автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Первая и последующие операции комбинированной вытяжки тонкостенных цилиндрических деталей

На правах рукописи

005051463

ЛЕ МИНЬ ДЫК

ПЕРВАЯ И ПОСЛЕДУЮЩИЕ ОПЕРАЦИИ КОМБИНИРОВАННОЙ ВЫТЯЖКИ ТОНКОСТЕННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

Специальность 05.02.09 Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4 АПР 2013

Тула 2013

005051463

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Журавлев Геннадий Модестович

Официальные оппоненты: Пасько Алексей Николаевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», профессор кафедры «Теоретическая механика»

Травин Вадим Юрьевич, кандидат технических наук, ОАО «НПО «Сплав», зам.гл. конструктора

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Государственный университет-

учебно-научно- производственный комплекс (г. Орел)

Защита диссертации состоится « 9 » апреля 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.01 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300012, г. Тула, пр. Ленина, 92, ауд. 9-101).

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

Автореферат разослан « 7 » марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Черняев Алексей Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важными задачами, стоящими перед современным машиностроением, являются создание и производство конкурентоспособной продукции. В связи с этим перед машиностроительной промышленностью стоят актуальные задачи - разработка новых и совершенствование существующих технологических процессов, обеспечивающих повышение требований к качеству изделий при снижении себестоимости и трудоемкости их производства, экономии материальных и энергетических ресурсов. При этом особую актуальность приобретают новые подходы к технологии изготовления изделий, направленные на изыскание резервов применяемых способов обработки, установление оптимальных режимов проведения технологических процессов. Значительное место среди новых направлений совершенствования действующих технологических процессов занимает обработка металлов давлением (ОМД), являющаяся высокоэффективным способом изготовления, и в частности, комбинированные виды вытяжки, которые позволяют получать более качественные тонкостенные цилиндрические изделия.

Создание усовершенствованных технологических процессов изготовления цилиндрических тонкостенных изделий требуемого качества с минимальными сроками освоения выпуска продукции требует использования современных методов подготовки производства и более детального анализа свойств обрабатываемых материалов. К этим свойствам относятся явления, связанные с пластической неоднородностью и повреждаемостью деформируемого материала. Разработка новых технологий ставит перед теорией ОМД задачи, требующие применения более совершенных математических моделей, описывающих процессы деформирования материалов, использование многошаговых принципов принятия решения с элементами визуализации. Однако такой подход еще не нашел достаточно широкого применения в ОМД для анализа технологических операций. Поэтому актуальной является задача, состоящая в разработке теоретически обоснованных режимов пластического деформирования, полученных с использованием точных методов расчета и современных достижений вычислительной техники, обеспечивающих заданное качество и сокращение сроков подготовки производства новых изделий.

Цель работы. Повышение эффективности изготовления цилиндрических деталей комбинированной вытяжки на основе установления теоретически обоснованных режимов пластического деформирования с использованием точных методов расчета и современных достижений вычислительной техники, позволяющих обеспечивать заданное качество и сокращать сроки подготовки производства новых изделий.

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

1. Сформулировать основные уравнения и соотношения объемного пластического течения, позволяющие с привлечением метода конечного элемента учитывать неоднородность, кинематические, деформационные, силовые характеристики и деформационную повреждаемость в процессах комбинированной вытяжки.

2. Провести теоретический расчет процессов первой и последующих операций комбинированной вытяжки цилиндрических деталей с определением силовых режимов и анализом напряженно-деформированного состояния и повреждаемости.

3. Установить зависимости влияния технологических параметров: степени деформации, коэффициентов вытяжки и утонения, угла конусности матрицы, коэффициентов трения инструмента на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояние заготовки, силовые режимы.

4. Адаптировать пакет прикладных программ ОЕРОШУГ-ЗБ для расчета процессов комбинированной вытяжки цилиндрических деталей в условиях объемной деформации с применением многошагового процесса принятия решения.

5. Разработать рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления цилиндрических деталей и рабочего инструмента для его реализации, обеспечивающие заданное качество изделий путем уменьшения деформационной повреждаемости.

Объект исследования. Технологические процессы комбинированной вытяжки.

Предмет исследования. Первая и последующие операции комбинированной вытяжки цилиндрических деталей.

Методы исследования. Исследование процессов комбинированной вытяжки цилиндрических деталей выполнено с использованием основных положений теории пластичности с учетом пластической неоднородности материала и деформационной повреждаемости. Моделирование процесса осуществлено методом конечных элементов на базе прикладной программы БЕРСЖМ-ЗО. Предельные возможности формоизменения исследуемых процессов деформирования оценивались по величине напряжений в очаге пластической деформации и критерию разрушения материала, связанному с накоплением деформационной повреждаемости. При разработке рекомендаций использованы современные положения технологии вытяжных операций.

Автор защищает:

- определяющие уравнения и соотношения для анализа процесса комбинированной вытяжки цилиндрических деталей в условиях объемного напряженного и деформированного состояний;

- результаты теоретических исследований первого и последующих процессов комбинированной вытяжки цилиндрических деталей с учетом пластической неоднородности и повреждаемости деформируемого материала;

- установленные зависимости влияния технологических параметров на напряженное и деформированное состояния заготовки, повреждаемость материала и предельные возможности деформирования;

- адаптированные пакеты прикладных программ для ЭВМ по расчету первого и последующих процессов комбинированной вытяжки цилиндрических деталей;

- рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления цилиндрических цельнотянутых деталей с использованием процессов комбинированной вытяжки.

Научная новизна: установление закономерностей изменения кинетики течения материала, напряженного и деформированного состояния, пластической неоднородности материала от технологических параметров первого и последующих процессов комбинированной вытяжки цилиндрических деталей при объемном деформировании.

Практическая ценность работы. На основе выполненных исследований разработаны рекомендации и пакет адаптированных прикладных программ по расчету технологических параметров первой и последующих операций комбинированной вытяжки цилиндрических деталей, обеспечивающих интенсификацию технологических процессов, заданное качество и сокращение сроков подготовки производства новых изделий.

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

Апробация работы. Результаты исследований доложены на Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых "Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов" (г. Тула, 2009, 2012 гг.); на ежегодных магистерских научно-технических конференциях Тульского государственного университета (г. Тула, 2009, 2010 гг.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2010 — 2012 гг.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, входящих в Перечень рецензируемых научных журналов ВАК.

Структура н объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения и четырех разделов, заключения, списка использованных источников из 108 наименований, 3 приложений и включает 99 страниц машинописного текста, содержит 32 рисунка и 4 таблицы. Общий объем - 125 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первом разделе работы представлен обзор технологий изготовления цилиндрических изделий бытового назначения, имеющих разные конструкции и широко применяемых в разных отраслях промышленности. Установлено, что широкое распространение среди технологий их изготовления получили процессы вытяжки. Приведена классификация процессов вытяжки. Проанализированы характерные стадии процесса вытяжки, так как смена стадий соответствует критическому моменту деформации. Рассмотрены основные теоретические и экспериментальные методы, которые могут быть использованы для исследования вытяжки. Исследованию процессов вытяжки посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых: А;А. Богатова, С.А. Валиева, B.JI. Колмогорова, С.И. Мижирицкого, И.А. Норицына, В.А. Огородникова, Е.А. Попова, С.В. Смирнова, М.В. Сторожева, И.П. Ренне, Е. П. Унксова, С.П. Яковлева, С.С. Яковлева, У. Джонсона, О. Зенкевича, С. Кобояши, Ф.А. Макклинтона, К. Моргана, Дж. Одена и других. Однако многие сложные вопросы анализа напряженно-деформированного состояния, проектирования и разработки технологических процессов вытяжки остаются мало изученными. Особенно трудными для анализа остаются вопросы, связанные с применением объемных схем пластического формоизменения, в которых материал испытывает сложное нагружение, к ним и относятся процессы комбинированной вытяжки цилиндрических деталей. Таким образом, разработка теоретически обоснованных режимов пластического деформирования процессов комбинированной вытяжки, обеспечивающих заданное качество, является актуальной задачей. Для этого целесообразно использовать более точные методы расчета и достижения современной вычислительной техники при исследовании процессов комбинированной вытяжки. На основе проведенного обзора поставлена научная задача диссертационного исследования, состоящая в моделировании процесса комбинированной вытяжки цилиндрических деталей с использованием трехмерной модели.

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

Основные уравнения для проведения расчета следующие.

Условие текучести запишем в виде

/(0i) = o;+/(&) = 0.- (1)

где 4а и би - соответственно интенсивности скоростей деформаций и напряжений, определяемые выражениями_

>/2 Щ . , с ГчГТТг Е \2 . 3 ,.„2

б„ = ^(б, - б,,)2 + (б,.-б,)Ч (б, - б,)2 + -(< + Г* + 4). (3)

При построении численных решений технологических задач теории пластичности принимаем:

- в случае медленного пластического течения уравнение равновесия

б„,у = 0; (4)

- определяющие уравнения в формулировке Леви-Мизеса

- соотношения связи компонентов скоростей деформаций с компонентами вектора скорости перемещения = (V, ■ + (6)

- условие несжимаемости = 0; (7)

- начальные условия для компонентов скорости

(8)

где бу - компоненты тензора напряжений; = б? - 8^6 - компоненты девиатора напряжений; 8Ц - символ Кронекера; - компоненты скоростей деформаций; V, - компоненты вектора скоростей; / - время; индексы /,у =1,2,3.

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

б.=б.{еш,4и,Т,Х>), (9)

где £и - интенсивность деформаций; Г - температура; хк - физико-структурные параметры, характеризующие состояние материала в рассматриваемый момент времени и определяемые соответствующими кинетическими уравнениями.

Рассмотренная система уравнений является замкнутой относительно функций и к(.

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

J = ¡б¿udV + ¡ит^сЯ-(10)

где /'- известное напряжение на поверхности тела.

Согласно принципу Журдена действительное поле скоростей в отличие от всех кинематически возможных сообщает функционалу

полной мощности минимальное значение. Минимум функционала (10) должен быть найден для класса функций, соответствующих условию несжимаемости.

На основе разработанной конечно-элементной методики решения задач составлены соответствующие схемы алгоритмов и разработан программный комплекс адаптированных программ БЕРОЯМ-ЗВ для расчета технологических процессов вытяжки, протекающих в условиях объемной деформации при статическом подходе к исследованию процесса деформирования. Пакет прикладных программ имеет модульную структуру и состоит из трех основных частей: автоматизированной подготовки данных, непосредственного решения задачи и визуализации результатов расчетов в виде диаграмм, графиков, рисунков.

Приведены результаты численной апробации. Осуществлен расчет первой операции комбинированной вытяжки из заготовки, полученной из листа алюминиевого сплава АМц-3 ГОСТ 21631-76 со степенью деформации ц/ = 0,4 и коэффициентом вытяжки /я, = 0,63, коэффициентом утонения т1 = 0,96 при угле конусности матрицы а = 15° и коэффициентах трения М„ = 0,04, Д, = 0,07 (рис. I).

Заготовка ! Пуансон

Рис. 1. Состояния КЭ модели заготовки (начальное, на десятом шаге, на пятидесятом шаге и конечное)

Результаты решения в виде графиков изменения компонент тензора деформаций, скоростей деформации и компонент тензора напряжений для характерной точки 3 (рис. 1) приведены на рис.2.

Рис. 2 . Графики изменения компонент тензора деформаций, скоростей деформации и компонент тензора напряжений

Осуществлен расчет последующей операции комбинированной вытяжки из полой заготовки того же материала со степенью деформации у/ = 0,25 и коэффициентом вытяжки тл = 0,89, коэффициентом утонения т3= 0,83 при угле конусности матрицы а = 15° и коэффициентах трения ри = 0,04, /¿„ = 0,07 (рис. 3).

Шаг 100

Рис. 3. Состояния КЭ модели заготовки (начальное, на десятом шаге, на пятидесятом шаге и конечное)

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

ДглгачюЗ

! -------¡......... ! гг ; ь г' 1 / ;

Ч /~ч , -а ' "\/ \......... Ч Л ! ХЧ // 4 6, М-.....г".....:......... И \

024 ОЛ I/ ВрШЯ 1с

014 0# ОА 8режи

Щ 0,16 Д24 0,32 0,4 ¿деке (с

Рис. 4 . Графики изменения компонент тензора деформаций, скоростей деформации

и компонент тензора

Полученные результаты вычислений показывают, что предложенный подход позволяет решать трехмерную задачу с определением силовых режимов и анализом напряженно-деформированного состояния процессов первой и последующих операций комбинированной вытяжки. Сопоставляя полученные результаты для различных точек, можно определить пластическую неоднородность деформируемого материала. На рис. 5 представлены результаты расчета неоднородности деформации и напряжения для точек 1, 3, 5 (см. рис.1).

0,7

0.6

% 0,5

0.4

0.3

3

! 02

| 0.1

§ 0

А'

4X2

--!„, 4—(—,--- 4- " : ~ Г

I с , : ¡..;. ...

! •«........ 'ч / У

: ■ '

....... 4. .....1......1.......

I I

Г ......! -

■ \-Х-.......- 1 .. . . /; ...;.._

-'-р~г......; - 4-............{--г - !.......Г "

зо 40 ¡с во 70 го х т

Рис. 5 . Неоднородность деформаций (а) и напряжения (б) в характерных точках заготовки

Третий раздел посвящен анализу процессов комбинированной вытяжки на основе адаптированного программного комплекса ВЕРСШМ-ЗБ. В качестве основных технологических параметров учитывалось влияние степени деформации, коэффициентов вытяжки и утонения, геометрии матрицы, коэффициентов трения на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния заготовки и силовые режимы. Моделирование проводилось по схеме проведения однофакторного

эксперимента, когда исследовалось влияние одного параметра при постоянных значениях других.

На рис. 6. представлены зависимости влияния степени деформации и изменения коэффициентов вытяжки и утонения, коэффициентов трения на поверхностях контакта инструмента и заготовки, угла конусности матрицы на компоненты тензора напряжений и деформаций при комбинированной вытяжке из заготовки в виде листа (первая вытяжка) для точки 3 (см. рис. 1).

Влияние степени деформация на компоненты тензора напряжений для точки 3

влияние коэффициентов трения на компоненты тензора напряжений для точки 3

0.1 0.2 0,3

Время t,c

- V =0.4 ;md =0,8; m. =075

^ V 5; ma=Or 6; тл =0,83

--W=0.6; mj =0,6; шг-0,67

Влияние коэффициентов трения на компоненты тензора деформаций для точки 3

0,1 0,2 0,3 0.4 О

Время t,c

- Коэффициент трения у. =0,1; р- =0.1

-■ • Коэффициент трения у» =0,03; у* =0,06

---Коэффициент трения у* =0,04; у. =0,08

Влияние угла конусности матрицы на компоненты тензора напряжений для точки 3

0,1 0.2 0,3

Время i.c

— Коэффициент трения р» =0,1; (J* *0,1 Коэффициент трения р» =0,03; р, *0,06

— Коэффициент трения р. «0.04; р, »0.08

02 0.3

Время t,c

_ Угол конусности a=10'

....... Угол конусности а-15 '

- Угол конусности а =20 '

Рис. 6. Влияние технологических параметров при вытяжке из заготовки в виде листа

На рис. 7. представлены зависимости влияния степени деформации и изменения коэффициентов вытяжки и утонения, коэффициентов трения на поверхностях контакта инструмента и заготовки, угла конусности матрицы на компоненты тензора напряжений и деформаций при комбинированной вытяжке из заготовки в виде стакана (последующие операции) для точки 3 (рис. 3).

Влияние степами деформация на компоненты тензора напряжений для точки 3

Влияние коэффициента трения на компоненты напряжений для точки 3

- Ц/ а)о, 4;гпы =0,9; т»Л=0.67

у =0.5; т^ =0, 85; т„-0. 6

---У =0, 6; "¡3=0.8: 5

Влияние коэффициентов трения на компоненты тензора деформаций для точки 3

- Коэффициент трения р» -0.1; р* щ0.1

Коэффициент трения р- *0, 03; «О, 06

---Коэффициент трения р. =0,04; р* =0, 08

Влияние угла конусности матрицы на компоненты генэора напряжений дли точки 3

0,08 0,16 0,24 0.32

Время £с

... Коэффициент трения р* =0,1: р. щ0.. 1

Коэффициент трения р~ «С. 03; р~ Об - Коэффициент трения р. «О. 04: р, =0, 08

0,16 0Л4 0.32

Время 1С Угол конусности <т— ТО" Угол конусности Угол конусности о=>20"

Рис. 7. Влияние технологических параметров при вытяжке из заготовки в виде стакана

На основе полученных полей распределения напряжений и деформаций с использованием положений механики рассеянной повреждаемости можно довольно точно рассчитывать деформационную повреждаемость.

Оценка величины накопленной повреждаемости деформируемого металла проводится с использованием линейной модели пластического разрыхления, предложенной В.Л. Колмогоровым:

л. .

•« I

о /V нр

где Кщ, - предельная степень деформации л„р = Кпр (а,ца,в,Но -

показатель напряженного состояния, определяется как отношение гидростатического напряжения к интенсивности касательных напряжений; ра - показатель Лоде, характеризующий вид девиатора напряжений (для растяжения = —1); в - температура; х- - характеристические параметры

структуры, например, средний размер зерна, плотность распределения неметаллических включений; с(- - содержание химических элементов в сплаве.

При решении технологических задач диаграммы пластичности вполне удовлетворительно аппроксимируются следующей функцией: Л^ =^-ехр(Д5:), где Xй Л определяются методом наименьших квадратов и зависят от химического состава и структуры материала, их значения приведены в таблице.

Материал Показатель Лоде Ца =— 1 Показатель Лоде Цд = 0

X Я X Л

Алюминиевый сплав АМц-3 3,225 -0,516 2,645 -1,983

Алюминиевый сплав АМг-б 1,784 - 0,325 1,463 -1,010

Степень деформации сдвига определяется по формуле д = ■

о

Проведен расчет численных значений степени деформации сдвига, предельной степени деформации сдвига и повреждаемости для первой и последующей операций комбинированной вытяжки. Наибольшая величина повреждаемости материала при изготовлении изделий из алюминиевого сплава АМц-3 составила: на первой вытяжке (см. рис. 1) £У|шах= 0,263; на второй (см. рис. 3) ©211ИХ =0,284. Суммарная максимальная повреждаемость <в = й,1тах+£У2тач=0'263 + 0>284 = 0'55' 4X0 меньше величины допустимой повреждаемости [<а] = 0,65...0,7, при достижении которой возможно образование полостных дефектов. В целом умеренная повреждаемость материала готовых изделий объясняется рациональным выбором режимов обработки.

Адаптированный пакет прикладных программ позволяет моделировать влияние основных технологических параметров на предельные возможности процесса формоизменения с визуализацией результатов расчетов в виде диаграмм, графиков, рисунков деформируемого полуфабриката. В случае задания технологических параметров, которые приводят к превышению предельных возможностей процесса формоизменения, выдается графическое изображение, показывающее, что проведение процесса не возможно.

Четвертый раздел содержит результаты практического использования проведенных исследований при проектировании технологических процессов на базе операции холодной комбинированной вытяжки. Использование разработанного подхода дает возможность прогнозировать силовые, деформационные характеристики, пластическую повреждаемость и устанавливать предельные степени формоизменения, разрабатывать в кратчайшие сроки высокоэффективные новые технологические процессы изготовления изделий при рациональном выборе режимов обработки.

Данная методика иллюстрируется на типовом примере. На рис. 8 показаны переходы предлагаемого технологического процесса изготовления цельнотянутой банки с использованием операций комбинированной вытяжки

}. Вхэдьес кттро/ь мэтериояз (Алтяинад явмто!

- якзгиакэ 2.Ъг**,

- Маяв ««"твЗя ГХТ

- «¡тпрет рхвмераА эй

- ХЭяАрэдь *С5мс*

крьйаая

2, Зь^к-лз нтжъ

КОЛГФ&ЯГ-П Ха* 66С&996&*№ Грах Я81ёС/&2).

5. лерЗэе

ВеЯЯК!» ? ,1 ЮИ

Д дне

£ Обрезе

Сбэаяэабзмие; ^ттаэ*

7 ярень^кс и

г./лт коапзо

таг и»

Рис. 8. Технологический процесс изготовления цельнотянутой банки

На основании изложенного можно сделать вывод о том, что внедрение подобных технологий и методик расчета в производство способно дать существенный экономический эффект.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе решена актуальная научная задача, имеющая важное значение для различных отраслей машиностроения и состоящая в повышении эффективности изготовления цилиндрических деталей комбинированной вытяжкой на основе выбора теоретически обоснованных режимов пластического деформирования, полученных с использованием точных методов расчета и современных достижений вычислительной техники, обеспечивающих заданное качество и сокращение сроков подготовки производства новых изделий.

В процессе проведенного изучения и моделирования комбинированной вытяжки цилиндрических деталей получены следующие основные результаты и сделаны выводы.

1. Сформулированы определяющие соотношения для анализа пластического формоизменения цилиндрических деталей комбинированной вытяжкой из жесткопластического, несжимаемого, изотропного материала в

условиях объемного пластического течения, позволяющие определять кинематику течения материала, силовые режимы, напряженное и деформированное состояния, деформационную повреждаемость.

2. Выполнен теоретический расчет первого и последующих процессов комбинированной вытяжки цилиндрических деталей с определением силовых режимов и анализом напряжено-деформированного состояния, деформационной повреждаемости путем решения трехмерной задачи с визуализацией схем процессов и исследованием кинетики полученных значений в виде графиков.

3. Моделирование процесса комбинированной вытяжки позволило установить влияние технологических параметров, степени деформации вытяжки, коэффициентов вытяжки и утонения, угла конусности матрицы, коэффициентов трения на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния заготовки и силовые режимы. Показано, что первую операцию комбинированной вытяжки из плоской заготовки алюминиевого сплава АМц-3 возможно проводить при степени вытяжки ц/ = 0,6 с коэффициентами вытяжки /я, =0,6 и утонения т, =0,67, дальнейшее увеличение степени деформации приводит к разрушению полуфабриката. Оптимальным и являются коэффициенты трения на матрице ди = 0,03 и пуансоне = 0,06 и угол конусности матрицы а = 12... 15°, дающие минимальные значения напряжений и деформации. Последующие операции комбинированной вытяжки из полой заготовки алюминиевого сплава АМц-3 возможно проводить при степени вытяжки ц/ =0,6 с коэффициентами вытяжки т^0,8 и утонения /и5=0,5, дальнейшее увеличение приводит к разрушению полуфабриката. Оптимальными и являются коэффициенты трения на матрице и пуансоне /^, = 0,03, //„ = 0,06 и угол конусности матрицы а = 15", дающие

минимальные значения напряжений и деформаций.

4. Проведена оценка повреждаемости деформируемого материала микродефектами. Учёт пластической повреждаемости вносит заметную поправку в расчет операционных степеней деформаций, дает возможность их увеличения до 12... 16 %.

5. На основе предложенного метода решения статических задач составлены соответствующие схемы алгоритмов и адаптирован программный комплекс ОЕРОЯМ-ЗБ для расчета технологических процессов комбинированной вытяжки, протекающих в условиях объемной деформации, с использованием многошагового процесса принятия решения. Использование пакета прикладных программ дает возможность уменьшить время проведения технологических расчетов, обеспечивает наглядность результатов и позволяет сократить сроки освоения выпуска продукции.

6. Разработаны рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления цилиндрических деталей и рабочего инструмента для его реализации. Спроектирован технологический процесс изготовления цельнотянутой банки комбинированной вытяжкой. Технико-экономическая

эффективность предлагаемого технологического процесса обеспечивается простотой реализации данного способа, так как предлагаемая технология изготовления не требует высокоточного мощного оборудования, как на операции обратного выдавливания, и дает возможность повысить прочность изделий за счет упрочнения и уменьшения повреждаемости а> =0,55, сокращает срок подготовки производства в 1,4 раза.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Ле Минь Дык, Журавлев Г.М. Расчет операции первой вытяжки с использованием конечно-элементной модели // Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов: материалы докладов Всероссийской НТК студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. - С. 18-22.

2. Ле Минь Дык, Журавлев Г.М. Постановка задачи расчета процесса первой вытяжки // Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов: материалы докладов всероссийской НТК студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. -С. 22-30.

3. Ле Минь Дык, Журавлев Г.М. Влияние напряженного состояния на механические характеристики латуни // Известия ТулГУ. Технические науки. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. - Вып. 2.4.1. - С. 106-110.

4. Ле Минь Дык, Журавлев Г.М. Разработка технологического процесса изготовления цельнотянутой банки // Известия ТулГУ. Технические науки. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. - Вып. 6. 4.2. - С. 285291.

5. Ле Минь Дык. Расчет напряженно-деформированного состояния при вытяжке из плоской заготовки // Известия ТулГУ. Технические науки. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. - Вып. 4. - С. 92-97.

6. Ле Минь Дык. Расчет повреждаемости на вытяжных операциях. // Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов: материалы докладов всероссийской НТК студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. - С. 275-281.

Изд.лиц.ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 6.03.2013 Формат бумаги 60x84 Vie. Бумага офсетная. Усл.печ. л. 0,9 Уч.изд. л. 0,8 Тираж 100 экз. Заказ 006 Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 95.

ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

На правах рукописи

04201355599

ЛЕ МИНЬ ДЫК

ПЕРВАЯ И ПОСЛЕДУЮЩИЕ ОПЕРАЦИИ КОМБИНИРОВАННОЙ ВЫТЯЖКИ ТОНКОСТЕННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

Специальность 05.02.09 Технологии и машины обработки давлением

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Г.М. Журавлев

Тула 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕОРИИ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ...............13

1.1. Обзор способов изготовления цилиндрических деталей...................13

1.2. Классификация процессов вытяжки......................................................17

1.3. Методы исследования вытяжки.............................................................22

1.4. Основные выводы и постановка задач исследования.........................26

2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ОПЕРАЦИИ КОМБИНИРОВАННОЙ ВЫТЯЖКИ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ..........................................27

2Л. Постановка задачи расчета процесса вытяжки методом конечного элемента.........................................................................................27

2.2. Расчет первой операции вытяжки с использованием конечно-элементной модели....................................................................................................48

2.3. Расчет последующих операций вытяжки с использованием конечно-элементной модели....................................................................................................55

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

2.5. Основные результаты и выводы............................................................67

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ КОМБИНИРОВАННОЙ ВЫТЯЖКИ.. 69

3.1. Компьютерное моделирование процессов вытяжки...........................69

3.2. Расчет повреждаемости на операциях вытяжки..................................85

3.3. Основные результаты и выводы............................................................93

4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСЛЕДОВАНИЙ......................94

4.1. Методика проектирования технологического процесса на базеоперации холодной комбинированой вытяжки...............................................94

4.2. Расчет инструмента для операции холодной комбинированной вытяжки....................................................................................................................104

4.3. Технологический процесс изготовления корпуса цельнотянутой банки........................................................................................................................107

4.4. Использование результатов исследований.........................................109

4.5. Основные результаты и выводы..........................................................109

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................110

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ............................................113

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.............................................................................................122

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.............................................................................................131

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.............................................................................................136

ВВЕДЕНИЕ

Важными задачами, стоящими перед современным машиностроением, являются создание и производство конкурентоспособной продукции. В связи с этим перед машиностроительной промышленностью стоят актуальные задачи -разработка новых и совершенствование существующих технологических процессов, обеспечивающих повышение требований к качеству изделий при снижении себестоимости и трудоемкости их производства, экономии материальных и энергетических ресурсов. При этом особую актуальность приобретают новые подходы к технологии изготовления изделий, направленные на изыскание резервов применяемых способов обработки, установление оптимальных режимов проведения технологических процессов. Значительное место среди новых направлений совершенствования действующих технологических процессов занимает обработка металлов давлением (ОМД), являющаяся высокоэффективным способом изготовления, и в частности, комбинированные виды вытяжки, которые позволяют получать более качественные тонкостенные цилиндрические изделия.

Создание усовершенствованных технологических процессов изготовления цилиндрических тонкостенных изделий требуемого качества с минимальными сроками освоения выпуска продукции требует использования современных методов подготовки производства и более детального анализа свойств обрабатываемых материалов. К этим свойствам относятся явления, связанные с пластической неоднородностью и повреждаемостью деформируемого материала. Разработка новых технологий ставит перед теорией ОМД задачи, требующие применения более совершенных математических моделей, описывающих процессы деформирования материалов, использование многошаговых принципов принятия решения с элементами визуализации. Однако такой подход еще не нашел достаточно широкого применения в ОМД для анализа технологических операций. Поэтому актуальной является задача, состоящая в разработке теоретиче-

ски обоснованных режимов пластического деформирования, полученных с использованием точных методов расчета и современных достижений вычислительной техники, обеспечивающих заданное качество и сокращение сроков подготовки производства новых изделий.

Цель работы. Повышение эффективности изготовления цилиндрических деталей комбинированной вытяжкой на основе установления теоретически обоснованных режимов пластического деформирования с использованием точных методов расчета и современных достижений вычислительной техники, позволяющих обеспечивать заданное качество и сокращать сроки подготовки производства новых изделий.

Для достижения указанной цели, в работе поставлены, и решены следующие задачи исследований.

1. Сформулировать основные уравнения и соотношения объемного пластического течения, позволяющие с привлечением метода конечного элемента учитывать неоднородность, кинематические, деформационные, силовые характеристики и деформационную повреждаемость в процессах комбинированной вытяжки.

2. Провести теоретический расчет процессов первой и последующих операций комбинированной вытяжки цилиндрических деталей с определением силовых режимов и анализом напряженно-деформированного состояния и повреждаемости.

3. Установить зависимости влияния технологических параметров: степени деформации, коэффициентов вытяжки и утонения, угла конусности матрицы, коэффициентов трения инструмента на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояние заготовки, силовые режимы.

4. Адаптировать пакет прикладных программ ОЕРСЖМ-ЗО для расчета процессов комбинированной вытяжки цилиндрических деталей в условиях объемной деформации с применением многошагового процесса принятия решения.

5. Разработать рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления цилиндрических деталей и рабочего инструмента для его реализации, обеспечивающие заданное качество изделий путем уменьшения деформационной повреждаемости.

Объект исследования. Технологические процессы комбинированной вытяжки.

Предмет исследования. Первая и последующие операции комбинированной вытяжки цилиндрических деталей.

Методы исследования. Исследование процессов комбинированной вытяжки цилиндрических деталей выполнено с использованием основных положений теории пластичности с учетом пластической неоднородности материала и деформационной повреждаемости. Моделирование процесса осуществлено методом конечных элементов на базе прикладной программы БЕРСЖМ-ЗО. Предельные возможности формоизменения исследуемых процессов деформирования оценивались по величине напряжений в очаге пластической деформации и критерию разрушения материала, связанному с накоплением деформационной повреждаемости. При разработке рекомендаций использованы современные положения технологии вытяжных операций.

Автор защищает:

- определяющие уравнения и соотношения для анализа процесса комбинированной вытяжки цилиндрических деталей в условиях объемного напряженного и деформированного состояний;

- результаты теоретических исследований первого и последующих процессов комбинированной вытяжки цилиндрических деталей с учетом пластической неоднородности и повреждаемости деформируемого материала;

- установленные зависимости влияния технологических параметров на напряженное и деформированное состояния заготовки, повреждаемость материала и предельные возможности деформирования;

- адаптированные пакеты прикладных программ для ЭВМ по расчету первого и последующих процессов комбинированной вытяжки цилиндрических

деталей;

-рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления цилиндрических цельнотянутых деталей с использованием процессов комбинированной вытяжки.

Научная новизна: установление закономерностей изменения кинетики течения материала, напряженного и деформированного состояния, пластической неоднородности материала от технологических параметров первого и последующих процессов комбинированной вытяжки цилиндрических деталей при объемном деформировании.

Практическая ценность работы. На основе выполненных исследований разработаны рекомендации и пакет адаптированных прикладных программ по расчету технологических параметров первой и последующих операций комбинированной вытяжки цилиндрических деталей, обеспечивающих интенсификацию технологических процессов, заданное качество и сокращение сроков подготовки производства новых изделий.

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

Апробация работы. Результаты исследований доложены на Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых "Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов" (г. Тула, 2009, 2012 гг.) на ежегодных магистерских научно-технических конференциях Тульского государственного университета (г. Тула, 2009, 2010 гг.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2010-2012 гг.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, входящих в Перечень рецензируемых научных журналов ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения и четырех разделов, заключения, списка использованных источников из 108 наименований, 3 приложений и включает 112 страниц машинописного текста, содержит 45 рисунков и 4 таблицы. Общий объем - 137 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первом разделе работы представлен обзор технологий изготовления цилиндрических изделий бытового назначения, имеющих разные конструкции и широко применяемые в разных отраслях промышленности. Установлено, что широкое распространение среди технологий их изготовления получили процессы вытяжки. Приведена классификация процессов вытяжки. Проанализированы характерные стадии процесса вытяжки, так как смена стадий соответствует критическому моменту деформации. Рассмотрены основные теоретические и экспериментальные методы, которые могут быть использованы для исследования вытяжки. Исследованию процессов вытяжки посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых: A.A. Богатова [10], С.А. Валиева [14 - 21], B.JL Колмогорова [40, 41], С.И. Мижирицкого, И. А. Норицына [61],

B. А. Огородникова, Е.А. Попова [67, 81], С.В. Смирнова [78, 79], М.В. Сторожева [81], И.П. Ренне [69 - 72], Е. П. Унксова, С.П. Яковлева [54, 59, 100 - 103], С.С. Яковлева [21, 59, 102], У. Джонсона, О. Зенкевича [32, 33],

C. Кобояши, Ф.А. Макклинтона, К. Моргана, Дж. Одена [63] и других. Однако,

многие сложные вопросы анализа напряженно-деформированного состояния, проектирования и разработки технологических процессов вытяжки остаются мало изученными. Особенно трудными для анализа остаются вопросы, связанные с применением объемных схем пластического формоизменения, в которых материал испытывает сложное нагружение, к которым и относятся процессы комбинированной вытяжки цилиндрических деталей. Таким образом, развития метода, повышающего эффективность процесса комбинированной вытяжки, является актуальной задачей. Для этого целесообразно использовать более точные способы расчета и достижения современной вычислительной техники при исследовании процессов комбинированной вытяжки. На основе проведенного обзора поставлена научно-техническая задача диссертационного исследования, состоящая в моделировании процесса комбинированной вытяжки цилиндрических деталей с использованием трехмерной модели.

Во втором разделе даны основные соотношения и уравнения, необходимые для теоретического анализа процесса комбинированной вытяжки методом конечных элементов. Математическое моделирование комбинированной вытяжки выполнено в предположении, что материал жесткопластический, несжимаемый, изотропный. Рассмотрена системы уравнений для статической задачи, которая являются замкнутыми относительно функций би,£ и V,. Для построения единственного решения сформулированы граничные условия в любой текущий момент деформирования / на поверхности тела 8 объемом V.

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

конечного элемента, будут непрерывными и кусочно-дифференцируемыми во всем теле.

Разработана, конечно-элементная, методика решения статических задач, составлены соответствующие схемы алгоритмов и разработан программный комплекс для расчета технологических процессов ОМД протекающих в условиях объемной деформации при статическом подходе к исследованию процесса деформирования, с использованием многошагового процесса принятия решения. Пакет прикладных программ имеет модульную структуру, и состоит из трех основных частей: автоматизированной подготовки данных, непосредственного решения задачи и визуализации результатов расчетов в виде диаграмм, графиков, рисунков и т.п. Это позволяет облегчить, и ускорить процесс подготовки и решения конкретной технологической задачи.

Рассмотрен расчет первой и последующих операций комбинированной вытяжки с использованием метода конечного элемента и многошагового процесса принятия решения. Разработанный алгоритм реализован с помощью программы конечно-элементного анализа ОБРСЖМ-ЗО. Приведены результаты решения в виде графиков изменения компонент тензора деформаций, скоростей деформации и компонент тензора напряжений для 3 произвольно взятых точек.

Полученные результаты вычислений показывают, что предложенный подход позволяет решать трехмерную задачу с определением силовых режимов и полным анализом напряженно-деформированного состояния процессов первой и последующих операций комбинированной вытяжки. Сопоставляя, полученные результаты для различных точек можно определить пластическую неоднородность деформируемого материала.

Третий раздел посвящен анализу процессов комбинированной вытяжки, на основе адаптированного программного комплекса ОБРСЖМ-ЗО. В качестве основных технологических параметров учитывалось влияние степени деформации, коэффициентов изменения толщины и диаметров, геометрии матрицы, коэффициентов трения на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояние заготовки и силовые режимы. Моделирование проводи-

лось по схеме проведения однофакторного эксперимента, когда исследовалось влияние одного параметра при постоянных значениях других. Рассмотрено влияние основных технологических параметров (суммарной степени вытяжки, коэффициентов изменением диаметра и толщины, угол конусности матрицы и коэффициентов трения на матрице и пуансоне) на предельные возможности процессов формообразования путем расчета численных значений компонент тензора напряжений и деформаций с визуал