испытаний и ускорить технологическую подготовку производства.

Современное состояние развития компьютерной техники дает возможность применения математического моделирования, позволяющего оценить кинематику течения металла, исследовать напряженно-деформированное состояние и накопление повреждаемости в любой точке заготовки, определить энергосиловые параметры процесса, предсказать образование возможных дефектов. Особенно это актуально для решения малоисследованных трехмерных задач обработки металлов давлением, в том числе процессов штамповки эксцентрических переходов.

Таким образом, актуальной задачей является создание научно-обоснованного подхода к определению технологических параметров операции обжима трубных заготовок, учитывающего трехмерный характер течения упрочняющегося материала, контактное трение и накопление микроповреждений.

Работа выполнена в соответствии с грантами РФФИ 10-01-97507-р_центр_а, 11-01 -97516-р_центр_а.

Целью работы является повышение эффективности изготовления эксцентрических переходов за счет создания научно-обоснованного подхода определения технологических параметров операции обжима с наружным подпором трубных заготовок.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) разработать математическую модель деформирования заготовки жестким инструментом, учитывающую сложную трехмерную геометрию деформирующего инструмента, упрочнение материала, накопление повреждаемости, контактное трение и возможность отхода заготовки от поверхности инструмента;

2) разработать программный комплекс для математического моделирования процесса деформирования заготовки жестким инструментом;

3) провести с помощью разработанного программного комплекса теоретические исследования процесса обжима трубной заготовки;

4) установить влияние контактного трения, геометрии инструмента и трубной заготовки на накопление повреждаемости, геометрию изделия, силовые и деформационные параметры процесса обжима;

5) разработать рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления эксцентрических переходов.

Объект исследования: Процессы изготовления штампованных переходов из трубных заготовок.

Предмет исследования: Холодный обжим с внешним подпором трубных заготовок при изготовлении эксцентрических переходов.

Методы исследования. Теоретические исследования процесса обжима трубных заготовок выполнены с использованием основных положений механики деформируемого твердого тела, теории течения жесткопластического материала, метода конечных элементов, аналитической геометрии, методов математической статистики и планирования многофакторного эксперимента. Для оценки степени использования ресурса пластичности материала использован феноменологический критерий накопления микроповреждений. Исследования выполнены с помощью разработанного программного комплекса, математического пакета MathCAD и CAD-сисгемы КОМПАС-ЗБ Ноше.

Автор защищает:

1) предложенную математическую модель трехмерного течения жесткопластического материала заготовки при воздействии жестким инструментом;

2) результаты теоретических исследований процесса обжима с внешним подпором трубной заготовки из стали СтЗ;

3) математические модели, описывающие влияние трения, геометрии инструмента и исходной заготовки на силовые, деформационные параметры, степень использования ресурса пластичности, основные геометрические параметры изделия из стали СтЗ;

4) предложенные рекомендации по выбору формы и размеров исходной заготовки, угла конусности и рабочего диаметра матрицы.

Научная новизна:

Выявлены закономерности изменения силовых параметров, напряженно-деформированного состояния заготовки, геометрических параметров изделия и накопления микроповреждений при асимметричном обжиме трубных заготовок с помощью разработанной математической модели, учитывающей трехмерный характер течения упрочняющегося материала и контактное трение.

Достоверность результатов обеспечена строгостью математической постановки задачи, корректным применением известных математических методов, многократным тестированием разработанных алгоритмов, сопоставлением результатов расчетов с экспериментальными данными.

Практическая ценность:

1) разработано программное обеспечение для компьютерного моделирования формоизменяющих операций холодной листовой штамповки;

2) предложены рекомендации по определению технологических параметров операции асимметричного обжима трубных заготовок.

Реализация работы:

1) результаты работы использованы в опытном производстве ОАО «ТНИ-ТИ» при разработке технологических процессов изготовления эксцентрических переходов;

2) отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке магистров по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование», бакалавров и магистров по направлению 150700 «Машиностроение», а также использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов на кафедре «Механика пластического формоизменения» ТулГУ.

Апробация работы. Материалы работы докладывались на V Региональной молодежной научно-практической конференции «Молодежные инновации» (ТулГУ, г. Тула, 2011 г.), ХХП1 Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов (ИМАШ РАН, г. Москва, 2011 г.), Международной научно-практической конференции молодых ученых «Актуальные проблемы современной науки: свежий взгляд и новые подходы» (Приволжский научно-исследовательский центр, г. Йошкар-Ола, 2012 г.), а также ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2011-2013 г.г.).

Публикации. За время подготовки диссертации опубликовано 10 статей, 9 из которых в рецензируемых изданиях, внесенных в список ВАК.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы из 75 наименований и содержит 131 страницу машинописного текста, включая 84 рисунка и 4 таблицы, приложение.

Во введении обоснована актуальность рассмотренной в работе задачи, сформулированы цель работы, приведены положения, выносимые на защиту, описано краткое содержание разделов диссертации.

В первом разделе рассмотрено современное состояние теории и технологии процесса обжима трубных заготовок. Рассмотрены методы изготовления штампованных переходов. Описаны основные преимущества изготовления трубных переходов обжимом с внешним подпором.

Отмечено, что вопросы теории и технологии обжима трубных заготовок получили развитие в работах Ю.А. Аверкиева, Н.П. Агеева, В.В. Гедионова, М.Н. Горбунова, И.А. Гореловой, С.А. Евсюкова, М.Ф. Каширина, В.Д. Кухаря, Э.Л. Мельникова, А.Г. Овчинникова, А.Г. Пашкевича, О.В. Пилипенко, Е.А. Попова, В.Н. Фролова, A.B. Черняева, В.Н. Чудина, С.С. Яковлева и др.

На основе выполненного обзора работ установлено, что силовые параметры, предельные возможности формоизменения, а также геометрия изделия при штамповке обжимом зависят от технологической схемы процесса, контактного трения, механических свойств материала, геометрии матрицы и исходной заготовки.

Большинство теоретических исследований посвящены процессу обжима тонкостенных трубных заготовок, в которых применены основные положения безмоментной теории оболочек вращения и методы совместного решения приближенных дифференциальных уравнений равновесия и условия текучести с учетом граничных условий задачи.

Также отмечено, что процессы асимметричного обжима трубных заготовок недостаточно изучены.

Второй раздел посвящен разработке математической модели деформирования жестким инструментом заготовки из жесткопластического материала, для которого справедливы следующие соотношения: дифференциальные уравнения равновесия

где с у - компоненты тензора напряжений;

соотношения связи приращений компонентов тензора деформаций с приращениями компонентов вектора перемещения (соотношения Коши)

ску = 0,S{duij

где ск.у - приращение компонент тензора деформаций; ¿/м,- - приращения компонент вектора перемещения; условие несжимаемости

= ¿Еу -5у = 0,

где - приращение объемной деформации; ду - дельта Кронекера;

соотношения связи приращений компонент тензора деформаций с компонентами девиатора напряжений

„ _ 3 й?£г

2---множитель Лагранжа; яу - компоненты девиатора напряжений;

~ уз^и '^у ~ интенсивность приращения деформаций; ст,- "^у -

интенсивность напряжений;

условие текучести Губера-Мизеса

где - сопротивление деформированию; е - степень пластической деформации;

Граничные условия задачи: на части поверхности 5Ц

сЬл^ = *, й?м(- * - заданное приращение перемещения; на части поверхности

те = т • /0; ¿и1 ■ щ = <Юп, где т0 - проекция вектора напряжения трения на оси координат (9 = х',у'), лежащие в плоскости, касательной в точке контакта заготовки с инструментом; х - заданный закон трения; /9 - направляющие косинусы между вектором напряжения трения и осями 9; <Шп - приращение нормального перемещения деформирующего инструмента.

Математическая модель процесса формоизменения основана на вариационном принципе возможных изменений деформированного состояния и методе конечных элементов. Полученная система уравнений имеет следующий вид

£(К + Кт+К„)е.ДУ = £(Рх+Ри)г

'е'

е е

где ДУ - искомый вектор узловых приращений перемещений; К - матрица жесткости элемента, учитывающая геометрию конечного элемента, механические свойства материала и условие несжимаемости; - матрица и вектор, учитывающие влияние сил трения при относительном скольжении узлов конечного элемента по поверхности инструмента; К„, - матрица и вектор, необходимые для учета условия непроницаемости узлов конечного элемента в тело инструмента; символ Е означает операцию составления ансамбля (сборки глобальной матрицы жесткости и вектора сил).

В качестве уравнения состояния материала использована зависимость

<^(<0=аз0+В-епУ,

где сг^о - предел текучести материала; В ~ константа, характеризующая интенсивность упрочнения в процессе деформирования материала; пу - показатель упрочнения материала.

Касательное напряжение на контактной поверхности описано с помощью формулы А.Н. Леванова

'-1,25|а„|У

х = т—¡ь

7з

1 —ехр

где т - фактор трения; ап - нормальное контактное напряжение.

Для оценки степени использования ресурса пластичности применен критерий Деля-Огородникова, учитывающий нелинейное накопление повреждаемости и различные пути нагружения металла

s zn-\ y = \n-ds< 1,

0 *P{r\T

где \\i - повреждаемость; гр(г\)=2гр exp(- X/n) - предельная степень деформации; Ер — предельная степень деформации при т| = 1; т)= — - показатель

напряженного состояния; а - среднее напряжение; X - константа материала; dx|

и = 1 + aarctg— - коэффициент, учитывающий влияние истории деформирования; а — константа материала.

Для нахождения силовых параметров использовано следующее выражение

где Р{, Si - проекции вектора силы и полного напряжения на ось, относительно которой задано перемещение инструмента.

Представлена методика поиска контакта между заготовкой и деформирующим инструментом. Решение данной задачи основано на использовании геометрической модели инструмента, аппроксимированной треугольными гранями. Этот подход позволяет решать задачи, в которых деформирующий инструмент может иметь достаточно сложную трехмерную геометрию. При этом имеется возможность использования современных CAD-систем с поддержкой экспорта геометрии в файлы формата STL и DXF.

Для описания размыкания контакта между заготовкой и инструментом использовано условие вида

а„>0.

На основе предложенной математической модели разработан программный комплекс для анализа формоизменяющих операций холодной листовой штамповки.

В третьем разделе представлены результаты теоретических исследований процесса асимметричного обжима трубной заготовки. Проведен анализ напряженно-деформированного состояния, накопления микроповреждений, изменения технологической силы процесса, а также геометрии обжатой заготовки из стали СтЗ.

На рис. 1 представлена схема рассмотренного процесса. Использованы следующие геометрические параметры матрицы и исходной заготовки: угол конусности а = 30°; радиусы скругления г{ =14мм и г2 =10мм; диаметры d = 40 мм и D = 50 мм; толщина стенки s - 2 мм; длина L = 70 мм.

Фактор трения для всех инструментов принят равным т = 0,15.

На рис. 2 показана геометрия обжатой заготовки, полученная в результате конечно-элементного моделирования. На рисунке также указаны точки, в кото-

рых исследовалось изменение напряженно-деформированного состояния, накопление степени деформации и микроповреждений.

Рис. 1. Схема процесса: 1 - заготовка; Рис. 2. Исследованные точки 2 -матрица; 3 - подпорное кольцо; 4 — пуансон

заготовки

60

[%]

40

20

0

1

2 /

/ у 3

0,15

ОД

0,05

0

25

50 Н

75 100 [%]

Рис. 3. Графики накопления степени деформации в исследованных точках

О

1

2 / 3\-

0 25

50 Я

75 100 [%]

Рис. 4. Графики накопления повреждаемости в исследованных точках

На рис. 3, 4 изображены графики, характеризующие зависимость степени деформации и микроповреждений в точках 1 - 3 (рис. 2) от хода пуансона Н. Кривые показывают, что наибольшая интенсивность накопления степени деформации и повреждаемости происходит в обжимном участке матрицы. Из рис. 4 видно, что наибольший уровень повреждаемости имеется в точке 1. По-

еле прохождения обжимной части матрицы в этой точке происходит замедление накопления микроповреждений. Далее наблюдается небольшой рост этой величины. Это объясняется тем, что на данной стадии возникает растягивающее среднее напряжение. К окончанию процесса материал в этой точке начинает разгружаться. В точке 2 после прохождения обжимной части практически отсутствует рост микроповреждений. В точке 3 накопление повреждаемости происходит наименее интенсивно. Это объясняется наименьшей интенсивностью накопления степени деформации в начале процесса и увеличением сжимающего среднего напряжения при увеличении интенсивности ее накопления. Графики, характеризующие изменение среднего напряжения, представлены на рис. 5.

На рис. 6 представлен график, который показывает, что наиболее интенсивный рост силы процесса происходит при формировании конической части изделия (участок бв). При выходе заготовки из обжимного участка матрицы рост технологической силы замедляется (участок вг).

0,08

400

[МПа] 200 0

° -200 -400 -600

1

\

3 |

2 |

[МН]

0,06

0,04

0,02

г \

в

1............б

\ о

0

25

50 И

75 100 [%]

25

50 Н

75 100 [%]

Рис. 6. График изменения силы процесса

Рис. 5. Графики изменения среднего напряжения в исследованных точках

Отмечено, что при выходе из обжимного участка матрицы происходит отход заготовки от поверхности матрицы, что приводит к уменьшению диаметра обжатой части изделия.

В четвертом разделе рассмотрено влияние контактного трения, геометрии инструмента и трубной заготовки на накопление повреждаемости, геометрию изделия, силовые и деформационные параметры процесса обжима.

После обработки результатов численных экспериментов получено уравнение регрессии для удельной силы процесса \2

О. = 2474,1

+ -^•1 11,2938а-3040,9т-11103—-4614,7 | +

- 0,0535а2 - 12,7956а + 2800,Ът + 10615— + 2246,2,

Анализ результатов расчета показал, что увеличение угла а и относительной толщины стенки я/О приводит к увеличению максимальной степени накопленной деформации. С ростом степени обжима влияние угла а усиливается (рис. 9). Также с ростом угла а происходит увеличение неравномерности ее распределения по обжатому торцу. Обратное явление наблюдается при увеличении степени обжима, при этом влияние угла а возрастает (рис. 10).

100 [%] 80 60

Б

40 20

0,7

Рис. 9. Зависимость максимальной Рис. 10. Зависимость коэффициента степени деформации е от угла неравномерности Кс от угла

конусности а и отношения (¡Л) конусности а и отношения (¡/О

(.¡/0=0,02) (<¡/0=0,04)

Получено выражение для расчета степени использования ресурса пластичности деформируемого материала, имеющее вид

у = 0,5277^ + ^7,2286-^ -1,4481^ + ^0,0266-^ + 0,0023152^а -

- 0,00003428а2 - 5,2784-^ + 0,8687.

С помощью данной зависимости установлено, что с увеличением угла конусности матрицы и толщины стенки исходной заготовки происходит более интенсивное накопление микроповреждений. Влияние величины я/О снижается с ростом степени обжима и уменьшением угла конусности а. Для рассмотренного диапазона изменения параметров процесса степень использования ресурса пластичности не превышает 0,22.

Анализ результатов моделирования показал, что рост угла конусности а при отношении й?/£> < 0,8 приводит к увеличению искривления обжатого торца, при й/Б >0,8 искажение торца практически не зависит от величины угла а. Угол конусности также влияет на форму стенки обжатой части заготовки.

Наибольшее искривление стенки горловины наблюдается при а = 45°. Установлено, что рост толщины стенки исходной заготовки также приводит к увеличению искривления торца.

Установлено, что снижение искривления обжатого торца за счет применения заготовки с косым срезом возможно при (1/В < 0,8 и а > 30°. Для расчета величины угла среза получены соответствующие формулы.

Получено выражение для определения наибольшего зазора А, возникающего между обжатой частью заготовки и поверхностью матрицы

~ = 4(0,0022а - 0,067) - 0,0018а + 0,1283— + 0,0641.

С помощью данного выражения установлено, что с увеличением угла конусности матрицы при с(/0< 0,8 происходит уменьшение зазора, при (¡¡О > 0,8 наблюдается его увеличение. При й?/£> и 0,8 влияние угла а незначительно.

Рост толщины стенки исходной заготовки также приводит к возрастанию величины А.

Для оценки утолщения стенки в торцевом сечении и в зоне радиуса изгиба заготовки (рис. 1) получены выражения для расчета максимальной относительной толщины, имеющие вид:

^^ = 0,0285а - 0,3014— - 0,0342-а +1,4122;

« ВО

^^ = —(- 0,0208а - 0,4431)+ 0,0208а + 0,7778— +1,4314.

а) обжатый торец б) стенка в области радиуса изгиба

(я/й=0,04)

Рис. 11. Зависимость относительной толщины от угла конусности а и отношения (1/1)

метров операции обжима трубных заготовок, учитывающего трехмерный характер течения упрочняющегося материала, контактное трение и накопление микроповреждений.

Основные результаты и выводы, полученные при подготовке диссертационной работы:

1. Разработан на основе метода конечных элементов и определяющих соотношений теории пластичности вариант математической модели трехмерного течения жесткопластического материала при воздействии жестким инструментом. Математическая модель позволяет решать задачи, в которых граничные условия контактного типа заранее неизвестны и могут изменяться.

2. Разработан на основе математической модели программный комплекс, позволяющий оценивать кинематику течения, напряженно-деформированное состояние заготовки, накопление микроповреждений, энергосиловые параметры процесса на всех этапах деформирования и предсказать образование дефектов. Проведена оценка адекватности математической модели и работоспособности разработанной программы. Результаты моделирования достаточно точно согласуются с известным решением и экспериментальными данными.

3. Выполнены теоретические исследования процесса ассиметричного обжима трубной заготовки. Показано, что наиболее интенсивное накопление степени пластической деформации, микроповреждений, а также наиболее интенсивный рост силы процесса происходит при формировании конической части изделия. На стадии формирования цилиндрической части рост данных параметров замедляется. При выходе из обжимного участка матрицы происходит отход заготовки от поверхности матрицы, что приводит к уменьшению диаметра обжатой части изделия.

4. Установлено, что с ростом угла конусности матрицы а наблюдается увеличение интенсивности накопления микроповреждений, степени деформации и ее неравномерности распределения по обжатому торцу, утолщения стенки в области радиуса изгиба и в торцевом сечении при ¿//О <0,825. При ¿//£>>0,825 наблюдается уменьшение разнотолщинности в торцевом сечении. Показано, что при с1/Л < 0,8 рост угла приводит к уменьшению зазора между обжатой частью заготовки и поверхностью матрицы, при меньших степенях обжима зазор увеличивается. Установлено, что при с//£><0,8 наименьшее значение силы процесса соответствует диапазону а = 35...450, при (¡¡Б > 0,8 - 25...35°.

Рост толщины стенки исходной заготовки приводит к увеличению удельной силы процесса, интенсивности накопления микроповреждений и степени деформации, а также снижению точности получаемых изделий.

5. Предложены рекомендации по выбору формы и размеров исходной заготовки, угла конусности и рабочего диаметра матрицы.

6. Результаты работы использованы в опытном производстве ОАО «ТНИ-ТИ». Отдельные материалы научных исследований использованы в учебном процессе на кафедре «Механика пластического формоизменения» ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Алексеев Д.А., Пасько А.Н., Алексеев П.А. Моделирование контакта инструмента с заготовкой в трехмерных задачах обработки металлов давлением // Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3. С. 177 -181.

2. Алексеев Д.А., Пасько А.Н. Конечно-элементное моделирование контактного трения в процессах обработки металлов давлением // Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып. 1. С. 105 - 112.

3. Алексеев Д.А., Пасько А.Н., Грязев М.В. Программа для расчета трехмерных процессов холодной штамповки // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2011. №11. С. 41 - 44.

4. Алексеев Д.А., Пасько А.Н., Грязев М.В. Программный комплекс для моделирования процессов холодной штамповки жестким инструментом // Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып. 4. С. 8 - 13.

5. Алексеев Д.А., Пасько А.Н. Конечно-элементный подход к моделированию процессов гидромеханической формовки // Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып. 4. С. 30 - 36.

6. Алексеев Д.А., Пасько А.Н. Математическая модель пластического формоизменения заготовки жестким инструментом // Вестник ТулГУ. Актуальные вопросы механики. 2011. Вып. 7. С. 128 — 134.

7. Алексеев Д.А., Пасько А.Н. Математическое моделирование процессов гидравлической и гидромеханической формовки // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2011. №11. С. 45 - 48.

8. Алексеев Д.А. Вариант конечно-элементной модели для решения трехмерных задач холодной штамповки // Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 10. С. 122 - 126.

9. Алексеев Д.А. Моделирование штамповки эксцентрического перехода // Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 10. С. 137 -141.

10. Алексеев Д.А. Силовые параметры операции обжима при получении эксцентрического перехода // Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 7. Ч. 2. С. 232 - 238.

Подписано в печать SP/Ъ

Формат бумага 60 х 84 . Бумага офсетная.

Усл. печ. л. 1,1. Уч.-изд. л. 1,0.

Тираж 100 экз. Заказ 06,S

Тульский государственный университет.

300600, г. Тула, просп. Ленина, 92.

Отпечатано в Издательстве ТулГУ.

300012, г. Тула, пр. Ленина, 97а.

ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

На правах рукописи

АЛЕКСЕЕВ ДМИТРИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ЭКСЦЕНТРИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ ОБЖИМОМ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент А.Н. Пасько

Тула 2013

Содержание

Введение.............................................................................................................4

1 Современное состояние теории и технологии обжима трубных заготовок.....................................................................................................................10

1.1 Основные технологические схемы получения переходов холодной штамповкой............................................................................................................10

1.2 Исследования процесса обжима трубных заготовок.........................16

1.3 Использование метода конечных элементов для анализа процессов ОМД........................................................................................................................22

1.4 Цели и задачи.........................................................................................24

2 Разработка математической модели....................................'.......................26

2.1 Постановка задачи о течении жесткопластической материала........26

2.2 Конечно-элементная модель течения жесткопластической среды.. 28

2.3 Моделирование контакта заготовки с деформирующим инструментом.........................................................................................................43

2.4 Оценка накопления повреждаемости и силовых параметров процесса..................................................................................................................46

2.5 Описание разработанного программного комплекса........................49

2.6 Оценка адекватности разработанной математической модели........54

2.7 Основные результаты и выводы..........................................................63

3 Исследование процесса обжима с внешним подпором............................65

3.1 Исходные данные для моделирования................................................65

3.2 Исследование напряженно-деформированного состояния...............66

3.3 Накопление повреждаемости и силовые параметры.........................77

3.4 Анализ геометрии обжатой заготовки................................................80

3.5 Основные результаты и выводы..........................................................82

4 Влияние основных технологических параметров на процесс формообразования эксцентрического перехода.....................................................83

4.1 Планирование численного эксперимента...........................................83

4.2 Силовые параметры..............................................................................86

4.3 Деформационные параметры и степень использования ресурса пластичности..........................................................................................................94

4.4 Геометрия изделия..............................................................................105

4.5 Основные выводы и результаты........................................................115

5 Использование результатов исследований..............................................117

5.1 Рекомендации по определению технологическихпараметров________

операции обжима.................................................................................................117

5.2 Определение технологических параметров для изготовления перехода 3-76x3-57x3.........................................................................................118

5.3 Основные результаты и выводы........................................................121

Заключение....................................................................................................123

Список литературы.......................................................................................125

Приложение...................................................................................................132

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Обеспечение конкурентоспособности современного машиностроительного и металлообрабатывающего производства возможно созданием энерго- и ресурсосберегающих технологических процессов изготовления изделий требуемого качества.

В машиностроении, судостроении, авиастроении, нефтегазовой, химической и других отраслях промышленности широко применяются трубные переходы, которые необходимы для плавного изменения диаметра трубопровода.

Одним из путей повышения эффективности имеющихся и создания новых высокоэффективных технологических процессов изготовления трубных переходов является разработка и использование научно обоснованных методов определения параметров формоизменяющих операций, 1^шляющих^щюжгь объем натурных испытаний и ускорить технологическую подготовку производства.

Современное состояние развития компьютерной техники дает возможность применения математического моделирования, позволяющего оценить кинематику течения металла, исследовать напряженно-деформированное состояние и накопление повреждаемости в любой точке заготовки, определить энергосиловые параметры процесса, предсказать образование возможных дефектов. Особенно это актуально для решения малоисследованных трехмерных задач обработки металлов давлением, в том числе процессов штамповки эксцентрических переходов.

Таким образом, актуальной задачей является создание научно-обоснованного подхода к определению технологических параметров операции обжима трубных заготовок, учитывающего трехмерный характер течения упрочняющегося материала, контактное трение и накопление микроповреждений.

Работа выполнена в соответствии с грантами РФФИ 10-01-97507-р_центр_а, 11-01 -97516-р_центр_а.

Целью работы является повышение эффективности изготовления эксцентрических переходов за счет создания научно-обоснованного подхода определения технологических параметров операции обжима с наружным подпором трубных заготовок.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) разработать математическую модель деформирования заготовки жестким инструментом, учитывающую сложную трехмерную геометрию деформирующего инструмента, упрочнение материала, накопление повреждаемости, контактное трение и возможность отхода заготовки от поверхности инструмента;

2) разработать программный комплекс для математического моделирования процесса деформирования заготовки жестким инструментом; __3.)_пров.е.сти_с_помощью_разработанного-программного-комплекса-теоретиче-ские исследования процесса обжима трубной заготовки;

4) установить влияние контактного трения, геометрии инструмента и трубной заготовки на накопление повреждаемости, геометрию изделия, силовые и деформационные параметры процесса обжима;

5) разработать рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления эксцентрических переходов.

Объект исследования: Процессы изготовления штампованных переходов из трубных заготовок.

Предмет исследования: Холодный обжим с внешним подпором трубных заготовок при изготовлении эксцентрических-переходов.

Методы исследования. Теоретические исследования процесса обжима трубных заготовок выполнены с использованием основных положений механики деформируемого твердого тела, теории течения жесткопластического материала, метода конечных элементов, аналитической геометрии, методов математической статистики и планирования многофакторного эксперимента. Для оценки степени использования ресурса пластичности материала использован

феноменологический критерий накопления микроповреждений. Исследования выполнены с помощью разработанного программного комплекса, математического пакета MathCAD и CAD-системы KOMTIAC-3D Ноше.

Автор защищает:

1) предложенную математическую модель трехмерного течения жесткопла-стического материала заготовки при воздействии жестким инструментом;

2) результаты теоретических исследований процесса обжима с внешним подпором трубной заготовки из стали СтЗ;

3) математические модели, описывающие влияние трения, геометрии инструмента и исходной заготовки на силовые, деформационные параметры, степень использования ресурса пластичности, основные геометрические параметры изделия из стали СтЗ;

_4.)_предложенные-рекомендации-по-выбору'формьги"размеров~исходной заготовки, угла конусности и рабочего диаметра матрицы.

Научная новизна:

Выявлены закономерности изменения силовых параметров, напряженно-деформированного состояния заготовки, геометрических параметров изделия и накопления микроповреждений при асимметричном обжиме трубных заготовок с помощью разработанной математической модели, учитывающей трехмерный характер течения упрочняющегося материала и контактное трение.

Достоверность результатов обеспечена строгостью математической постановки задачи, корректным применением известных математических методов, многократным тестированием разработанных алгоритмов, сопоставлением результатов расчетов с экспериментальными данными.

Практическая ценность:

1) разработано программное обеспечение для компьютерного моделирования формоизменяющих операций холодной листовой штамповки;

2) предложены рекомендации по определению технологических параметров операции асимметричного обжима трубных заготовок.

Реализация работы:

1) результаты работы использованы в опытном производстве ОАО «ТНИ- / ТИ» при разработке технологических процессов изготовления эксцентрических переходов;

2) отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке магистров по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование», бакалавров и магистров по направлению 150700 «Машиностроение», а также использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов на кафедре «Механика пластического формоизменения» ТулГУ.

Апробация работы. Материалы работы докладывались на V Региональной молодежной научно-практической конференции «Молодежные инновации»

(ТулГУ,_г_.__Т_ула,_2011_г.),—XXIII—Международной—инновационно^—

ориентированной конференции молодых ученых и студентов (ИМАШ РАН, г. Москва, 2011 г.), Международной научно-практической конференции молодых ученых «Актуальные проблемы современной науки: свежий взгляд и новые подходы» (Приволжский научно-исследовательский центр, г. Йошкар-Ола, 2012 г.), а также ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2011 -2013 г.г.).

Публикации. За время подготовки диссертации опубликовано 10 статей, 9 из которых в рецензируемых изданиях, внесенных в список ВАК.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы из 75 наименований и содержит 131 страницу машинописного текста, включая 84 рисунка и 4 таблицы, приложение.

Во введении обоснована актуальность рассмотренной в работе задачи, сформулированы цель работы, приведены положения, выносимые на защиту, описано краткое содержание разделов диссертации.

В первом разделе рассмотрено современное состояние теории и технологии процесса обжима трубных заготовок. Рассмотрены методы изготовления штампованных переходов. Описаны основные преимущества изготовления трубных переходов обжимом с внешним противодавлением. Выполнен обзор результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов обжима трубных заготовок, что позволило сформулировать цель и задачи работы.

Второй раздел посвящен разработке математической модели трехмерного течения жесткопластического материала под действием жесткого инструмента. Математическая модель основана на применении метода конечных элементов и теории течения жесткопластической среды. Описан принцип работы и основные возможности разработанного программного комплекса. Проведена оценка работоспособности и адекватности предложенной математической модели и разработанного программного комплекса.

В третьем разделе представлены результаты теоретических исследований процесса асимметричного обжима трубной заготовки. Проведен анализ напряженно-деформированного состояния, накопления микроповреждений, изменения технологической силы процесса, а также геометрии обжатой заготовки из стали СтЗ.

В четвертом разделе рассмотрено влияние основных технологических параметров на геометрию обжатой заготовки, степень использования ресурса пластичности, деформационные и силовые параметры процесса. Получены математические модели, описывающие рассмотренные зависимости.

В пятом разделе предложены рекомендации по определению геометрических параметров исходной заготовки и формообразующей матрицы, приводится общая методика по использованию разработанного программного комплекса для оценки технологических параметров операции обжима.

Использование предложенных рекомендаций и разработанного программного комплекса позволяет сократить сроки подготовки производства экс-

центрических переходов, снизить трудоемкость и материалоемкость, а также повысить точность обжатых заготовок.

Полученные результаты использованы при проектировании технологического процесса изготовления трубного перехода 3-76x3-57x3 ГОСТ 17378 -2001 и штамповой оснастки.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ ОБЖИМА ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК 1.1 Основные технологические схемы получения переходов

холодной штамповкой

Переходы применяют для плавного изменения диаметра трубопровода. По конструкции переходы подразделяют на концентрические (рис. 1.1) и эксцентрические (рис. 1.2) [10, 16, 55]. Концентрические переходы применяют преимущественно в вертикальных трубопроводах. Для соединения труб по нижней образующей линии применяют эксцентрические переходы (горизонтальные трубопроводы).

Для работы в малоагрессивных и среднеагрессивных средах переходы изготавливают из углеродистых сталей (СтЗ, 10, 20). В трубопроводах транспортирующих высокоагрессивные среды применяют переходы из легированных и высоколегированных сталей (15ХМ, 15Х5М, 12Х18Н10Т и др.).

Штампованные переходы изготавливают из стальных бесшовных труб. Технологический процесс изготовления переходов включает разрезку труб на заготовки, штамповку перехода и токарную обработку торцов. Применяют следующие способы штамповки переходов: холодную штамповку обжимом, холодную и горячую штамповку раздачей, холодную комбинированную штамповку раздачей с обжимом, последовательную многооперационную штамповку, холодную штамповку обжимом с наружным подпором (с внешним противодавлением) [10, 55].

Холодную штамповку переходов обжимом производят в штампе, схема которого представлена на рис. 1.3. Диаметр трубной заготовки принимают в соответствии с большим диаметром перехода. Трубную заготовку устанавливают в цилиндрической части матрицы. При движении ползуна пресса вниз заготовка проталкивается в матрицу. Для выталкивания обжатой заготовки при обратном ходе пуансона применяют выталкиватель.

\л /Яа 12,5

Рис. 1.1. Схема концентрического перехода

~> 5

Рис. 1.2. Схема эксцентрического перехода

Рис. 1.3. Схема штампа для холодной штамповки переходов обжимом: 1 - матрица; 2 - пуансон;

3 - заготовка; 4 - выталкиватель

Холодная штамповка переходов с наружным подпором (с внешним противодавлением) позволяет повысить предельные возможности формоизменения. Использование наружного подпора снижает возможность потери устойчивости и образования складок, благодаря чему за одну операцию достигается большие степени деформации (данный метод позволяет изготовлять переходы с соотношением диаметров до ¿//£> = 0,5). Применение наружного подпорного кольца также ограничивает выпучивание необжимаемой части трубной заготовки. Схема штампа показана на рис. 1.4. При движении ползуна пресса вниз

сначала происходит смыкание подпорного кольца с матрицей, затем при движении пуансона вниз осуществляется обжим заготовки [10].

Рис. 1.4. Схема штампа для штамповки концентрических переходов обжимом с наружным подпором: 1 - матрица;

2 - пуансон; 3 - подпорное кольцо;

4 - выталкиватель; 5 - заготовка

Метод обжима с внешним противодавлением используется также для штамповки эксцентрических переходов (рис. 1.5).

Штамповка переходов раздачей осуществляется в следующей последовательности. Заготовку устанавливают в матрицу. Конический пуансон вводят внутрь трубной заготовки. При этом растянутая часть заготовки обжимает цилиндрический участок пуансона. Основным недостатком метода раздачи явля-

ется возникновение в очаге деформации растягивающих средних напряжений, что снижает предельные возможности формоизменения за одну операцию [10].

Рис. 1.5. Схема штампа для штамповки эксцентрических переходов обжимом с наружным подпором: 1 - матрица; 2 - пуансон; 3 - подпорное кольцо;

4 - выталкиватель; 5 - заготовка

Холодную комбинированную штамповку переходов раздачей с обжимом применяют при малых степенях обжима. Данный метод характеризуется совмещением в одной операции раздачи верхней части трубной заготовки и обжатия ее нижней части, благодаря чему сокращается время штамповки.

Штамповка может выполняться в последовательности раздача - обжим или обжим - раздача. В первом случае обеспечивается большая устойчивость

заготовки благодаря увеличению диаметра растянутой части. Для второго случая характерно появление бочковидности необжатой части заготовки при значительных