автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Методика расчета технологических параметров операций осесимметричной формовки с применением конечноэлементной модели пластического течения листового металла

> д

!!!13' ..

Московская государственная академия автомобильного и тракторного машиностроения

На правах рукописи Петров Владимир Кириллович

УДК 621.735: 539.3

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОПЕРАЦИЯ ОСЕСИМЧЕТ РИЧНОЙ ФОРМОВКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОНЕЧНОЭЛЕМЕ1ПНОЛ МОДЕЛИ ПЛАСТИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ ЛИСТОВОГО МЕТАЛЛА

Специальность - 05.03.05 - Процессы и машины

обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1995

Работа выполнена на кафеле "Теоретическая механика" Московсн государственной академии автомобильного и тракторного мапш строения.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Л. Г. Сухомлинов

Научный консультант - доктор технических наук,

профессор А. Д. Матвеев

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Ведущее предприятие - АЗЛК (ПО "МОСКВИЧ").

Защита диссертации состоится "2. "^-¿¿Жхтг 1995 г.в часов на заседании специализированного совета К 063.49.03 л Московской государственной академии автомобильного и тракторн го машиностроения по адресу: 105839, Москва, Б.Семеновская ул д.38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГААТМ.

Ваши отзывы на. автореферат, заверенные печатью, прос направить по вышеуказанному адресу.

профессор Мяченков В.И.

кандидат технических наук, доцент Шубин И.Н.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета к.т.н., доцент

В.С. Сидор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Процессы листовой штамповки эластич-ш и жесткими инструментами находят широкое применение в шиностроении да. получения тонкостенных деталей. Сш обеспе-гаают достаточно высокую точность и качество получающихся в •зультате деталей, возможность автоматизации технологических юцессов и, как следствие, высокую их производительность, что зобенно важно в условиях массового производства.

Значительную долю процессов листовой штамповки составляют эоцессы осесимметричной формовки и вытяжки. При этом операции зрмовки представляются чрезвычайно эффективными с точки зрв!шя зционального использования материала, поскольку в этом случав зрмообразование защемленной по контуру заготовки происходит злько за счет растяжения поверхности листоеой заготовки, тогда ак в операциях вытяжки формообразование осуществляется за счет гягивания фланца заготовки а матрицу при незначительном изме-знии исходной площади поверхности заготовки.

Решение вопросов совершенствования процессов листовой эрмовки в современной технологической практике осуществляется, ак правило, на основе эмпирических подходов, что приводит к начительным материальным и временным затратам на технологичес-ую подготовку производства. При таком подхода достаточно труд-з оценить влияние различных факторов на процесс дефорьмрования аготовки. Это значительно затрудняет поиск наиболее рациональ-ого сочетания параметров процесса формоизменения.

К настоящему времени в литературе представлено достаточно ольшое' число математических моделей осесгеыетричного формоиз-енения оболочек при больших пластически деформациях. /нализ риведенных е этих работах результатов моделирования поведения болочек при больших пластических деформациях показывает, что ольшинство из указанных моделей либо обладает недостаточно ысокой точностью (особенно в состояниях оболочки, близких к редельному)либо имеет логику, л:естко привязанную к опреде-енному типу инструмента (например, только к цилиндрическим уансонам с плоским торцом, или только к сферическим пуансо-ам). Это делает невозможным проведение численного исследования ля другого набора инструментов и затрудняет использование

подобных алгоритмов и пслученных результатов в технологичеш практике, где спектр используемых профилей инотрумегтов гораз, ширю.

Все сказанное дает основание констатировать, что зада* совершенствования процессов осесимметричной листовой формов! на основе математических моделей, способных адекватно учитывач все основные особенности поведения лист вой заготовки в облает больших пластических деформаций (в частности, в области пре дельного формоизменения), не получили до настоящего времег решений, отвечающих требованиям технологической практики.

Цель работы. Целью данной работы является разработка кс ночнозлементной математической модели пластического течет листового металла, способной предсказывать поведение оболочки предельном состоянии, и проведение на ее основе расчетнс экспериментальных исследований, направленных на совэршенствовг ние операций осесимметричной жстовой формовки.

На защиту выносятся:

1. Конечноэлементная математическая модель, программн реализованная в виде автоматизированной системы с возможность графического представления результатов, предназначенная дл исследования процессов осесимметричной листовой формовки по действием гидростатического давления и жесткого инструмента.

2. Результаты расчетно-экспериментальных исследовани предельного формоизменения в процессах осесимметричной листово формовки под действием гидростатического давления и жестког инструмента, направленных на поиск путей совершенствовали операций формовки.

- Научная новизна. Разработана автоматизированная систем для исследования процессов осесимметричной формовки гидростати ческим давлением, неравномерным нормальным давлением и жестки инструментом произвольной конфигурации, постороенная на основ безмоментной конечноэлементной модели пластического течени листового металла, учитывающей изменение конфигурации оболочк на малом временном интервале. Исследовано влияние показател степени кривой упрочнения на предельные параметры процесс гидроформовки. Полученные результаты уточняют известные анали тические и численьые решения по гидроформовке. Проведены чис ленные исследования по не рассматривавшемуся ранее в литератур

гчаю формовки под действием нера-номерно распределенного )мального давления. Получены новие результаты по влиянию )авномерности давления на продельные параметры процесса фор-¡ки. Проведены расчетно-экспериментальные параметрические ¡ледования по совместному влиянию формы пуансона и коэффщи-'а трения на предельные параметры формуемой оболочки. Офэрм-иые в виде графиков результаты исследований являются новыми /огут быть применены в технологической практике в качестве явочных материалов по выбору рациональной формы инструмента оптимизации параметров процесса формовки. Дано применение ¡работанной методики к решению задачи совершенствования про-:са листовой формовки. Предлокена форма пуансона, обеспечива-;я увеличение предельной площади поверхности формуемой обо-:ки на величину до 12%. Результаты .численных .исследовшшй .тверкдены экспериментально.

Достоверность. Достоверность получешшх результатов под-радается проведением расчетно-эксперишнтальиых исследований оценке надепости разработанной модели, сравнением с нзвест-н экспериментальными и теоретическими результатами.

Практическая зпачиность.. Предложенный методический подход [роведеншо исследований технологических параметров процессов симметричной ли говой формовки на основе автоматизированной теш, конечноэлементного моделирования позволяет проводить ленные исследования формоизменения осесимметричных оболочек птимизировать основные параметры промышленного техяологичес-о процесса без использования дорогостоящего п занимающего тельное время натурного эксперимента. Использование резуль-ов численного анализа целесообразно на стадии разработки нологических процессов и при проектировании штамповочной астки. Полученные результаты расчетно-экспериментальных ледований технологических параметров предельного формоизме-ия в процессах осесимметричной листовой формовки могут быть тенены в технологической практике. Разработанная система эльзуется в учебном процессе при проведении лабораторных эт по курсу "САПР Технологических процессов".

Апробация работы. Матергзлы работы докладывались на мек-ародншс научно-практических конференциях "Ресурсосберегающие гологии машинострония" (Москва, МАМИ, 1993, 1994г.) и на

заседаниях кофедр "Теоретическая механика" р "Кузовостроение обработка давлением" МГААТМ.

Публикации. По теме исследований опубликованы 4 работы.

Структура и обтьеи работы. Диссертационная работа coctov из введения, четырех разделов, заключения и списка литературь Работа изложена на 132 страницах машинописного текста, содержи 51 иллюстрацию и список литературы из 9F наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности работы, показав преимущество применения численных методов в разработке и иссле довании технологических процессов листовой штамповки. Сформулк рована цель работы и дано краткое содержание глав диссертации.

Первый раздел посвящен обзору и критическому анализу экс периментально-теоретических подходов в облас.и исслодоваи процессов формоизменения листовых металлов. Здесь приводите анализ основных аспектов, влияющих на точность получаемог решения.

Отмечается, что известные экспериментальные и аналитичес кие методы исследования процессов осесимметричного формоизмене ш-.я листовых металлов (И.А.Норицын, Е.А.Попов, Л.А.Шсфла!-S.Chung и др.) используют ряд упрощающих предположений (искус ственное выделение очагов деформации, неучет истории нагружеш и упрочнения, реальных условий контактного взаимодействия лис тового материала с инструментом). Это приводит к значительнь погрешностям в оценке поведения листовой заготовки, особенно состояниях, близких к предельному. Решение задач пластическо1 формоизменения оболочки в более строгой постановке становитс возможным с использованием численных методов.

Отмечается, что к настоящему времени в литературе пре; ставлено достаточно большое число математических моделей осе симметричного формоизменения оболочек при больших пластичесю деформациях. Среди них следует отметить модели, основанные ï объемном представлении оболочек (Горлач Б.А., Малинин Н.Ь Andersen В.S., Wlfl A.S.), а также модели, основанные на теор* оболочек в моментной (Бакенов В.Г., Ломунов В.К., Шеронов Г.В. Лысенко C.B., Bayriham J.M.W., Zlenkiewlcz O.S., Onate E., War N.M., Tsng S.С.) и безмоментной (Вдовин С.П., Кошур В.Д., Нет

iBCKiöt Ю.В., Лежнева A.A., Половина Ii.П., Рузанов Ф.И., Титля->в А.Е., Чумадин A.C., Щеглов Б.А., Федотова С.И., Kim J.H., 1 S.I., Kobayashl S., Nakamachl К., Sowerby R., Takezono S., mg N.M., Shammamy M.R., Wenner M.L., Woo D.M.) формулировкax. [ализ приведенных в этих работах результатов моделированш )ведения оболочек при больших пластических деформациях показн-J8T, что большинство из указанных моделей либо обладает недс-раточно высокой точностью (особенно в состояниях оболочки, шзких к предельному)., либо ориентированы на определенную >рму инструмента, что затрудняет использование подобных алго-1TMOB и полученных результатов в технологической практике.

На основе проведенного сравнительного анализа существующих настоящее время разработок сформулирован подход к решению здачи математического моделирования процессов осесимметричной ютовой формовки.

Во второй разделе дана постановка задачи об осесимметрич-эй формовке безмоментной оболочки из трансЕерсально изотропно-э листового металла с изотропным упрочнением на основе -конеч-ээлементного подхода с пошаговой схемой нагружения. Представ-эн алгоритм численного решения физически и геометрически нели-эйной задачи на шаге нагружения (с учетом изменения кснфнгура-ш оболочки). Дак_ краткое описание разработанной автоматизи-эванной системы, предназначенной для исследования параметров в том числе предельных) технологических процессов осесим-этричной формовки заготовок из тонких листовых металлов.

Процесс формоизменения модели, состоящей из шарнироно эединенных кольцевых элементов с прямолинейными - образунцимх, ассматривается как пошаговый, с малыми приращениями деформаций а шаге нагружения. Положения узлов модели описываются ксорди-агами х, г в цилиндрической системе координат (ось ОХ совпада-т с осью вращения).

Определяется связь между координатами узла диасретнсй одели х, г и хя, г*(в начале и конце шага) и компонентами вктора перемещений на шаге их, i

х'= х + и , С х г ) . (I)

Записываются связи между координатами и перемещениями раев элементов, соединенных t-м узлом

•г1"' - X1 - X1

Хг - X - X, , ( г ^ г )

и1'! = и*- = и* , (

Вычисляется длина образующей Б и Б" 1-го элемента в нач ле и конце шага нагруяения соответственно

Б2 = ( хг - х, )2 + ( г2 - г, )г ;

( х\-х\)г * ( г* - г; )2 =

= ' гг " х. * "«.г ' «... ' * ' Г2 - г. * иг.2 " "г.. >

Определяются малые относительные удлинения ез и I-\ элемента в меридиональном и окружном направлениях на ша! нагрукения

5*- Я С 5*- 5 )( Б'+ Б ) ( Б')2- Б2

- е =- --~----

8 5 5 , Б'+ Б ) 2Бг

^Ж.г" "хп] +2(Гг" Г<] ( ир.г~ «г.,) +

(4)

г - г и. и , и _

V -- = —^-. ■ (5

■ * Г г г, + гг

? ' Г.1Ч+ Г1 ' иг.1+ иг.г > • <6

Малое относительное изменение еь толщины элемента опреде ляется из условия несжимаемости

V ~ < Еа * Е*> > • <7

.Соотношения (4), (5), (7) с учетом (2) дают искомые связ] между деформационными параметрами в элементах модели и перемещениями узлов на шаге нагружения.

Физические соотношения построены на основе варианта теорш течения Р.Хилла для трансверсально изотропного листового материала с изотропным упрочнением (е случав плоского напряженногс состояния), при этом скорости деформаций заменены на малы«

риращения деформаций (в виду малости ^ромешюго интервала) г я + 2 о

О =---г+ я Е ' Я е , ( а ф ; ,

а 3 П 2В е > * " (8)

/ 2 ^ ^ р

: = ]/ — - Г ( в-Не,)2^ ( Яе- е )2+ Же- е ,

Уз и РЯ I р 6 ь • > *>' \ •

чде Я - параметр анизотропии, е - эквивалентная деформация на шге нагрукения. Связь меаду экЕИвалентнш напряжением о и ткопленной эквивалентной деформацией в' задается законом дтрочнения вида: о = ф Сё*, , где ф - экспериметально определя-змая универсальная функция материала, а

ё'= I + £ , (9)

(е - величина накопленной деформации к началу шага нагрукения).

Учитывая, что параметры деформации явным образом выражены через перемещения на шаге нагрукения (4), (5), (7), физические соотношения (8) дают основание рассматривать напряжения о>р ор как явные функции узловых перемещений на шаге.

Уравнения равновесия конечнозлементной модели на шаге нагрукения формируются на основе принципа возможных перемещений и позволяют свести внутренние силовые факторы к эквивалентной системе обобщенных сил Р . , Р . , (] = 1,2 ) на краях

* » 3 г • 3

элемента: ( о Зе + о„ 0е„ ) г Н Б =

3 з р р

г

~ Я ( п'х «V Т±айг)г5*£( Р11} оия^ + ?Г(3 биГш1 ) .

Здесь учтено действие на оболочку гидростатического давления q, следящего за нормалью А' к поверхности элемента. Проводя операции варьирования в (10) с учетом связей (I)-(6), получаем выра-кения для обобщенных сил в элементе в виде функций узловых перемещений.

Записывая условия равновесия узлов модели под действием узловых сил Р* , Р* , (1 = 1,2, ... ,//+?; и реакций со стороны смежных с узлом элементов,

= К • <*-г.г), (И)

получаем систему уравнений равновесия дискретной модели на шаге нагрукения.

При заданных внешних узловых силах Р1, Р 1система (II) с

* i г

учетом граничных условий (для случая формовки)

и"*1 = и"4' = О . (12)

X Р

представляет собой разрешающую систему 2(И+1) нелинейных алгебраических уравнений относительно 2(И*1) неизвестных узловых перемещений на шаге нагрукения.

В случае нагрукения формуемой оболочки кесткими инструментами внешние узловые силы Р1 , Р1 для узлов, находящихся в

X Г

контакте с поверхностями инструментов, заранее неизвестны. В этом случае соответствующая пара уравнений (II) используется для явного выражения силовых факторов Р^ , Р^ через перемещения узлов. В качестве определяющего силового уравнения для 1-го контактного узла на шаге нагрукения используе.ся соотношение, построенное на основе законь трения Кулона, определяющего линейную зависимость между тангенциальной Р* и нормальной составляющими вектора узловой силы

р! « -ц | р* | - (при Ди* * О) , (13)

I К I

где ц - коэффициент трения,

Ди| - относительное перемещение 1-го узла вдоль поверхности ' инструмента.

Используя известные связи для проекций вектора при переходе от одной системы координат (х,г) к другой (е,п) можно записать

К = К * е1 • К = п1 К + Н

• XX г г • & хх Г Г (14^

Ди} = е* ( и* - ДУ ) +

(Ш осевое перемещение инструмента на шаге), что позволяет выразить силовое уравнение (13) для (-го контактного узла I перемещениях.

В качестве недостающего , второго уравнения для (-гс контактного узла используется кинематическое условие егс наховдения на поверхности инструмента

® Г х1 + и1 , г1 + и1 ) = О , (15;

4 X Г *

где ® С х, г ; = О - уравнение ооразуицей поверхности инструмента на шаге.

Таким образом, формирование разрешающей системы 2(Я1-1) нелинейных алгебраических уравнений относительно 2(Н+1) неизвестных узловых перемещений производится с учетом граничных условий (12) и с использованием выраженных через узловые перемещения пар уравнений типа (II) для свободных узлов и (13>, (15) для контактных узлов. После решения данной системы на текущем шаге нагружения производится коррекция контактных условий, после чего задача решается вновь. Данный итерационный процесс продолжается до те., пор, пока не перестанут изменяться контактные условия, после чего осуществляется переход к следующему шагу нагружения.

Решение системы нелинейных алгебраических уравнений на -шаге нагружения осуществляется путем сведения к решению последовательности лилейных задач. При этом линеаризация геометрических соотношений осуществляется по методу Ныотона, физических соотношений и условий контактного взаимодействия - по катоду переменных параметров упругости. Контактное состояние уточняется по схеме простой И1еращш. Решение получешшх систем линейных алгебраических уравнений производится методом Гаусса. '

.В отличие от известных аналогов в области математического моделирования процессов осесимметричной листовой ^ормоьки, данный алгоритм обладает существенными преимуществами, позволяющими обеспечить устойчивый счет и высокую точность получаемых результатов (включая окрестность предельного состояния оболочки, характеризуемого локализацией деформаций и разрывом)..Высокая вычислительная надежность представленного алгоритма заключается в такой организации процесса решения геометрически а физически нелинейной контактной задачи для оболочки при больших пластических деформациях, при которой контроль точности итерационного решения осуществляется отдельно по каждому виду нелинейности. В результате численное решение на каждом шаге нагружения с контролируемой точностью удовлетворяет геометрическим, физическим соотношениям, уравнениям равновесия и контактным условиям (с учетом изменения конфигурации оболочки на шаге). Отсутствие подобного контроля в известных реализациях приводит к накоплению значительных погрешностей в численном решении,

особенно в состояниях обллочки, близких к предельному.

Программная реализация данного алгор-тма представляв собой автоматизированную систему, предназначенную для исследс вания технологических параметров осесимметричной формовки состоящую из расчетного модуля, написанного на языке Fortran графической подсистемы, предназначенной для наглядного пре; ставлекия результатов расчета.

К основным особенностям данного пакета относятся:

- возможность исследования процессов формовки как гидре статическим давлением, так и жестким инструментом;

- возможность исследования процессов формоизменения нераЕ номерно распределенным по поверхности заготовки давлением

- возможность смены параметра нагружения при исследован» операций гидроформовки (в качестве параметра может выступа! либо давление, либо перемещение заданного узлаi, что позволяв обеспечить устойчивый счет в окрестности предельного состояния

- возможность задания произвольных закономерностей м движешя инструмента;

- возможность задания практически любой формы инструмент в виде произвольного набора прямолинейных отрезков и дуг окру» ностей;

Результаты расчета включают в себя данные по деформация« напряжениям, геометрической форме и силовым факторам. Все эт данные могут быть выданы и исследованы на любой стадии процесс формовка.

В третьем разделе приводятся результаты исследований г. оценке влияния ряда факторов на предельные параметры процесс осесимметричной формовки. Этими факторами являются исхода физико-механические ■ параметры материала и силы контактног взаимодействия между листовой заготовкой и инструментом, коте рые можно представить в виде нормальных (силы давления) и касг тельных (силы трения) компонент. В частности, исследуются прс цессы формовки под действием равномерно и неравномерно распре деленного нормального давления, а также под действием жестког инструмента различной формы.

Случай формовки под действием равномерно распределенног нормального давления (гидроформовка) достаточно распространеЕ технологической практике (рис.1а). По данному виду формоизмене

РисЛ. Формовка равномерно распределенным давлением (гидроформовка)

Рис.2. Формовка неравномерно распределенным давлением

ния представлено сравнение результатов конечноэлементного мо, лирования процесса с расчетными и экспериментальными резуль-тами, полученными другими авторами (D.M.Woo, N.M.Wang и др Продемонстрировано лучшее согласование с экспериментом-резу. татов моделирования предельного формоизменения заготовки i гидроформовке по 'сравнению с имеющимися в литературе численк решениями (рис.16). Представлены результаты численных иссле; ваний по оценке влияния упрочнения материала на предел'] параметры формоизменения (рисЛв). Даны рекомендации по испо. зованию полученных зависимостей (уточняющих ''звестные справс ные данные) в технологической практике.

Представлены результаты численных исследований не pi сматривавшейся ранее в литературе * задачи о формовке круп листовой заготовки неравномерно распределенным давлеш (рис.2а). Исследо:эно предельное поведение оболочки при поде ном типе формоизменения. Показано, что неравномерно paenpej 'ленное нормальное давленио позволяет получить оболочку несфе] ческой формы, однако подобный вид нагружения менее эффектш по сравнению с равномерно распределенным давлением в емш получения оболочек с большей площадью поверхности (рис.26).

Представлено описание экспериментальных исследований определению физико-механических характеристик листового мета, (в соответствии с ГОСТ 11701-84). На основе эксперименталы данных определены диаграмма упрочнения листовой стали 08КП

а = 534.2 ( O.OÎÛ? + £ J0,237 НПа (]

и параметр нормальной анизотропии- R = 1.25. Дано описш методики расчэтно-экспериментального определения коэффицие! трения в зоне контакт" заготовки с инструментом. На оснс описанной методики с использованием разработанной koh64ho3j ментной моде/* процесса формовки установлены значения коэффт ентов трения для инструментов с различными видами смазки.

На основе сравнения экспериментом по формовке оболо' сферический пуансоном (рис За) в широком диапазоне измене! коэффициента трения (от 0.13 до 0.53) продемонстрирсзана выс -кая степень надежности результатов численного моделирования помощью разработанной конечноэлементной системы по всем оснс ним параметрам формоизменения (включая предельные параметр например предельные деформации - рис.36).

т5

а.

1------- - №0.211

! ! к. * ! ' ![««]

б.

оое|- аяо.о; I • ¡¡-0.11 ■ р=<м;

«•• - рай;

1 « • ♦!- »=0.41

яг—я.'2 таг—¿ц......

в.

Г.

Рис.3. Формовка сферическим пуансоном

а.

лз/э,

оде

б.-

Рис.4. Формовка сферическим пуансоном с увеличенным зазором между цилиндрическими поверхностями инструментов

На основе численного параметрического исследования пре дельного поведения оболочек, формуемых сферическим пуансоно! при различных коэффициентах трения, получена зависимость пре дельного относительного увеличения площади поверхности заготов ки от коэф1ициента трения. Отмечено наличие явно выраженног максимума у подобной зависимости. (рис.Зв) Предложено объясне ние данного явления с помощью кпртшш распределения деформаци (рис.Зг). На основе отмеченного оптимума даны рекомендации п рациональному проведению процесса формовки в условиях трения н поверхности инструмента. Указанные рекомендации подтвержден экспериментально.

Представлены результаты параметрических исследований п изучению совместного влияния формы пуансона и коэффициент трения на предельные параметры формуемой оболочки. При это варьирование формой пуансона сводилось сначала к постепенном уменьшению относительного радиуса (Я,/Йм. где Д - радиус матри цы) сферического пуансона (рис.4а), затем к постепенной транс формации сферической поверхности пуансона в плоско-тороидну "(рис.5а). При этом форма плоско-тороидаого пуансона была выра жена относительным радиусом тороидной поверхности гд

Д - радиус/цилиндрической поверхности пуансона). Отмечено, чт оптимизационный эффект, возникающий при изменении коэффициент трения, наблюдается при любой (из рассмотренных) форме инстру мента (рис.40, 56). Даны оценки по оптимальным значениям коэф фициента трения, обеспечивающих наибольшее относительное уели чение поверхности оболочки при достижении предетьного состояли под действием пу-нсонов различной конфигурации.

В четвертой разделе на основе сравнительного анализа ре зультатов экспериментальных и численных исследований, описанны в разделе 3, намечаются пути осуществления операций формовки приводящих к получению оболочек с наибольшим прираще: нем площа да поверхности заготовки и разрабатывается пуансон, обеспечива юций лучшие (в отличие от рассмотренных выше) результаты фор мовки.

Среди результатов сравнительного анализа в первую очеред отмечается оптимизационный эффект,наблюдаемый при изменени коэффициента трения в процессах формовки жестким инструментом В разделе 3 показано, что за счет соответствующего подбор

условий трения можно добиться значительного (до 35%) увеличения площади поверхности формуемой детали. Учитывая, что в известных справочниках • по листовой штамповке при оценке предельного состояния заготовки коэффициент трения вообще не фигурирует в качестве параметра процесса формоизменения, подобный вывод может Зыть использован непосредственно в технологической практике.

На благоприятную роль трения в операциях форлавки указыва-зт проведенное сравнение параметров формовки сферическим пуансоном в отсутствии трения и равномерно распределенным нормально давлением, сгмечено, что оба процесса в целом приводят к здинаковым результатам. Это иллюстрирует лис.ба, где приведены зависимости предельного относительного приращения площади то-зерхности от показателя степени п кривой упрочнения. Как хоказали предыдущие исследования, перераспределение нормального явления не улучшает параметры формовют (рис.2б). Следователь-го , именно силы трения являются тем фактором, который способен >беспечить достижение лучших результатов по предельным парамет-)ам формовки. Поэтому наиболее предпочтительными представляются че операции формовки, где тлеет сто непосредственный контакт ¡ежду поверхностями заготовки я еэсткого инструмента.

При сравнении предельных результатов формовки различными шструментами, расмотреншая в раздало 3 отмечено следующее см. рис.66, на котором прэдставлэпо прэдольноа распределение ¡еформаций вдоль исходного радиуса заготовка • для средних относительных размеров рассматриваема пнструг,!ентов при оптимальных наченпях коэффициента трения):

1. Зона заготовки, не возедзая в контакт с инструментом свободная зона), дефортлфувтя в значительно глзпьпзей степени, ем контактная зона.

2. Резкое увеличение кривизны образующей' инструмента в ериферийной зоне (на примере пуансона с плоско-тороидной рабо-ей поверхностью) приводит к увеличению контактных нагрузок и прилипанию" материала заготовки к поверхности инструмента в' той зоне, что сопровождается прекращением роста деформаций в ентральной части заготовки.

На основе проведенгого сравнительного анализа предлагается орма инструмента, обеспечивающая лучшие (по приращению площади оверхности заготовки) результаты формоизменения. Схема процес-

щ дм щ

V 'Л щА

\\\

км

а.

дз/я

б.

Рис.5. Формовка пуансоном с плоско-тороидной рабочей поверхностью

дэ/з,

! €ъ

^м. ^«к'^^Ш!.!''.______I_____-Х:{-

> гвлрвв*аз^чхмЕае: •

!— •оршацш смгюмш |

;_I ; ,

...........'«.¿а "^мГ

а. б.

Рис.6. Сравнение процессов формовки нормальным давлением и жесткими инструментами'

-1 ООО 1.0

-----! ООО

¿¿¿'■'■"(¿О

а. б.

Рис.7. Формовка пуансоном с тороидно-сферической рабочей поверхностью

са формовки пуансоном с тороидно-сферической рабочей поверхностью приведена на рис.7а. Учитывая, что основу поверхности составляет часть тора, а сфера охватывает только небольшую центральную зону, охарактеризовать форму инструмента можно этношением радиусов тороидной и цилиндрической поверхностей пуансона (как и в случае с плоско-тороидным пуансоном).

При выборе геометрической формы инструмента использованы следующие соображения:

1. При такой форме пуансона (по сравнению со сферической) материал заготоЕг:и будет позгсе входить в контакт с инструментом и, следовательно, успевать сильнее деформироваться.

2. По мере увеличения отнесения Ят/йп должны уменьшаться нормальные составляющие контактных нагрузок на тороидную часть поверхности инструмента. Следовательно, чтобы своевременно тормозить рост деформаций, потребуется большее значение коэффициента трения. Учитывая, что для сферического пуснсоиэ езличшш оптимального коэффициента трепля составляет около 0.14, требуемое небольшое увеличение этого значетя вполне достпыпло в реальных технологических процессах

3. Долено существовать предельное значение отношения Нт/Лп, при котором материал заготовка не будет успевать своевременно войти в контакт с пнструизитом, что будет сопровождаться более рапшл разрушением оболочки.

Учитывая все изло::ешгоэ, бшя прозодэпа численные исследования для значений Лт/Лп в прэдолах от 1 до 1.7. Специально выполненные экспериментальные иссяэдовання, сравнение результатов которых с расчетными данными проведено на рис.76, подтвердили сделанные расчетным путем енеодц по предложенной рациональной форме пуансона, обесшчпващей увеличение предельной площади поверхности формуемой оболочки па Езличину до 12%.

В заклзчекиз сформулированы о сносные результаты диссертационной работы:

I. Разработана автоматизированная система конечноэлемент-ного моделирования процессов осесикметрзчной формовки заготовок пз листовых металлов, позволяющая;

- исследовать процессы формовки как гидростатическим давлением (равномерным и неравномерным), так и кестким инструментом произвольной.конфигурации;

- учитывать реальные физико-механические параметры материала, определяемые экспериментально и задаваемые в виде кривой упрочнения и коэффициента нормальной анизотропии;

- учитывать условия трения между поверхностями заготовки и инструмента;

- моделировать поведение формуемой оболочки в окрестности предельного состояния, характеризуемого локализацией деформации и разрывом;

- представлять результаты моделирования в наглядном графическом виде.

2. Проведены исследования по влиянию исходны* физгко-механических параметров материала на предельные результаты формовки равномерно распределенные нормальным давлением (гидроформовки). Подучены результаты, уточняющие (на 10-15%) известные аналитические и численные решения по гидроформовке. Среди них - влияние показателя степени кривой упрочнения п на предельные значения: 0

а) безразмерного параметра нагрузки;

б) относительного перемещения полюса оболочки;

в) относительного приращения площади поверхности формуемой заготовки;

Приведенные зависимости могут быть использованы в качестве справочных материалов при проектировании реальных технологических процессов.

Проведены численные исследования по не рассматривавшемуся ранее в литературе случаю формовки под действием неравномерно распределенного нормального давления. Среди полученных новых результатов: .

а) влияние неравномерности давления на предельные значения:

- относительного приращения площади поверхности формуемой оболочки;

- относительной глубины формовки;

б) влияние неравномерности давления на предельную форму получающейся в результате детали.

3. Проведены расчетно-экспериментальные параметрические исследования по совместному влиянию формы пуансона и коэффициента трения на предельные параметры формуемой из листовой стали 09К11 оболочки. Получены новые результаты, касающиеся:

л

а) влияния формы инструмента и коэффициента трения на предельные значения относительного приращения площади поверхно-:ти формуемой оболочки;

б) влияния формы пуансона на величину оптимального коэффициента трения.

Представленные зависимости могут быть применены в технологической практике в качестве справочных материалов по выбору эациональной формы инструмента и оптимизации параметров процес-за формовки.

4. Дано при.енение разработанной методики к решению задачи зовершенствования процесса листовой формовки. Предложена форма гуансона, обеспечивающая увеличение предельной площади поверх-юсти формуемой из стали 08КП оболочки на величину до 12%. 'езультаты численных исследований подтверждены экспериментально.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следящих публикациях:

1. Матвеев А.Д., Бондарь B.C., Сухомлинбв Л.Г., Петров I.K., Князева Т.М. Экспериментально-теоретические исследования юрмоизменения листа и тонкостенных оболочек // Сб. Межвузов-«ая научно-техническая программа 'Ресурсосберегающие технологи машиностроения". Материалы кон$ерешцш.- М.: МАМИ.- 1994.

2. Сухомлинов Л.Г., Кйляев С.Д., Петров В.К. Формоизмене-ие заготовок из листовых металлов йод действием жестких штам-:ов и гидростатического давления.// Сб.Межвузовская научно-ехническая программа "Ресурсосберегающие технологии машино-троения". Материалы конференции,- М: МАШ. - 1994.

.3. Сухомлинов Л.Г., Петров В.К., Жиляев С.Д. Оптимизация ехнологических параметров в операциях осесимметричной листовой тамповки на основе метода конечных элементов // Сборник науч-ых трудов: Межвузовская научно-техническая программе "Ресурсов берегающие технологии машиностроения".- М: МАШ.-1994.

4. Сухомлинов Л.Г., Жиляев С.Д., Петров В.К. Предельное ормоизменение закрепленных по контуру оболочек при больших ластических деформациях // В сб.: Актуальные проблемы устойчи-ости и пластичности. - Тверь: Гос. Техн. Ун-т* -

Петров Владимир Кириллович

"Методика расчета технологически! параметров операций осесим-метричной формовки с применением конечноэлементной модели пластического течения листового металла" Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Л-23062 Подписано в печать Заказ ' тира»; 10С

Объем 1,0 п.л. Формат 30x42/16 Бумага типографская. Бесплатно, Ротапринт МАМИ. Е.Семеновская,38.