автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка и внедрение высокостойких деталей и узлов штампов для холодного и полугорячего выдавливания

КРАМАТОРСКИЙ ИЩУСТРИАЛЬШИ ИНСТИТУТ ' "

На правах рукописи

ТОРЯШК ВАСИЛИИ ВЛАДЮЙРОБрт!

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ВЫСОКОСТОИКИХ ДЕТАЛЕЙ К УЗЛОВ ШТАМПОВ для холодного И ПОЛУГОРЯЧЕГО 'ЫЩВЛЮАШЯ

Специальность 05.03.05 -"Процессы'и машины обработки давлением"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краматорск - 1992

•Диссертационная раоога выполнена в Харьковском шлитехничэо-< ком. институте.

Научный руководитель: доктор технических наук, щхх£ессор ЕЕСграгов В.А.

Офг;!иальш.в оппоненты: заслуженный деятель науки и техники Украины, доктор технических наук, профессор КАПОРОВИЧ В.Г., кандидат технических, наук, доцент ПЕРЕРВА А.В.

Ведущая организация! Харьковский тракторный завод.

Защита состоится " 4 " 1992 г. в Л2 час. мин,

на заседании специализированного совета Д.оба.01,01 в Краматорском индустриальном институте по адресу: 343916, г. Краматорск, Донецкой области, ул. Шкадинова, 76, Индустриальный институт.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Краматорского индустриального института.

Автореферат разослан "Ч " 1992 г

Справки по телефону: 4-25-92

Ученый секретарь специализированного совета,

канд. техн. наук, доц. С А.В.Сатонш

1 : ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ '

' Актуальность работы. Внедрение в экономику рыночных отношений вызывает необходимость решать задачи снижения расхода черных металлов и повышения производительности труда в машиностроении путем широкого использования малоотходных процессов, в частности, обработки металлов давлением. Для решения поставленных задач по экономии металла и повышению производительности труда необходимо расширить номенклатуру деталей, изготавливаемых- холодным <ХВ) и полугорячкм (ПГВ) выдавливанием. Г£ри этом возникает ряд трудностей. Например, при переходе на холодное или полугорячеэ выдавливание деталей из трудаодефэрмируемах материалов возрастают нагрузки на инструмент, что приводит к снижению его стойкости, выдавливание крупногабаритных деталей требует, увеличения габаритов матриц и штампов. Это в°дет к увеличению их металлоемкости и ш всегда возможно из-за ограничений, накладываемых размерами штампового пространства прессового оборудования. В связи с изложенным. возникает необходимость разработки точных методов расчета инструмента и оптимизации его конструкций:, в частности, матриц, описанные в литературе методики расчета матриц имеют ряд недостатков и не позволяют с необходимой точность» рассчитать инструмент".

Цель работы. Цель настоящей работы - создание и внед-

рение методик расчета матриц, которые учитывают особенности' их работы и позволяют оптимизировать их конструкцию, разработка рекомендаций по проектированию и эксплуатации' матриц и узлов их крепления. Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи :

- создать математическую модель бандажированной двухслойной матрицы для условия ХВ и ПГВ }

- экспериментально обосновать выбор критерия прочности матриц;

- выполнить анализ работа .безбандажных и бевдаяярованных двухслойных матриц в условиях ХВ и ПГВ ! .

- определить нагрузки," действующие на узлы крепления бандаки-рованннх матриц ;

- провести экспериментальную проверку адекватности теоретического решения }

- оптимизировать конструкцию многослойных матриц с целью уменьшения их металлоемкости ;

- разработать новые, более совершенные и компактные конструкции матриц и узлов их крепления.

Научная новизна.

1. На основании детального исследования условий работы матриц для ХВ и ПГВ на базе метода конечных элементов (МКЭ) разработана математическая модель двухслойной матрицы лзобой геометрической формы; в модели реализуются любые заданные граничные условия и учитываются реальные условия контактного взаимодействия на поверхности, сопряжения вставки и Сандака ;

2. На основе математической модели разработана методика оптимизации конструкций двухслойных матриц для условий ХВ и ПГВ по критерию металлоемкости (при заданных ограничениях по прочности);

3. Разработан алгоритм и пакет прикладных програм для оптимизации конструкции двухслойных матриц. Этот пакет составляет подсистему САПР матриц для ХВ и ПГВ ;

4. (лтределены условия возможности применения однослойных матриц для ХВ и ПГВ, установлены оптимальные размеры матриц для ПГВ по. критерию металлоемкости, а также условия их рационального охлаждения;

5. Разработана методика, алгоритм и программы для оптимизации размеров бандажей многослойных матриц для-объемной штамповки ;

6. Разработана методика расчета сил, действующих на узлы крепления многослойных матриц. На основе этой методики создан алгоритм и пакет прогрвм для ЭВМ, реализующий подсистему' САПР узлов крепления многослойных матриц.

Практическая ценность и реализация работы в промышленности.

Результаты работы реализованы в подсистеме САПР проектирования матриц, вошедшей в состав САПР штампов для Ж и ПГВ - "ADEI". САПР паеег" внедрена в производство в ХНТК ПО "завод им. Малышева". С использованием этой системы спроектированы 120 пакетов штампов ХВ и ПГВ ао-ти наименований деталей. Из них ю внедрены в производство в 1991 году, общий экономический эфект от внедрения составляет 27,8 тыс. руб. Долевой вклад работы 11,7 тыс.руб.

Апробация работы. Содержание работы и ее отдельных

разделов доложено на всесоюзных конференциях (Фрунзе, Рига) и семинарах в ВДНТП ( Москва, 1939-1991 гг. ) научных семинарах ( Харьков, Краматорск ) в период с 1988 по 1991 гг.

Публикации. Основное содержание диссертации опубли-

ковано в 12 статьях и авторском свидетельстве на изобретение.

Структура и ооьем рэооты. Диссертационная работа изложена на 194 страницах машинописного текста. Она состоит из введения, шести, глав, основных результатов работы и приложений ( текстов программ и результатов расчетов ). Содержит 61 рисунок, 4 таблицы,список использованных литературных источников из 51 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы диссертации.

Первая глава содержит аналитический обзор существующих методик расчета и проектирования рабочих деталей штампов для ХВ и ПГВ. Рассмотрены литературные данные по критериям прочности для расчета инструмента ( матриц, пуансонов и т.п.). На основании литературных данных сделаны следующие вывода

1. Наиболее дорогостоящими рабочими деталями штампа являются матрицы, а стойкость их недостаточно высокая. Точный расчет матриц позволит повысить их стойкость, проектировать более компактные штампы, снизить их металлоемкость.

2. Существующие аналитические методики расчета матриц из-за принимаемых допущений не • позволяют точно рассчитывать матрицу,учитывать при проектировании концентрации напряжений и неравномерность нагружения.

3. Известные из литературы методики, в основу которых положены численные методы прочностных расчетов ориентированы .;а решение частных задач проектирования матриц.

4. В литературе отсутствуют методики, позволяющие проектиро-. вать матрицы, работающие в условиях неравномерного нагрева, например, как вслучае ПГВ. ,

5. Остается открытым вопрос о критериях прочности матриц.

6. Нет рекомендаций по расчету узлов крепления матриц.

Исходя из этого, цель настоящей работы сфэрмулирована следующим ооразом: разработать универсальные методики расчета и оптимизации конструкций матриц для холодней и полугорячэ» обьемяой штамповки, узлов их крепления,.? также рекомендации по конструированию, изготовлению и эксплуатации.

Вторая глава посвящена описанюо разработаной методики расчета и оптимизации двухслойных матриц. Для решения 'этой задачи иеполь-1 зован метод конечных элементовАнализ напряженно-дефоркированного состояния ( ящз ) выполнен в упруго-пластической постановке с переменными параметрами упругости и с учетом влияния на НДС те№э-рчтурного поля. Для построения решения использовали диягрьит ^„(е), полученные на основашта экспериментальных данных. 3 кяч<»с~г-е

граничных условий использовались условия типа Дирихле и Неймана. Сечение исследуемых деталей разбивали на конечные элементы треугольной формы. Такая дискретизация наиболее удоОне к просто реализуется в С¿ПР. Для определения температурного шля использовали МКЭ в стационарной и нестационарной формулировке. В основу МКЭ стационарной теплопроводности положено решение дифференциального

ур&знения:

д , ® , , д , <ЗГ •, , п _ п

где г - функция температуры в рассматриваемой области;

К^. = Кгги К^ = Кгг - модифицированные коэффициенты теплопроводности? ч - скорость теплообразования.

Это уравнение после дискретизации тела сводится к характерной для МКЭ системе уравнений:

{Н]х|Г|=|Р|, где [ Н ] - матрица жесткости;

I т I - вектор узловых температур; ! 7 Г - вектор тепловой нагрузки.

Задача нестационарной осесимметричной теплопроводности описывается квазигармоноческим уранением:

о , и , , о ,' ■ ат , . , п „ ат , _ п р-о

где ц = —г- ; Р - плотность; с - удельная теплопровод-к г

ность; г - время.

Конечно-элементная дискретизация этою уравнения приводит к определяющему уравнению:

[ н ] х I т I +1 с ] -д^— 1 т 1 + I г I = о, ■ где ( с } - матрица демпфирования.

Для решения этого уравнения используется рекурентное выражение: 1П-, =-( -у-[Н1+[с]/ДЪ) {( з" х |т,10+

лъ

+ | (т<Ш, ьъг J

о

где ¡Т10 - вектор начальных значений узловых температур! 1ТЦ - вектор текущих значений узловых температур. Задача оптимизации состоит в определении значений параметров оптимизаций: толщинн вставки зв, толщины бандажа г0 и натяга А , при которых целевая функция эм (толцина стенки матрицы с заданными или расчетными размерами по высоте) принимает минимальное значение

о некоторой задааой точностью 0М-

Зм "А <= sm <= sM + V <1)

при заданных функциональных ограничениях*.

условие прочности вставки тах

V= °эв <= 1 ст ]в 4 ба <г)

условие прочности бандажа тах

i 0 >б - öo<= °эб <= t ст ^б + öo <3>

и областных ограничениях min тах

SB <= SB <= SB min max

•s„ . <= sö <= sö

(4.)

Здесь sM - минимальное значение толщины матрицы;

бм - заданная точность решения по металлоемкости»

[arIB,(o]ö - допускаемые напряжения для материалов вставки

и бандажа;

max max

оэв , аэб - максимальные эквивалентные напряжения во вставке и бандата!

min min max max

SB , s0 , S0 , sö - нижняя и верхняя границы области оптимизации. • Максимальныэ эквивалентные напряжения во вставке и саадаке определялись методом конечных элементов.

В основу методики положены ■ две гипотеза!

- О равнопрочное™ конструкций матриц с различными комбинациями толщин вставки sfi и сандала s6¡

- о единственности оптимального • решения по критерию , минимума металлоемкости.

Алгоритм задачи, оптимизации размеров •матрицы по критерию металлоемкости включает следующие шаги, i.Задаем форму матрицы, г.Задаем'механические характеристики материалов веревки и бандажа' (В, v, dQ £ для условий сжатия и растяжения), а также их зависимости от температуры, если ведется расчет для ПГВ. з.Задаем рабочие нагрузки на матрицу, обусловленные конкретной технологической операцией. 4. Задаем начальные значения параметров оптимизации s0,

sö, л и задаем область оптимизации (4), причем начальное значение

rain

толщины вставки принимаем равным Sß. 5.Методом конечных -элементов с учетом переменной по высоте матрицы жесткости определяем напряженно-деформированное состояние вставки и банда*а при сборка их с натягом 1 . 6.Проверяем условие прочности вставки (2) и бангака О) при оандажировзнии. При невыполнении услоеий прочности ь про-

цессе сборки матрицы соответствующим образом сужаем область оптимизации и расчет ведем с п.5. 7.Матрицу нагружаем рабочими нагрузкам! (силовыми и температурными). С учетом начальных напряжений от бавдажирования- определяем ее температурное и напряженно-деформированное состояние. 8.Проверяем условие прочности вставки (2) и корректируем значение натяга А так, чтооы макси-

тах

мальное эквивалентное напряжение во вставке сэв удовлетворяло

этому условию. Если условие (2) не выполняется, расчет ведем с п.5

поело корректировки А. 9-Проверяем условие прочности бандажа и

корректируем значение srt так, чтобы максимальное эквивалентное шах

напряиениз в бандаже 0эО удовлетворяло условию (3). Если условие

(3) не выполняется, расчет ведем с п.5 после корректировки SQ.

ю.Увеличиваем толщину вставки sB на величину шага isB и расчет

продолжаем с п.5 до тех пор, пока значение s„ не выйдет за область

max

оптимизации, т.е. пока sB<= s£ .

Таким образом получаем дискретные зависимости*.

А = cp(.SB), (5)

Бб=ф(Бв), (6)

SM = SB + S0 = ^V' ■ <Т>

удовлетворяющие условиям прочности v¿) и О).

Для определения оитичального решетя минимизировалась функция (7) с точность», & . При определении функции (7) происходит некоторый разорос параметров sB и А в пределах точности решения по напряжениям, "то оказывает влияние на точность ее минимизации. Поэтому д.!ч исключения влияния разброса параметров оптимизации на оптима-■ льнов решение, перед минимизацией функции (7) производили ее сглаживание методом наименьших квадратов.

Для проверки алгоритма оптимизации матриц и гипотез, на которых он базируется, выполнены расчеты матриц по разработанному пакету программ "MATRICA". Приведен анализ результатов расчетов, подтверждающих правильность выдвинутых гипотез.

Для выбора критерия прочности и экспериментальной ^гроверки гипотез были выполнены эксперименты, описаны методики экспериментов.

На основании проведенных исследований установлено: 1.Двухслойные матрицы могут быть равнопрочными при различных комбинациях толщин вставки и бандажа, а следовательно и при различных габаритах и металлоемкости. 2.Доказано', что оптимальное решение, соответствующее 'минимуму металлоемкости м&:рицы, является единственным и не зависит.от начальных значений параметров оптимизации.

3.Показано, что 'решение задачи оптимизации двухслойных матриц существенно зависит от принятых критериев прочности. На основании-.расчетов и экспериментов'показано, что наиболее подходящий крите- • рий прочности - критерий Мора. 4.Определено, что значение параметров оптимизации (sB, s0, Л), соответствующих минимуму металлоемкости матрицы, сильно зависят от высот нагрукения н матрицы и .

ср

средних удельных технологических нагрузок р„йгп. С увеличением Я . ср naip

и Рнагр параметры sB, s0, и А-увеличивается. 5,Установлено, что для матриц со ступенчатой рабочей полостью (например, для матриц . прямого выдавливания) увеличение относительного диаметра выдавливаемого ■ стержня <í=d^/d приводит к уменьшению оптимальных значений относительных толщин вставки и бандажа. Относительный натяг при этом остается неизменным.'6.Габаритные размера двухслойных матриц зависят от температурных условий их работы. Матрицы для ИГВ компактней матриц для ХВ.

.В третьей главе описан-алгоритм оптимизеции .конструкций бандажей многослойных матриц для обьеююй-штамповки. Эдвса'использован тот «д аппарат теоретического анализа, основанный на Г.-КЭ, что и во второй главе. Установлено, что при увеличении относительной высоты бандажа !Г= н / С (где Н - высота бявдака? О - высота из- '

грукэния бандажа) максимальное относительное эквивалентное напря- .

max ■ ' i

кение о * о1(5 / [оЗб уменьшается. Это дает."возможность уменьшить

наружный диаметр бандажа, обеспечив при этом' выполнение условия прочности. Анализ влияния относительного Hspysraoro дяомэтра бандажа ¡5 .. и относительной высоты' бандажа Гна его-'напряженно-деформированное состоите- показал возможность умерьшить металлоемкость бандажа, оптимизировать его конструкцию по критерию металлоемкости. Алгоритм оптимизации конструкции бандажа включает следующие ьаги: • 1

1. Задаем начальные значения величин Н и D, а также их-iiíari» ■ ДН и 4D. .

2. Задаем эшору -напряжений р12. действующих па бандая при работе матрицы. ■ /3. Уменьшаем диаметр бандам D на величину шага Ас.

4. Корректирурм высоту н гак, чтобы удовлетворялось у слог-ив max

t о - V= aL6 clflV в0 _ - <й> •

mSü • mas ,

где «0 - заданная точность вычислений o.^ . Значение cin сшу»-

делсем методом конечных элементов. Если корректировкой высота бандажа Н не удяется. выполнить условие (8), то mwmwM .дометр

бандака равным предыдущему и расчет продолжаем с п.7.

5. Проверяем'условие уменьшения металлоемкости:

МЕЦ) <= КЕа-1), (9) -

где ме(1) и ии(1-1) - металлоемкость бандаже при текущих значениях диаметра ю и высоты Н и при предыдущих их значениях- соответственно. Если условие (9) выполняется, то расчет ведем с п.З, если нет - то е п.в.

ь. Принимаем диаметр бандажа равным Ш1)=1)(1-2).

7. Уменьшаем значение шага &п = АО / г. Вычисления продолжаем с п.э ДО тех пор, пока не выполнится условие:

ЛВ <= АБт111 , (10)

где ДО - заданный минимальный шаг изменения диаметра бандажа Б. .

По этому алгоритму выполнены расчеты и построена номограмма для определения оптимальных размеров бандажей.

Сформулированы следующие выводы.

шах

1. Максимальное эквивалентное напряжение о, характеризуйте напряженное состояние бандажа,- это сложная функция, зависящая от его геометрических размеров и рабочей нагрузки.

2. Если высота вставки, отнесенная к толщине стенки бандажа,не превышает э, то бандажи матриц для обьемной штамповки можно оптимизировать по критерию металлоемкости путем увеличения их1высоты и уменьшения диаметра.

3. Уменьшение диаметра бандака создает предпосылки для проектирования компактных штампов, что особенно эффективно при разработке многопозиционных штампов и штампов для крупногабаритных деталей.

"• В четвертой главе представлен теоретический анализ работы бандажированных матриц и узлов их крепления. Здесь использованы методики анализа напряженно-деформированного состояния матриц, разработанные во второй и третей главах. Установлено, что в результате воздействия технологических нагрузок происходит неодинаковая осевая циклическая упругая деформация вставки и бандажа.которая вызывает циклические относительные перемещения поверхностей их контакта и может привести к распрессовке матрицы и ее разрушению.

Распрессовка происходит следующим образом. Вставка под действием осевой составляющей рабочей нагрузки укорачивается на Д.,. бандах осевыми силами не нагружается и не деформируется в этом управлении. Вследствие этого вставка на длине к1 проскальзывает относительно бандака, натяг запрессовки уменьшается на

д(г)=Д(г)>Ч§(а), где ¿(а) - осевая деформация вставки под действием технологической нагрузки в сечении с координатой а : О <= Д(г) <= Д1; а - односторонний угол конусности сопрягаемых поверхностей вставки и бандаяа. При а= (в верхней части матрицы) в(г)=41 (г)^(а).После снятия нагрузки вставка стремится восстановить свои прежние размеры. Упругому восстановлению размеров вставки препятствуют контактные напряжения, возникающие на поверхности проскальзывания К1.При этом возникает неуравновешенная сила, которая через оандаж, матрицедержатэль передается винтам крепления, вызывая их удлинение на ¿в- Таким образом в замкнутой системе (вставка - оандаж - матрицедержатель - винты - корпус штампа вставка) возникает новое равновесное состояние, обусловленное удлинением винтов на Ав и распре ссо'вкой вставки на Д^. Если пренебречь упругой деформацией баядака, то можно принять Ар = ¿в-Максимальная сила, действующая на винты равна:

Рм = Р1 + Р2, (11)

где Р1 - сила, возникающая на поверхности вставки К1; Р0 - сила, возникающая на поверхности вставки К2. Таким образом за один цикл нагружения вставка распрессовыва-ется на величину, равную осевой деформации винтов крепления матрицы Дв, а потеря натяга в верхней, наиболее нагруженной части вставки, при этом равна д=Дв>^5(а),

При последующих нагружениях этот процесс повторяется, величины ДЕ и б возрастают до тех пор, пока не наступит один из трех возможных исходов: а) разрушение матрицы вследствие потери натяга; О) разрушение винтов крепления матрицы из-за недостаточной их прочности; в) стабилизация процесса, когда силы,, действующие со стороны винтов крепления матрицы достигнут величины Рс„, необходимей для удержания вставки от распрессовки, то есть когда выполнится условие:

РВ(Д)=РМ(А), (12)

где РВ(Д) - сила реакции винтов при их удлинении на величину Д;

РМ(Д) - максимальная сила,действующая со стороны матрицы на винты при рэспрессоаке ее на величину А.

Стабилизировать процесс распрессовки можно двумя путями: увеличивая жесткость винтов крепления или увеличивая запас прочности вставки. Это реализовано в разработанной программе 11АЗРЛ для ЭВМ. Она позволяет определить оптимальные значения толщин вставки и Оандака, натяг, площадь поперечного сечения винтов крепления матрицы, обеспечивающих надежность конструкции.

описаны эксперименты, проведенные для проверки методики ана-

лиза распрессовки матриц. Цель экспериментов - определение сил, действующих на узел крепления бандашрованной матрицы в процессе ее работы, и проверка адекватности математической модели процесса распрессовки матрицы. Результаты экспериментов показали удовлетворительную сходимость с теоретическим решением.

Сформулированы следующие вывода: .■"'.'

1. В результате воздействия технологических нагрузок на бан-дакироваяные матрицы с коническим сопряжением'вставки и бандажа происходит их неодинаковая осевая циклическая упругая деформация, которая вызывает циклические относительные перемещения поверхностей их контакта и макет привести к распрессовке матрицы и ее разрушения. .

г. В зависимости от конструктивного оформления матрицы и узла ее крепления в штампе распрессовна матрицы может приводить к трем результатам: а; поломке матрицы, если узел ее крепления обладает низкой кесткостью; 0) обрыву винтов крепления матрицы, если они недастаточно прочны; в) стабилизации процесса, если конструктивные размеры матрицы и узла крепления выбраны правильно.

3- Для правильного выбора конструктивных размеров матрицы и узла ее крепления, обеспечивающего стабильную и длительную работу • штампа, разработан алгоритм и программа ш^ри.

4. На основании экспериментальных исследований процесса распрессовки бандашрованных матриц установлено, что положенная в основу алгоритма математическая модель процесса распрессовки с высокой степенью адекватности описывает реальный процесс. Расхождение экспериментальных и расчетных значений усилия распрессовки и нагрузок на винты крепления не превышает 6 % .

5. Программу иабрн можно использовать.как одну из подсистем' САПР штампов для выдавливания.'

В пятой главе приведен анализ работоспособности небандаяшро-ванных матриц длк условий- ПГВ. . Здесь поставлена й решена термо-упругая задача анализа напряженно-деформированного состояния матрицы при' разных тепловых воздействиях на нее. При ПГВ инструмент нагревается до высоких температур (особенно матрицу, где время контакта, с горячим металлом наибольшее), что требует решения " задачи его охлаждения. В связи с этим поставлены цели исследований: 1. Определение рациональных участков охлаждения матриц; 2. Определение оптимальных размеров матриц, для. ПГВ ш критериям металлоемкости к прочности; 3. определение условий возможности применения безбандажных матриц, как наиболее технологичных и дешевых.

Для определения температурныхполей матриц, влияющих на их

'напряженно-деформированное состояние, использовался МКЭ. -Температурные поля определялись для стационарного и нестационарного теплового режима работы матриц. Для определения напряженно-деформированного состояния матриц с учетом влияния температурного поля разработан МКЭ пакет программ YPZ. Для определения оптимальных по критерии металлоемкости размеров небанда • жированных матриц для ПГВ разработана специальная программа NBMS, которая позволяет определить оптимальный наружный диаметр матрицы для ПГВ по заданным технологическим силовым и температурным нагрузкам, режимам охлаждения и допускаемым напряжениям для материала матрицы.

На основании проведенного анализа сформулированы следующие рекомендации! 1. Матрицы для ПГВ рекомендуется делать водоохлажда-емыми по наружной поверхности с целью общего снижения температуры матрицы и создания эффекта теплового Оандажирования, обеспечивающего работоспособность безбандажной матрицы; г. Относительная длина охлаждаемого участка матрицы должна быть в пределах 0,25<=Н^ХД<=0,5. Э. Относительный наружный диаметр матрицы должен быть в пределах 2<=Б^<=э. 4. Для получения эффекта теплового бан- • датирования неоандажироваяшх охлаждаемых матриц и повышения несущей ■ способности перед началом штамповки их необходимо прогреть, создавая на внутренней поверхности температурные условия, близкие к рабочим, одновременно охлаждая вне-ию» поверхность матрица. Относительное время прогрева рекомендуется принимать в интервал 2<=ï<=4. Прогрев производить постепенно, начиная с пониженных температур для предотвращения образования трещин на внутренней поверхности матрицы.. Наибол-'лая те^ература нагрева полости матрицы для инструментальных быстрорежущих сталей Р6М5, Р6М5К5, Р9,Р9Й5, Р9К1О, Р12, Р18 и др. не более 300°С. 5- Применение не-бандакировонных охлаждаемых матриц для ПГВ возможно для процессов с удельными нагрузками на стенку матрицы не более 1,5 ГПа.

В шестой главе дано описание классификации матриц для объемной штамповки. Разработанная классификация положена в основу подсистемы САПР матриц. Классификация точно и однозначно описнвает геометрию формообразующих поверхностей матрицы, описывает конструктивные особенности всех известных матриц, характер центрирования и крепления в штампе. В классификации используются следующие классификационные признаки: 1. Форма рабочей поверхности матрицы. Она представляется математической матрицей [ФПМ] размерлостью N « ю, где м - количество геометрических элементов составляющих формообразующую поверхность.2. Тип матрица (ТМ). э. Количество слоев

(С), 4. Характер посадки (П). 5. Соотношение высотных размеров (СВР). 6. Конструктивное исполнение вставки (КИВ). Пользуясь приведенной классификацией, можно составить классификационную формулу любой матрицы. Эта формула будет иметь вид [ФПШ+ТМ+С+П+СВР+КИВ. В заключительной части работы приведены рекомендации по конструирований и изготовлению матриц в зависимости от типа производства-(массовое, серийное.мелкосерийное).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДИ

Разработана методика расчета и оптимизации двухслойных матриц, позволявшая учесть :

а) сложную геометрию матриш 5

б) реальные нагрузки при ее работе ;

в) влияете теплового воздействия штампуемой заготовки и условий охлаждения матрицы !

г) реальные условия контактного взаимодействия сопрягаемых, поверхностей вставки бандажа.

Предложенная методика дает возможность оптимизировать матрицы с неодинаковой высотой вставка и бандажа, позволяет анализировать работу матрицы в процессе ее циклических нагружений и разгрузок.

Установлено, что двухслойные матрицы могут быть равнопрочными при различных комбинациях вставки и бандажа, а следовательно, и при различных габаритах и металлоемкости.

■ Показано, что оптимальное решение, соответствующее минимуму металлоемкости матрицы, является единственным и не зависит от начальных значений.параметров оптимизации.

Показано,что решение задачи оптимизации двухслойных матриц существенно зависит от принятых критериев прочности и механических свойств применяемых материалов'.

На основании расчетов и аксперимзнтальных исследований определено, что наиболее подходящий критерий прочности для расчета матриц - критерий Мора.

Значения параметров оптимизации (толщины вставки Бв,толщины бандажа 50 и натяга &), соответствующие миним^у металлоемкости матрицы сильно зависят от соотношения высот нагруженной Нс и нена-груженшх Нд и Ну технологическими силами частей матрицы. О увеличением Нс и уменьшением Нд и Нд параметры Бв, Б0, А увеличиваются.

Увеличение средних удельных технологических нагрузок Рд|Гр такие ведет к увеличению оптимальных значений зв, Б0 и А.

Для матриц со ступенчатой рабочей полостью вставки (например,

для матриц прямого выдавливания) увеличение относительного диаметра выдавливаемого стержня сГ^сЦ/й при одинаковых относительных высотах нагрукения и одинаковых средних удельных технологических нагрузках приводит уменьшению оптимальных значений относительных толщин вставки и бандажа. При этом относительный натяг остается неизменным.

Установлено, что размеры Оандазкэй матриц для о0§емной штамповки можно оптимизировать по критерию металлоемкости матрицы путем увеличения их высоты и уменьшения диаметра. Уменьшение диаметра бандажей создает предпосылки для создания компактных штампов, что осооенно эффективно при проектировании многопозиционшх штампов и штампов для крупногабаритных деталей.

Габаритные размеры двухслойных матриц зависят от температурных условий их работы. Матрицу для ПГВ компактней матриц для ХБ.

Показано, что матрицы для ПГВ необходимо делать водоохлавдаэ-мыми по наружной поверхности с целью общего снижения ее температуры. Это в свою очередь приводит к более благоприятным условиям работы материала и созданию аффекта теплового бандажирования, обеспечивающего работоспособность безбандажной матрицы.

Показано, что при охлаждении матрицы эффект теплового банда-жирования позволяем проектировать более компактные бандажированные и цельные матрицы.

Определены оптимальные размеры охлаждаемых участков матриц . для ПГВ.

Установлено оптимальное время прогрева перед штамповкой мат- ' риц, работающих в условиях ПГВ, для получения эффекта теплоЕого бандажирования.

Установлена причина часто наблюдаемого разрушения вставок бандажированных матриц: под действием технологических нагрузок происходят относительные перемещения поверхностей сопряжения вставки и бандажа, их распрессовка, уменьшение натяга и поломка.

Показано, что в процессе работы матриц на узел их кропления может действовать дополнительная сила, существенно превосходящая силу выталкивания отштампованных деталей. Поэтому при расчете узлов крепления необходимо это учитывать. Создана методика анализа процесса распрессовки матриц, определения сил, действующих на узлы их крепления и расчета этих узлов.

На основании разработанных методик созданы алгоритмы и пакеты прикладных программ: а) расчета и оптимизации размеров двухслойных и однослойных матриц; 0) расчета и оптимизации размеров бандажей многослойных матриц; в) анализа процесса распрессовки двухслойных

матриц и расчета узлов их крепления.

Созданы шкеты прикладных программ расчета методом конечных элементов стационарных и нестационарных температурных полей осе-симметричного тела.

Создан пакет прикладных программ расчета методом конечных элементов напряженно-деформированного' состояния осесиммвтричяого тела в упругом и упруго-пластическом состоянии.

Разработана классификация матриц для выдавливания, даны рекомендации по конструированию и эксплуатации матриц. Предложены новые технические решения. Подготовлена информационная оаза САПР инструмента. В некоторых случаях уменьшение габаритов штампа позволяет получить существенный, выигрыш. Так'для выдавливания стакана на чатырехпозициокном штампе уменьшение размеров матриц и габаритов штампа позволило вместо пресса усилием 6300 Н, изготовляемого 'по специальным' заказам, использовать пресс усилием 40Ш Н, изготовляемый серийно. Внедрение результатов работы в производство позволило получить экономический еффект 27,6 тыс.рублей в год.

Основное содержание диссертации изложено в следующих печатных работах:

■ ' 1. Изготовление холодным выдавливанием деталей гидрооборудования / В.Я.Даниленко, В.В.Торяник и др. //Вестн. Харьк. политехи, ин-га, 1985, N 22?. Прогрессией, технология обработки • металлов, вып.бь. - С¿57-53. ■

2. Кузьменко Вл, Горяник В.В. Осноаы разработки и внедрения холодного выдавливания конических деталей // Тезисы докладов к региональной научно-технической конференции. - Челябинск, 1985. -С.10-11.

}. Евстратов В.А., Торяник В.В. Влияние формы головки пуансона на его радиальную деформацию и точность размеров выдавливаемой полости.// Вестн. Харьк. политехи, ин-та, 19вь, К 239. Прогрессив. технология обработки металлов, вып.7. - с.53-55.

4. Совершенствование конструкций инструмента для холодного выдавливания / О.А.Чегринэц, ö.В.Торяник и др. // Автоматизация процессоь ОМД.- Пенза, 1.986. - С.18-19.

5. Евстратов В.А., Чегринец O.A., Торяник В.В. Исследование напряженно-деформированного состояния матриц и пуансонов для холодного выдавливания. Обработка металлов давледием // Республиканский научно-технический сборник. ßan/гз. - Харьков, 1987. - С.37-3*.

ь. £встратов Ь'.А..Кузьмечко В.И., Торяник ß.B. Разработка

малоотходной технологии высадки ступенчатых эксцентриковых валов. // Тезисы докладов к зональной научно-технической конференции. -Пенза, 1987. - С.34-35.

7. Основы технологии выдавливания и конструирования штампов / В.А.Евстратов, В.В.Торяник и др.г Хярьков:Вища школа, 1987.-144 с.

а. Евстратов. В.А. .Кузьменко В.И..Торяник В.В. Повышение эффективности производства деталей коробчатой формы из сплавов цветных металлов- Пенза,1987. - C.I2-I3.

9. A.C. N 1Э98968 СССР, МКИ В 21 13/02. Матрица для выдавливания./ В.А.Евстратов, В.И.Кузьменко, В.В.Торяник, О.М.Иванов (СССР). -N416В670/3I-2I; Опубл. 30.05.88, Бюл. N20 // Открытия, изобретения.- 1988.- N 20. - С.53.

ю. Оптимизация технологических процессов и конструирование штампов для холодного и полугорячего выдавливания / В.А.Евстратов, В.В.Торяник И др.- М.: ВКИИТЭМР, 1989.-192 С.

11. Евстратов В.А.,Кузьм9Нко В.И., Торяник В.В. FacqeT, конструирование и изготовление матриц для выдавливания.//Перспективы производства точных заготовок и деталей методом объемного деформирования. - М. : Знание, 1990. - C.I55-IS8.

12. Оценка допустимых нагрузок на мастер-пуансон при холодном выдавливании полостей штампов и прессформ. / В.А.Евстратов, В.В.Торяник и др. - Кузнечно-штамповочяое производство, 1991. -N 11. - С.5-G. !

13. Евстрзтов В.А..Кузьмекко В.И., Торяник В.В. Методологическая база САПР переналаживаемых штампов для выдавливания. - Кузнеч-но-штамповочное производство, 1992. - И 1. - С.10-11.