автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка процессов и методов проектирования листовой штамповки деталей из трубных заготовок

и:М- ¿> И 67- % - №

Московский ордена Ленина» ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Государственный Технический Университет имени Н.Э.Баумана

на правах рукописи "УДК 621.983.044

ЕВСЮКОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССОВ И МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛИСТОВОЙ ШТАМПОВКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК

Специальность 05.03.05 - Процессы и машины

обработки давлением

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

ао ¥

ОЙ

7)'

НаучНый консультант Заслуженный деятель науки и техники РФ

I

д.т.н.,профессор Семенов Е.И.

Москва - 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ..................... 6

ВВЕДЕНИЕ ........................... 8

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Теоретические и экспериментальные исследования операций обжима, раздачи и их совмещения ...... 17

1.2 Обзор работ по анализу операций вытяжки,

отбортовки и их совмещения.............33

1.3 Исследование процессов теплового взаимодействия заготовки и инструмента ...............49

1.4 Выводы, цель и задачи исследований.........59

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ И КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ И ПРОЦЕССОВ ЛИСТОВОЙ ШТАМПОВКИ

2.1 Классификация и анализ процессов и технологических факторов...........................62

2.2 Выводы по главе 2. ................. 73

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Исходные зависимости для определения напряженого состояния заготовки.................74

3.2 Зависимости для определения конечных

деформаций заготовки ............ .... 82

3.3 Схематизация свойств материала и толщины

стенки заготовки на втором переходе штамповки . . . 91

3.4 Схематизация свойств материала с целью учета теплового режима в очаге деформации ........ 100

3.5 Выводы по главе 3.................108

ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРИ ДЕФОРМИРОВАНИИ ТРУБЧАТЫХ ЗАГОТОВОК.

4.1 Исследование напряженного состояния при деформировании заготовок, имеющих исходные изотропные свойства в очаге деформации (1-й- переход штамповки) 109 4.1.1 Определение соотношения зон обжима и раздачи при

совместном протекании этих операций ........ 109

4.1.2 Определение напряженного состояния заготовок в формоизменяющих операциях листовой штамповки с учетом объёмности схемы напряженного состояния . . 130

4.1.3 Оценка пружинения в операциях обжима и раздачи . .146 4.2 Исследование напряженного состояния заготовок, с

учетом технологической наследственности предыдущих

переходов штамповки (2-й переход штамповки).... 153

4.2.1 Определение напряженного состояния заготовок в операциях обжима и раздачи ............ 153

4.2.2 Определение напряженного состояния заготовок при отбортовке коническим пуансоном .......... 165

4.2.3 Определение напряженного состояния заготовок при вытяжке в конической матрице ........... 178

4. 3 Выводы по главе 4.................192

ГЛАВА 5.

5. 1

5.2

5.3

5.4

5.5 ГЛАВА 6.

6.1 6.2

6.3 ГЛАВА 7.

7. 1

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ИЗМЕНЕНИЕ КОНЕЧНЫХ РАЗМЕРОВ ЗАГОТОВОК.

Исследование изменения размеров заготовки в меридиональной плоскости при обжиме и отбортовке . . . 193 Исследование изменения размеров заготовки в меридиональной плоскости при раздаче и вытяжке .... 206 Исследование изменения толщины заготовки при

обжиме и отбортовке ............... 217

Исследование изменения толщины заготовки при

раздаче и вытяжке....................229

Выводы по главе 5.................241

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА МЕЖДУ ЗАГОТОВКОЙ И ИНСТРУМЕНТОМ ПРИ ГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКЕ ТРУБЧАТЫХ ЗАГОТОВОК

Методика моделирования .............. 242

Моделирование нестационарного процесса теплового взаимодействия нагретой трубной заготовки со

штампом...................... 250

Выводы по главе 6.................260

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК И ПРОВЕРКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ

Объект и задачи экспериментальных исследований . . 261

- 5 -

7.2 Оборудование, измерительный инструмент, экспериментальная оснастка ............ 262

7.3 Заготовки, их химический состав и механические свойства .................. 264

7.4 Экспериментальное исследование совмещенного процесса обжима-раздачи трубных заготовок ..... 272

7.5 Проверка теоретических зависимостей для операций отбортовки и вытяжки ............... 300

7.6 Определение границ возможного деформирования сварного шва................303

7.7 Исследование изменения температуры трубной заготовки в процессе деформирования........317

7.8 Выводы по главе 7........................331

ГЛАВА 8. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ МАЛООТХОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК

8.1 Последовательность технологических операций . . . .333

8.2 Определение исполнительных размеров рабочих

частей штампов.................. 341

8.3 Определение размеров исходной заготовки . ..... 345

8.4 Оборудование для реализации процесса ....... 349

8.5 Результаты внедрения работы ............ 354

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ............. . 359

ЛИТЕРАТУРА.........................363

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................379

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Б0- диаметр срединной поверхности трубной заготовки ;

К0- срединный радиус трубной заготовки; Н - исходная высота трубной заготовки; 30- исходная толщина стенки трубной заготовки; г1,М- радиусы срединной поверхности меньшего и

большего оснований конуса (после первого перехода штамповки); т2Л2 - внутренний и наружный радиусы плоского фланца

(после второго перехода штамповки); 11.12 - длина образующей заготовки после первого и второго переходов штамповки, соответственно; р - текущий радиус элемента заготовки; а - угол между касательной к срединной поверхности заготовки в меридиональном сечении в рассматриваемой точке очага деформации и осью симметрии;

К - коэффициент раздачи;

К =К0 /г1- коэффициент обжима;

К = К0КР - суммарный коэффициент формоизменения;

К =Иб/г1 - коэффицент отбортовки;

К=Н1/ИВ - коэффициент вытяжки;

5р,5д,52 - логарифмические меридиональная, тангенциальная и нормальная деформации;

6р,6в,62 - меридиональное, тангенциальное и нормальное напряжения; бк - нормальное напряжение, действующее на контактных поверхностях; б3 - напряжение текучести материала заготовки;

4 -

- 7 -

/х - коэффициент трения;

630 - напряжение текучести материала заготовки в недеформиро ванной (цилиндрической) части при горячей штамповке;

ЪрЛд - радиусы кривизны срединной поверхности заготовки в мери диональном и широтном сечениях; - срединный радиус горловины при отбортовке;

Ев - срединный радиус цилиндрического пояска при вытяжке;

31,$2 - минимальная и максимальная толщина стенки конической детали;

БЗ,Б4 - минимальная и максимальная толщина стенки плоского фланца;

гп , гм - радиусы округления пуансона и матрицы;

йк - полная высота конической детали; Ь - ход пуансона; К=(82-81)/(Е1-г1) - вычисляемая константа; т=82/К +г1 - вычисляемая константа;

бв - предел прочности материала заготовки; % - относительное уменьшение площади поперечного сечения

заготовки в момент начала образования шейки; 5Ш - логарифмическая деформация, соответствующая началу образования шейки; бт0,П - константы материала, входящие в линейную функцию, аппроксимирующую кривую упрочнения;

V - коэффициент Пуассона;

Е - модульупругости материала первого рода;

Ь=д^а - условное обозначение; а=2И Ьэ1па - условное обозначение;

О, - сила прижима;

Р - сила деформирования.

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшими задачами, стоящими перед современным машиностроением, является экономия материала, повышение качества изделий и производительности труда. Решение этих задач связано с разработкой и внедрением в производство высокопроизводительных, малоотходных технологических процессов изготовления деталей машин и агрегатов, обладающих необходимым набором эксплуатационных свойств. Ресурсосберегающее направление научно-технического прогресса является обоснованным не только с экономической, но и с экологической точки зрения. Большую роль в решении этих задач призвана сыграть теория обработки металлов давлением. Только на основе строгого теоретического анализа и научной классификации становится возможным научное прогнозирование и совершенствование существующих, а также разработка новых высокоэффективных технологических процессов.

В современной технике существует большой класс деталей , отлча-ющихся наличием большого центрального отверстия. Это различные конические переходники для соединения трубопроводов, фланцы, шайбы, прокладки, диски трения и т.д. Традиционные способы изготовления подобных деталей (многопереходная вытяжка с последующей обрезкой и пробивкой дна, вырезка по шаблону с последующей гибкой и сваркой по образующей, вырубка-пробивка и т.д.) характеризуются большим отходом металла, дальнейшее использование которого затруднительно. Значительной экономии металла в штамповочном производстве, при их изготовлении, можно добиться за счет применения трубной заготовки [1]. При этом коэффициент использования металла повышается в несколько раз и, соответственно, уменьшается обработка резанием. Некоторые примеры таких деталей и разработанных технологических схем для их изготовления представлены в табл.1.

Таблица 1.

Примеры технологических процессов.

Исходная заготовка

1-0 переход

2-0 переход

3-0 переход

4-0 переход

4

В

4

Ж

У////Л ) У7777И

I

у////л ' к////а

У777$\ ^777П

- ю -

Продолжение таблицы 1.

Г/////И

У/////1

{////л I,

У777

-ЖГУ.

'77771

Г/////Л . У/////1

////л г////.

л V

ГТТТЛ

_!_

Г/////И ' У/////1

г

У/А \ ' V///,.

10

{/////А

У/////1

ГТ^Л I

11

/ у

и

/ у

/ 1/

/ /

У//Ж ! \///А

¡/////л I у/////\

У/А !, У//7-

гИТ1^

12

/ /

/ /

/ /

/ /

у /

/

/

1/////Л

У////Л

У7тК\$П21 >////\ | У/Щ

- и -

Эффективность технологического перехода в листовой штамповке оценивается по коэффициенту формоизменения, который достигается за один рабочий ход пресса. Поэтому необходимо стремиться к тому, чтобы максимально увеличивать допустимое формоизменение одного перехода.

Для расширения технологических возможностей процесса формообразования полых оболочек разработан ряд способов интенсификации: дифференцированный нагрев и охлаждение заготовок, применение эффективных смазок, формообразование оболочек в поле гидростатического давления, разупрочнение заготовок в процессе деформирования за счет пропускания электрического тока, формообразование с пульсирующим прижимом, наложение ультразвуковых колебаний и т.д. Однако все эти способы сложно осуществить.

Значительно улучшить показатель формоизменения можно за счет совмещения двух и более операций в одном технологическом переходе. В частности, совмещение таких операций как обжим и раздача позволяет практически удвоить допустимый коэффициент формоизменения, что значительно сокращает цикл изготовления продукции и увеличивает производительность труда.

Известные до сих пор совмещения этих операций использовали, причем недостаточно широко, для получения окончательных изделий (В.Н.Фролов, М.Н.Горбунов,Г.М.Дегтярев, В.Г.Кондратенко, Б.Н.Березовский, Г.А.Розов, А.П.Суворов и др.). В то же время значительные неиспользованные резервы для расширения технологических возможностей содержатся в использовании деталей, полученных совмещением операций обжима и раздачи в качестве заготовки, для последующего деформирования.

Для разработки и совершенствования подобных технологических процессов необходим строгий анализ максимального числа факторов,наиболее сильно влияющих на процесс деформирования и напряженно-деформи-

рованное состояние заготовки.

Как известно из теории пластических деформаций, математический анализ процессов деформирования осуществляется путем совместного решения уравнений равновесия, условия пластичности, уравнений связи напряжений и деформаций, уравнений неразрывности деформаций и уравнения сплошности. Для отыскания произвольных постоянных используют граничные условия, определяемые заданными условиями деформирования. Следует отметить, что решение этой громоздкой системы, с учетом одновременного влияния многих факторов наталкивается на значительные математические трудности, не позволяющие в большинстве случаев получить точные замкнутые решения в виде формул, функционально отражающих влияние основных факторов на процесс деформирования. В то же время такие формулы представляют особую ценность, так как они позволяют не только осознать процесс деформирования в той или иной операции листовой штамповки, но и выявить условия для оптимизации и сознательного управления технологическими процессами и качеством получаемых изделий. Отмеченные трудности вынуждают прибегать при анализе формоизменяющих операций листовой штамповки к значительным упрощениям и схематизации процесса для получения аналитических зависимостей.

Большой вклад в разработку научных основ теории и методов решении задач листовой штамповки внесли многие отечественные и зарубежные ученые С.И.Губкин, Л.А.Шофман, Е.А.Попов, И.А.Норицын, Е.П.Унк-сов, Е.И.Исаченков, А.Д.Томленов, Р.В.Пихтовников, М.Н.Горбунов,

B.Т.Мещерин, В.И.Ершов, А.Д.Матвеев, Н.Н.Малинин, И.П.Ренне,

C.П.Яковлев, О.В.Попов, Л.Г. Степанский, А.А.Бебрис, В.И.Казаченок, В.В.Шевелев, Ю.А.Аверкиев, К.Н.Богоявленский, В.П. Романовский, Г.Я.Гун Г.Зибель, Э.Томсен, Ш.Кабьяши и многие др. Ими создана сравнительно строгая методика анализа формоизменяющих операций листовой штамповки, позволяющая учесть влияние многих факторов на процесс де-

формирования. Среди этих факторов следует отметить геометрические размеры детали и заготовки, т.е. коэффициенты формоизменения, механические свойства материала заготовки до начала процесса и условия их изменения в процессе деформирования, температурные условия процесса, условия трения, исходную толщину заготовки и характер ее изменения в ходе процесса деформирования, радиусы округления матриц и пуансонов и т.д., наиболее сильно влияющих на напряженно-деформированное состояние заготовки.

Однако созданные к настоящему времени методики расчета технологических параметров процессов листовой штамповки имеют ограниченный характер. В частности недостаточно изучены вопросы технологической наследственности, возникающие при применении многопереходных процессов листовой штамповки. Здесь прежде всего следует отметить переменность упрочнения и толщины заготовок, поступающих на следующие переходы штамповки. При рассмотрении основных формоизменяющих операций листовой штамповки основное внимание уделялось анализу напряженного состояния заготовки. Деформированное состояние и влияние на него основных технологических факторов изучено значительно менее подробно. Весьма ограничено число решений, позволяющих определять изменение конечных размеров заготовок, особенно в меридиональной плоскости. Нет аналитических решений, учитывающих объемность схемы напряженного состояния. И, как следствие этого, слабо развиты методы расчета размеров заготовки для операций листовой штамповки, что неизбежно требует экспериментальной доводки и удлинения времени внедрения технологических процессов в производство.

Слабо изучены процессы изменения температуры отдельных участков заготовки в процессе деформирования при горячей листовой штамповке относительно тонкостенных заготовок, что приводит к неравномерному, часто нестационарному, температурному полю и, следовательно, к не-

равномерности механических свойств материала заготовки в очаге деформации, а также переменности свойств в конечном изделии.

В связи со сказанным большой практический и научный интерес представляют разработка и исследование технологических процессов, основанных на использовании совмещения операций обжима и раздачи трубной заготовки. Поэтому создание научно-обоснованных, инженерных методик расчета подобных процессов является актуальной, крупной научно-технической задачей, решение которой вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.

Объектом исследования в данной работе являются процессы листовой штамповки, в которых на первом переходе в результате совмещения операций обжима и раздачи из трубной заготовки получается конический полуфабрикат, а на последующих - полученный полуфабрикат подвергается дальнейшему деформированию. При этом, в зависимости от соотношения геометрических размеров, может осуществиться или вытяжка, или отбортовка, с возможным их совмещение в одних процессах, или же дополнительные операции обжима и раздачи, с возможным совмещением, в других процессах.

Настоящая работа является частью исследований по возможности использования цилиндрических трубных заготовок в технологических процессах листовой штамповки, проводимых в МГТУ им. Н.Э.Баумана.

Целью работы является: разработка и внедрение ресурсосберегающих технологических процессов изготовления изделий из трубных заготовок в холодном и горячем состоянии.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:

1 -