автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка технологии гидростатической штамповки полых осесимметричных деталей из трубных заготовок

з ОД

ДПР 1933 ■■ . >

"САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННА ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИБН'СИТЕТ

На правах рукописи

Фам Ван Нре

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ГИДРОСТАТИЧЕСКОЙ ШТАМПОВКИ ПОЛЫХ ОСЕСИММЕ7РИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК

Специальность 05.03.05 - проиессн и машины

обработки давление*

АВТОРЕФЕРАТ диссертации иа соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1993

Работа ЕЫгалнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете на кафедре "Машины и технология обработки металлов давлением".

Научный руководитель: доктор технических наук профессор А.Г.РЯБИНШ.

Научный консультант: кандидат технических наук А.¥.шарапенко.

Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор Г. Н. ГАВРИЛ®.

кандидат технических наук допенг Е.И.СЕРЯКОВ. -

Ведущее предприятие: МИ! "Красный Октябрь".

Занята диссертации состоится апреля IS93 г. в ^ ^ часов на заседании специализированного совета Д Ов33в22 по присуждению ученой степени кандидата технических наук при Санкт-Петербургском государственном техническом университете по ■адресу: IS525I, г.Санкт-Петербург. Политехническая ул., 29,

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

Отзывы'на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять, в адрес университета.

Автореферат разослан " " марта 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

Ю.И.Егоров

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ГИДРОСТАТИЧЕСКОЙ ШТАМПОВКИ •БОШ ОСЕСИДОЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТРУБНЫХ ЗАГОТСВОК

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Развитие машиностроения в условиях на-чно-технической роволшии характеризуются совершенствованием уществующих и поиском ноеых технологических процессов, обладание высокими технологическими возможностями. Технология обра-отки металлов давлением играет важную роль в области машиностро-НИя.

Разработашшо в последние годи технологические процессы гпд-остатической штамповки (ПП) полих деталей из трубчатых загого-ок находят гсс болоо широкое применение в промышленности, Развита процессов ГШ обусловлено как увеличением количества полых де-алей в машиностроительной продукции, так и тенденцией к эконо-ия материальных ресурсов. В последние годы опубликовано много абот по Ш в СССР, Японии, Германии. Франции и других странах, о гехнологичоспие возможности ГШ изучены недостаточно, особенно едостаточно из.понп особенности новых схем получения методом 1Ш олых осесимметрнчннх деталей.

Отсутствует яакииа по предельному формообразованию, не язу-зны схеми ПИ с осадкой деформируемой части заготовки, энергоиловые параметры и т.д. Результаты решения этих задач позволяют збежать разрушения заготовки или потери устойчивости формы, ус-эновить область оитималышх значении параметров процесса Ш рубчатых загогогэк.

Цель работы. Оценка энергосилогых параметров процесса гвд-' Ешличаокой штомюг.кн с осевым сжатием раздаваемой части полых зесимматричшк деталей. Проведение теоретических и эксперимен-альных исследований онергосилових параметров, сравнения теоре-

тичаских результатов с экспериментальными. Определение оптимальных значений энергосиловых параметров процесса Ш губчатых заготовок с применением подвижных полу матриц.

Научная новизна. Разработана расчетная модель процесса Ш с осевым сжатием раздаваемой части полых осесимметричных детале! Определены энергосиловые параметры процесса 1Ш с учетом изгиба методом баланса работ. Определены оптимальные значения давлений в процессе ГШ с подвижными полуматрицами.

Практическая ценность. На основе экспериментальных исследований в расчетной оценки разработана методики определения потре( ного давления жидкости в процессе ПП с комбинированным нагружен! ем. определены предельные значения коэффициента раздачи для.различных материалов, позволяющие избежать дефектных видов изделий при гидравлической штамповки.

Реализация работы. Результаты работы внедрены в учебном пр< цессе кафедры "ИиТОЭД", хоздоговоре £ 404802, 1991 г.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы д( кладывались на научных семинарах кафедры "Иашины и технология о< работки металлов давлением".

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов по главам, общих выводов, приложений и литературы из наименований. Работа содержит i во с.машинописного текста, в том числе рисунков., в таблиц.

Содержание работы 1

Во Введении обоснованы актуальность решаемой проблемы и цвJ работы.

В главе I содержатся общие сведения о процессе гидравлической штамповки полых деталей на основе литературных данных, рассмотрены особенности технологии ГШ полых деталей. В отой связи разработка новых технологических схем получения таких деталей весьма актуальна. В настоящее время разработаны технологические процессы, позволяющие получить полые детали из трубчатых заготовок. В опытном и мелкосерийном производстве расширителей используются импульсные методы штамповки, штамповка эластичными средами, газом и жидкостью.

Дана классификация полых деталей, получаемых гидравлической намповкой. Классификация определяет выбор технологии ПЛ. В дан-[ой работе приведены основные типы полых осесямметричных деталей, юлучаемых гидравлической штамповкой. Основной классификационной :арактеристикой полых деталей являются их конструктивно-гвометри-1ескиа параметры. На этой основе выбирается технология ПЛ.

Отмечается, что перспективный направлением для увеличения возможности изготовления сложных полых деталей из трубчатых заготовок является гидрэштамповка при комбинированной схеме нагру-сения с применением подвижных лолумагриц.

В главе 2 проведен анализ сущесгвуюцих теоретических разра-5оток процесса Ш трубчатых заготовок, В настоящее время существу от достаточное количество работ по расчету цилиндрического со-зуда или оболочки, находящихся под высоким давлением. Для случая раздачи трубчатых заготовок зона раздаваемой части заготовки мо-кет рассматриваться как оболочка. Поэтому использование теории эболочек. разработанной советскими учеными В.З.Власовым, В.В.Новожиловым и другими, пззгэляет определить напряженяо-деформиро-ваннэе состояние на вершине раздаваемой части заготовки.

Определение напряжегао-де^рмированного состояния осуществлялось вариационно-разностним методом и методом конечных элементов. Применение вариационно-разностного метода приводит к определенным математически« трудностям при анализе более сложных схем. в частности схем, в которых использованы подвижные элементы матрицы-. Метод конечных элементов дает более широкие возможности анализа слошшх схем 1Ш - комбинированная схема Ш с использованием подвижных элементов матриц,- но сложен при его использовании в. решении диачога с ЭВМ.

На оенэго о тих дагикх бэдш определены основные задачи исследований: "

1. Разработка'приближенно!? итэнерной расчетной модели опенки папряяешю-деТорг.'прор.лшэгэ состояния материала заготовки в зона до'Тормпрэг.шшя.

2. Сценка эпаргосгпэЕЬ'х нараматров процесса Ш.

3. Опенка оптимального диапазона изменения давления жидкости при гидраг.лкчэскоН штамповке с подвижными элементами матриц.

4. Экспериментальная проверка построенной оценки.

5. Технологические рекомендации для проектирования процесса 1Ы с продольным обкагяом. 5

\

В главе 3 изучены напрякенно-деформированное состояние, эне! госиловые параметры в процессе Щ с осевым сжатием полых осесим-метричных деталей. Существуют два разновидности, этой схемы:

- штамповка с локальным дополнительным осевым сжатием, -

- штамлоЕка с дополнительным осевым сжатием по всему поперечному сечению заготовки в зоне формообразования.

Применение второй схемы целесообразно при изготовлении полых деталей с коэффициентом раздачи Кк= 1.7 или при необходимости раздачи с заготовка для получения участков увеличенного диаметра с боковыми станками, перпендикулярными к оси изделия, а также для выполнения деталей с поперечными повторяющимися гофрами.

Процесс штамповки осуществляется в материалах с подвижными вкладышами, который можно условно разделить на два этапа. На первом этапе заготовка расширяется в радикальном направления под действием давления р и осевого усилия 1л. На втором этапе продолжается сжатие заготовки осевым .усилием ~£г, прикладыванием к раздаваемой части заготовки через подвижные подуматриш. Компоненты напряжений на первом этапе определяются по выражениям:

Контактное напряжение 6*., действующее на поверхности заготовки:

~ + 2 г)

Ок z .—^- + V

ЗГи 1

где Го - радиус серединной поверхности трубы,

Ъ - толщина стенки трубы в даяний момент деформирования, Р - давление жидкости.

Радиальное напряжение по толщпно стелки трубы:

- * = Шйг-^и

Осевое напряжение • действующее в трубной зоне заго-

[лГо-^-*)

На втором этапе тангеициальнэо папрякенио . действующее на раздаваемую часть, определяется по выражению:

/

я,

Осевое напряжение

6« :

г (г*-г>2) у ;

^ = ' 2Гг1 ' 1

где 1?2 - меридиональный радиус, г Г^0*

На основе анализа напряженного состояния материала заготовки мохно определить необходимое давление жидкости в процессе 1Ш.

На первом этапе необходимое давление для начала деформации определяется по выражению:

f - 1--1о

1о Го

После начального момента пластической деформации, вследствие изгиба заготовки в меридиальиом направлении, получаем выражение цля расчета лаглошт колкости:

Г =

\ Г + 'о /

На втором с'гш'з прокооса 1Ш заготовки подвергается действию эссеого усилия Рг, которое :т,о;сггуот на рэздаваег/ую часть заго-гэгки, и датлоппп р . Сзк/сотноо репенко уравнений равновесия и оология пласткч!1?".т!; дп-ст:

Г =

(3

(Г-Г^к« ггН

ТГ 21

М'-ВД

Определение сг.:;:):'"-; иаракотроп п процессе Щ прэято-сдптся ^

из баланса работ: Ав = Ар. где Ар - работа внутренних сил» А^ -работа внешних сил. .

Работа внутренних сил: .

а* = до**«1*;

' 1 У Боли учитывать изгиб в процессе деформации, то выражение

для давления принимает вид:

/

$2

г =

ГоЬчг/. п

л г

где , - сумма интегралов. Здесь в , учитывается деформационное упрочнение материала.

Определение усилия смыкани'а матриц. Гидравлическая штамповка полых осесимметричных деталей из трубы возможна лишь б разъемных матрицах. Усилие смыкания матрш в процессе Ш не является технологическим параметром. На матриц действуют контактные напряжения со стороны заготовки. Б общем виде усилие смыкания матрицы Рс может быть представлено как:

г»

Гс - 1 ^ • ^

где 6|<% - нормальные контактные напряжения, возникающие мевд матрицей и -м участка поверхности заготовки, - площадь проекции I -го участка. На первом этапа усилие^ смыкания матрицы мокет быть определено из выражения: ^

На втором этапе соответственно:

/

Гс, Г ***** и,

I 2 Го

' - \

Усилие осевого сжатия заготовки в процессе Щ является основным деформирующим усилием. Оно определяет мощность оборудования. На первом этапе осевое усилие можно представить как сумму усилий, возникающих вследствие сопротивления пластическому деформированию заготовки Бд. наличию сил трения Г/* и действия давления жидкости р на торец пуансона Гр. На этом этапе усилие осевого сжатия имеет вед:

р^ =. Г* + + Рр

На втором этапе усилие осевого сжатия IV можно определить как сумму усилий:

■* *

рг ± Г в- -V

* л

где , Рр - усилие сопротивления пластическому деформированию, усилие, идущее на преодоление давления и , действующее на торец пуансона.

Усилие осевого сжатия определяется по выражению:

Расчетные результаты Гс показаны на рисунках-I и 2,

В глйео 4 приведена оценка коэффициента раздачи и оптимальных значений давления в полости заготовки при комбинированной схеме кагружсшш. Верх!ия граница давления при И в открытую не-лодвигшую матриц; определяется в основном прочностью материала заготовки. Предольиач величина коэффициента свободной раздачи при подвижной матрипо опродил.'тется:

Ко та*

+ Ьо/и'

Кы =

К. -

ТиоД. Зависимость ооавого усилия ïror коэффициента раздач»

Рио.2. ЗеВИС2МЭСТЬ ЗСИЯЯЯ С!'Т!КМКИЯ иодаатгяп о* коэффициента раздачи

Б этом случае коэффициент раздачи повышается на (20-30)$ по сравнению со схемой ПИ вне подвитой матрице.

Формовка расширителей путей свободной раздачи и сведения матриц состоит из двух этапов:

- этап раздачи оболочки путем закачивания жидкости под большим давлением о целью придания заготовке формы, пригодной для второго этапа,

- этап формирования расширителя путем сведения матриц,

\ Форма заготовки на первом этапе описывается уравнение!! вида:

- г = Го + --§!-)

где 2о - коори-ината кряа деорормирае^ои части, 220= Но

Изменение объема за счет образования бочки: Работа, совершаемая жидкостью под давлением р :

АР -

Из равенства Еф = Ар оценивается величина необходимого давления:

• Необходимое давление при заданной величине параметра "К" 5удет:

Я =--- ■

где К * К* / Го Н- Ьг/Го

Размер бочки оценивается из условия сохранения объема жидкости. Минимальная величина давления жидкости в полости заготовки имеет порядок:

_ о

1 д(т0-Н) I" -1

Программа расчета на ЭВМ. Результаты минимальных и максимальных величин давления представлены на рис. 3 . Давление жидкости в процессе Г1 зависит от коэффициента раздачи и толщины стенки заготовки (рис.За.Лб

В главе 5 приведен« устаноька для эксперимента .и методика разработки исследований.

Разработана методика анализа, позволяющая достаточно определить энергосиловыа параметры и напряженно-деформированное состояние материала заготовки. Экспериментальная установка позволяет использовать процесс ГШ полых деталей. Приведены требования, предъявляемые к материалам заготовки для ГШ. Приведено измерение технологичоских параметров процесса.

Глава б посЕящэна экспериментальным исследованиям процесса ПИ полых осесиымзтричных деталей из различных материалов, исследованы зависимости силовых от геометрических параметров, коэффициента раздачи. Исследовано деформирование состояние материала заготовки. Определены продельные величины деформации при раздаче. Установлены расчетные зависимости на основе результатов экспериментальных исследований.

Для оиепт напряженно-деформированного состояния материала заготовки применен мотод координат сеток и метод замера твердости.' Погрешность определения компонентов тензора деформаций зависит в роногнэм от точности кзморония.- Интенсивность деформации £( вычислялась по известной формуле:

120 100 80 60

Р9КСЯ

^P«

1.2

i,H

1,6

раОлЗа, Расчетннз и гкаперкмевталыгае завноиыооти давленая D от коэ@япяента К , Материал I2XIBHI0T. Pj. - шнамалышв я максималькыв pao чвтиив о качения

К*

81ШП,

давления.

- экспериментальные значения дявления

Р,Мпа 10

50

30

fO

_ — - Рэксл- ñ

í,2 1,4 i,6

Рио.Зг. Раочетныа и экспериментальные завиоимооти давления Р от коэффициента К . Материал 2 63.' Pj, ?2 - минимальные и максимальные расчетные значения,

*8Кол. " эксиеряманталыша значения

Кх>

Для оценки коэффициента раздачи при гидроштамповке можно считать, что максимально допустимая величина коэффициента раздачи на первом этапе КV оценивается из условия Ф откуда:

(л/»-)4*']

Для оценки конечной величины коэффишента раздачи после сведения полуматрипы зададим форму заготовки в конце первого этапа процесса Ш. Из теории следует, что конечная величина коэффициента раздачи оцэнивается-зависимостью:

^-У^! -V 0,-3^5 _ 0,25

Из приведенных данных результаты расчета коэффициента раздачи К о после сведения матриц вполне согласуются с опытами, _ обработанными с использованием статистических критериев^риС-ь)

При оценке силовых параметров процесса ПН экспериментальное исследование проводилось с целью определения поправочного коэффициента давления. Статистические оценки дали величины поправки КСр = 1.40 + 0.13, не зависящей от материала заготовки.

Поправочный коэффициент данных.опытов заведен в расчетную программу, обеспечиваетдосговерную опенку необходимого давления при получении расшлрит&лези

СИНИЕ ВНЕСИ

1. На основе литературное данных разработана классификация схем Ш, позволявшая выбрать пулесоэбразнугс схему при изготовлении конкретной полой осесиммегричной детали.

2. Разработана классификация полых осесиямотричных деталей, " которые могло получить гидроигампогко!! с осошм сжатием раздаваемой части заготовки. _

3. Предложена расчетная модель процесса Ш для определения параметров ианряженио-дофэрглрогашюго состояния полих осеспм-мегричшю дотатоЗ с прякеношгса подгкгнь'х колу матриц.

И

Ric.4.

ас.s is

4. Выборная схема деформирования позволяет повысить технологические возможности процесса гидравлической штамповки я увеличить коэффициент раздачи на (25-30)?.

5. Составлена программа расчета энергосиловых параметров процесса Ш на ЭЕ!Л. которая может быть использована для подготовки технологического процесса ПЛ.

в. Разработана методика расчета предельной величины коэффициента раздачи К при неподвижной и подвижной полу патрицах, и оптимальных значениях давления жидкости при комбинированной схеме натяжения.

7. Результаты исследования силовых параметров процесса 1Ш с осевым сжатием для типовых материалов показали, что расчетные результаты могут быть использованы для опёнки усилий при выборе оборудования.

8. На основе результатов теоретического и экспериментального исследований разработана методика расчета технологических процессов Ш полых осесимметричных деталей с осевым сжатием раздаваемой частя заготовки.

9. Приведены рекомендации по проектировании технологических процессов Щ полых деталей типа "поворотный угольник".

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

£. Создание технология и оборудования для гидроштамповка заготовок деталей трубопроводов. - Отчет по х/д И 404802, 1991/ А.ФЛОарапенко. Ю.В.Ерагин. Фан Бая Ега и др.

Подписало к печати . Тираж 100 экз.

Заказ 6 £{ Бесплатно

*Отпечатано на ротапринте СПбГГУ 195251, г.Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.