автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Обжим с утонением трубчатых заготовок

Введение.

1 Современное состояние процессов холодной штамповки и задачи исследования.

1.1 Интенсификации процессов холодной штамповки за счет совмещения технологических операций в одном переходе.

1.2 Методы решения осесимметричных задач пластического формоизменения.

1.3 Цель работы и задачи исследования.

2 Основные соотношения конечно-элементного анализа процессов упруго-пластического деформирования.

2.1 Вариационные подходы к решению задач методом конечного элемента.

2.2 Основные соотношения метода конечных элементов.

2.3 Представление матрицы жесткости.

2.4 Пластическая деформация.

2.5 Оценка повреждаемости заготовок.

2.6 Взаимодействие заготовки с инструментом.

2.7 Трение.

2.8 Тестовая задача.

Перед отечественным машиностроением стоит задача по разработке принципиально новых технологий и оборудования, конкурентоспособных на мировом рынке, позволяющих получать изделия высокого качества при наименьших затратах на их производство. В настоящее время повышение качества и эффективности процессов холодной штамповки остается одной из важных задач промышленного производства. Наименьшая трудоемкость, высокая производительность, возможность ресурсосбережения - это основные требования, предъявляемые к внедряемым методам получения того или иного класса изделий.

В различных отраслях промышленности широко используются сред-негабаритные трубчатые детали с переменным диаметром и толщиной стенки (переходники трубопроводов высокого давления, ниппели, сопла и т.д.). При существующих методах их получения коэффициент использования материала колеблется от 0,1 при механической обработке до 0,25 при свободном обжиме труб толщиной, равной или большей толщины стенки готовой детали.

Одним из путей повышения эффективности процессов холодной объемной штамповки является совмещение ряда технологических операций в одном переходе. К числу таких процессов относится обжим с утонением стенки трубчатой заготовки, который позволяет значительно повысить эффективность получения детали переменного диаметра и толщины стенки за счет повышения коэффициента использования материала и снижения трудоемкости последующих доводочных работ. Однако реализация этого процесса в производстве сдерживается отсутствием рекомендаций и методик, позволяющих производить его наиболее рационально. Поэтому в производстве достаточно велик объем доводочных и экспериментальных работ, реализуемые режимы обработки далеки от оптимальных.

В связи с чем, актуальным является дальнейшее развитие теоретических и экспериментальных исследований для разработки научно-обоснованных методик проектирования операции обжима с утонением с целью ее интенсификации при снижении энергоемкости и трудозатрат.

Диссертационная работа выполнена в рамках Государственной программы 2001 - 2003 года «Научные исследования высшей школы в области производственных технологий»; госбюджетной темой № 36-95 Тульского государственного университета.

Цель работы. Диссертационная работа направлена на решение важной народно-хозяйственной задачи, состоящей в повышении эффективности изготовления трубчатых деталей с переменным диаметром и толщиной стенки в результате использования операции обжима с утонением.

Автор защищает:

Математические модели процессов обжима трубчатой заготовки с утонением стенки и выдавливания с учетом реальных свойств материала.

Результаты теоретических исследований напряженного и деформационного состояния заготовки, кинематики течения материала.

Силовые режимы и предельные возможности формоизменения исследованного процесса от геометрии инструмента, условий трения на границе контакта.

Рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления трубчатых деталей переменным диаметром и толщиной стенки.

Научная новизна состоит в разработке математической модели процесса обжима трубчатой заготовки с утонением стенки; в установленных особенностях пластического формоизменения в процессе штамповки; в полученных силовых и деформационных зависимостях процесса от технологических факторов.

Методы исследования. Теоретические исследования процесса обжима с утонением выполнены с использованием основных положений механики сплошной среды и теории пластичности изотропно упрочняющегося тела; анализ напряженного и деформированного состояния заготовки осуществлен методом конечных элементов. Экспериментальные исследования проводились с использованием современных испытательных машин и регистрирующей аппаратуры.

Достоверность результатов обеспечивается обоснованностью использования теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задач, применением известных математических методов. Подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями, а также использованием результатов работ в промышленности.

Практическая ценность и реализация работы:

Разработаны математические модели процесса обжима с утонением и выдавливания трубчатой заготовки, являющиеся основой программного обеспечения, которое может быть использовано для расчета параметров штамповки осесимметричных трубчатых заготовок переменного диаметра и толщины стенки.

Установлены границы стабильного протекания процесса обжима с утонением трубчатой заготовки в зависимости от технологических факторов.

Результаты исследования использованы в опытном производстве для разработки технологического процесса изготовления детали «сопло».

Отдельные материалы научных исследований включены в разделы лекционных курсов, таких как «Механика процессов пластического формоизменения», «Технологические машины и оборудование» и «Машиностроительные технологии и оборудование» для студентов специальности 120400 - Технологии и машины обработки давлением.

Апробация. Результаты исследования доложены на Всероссийской научной конференции "Современные проблемы математики, механики, информатики", Тула, 2002; научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов», Тула, 2002, а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорского - преподавательского состава Тульского государственного университета (2001 - 2003 гг).

Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 5 печатных работах.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору В.Д. Кухарю, доктору технических наук Басалаеву Э.П. и кандидату технических наук, доценту А.Н. Пасько за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы из 71 источника, 2 приложений и включает 71 страницу машинописного текста, содержит 80 рисунков и 9 таблиц. Общий объем 132 страницы.

4.4 Основные результаты и выводы

Анализ полученных экспериментальных данных показал:

1. Удельная сила процесса возрастает с уменьшением коэффициента утонения и коэффициента обжима и увеличением угла конусности матрицы.

2. Показано, что основное влияние на величину утолщения заготовки на скате матрицы оказывает степень обжима и утонения, а угол матрицы не оказывает существенного влияния.

3. Разработан технологический процесс изготовления заготовки изделия «сопло», позволяющий повысить коэффициент использования материала с 18 % до 96 %, который внедрен в опытно-промышленное производство ОАО ТНИТИ.

5 Заключение

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное народно-хозяйственное значение и состоящая в повышении эффективности изготовления трубчатых деталей с переменным диаметром и толщиной стенки в результате использования операции обжима с утонением.

В процессе теоретических и экспериментальных исследований получены основные результаты и выводы.

1. На базе метода конечных элементов разработаны математические модели процессов обжима трубчатых заготовок с утонением стенки и выдавливания их через коническую матрицу. Установлено влияние геометрии, условий трения на силовые и деформационные параметры процессов.

2. Исследования напряженно-деформированного состояния деформированной заготовки в процессе обжима с утонением показало, что компоненты напряжений и деформаций имеют большие значения на внутренней поверхности, чем на внешней. Причем на внутренней поверхности заготовки компоненты напряжения интенсивно возрастают (200 - 300%) при попадании в зону утонения, а на внешней поверхности заготовки напряжения изменяются плавно, постепенной увеличиваясь к заключительной стадии процесса.

3. Анализ силовых режимов процесса показал, что увеличение коэффициента трения с 0.05 до 0.15 приводит к возрастанию силы при прочих равных параметрах в 1.8 - 2.3 раза.

4. Показано, что при одном значении коэффициента трения увеличе- -ние коэффициента утонения кут приводит к уменьшению потребной технологической силы на 50 — 55%, а уменьшение коэффициента обжима к0б, наоборот, ведет к росту силовых параметров в 2 - 4 раза.

Установлено, что при всех значениях варьируемых параметров существует область наименьших величин силы процесса обжима с утонением трубчатой заготовки, реализуемых при использовании матрицы с углом наклона а = 20 — 27°.

Установлены границы стабильного протекания процесса, когда заготовка полностью не переходит в пластическое состояние при входе в зону утонения, причем с увеличением трения эта область значительно сокращается.

Показано, что утолщение стенки заготовки на коническом участке матрицы определяется не только степенью обжима, но зависит от угла конусности матрицы, коэффициента утонения и условий трения. Установлено, что наибольшее влияние на силу процесса выдавливания трубчатой заготовки через коническую матрицу оказывает степень утонения стенки и коэффициент трения, а влияние угла матрицы на эту величину незначительно. Также показано, что при этом процессе достигаются значительно большие степени утонения, чем при обжиме с утонением.

Проведены экспериментальные исследования по обжиму с утонением трубчатых заготовок из СтЗ Гост 380 - 84, которые качественно и количественно подтвердили результаты теоретических исследований и послужили основой для разработки технологического процесса получения заготовки изделия «сопло», позволяющий повысить коэффициент использования материала с 18 % до 96 %, который внедрен в опытно-промышленное производство ОАО ТНИТИ.

1. Аверкиев Ю.А., Аверкиев А.Ю. Технология холодной штамповки. М.: Машиностроение. 1989. 304с.

2. Авицур Б., Бишоп Е.Д, Хан В.К. Анализ начальной стадии процесса ударного прессования методом верхней оценки. // Конструирование и технология машиностроения. Труды американского общества инженеров-механиков. Русск, пер. 1972. - № 4.

3. Александров С.К. Об уравнениях осесимметричного течения при гладком условии пластичности // Изв. АН ООСР. Механика твердого тела.-1991. -№ 4.-С. 141-146.

4. Басалаев Э.П. Обжим трубчатых заготовок с утонением стенки дисс. на соиск. . канд. техн. наук. - Тула. - ТулГУ. - 1986.

5. Басалаев Э.П., Сорвина О.В., Сизова И.А. Штамповка заготовок сопловых блоков из высокопрочных сталей // Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов. Сборник научных трудов, - Вып.З. -ТулГУ. - 2003 г. - С. - 435 - 438.

6. Брюханов А. Н. Ковка и объемная штамповка. М.: Машиностроение, 1975.-408с.

7. Воронцов A.JI. Напряженное состояние заготовки при выдавливании с раздачей // Кузнечно-штамповочное производство. 1997. №7. С. 15-19.

8. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. М.: Мир. 1984. 425с.

9. Генки О. О некоторых статически определимых случаях равновесия в пластических телах // Теория пластичности. М.: Иностран. литра 1948.-С. 80-100.

10. Голенков В.А., Радченко С.Ю. Технологические процессы обработки металлов давлением с локальным нагружением заготовки. — М.: Машиностроение. 1997. — 226 с. — ил.

11. Гун Г.Я. Математическое моделирование обработки металлов давлением: Уч. пособие. М.: Металлургия. 1983. 352 с.

12. Гун Г.Я., Полухин П.И. и др. Пластическое формоизменение металлов. М.: Металлургия, 1968.- 416 с.

13. Друянов Б.А., Непершин Р.И Теория технологической пластичности. М.: Машиностроение, 1990. - 272 с.

14. Дьяченко С.С., Кузьменко Е.А., Кузьменко В.И. Пути повышения качества деталей и совершенствования технологии холодной объемной штамповки. Кузнечно-штамповочное производство. - 1997. - № 6. — С. 12-15.

15. Ершов В.И. Совмещенные процессы штамповки из трубных заготовок // Кузнечно-штамповочное производство. 2000. №6. С. 21-22.

16. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир. 1975. 541с.

17. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация / Перевод с английского Б.И. Квасова. Под ред. Н.С. Бахвалова. М.: Мир. 1984. 125с.

18. Ивлев Р. Р. Теория идеальной пластичности. — М.: Наука, 1966.-232 с.

19. Камель Х.А., Эйзенштейн Г.К. Автоматическое построение сетки в дву- и трехмерных составных областях // Расчет упругих конструкций с использованием ЭВМ. Т.2. - J1.: Судостроение - 1974. - С. 21 - 35.

20. Качанов Л.М. Основы теории пластичности.* М: Наука, 1969.420 с.

21. Ковка и объемная штамповка: Справочник: В 2 т. / Под ред. М. В. Сторожева. 2-е изд., перерараб. - М.: Машиностроение, 1968. Т. 2. - 448

22. Ковка и штамповка. В 4 т. Т. 2. Горячая объемная штамповка: Справочник / Под ред. Е. И. Семенова. М.: Машиностроение, 1987.- 592 с.

23. Колмогоров B.J1. Напряжения. Деформации. Разрушение. М.: Металлургия. 1970. 229с.

24. Колмогоров B.JI., Шишменцев В.Ф. Зависимость пластичности сталей от гидростатического давления //Физика металлов и металловедение. 1966. Вып.6,т.21. С. 910-912.

25. Кухарь В.Д., Пасько А.Н., Сизова И.А. Свободный обжим трубчатых заготовок. // Механика деформированного твердого тела и обработка металлов давлением. Сборник научных трудов, Часть 2. - Тула, 2003.-С. 62-65.

26. Ланберт Е.Р., Мета Х.С., Кобаяши ХС. Новый метод верхней границы для расчета установившихся процессов пластической деформации // Конструирование и технология машиностроения. Труды американского общества инженеров-механиков. Русск, пер. 1972. - № 4.

27. Липпман Г. Теория главных траекторий при осесимметричной деформации // Механика. Период, сб. переводов иностран. статей. — 1963. -№3.-С. 155-167.

28. Математическая теория планирования эксперимента / Под ред. С.М. Ермакова. М.: Наука. 1983. 392с.

29. Михаленко Ф.П., Сергеев М.К., Шнейберг A.M. Анализ напряженно-деформированного состояния и силовых параметров при комбинированном обратном выдавливании вращающимся пуансоном // Кузнечно-штамповочное производство. 1997. №4. С. 5-8.

30. Налимов В.В., Голикова Т.И. Логическое основание планирования эксперимента. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия. 1980. 152с.

31. Нахайчук В. Г. Определение напряжений в пластической области осесимметрично деформируемых заготовок // Изв. вузов. Машиностроение. -1983. №8. - С. 28 - 31.

32. Непершин Р.И Осесимметричное прессование с малыми и большими обжатиями // Расчеты процессов пластического течения металлов. -М.: Наука, 1973. С. 71 - 83.

33. Нечепуренко Ю.Г. Новые технологии изготовления корпусных цилиндрических изделий // Кузнечно-штамповочное производство. 2001. №10. С. 20-25.

34. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация прцессов технологии металлов планированием эксперементов. М.: Машиностроение, София: Техника. 1980. 304с.

35. Пасько А.Н., Сизова И.А. Прямое выдавливание трубчатых заготовок // Механика деформированного твердого тела и обработка металлов давлением. Сб. науч. трудов. - Часть 2. - Тула. - ТулГУ. - 2003 г. -С. 194- 198.

36. Пеньков В.Б., Толоконников JI.A Осесимметричное течение металла при частном условии полной пластичности // Изв. АН СССР. Механика твердого тела. 1982. - № 5. - С. 175 - 178.

37. Попов О. В. Изготовление цельноштампованных тонкостенных деталей переменного сечения. М,: Машиностроение, 1974. - 402 с.

38. Прогрессивные технологические процессы холодной штамповки / Ф.В. Гречишников, A.M. Дмитриев, В.Д. Кухарь и др. Под общ. ред. А.Г. Овчинникова. М.: Машиностроение, 1985. - 104 с.

39. Ресурс пластичности металлов при обработке металлов давлением / А.А. Богатов, О.И. Мирицкий, С.В. Смирнов. М.: Металлургия. 1984. 144с.

40. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. JI.: Машиностроение. 1979. 520с.

41. Сегерлинд J1. Применение метода конечных элементов. М.: Мир. 1979. 392с.

42. Секулович М. Метод конечных элементов / Пер. с серб. Зуева Ю.Н. Под ред. В.Ш. Барбакадзе. М.: Стройиздат. 1993. 664с.

43. Сизова И.А. Особенности выдавливания трубчатой заготовки через коническую матрицу // Известия ТулГУ. Серия Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. — Выпуск 2. — Тула.-2003.-С. 36-40.

44. Смирнов О.М., Ершов А.Н., Чумаченко С.Е., Кропотов В.А. Анализ напряженно-деформированного состояния заготовки в процессах осесимметричной штамповки осадкой с кручением // Кузнечно-штамповочное производство. 1998. №6. С. 9-12.

45. Соколовский ВВ. Теория пластичности 3-е изд., перераб. и доп - М.: Высшая школа, 1969. - 608 с.

46. Сторожев Н. В., Попов Е. А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1971. - 424 с.

47. Таблицы планов эксперимента для факторных полиноминальных моделей: справочное издание / под ред. В.В. Налимова. М.: Металлургия. 1982. 751с.

48. Тарновский И.Я., Поздеев А.А., Ганаго О.А. и др. Теория обработки металлов давлением. М: Металлургиздат, 1963. - 672 с.

49. Толоконников Л.А., "Яковлев С.П., Лялин В.М. Прессование круглого прутка из анизотропного материала // Изв. вузов. Черная металлургия, № 1. - 1971. - С. 12 -13.

50. Томленов Л.Д: Теория пластического деформирования метал- ■ лов. М.: Металлургия. - 1972. - 408 с.

51. Томсен Э.Г., Янг И., Кобаяши Ш. Механика пластических деформаций при обработке металлов. М., Машиностроение 1969.

52. Тутышкин Н.Д. Анализ формообразования осесимметричных оболочек с криволинейной образующей // Исслед. в обл. теории, технологии и оборудования штамповочного производства: Межвуз. сб. ст. Тула:

53. Ч Тульск. политехи, ин-т, 1991. С. 40-50.

54. Тутышкин Н.Д. Анализ штамповки плоскослойных элементов // Изв. Вузов. Машиностроение. 1996. - № 10-12. - С. 107 - 111.

55. Тутышкин Н.Д. Определение согласованных полей напряжений и скоростей при деформировании осесимметричных изделий // Изв. вузов. Машиностроение. 1985. - № 4.- С. 3 - 7.

56. Хилл Р. Математическая теория пластичности. М.: ГИТТЛ, 1956.-407 с.

57. Холодная объемная штамповка: Справочник / Под ред. Г. А. Навроцкого. М.: Машиностроение, 1973. - 496 с.

58. Шилд P.O. О пластическом течении металлов в условиях осевой симметрии // Механика: Сб. переводов и обзоров иностран. период,

59. Щ лит-ры, 1995.-№1.-С. 102-122.

60. Яковлев С.П., Коротков В.А., Яковлев С.С. Интенсификация процесса обжима тонкостенных цилиндрических заготовок. 1995. №8. С. 10-13.

61. Akyuiz F.A. "Fedge" A general purpose computer program for finite element data generation User's manual // Jet Propulsion Laboratory, California Inst, of Technology. Pasadena; California; NASA Techn. Memor., Sept. 15, 1969. - P. 33-431.

62. Akyuiz F.A. Natural coordinate sistem, An automatic Input data generation scheme for a Finite Element Method // Nuclear Engineering: and Design. 1969. - v. 11, № 2 - P. 195 - 207.

63. Cavendish D.X. Automatic trangulation of arbitrary domain for Finite Element Method 11 Int. J. Numer Meth. Eng. 1974 - v.8. - P. 679 - 696.

64. Edgeberg J.L. Meshgen. A computer code for automatic Finite Element Mesh Generation. Sandia Laboratories. - Livermore - June - 1969. — P. 231.

65. Gordon W.J., Hall C.A. Construction of curvilinear coordinate systems and applications to mesh generation // Int. J. Numer Meth. Eng. 1961 -v.7.- P. 461.

66. Imafuku I., Kodera Y., Sayawaki M., Kono M., A Generelized automatic Mesh Generation scheme for Finite Element Method // Int. J. Numer Meth. Eng. 1980 - v. 15, № 5. - P. 713 - 731.

67. Kast D. Modellgesetznm(3igkeiten beim Rbckw^rtsfliespressen ge-ometrisch дЬпИсЬег Hapfe. " 9nd. Anz.", - 1970. - 92, № 3. - P. 1733 - 1734.

68. Service life estimation of extrusion dies by numerical simulation of fatigue crack - growth / SonsU,z A., Tekkaya A.E. // Int. J. Mech. Sci. — 1996. -38, №5.-P. 527-538.

69. Shaw R.D., Pitchen R.G. Modification of the Suhara Fukuda Method of network generation // Int. J. Numer Meth. Eng. - 1978 - v. 12, № 1. -P. 93 - 99.

70. Suhara J., Zukuda F. Automatic mesh generation for finite element analysis // An Advances in Computational Methods in Structural mechanic and design. 1972.-520 p.

71. Zienkewich O.C., Phillips D.V. An automatic mesh generation scheme for plane and curved surfaces by isoparamteric coordinates // Int. J. Numer Meth. Eng. 1971 -v.3.-P. 519-528.a