автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка технологий электрогидроимпульсного формообразования поперечных гофров на тонкостенных трубах с использованием отражателей на основе математического моделирования гидродеформационных процессов

На правах рукописи УДК 621.983.044

ГОРДИЕНКО ВАЛЕРИЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ ГОФРОВ НА ТОНКОСТЕННЫХ ТРУБАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТРАЖАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГИДРОДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

Специальность: 05.03.05 - процессы и машины

обработки давлением

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор ВЛ. Вагин

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

ст. науч. сотр. ИЛ. Шавров,

канд идат технических наук, доцент ВА. Норин

Ведущая организация: НПП "Завод им. В Я. Климова"

(г. Санкт-Петербург)

Защита диссертации состоится" /¿¿¿£>М*£-- 1998 г. в ^^Часов на заседании диссертационного совета Д 063.38.22 в Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, лабораторно-аудиторный корпус, кафедра "Машины и технология обработки металлов давлением".

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СПбГТУ.

Автореферат разослан" У» 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, старший научный сотрудник — Ю.И. Егоров.

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ЭЛЕКТРОГИДРОИУШУЛЬСНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ ГОФРОВ НА ТОНКОСТЕННЫХ

ТРУБАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТРАЖАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГИДРОДЕФОРМАЦИОННЫХ

ПРОЦЕССОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современном машиностроительном производстве существует большой класс деталей, получаемых штамповкой из заготовок пространственной формы (тонкостенных труб, цилиндрических, конических оболочек, стаканов и. т. д.). В условиях мелкосерийного производства получение таких деталей связано с рядом трудностей: дорогая технологическая оснастка, большие сроки подготовки производства, недостаточная точность штампуемых деталей и т. д. Поэтому наиболее целесообразно и эффективно получать такие детали методами штамповки с применением подвижных сред (эластичных, жидкостных и т.п.), а использование при этом импульсного нагружения заготовки значительно расширяет технологические возможности данных методов. Среди импульсных методов нагружения наиболее широко применяется электрогидроимпульсная штамповка (ЭГИШ), которую характеризуют простая и дешёвая технологическая оснастка, возможность создания высоких импульсных давлений, хорошая управляемость энергией и распределением прилагаемой к заготовке нагрузки, повышенная точность штампуемых деталей за счёт малого упругого последействия материала заготовки, комбинированное выполнение различных операций в одном штампе, экологическая чистота и др.

В большинстве случаев при получении такого класса деталей методом ЭГИШ применяют различного рода концентраторы силового поля (отражатели, прокладки и накладки, воздушные прослойки и т. д.), которые позволяют перераспределить действующее на заготовку давление, создать требуемое для эффективного формоизменения заготовки силовое поле. Однако, имеющиеся в настоящее время рекомендации по проектированию технологических процессов с использованием концентраторов силового поля основаны, как правило, на экспериментальных исследованиях, что сужает область их применения, а в ряде случаев дает погрешность при определении технологических параметров, превышающую десятки и сотни процентов. Это сдерживает внедрение высокоэффективных технологических процессов ЭГИШ деталей из пространственных заготовок в промышленное производство.

Решению этой проблемы способствует данная диссертационная работа, посвященная математическому моделированию многоразрядного процесса ЭГИ гофро-образования сложнопрофильных деталей из тонкостенных труб с учетом комплексности гидродинамических и деформационных волновых процессов, рассмотрении процесса деформирования заготовки в упруго-пластической постановке, двухмерно-сти задачи и сложных граничных условий, а также разработке рекомендаций по проектированию оснастки с использованием концентраторов силового поля.

Цель работы. Повышение эффективности ЭГИ штамповки поперечногофри-рованных деталей из пространственных заготовок путем создания программного обеспечения и графического визуализатора по проектированию технологий на основе комплексного математического моделирования гидродеформационных процессов и использование этой методики на практике.

Научная новизна.

1. На основе гидфодеформационной модели процесса ЭГИШ осесимметричной цилиндрической оболочки, учитывающей двумерность гидродинамики сжимаемой рабочей жидкости и граничные условия, характеризующие особенности процесса: осесиммег-

ричное расширение канала разряда при заданной функции выделения электрической энергии; ограничение рельефом матрицы перемещения заготовки, описываемой нелинейной системой с распределенными параметрами с учетом деформационного и скоростного упрочнения ее материала, разработана математическая модель формообразования сложнопрофильной поперечногофрированной заготовки, расширением возможностей которой является рассмотрение переходных процессов деформирования заготовки в совместной упруго-пластической постановке, учет многоразрядное™ процесса, а также наличие и влияние на перераспределение поля давления концентраторов силового поля (отражателей).

2. С учетом особенностей поставленной задачи разработан конечно-разностный алгоритм ее решения на ЭВМ типа IBM PC, представленный в виде блока программ на языке Borland С++. Разработан также двумерный графический визуализатор результатов расчета.

3. Предложен комплекс безразмерных параметров, отражающих физическую сущность процесса ЭГИ формовки поперечногофрированных заготовок и определяющих гидромеханический КПД процесса. Статистической обработкой результатов математического эксперимента по определению влияния параметров функции выделения энергии в канале разряда, геометрических размеров камеры, отражателя и заготовки, физико-механических характеристик ее материала на гидромеханический КПД процесса получена регрессионная зависимость, позволяющая прогнозировать гидромеханический КПД в практике технологических расчетов. Получена также зависимость электрического КПД от основных параметров разрядного контура и межэлектродного промежутка, что позволило определить общий КПД процесса, используемый при расчете энергоемкости необходимого оборудования.

4. На основе пакета прикладных программ, графического интерфейса и анализа чертежа деталей и типовых технологических процессов разработана методика проектирования процесса многоразрядной формовки поперечногофрированной детали, обеспечивающего максимальный КПД процесса и отсутствие брака вследствие разрушения заготовки.

На защиту выносятся:

1. Развитие математической модели процесса электрогидроимпульсного формообразования поперечных гофров на безмоментной оболочке при заданном законе выделения энергии в канале разряда, учитывающей двумерность задачи, наличие отражателя в полости заготовки, взаимосвязь гидродинамических процессов в сжимаемой рабочей жидкости и переходных процессов упруго-пластического деформирования заготовки, как системы с распределенными параметрами, деформационно-скоростное упрочнение материала заготовки.

2. Алгоритм численного решения задачи с учетом особенностей ее математической постановки и программная реализация данного алгоритма.

3. Результаты численных многофакторных экспериментов по влиянию электрических характеристик разрядного контура и канала разряда, геометрических соотношений размеров заготовки, матрицы и отражателя, его формы, схемы и параметров нагру-жения, длительности и уровня выделяемой в канале разряда энергии, марки материала заготовки на ее кинематические и деформационные (А/"3 и ^^) характеристики, составляющие энергетического баланса процесса, а также получены регрессионные зависимости электрического т]э и гидромеханического tjrM КПД процесса от перечисленных факторов, представленных в виде безразмерных параметров.

4. Результаты эксперимента по измерению электрических характеристик разряда, параметров импульсного давления, кинематических и деформационных параметров заготовки при ее ЭГИ нагружении в условиях наличия концентратора силового поля и

результаты проверки адекватности разработанной математической модели реальному процессу.

5. Методика проектирования технологических процессов и оснастки ЭГИ штамповки

-------деталей типа поперечногофрнрованных оболочек, а также реальные технологические

процессыштамповхи деталей типа "сильфок", использованные ка КПП "Завод им. В Л .Климова" (г. Санкт-Петербург). ----------------------

Методы исследований, достоверность результатов и степень обоснованности выводов. Теоретическое исследование процесса ЭГИШ осуществлялось на базе уравнений гидродинамики идеальной сжимаемой жидкости, механики деформируемого твердого тела с учетом деформационно-скоростного упрочнения материала заготовки при применении определяющих соотношений теории пластического течения на этапе пластического деформирования и обобщенного закона Гука на этапе упругого деформирования заготовки. Разработка алгоритма численной реализации модели осуществлялась на базе основных принципов теории разностных схем. При экспериментальных исследованиях импульсного давления использовались пьезоэлектрические датчики, тарированные градуировочными импульсами, близкими к реальным. Измерение разрядного тока проводили с помощью пояса Роговского, а напряжения -делителями напряжения. Параметры деформированного состояния заготовки определялись методом сеток. Выявленное расхождение экспериментальных и расчетных данных, полученных при заданной из эксперимента функции выделения энергии, по деформационным параметрам в среднем составляет 8 - 16 %, а по параметрам давления-до 19,0%. ■ .

Изложенные подходы к решению задач исследования определили достаточную степень обоснованности выводов. Научные выводы и рекомендации подтверждаются также практикой использования результатов работы в промышленности.

Практическая ценность и реализация результатов работы. На основе теоретических и экспериментальных исследований процесса ЭГИШ, опыта промышленной реализации ЭГЙ штамповки разработана методика проектирования технологических процессов ЭГИ формообразования гофров на пространственной заготовке, позволяющая произвести выбор размеров отражателя и заготовки, схемы ее нагружения и деформирования, расчет кинематических и деформационных параметров (компонент тензора логарифмических деформаций), предельных степеней деформаций и прогнозирования возможного разрушения заготовки, а также определение энергетических параметров как с использованием гидромеханического, так и общего КПД процесса.

Разработаны новые технологические схемы выполнения операций ЭГИШ для получения поперечногофрнрованных оболочек из трубчатых заготовок как групповыми, так и последовательными методами деформирования с целью интенсификации процесса и повышения точности штампуемых деталей.

Результаты исследований использованы НПП "Завод им. В.Я.Климова" (Санкт-Петербург) при получении деталей типа "сильфон".

Некоторые вопросы научных исследований включены в отдельные разделы кафедрального лекционного курса по обработке металлов давлением, а также использованы в студенческих дипломных проектах.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Российской научно-технической конференции "Перспективные технологические процессы обработки металлов" (С.-Петербург, 1995 г.), на Международной научно-технической конференции "Электрофизические и электрохимические технологии" (С.-Петербург, 1997 г.), на научно-техническом семинаре кафедры "Машины и технология обработки металлов давлением" Санкт-Петербургского государственного технического университета в 1997 году, а так же на молодежной научной конференции (в рамках XXVI Недели науки СПбГТУ) в 1998 году.

Публикации. Содержание диссертации отражено в 4 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы в количестве 112 наименований и содержит 129 страниц машинописного текста, 58 рисунков и 20 таблиц.

Диссертационная работа выполнена на кафедре "Машины и технология обработки металлов давлением" Санкт-Петербургского государственного технического университета. Научными консультантами работы являлись д.т.н., профессор Мамутов B.C. и к.ф,-м.н., доцент Чихачев Б.А.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполняемой работы, дано ее краткое содержание, сформулирована цель исследования, ее научная новизна, практическая ценность, основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первой главе приведены схемы и конструкции разрядных камер, а также проведена классификация типовых представителей деталей, получаемых штамповкой из пространственных заготовок, определен предмет исследования и дан обзор способов формообразования гофров статическими и импульсными методами. Обоснована высокая эффективность использования ЭГИШ для получения класса деталей типа "сильфон" из тонкостенных трубчатых заготовок, особенно при применении концентраторов силового поля типа отражателей.

При анализе научно-технической литературы были выявлены недостатки существующих математических моделей и, исходя из этого, была обоснована необходимость совместного решения гидродинамической и деформационной задач, учитывая при этом двухмерный характер течения сжимаемой рабочей жидкости, возможность ее кавитации, волновой характер упруго-пластичесхого деформирования заготовки при представлении ее системой с распределенными параметрами, а также деформационное и скоростное упрочнение ее материала.

Поэтому, при выполнении данной работы были поставлены следующие задачи исследования.

В ТЕОРЕТИЧЕСКОМ ПЛАНЕ:

• развитие математической модели электрогидроимпульсного формообразования поперечных гофров на тонкостенной трубной заготовке с учетом технологической схемы и многоразрядное™ нагружения заготовки, заданного закона выделения энергии в канале, двухмерного характера течения рабочей жидкости, возможности образования в ней кавитационных разрывов и перераспределения потоков жидкости за счет отражателя в полости заготовки, с рассмотрением волновых процессов в заготовке в упруго-пластической постановке;

• разработка численного алгоритма решения комплексной гидродеформационной задачи и его реализация в виде пакета прикладных программ и графического визуа-лизатора на ЭВМ с учетом особенностей постановки математической задачи;

• оценка возможностей полученной модели по определению энергосиловых, кинематических характеристик и параметров напряженно-деформированного состояния заготовки на примерах расчетов процессов ЭГИ формообразования поперечногофриро-ванных оболочек с использованием различных схем нагружения заготовки, а также оценка влияния кавитационных явлений на результаты расчета параметров исследуемого процесса;

• проведение численных многофакторных экспериментов по оценке влияния основных электрических параметров контура и канала разряда, геометрических параметров заготовки, матрицы, отражателя, разрядной камеры, длительности выделения энергии в канале разряда, характеристик материала заготовки на эффективность процесса

ЭГИ гофрообразования и получение зависимостей электрического, пщромеханиче-ского КПД от основных электрических и технологических характеристик процесса, представленных в виде безразмерных параметров.

-------------В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ ПЛАНЕ.

С целью получения исходных данных, закладываемых для расчетов в математическую модель, выполнить: -----------------------

• измерение электрических характеристик разряда и определение конкретного закона выделения энергии;

• проведение испытаний по определению действительных механических характеристик материала заготовок.

С целью экспериментальной оценки влияния геометрических соотношений оснастки на процесс деформирования и проверки адекватности расчетной модели рассматриваемому процессу гофрообразования, произвести:

• измерение деформационных (прогиба и компонент тензора логарифмических деформаций) параметров заготовки при ее ЭГИ нагружении без использования и с использованием отражателей;

• измерение параметров импульсного давления рабочей жидкости, действующего па неподвижную преграду.

В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПЛАНЕ:

• разработка методики проектирования технологических процессов и оснастки ЭГИ штамповки деталей типа поперечногофрированных оболочек на основе теоретических и экспериментальных исследований с использованием пакета прикладных программ и графического визуализатора;

• проектирование технологических процессов ЭГИ штамповки конкретных деталей и внедрение их в производство.

Во второй главе представлена расчетная модель деформирования осесиммет-ричных пространственных оболочек под действием внутреннего импульсного давления жидкости. Исходя из приведенной классификации деталей, гидродинамические процессы в рабочей жидкости рассматриваются в двумерной постановке.

В качестве расчетных схем предлагаются две схемы нагружения заготовки {рие.1, а, б), как наиболее применяемые в практике электрогидроимпульсной штамповки деталей из пространственных заготовок. Для управления силовым полем, действующим на заготовку, в матрице устанавливается отражатель.

Рис.1. Расчетные схемы электрогидроим-пульсного деформирования оболочки (заготовки) при осевом разряде на отражатель (а) и при полусферическом разряде, вынесенном вне полости заготовки (б).

На этапе постановки задачи были приняты следующие допущения: форма канала разряда - осесимметричная, давление плазмы по всему объему канала -равномерное;

закон выделения энергии в канале разряда задается параметрами канала и электрической цепи;

в качестве рабочей жидкости, допускающей возможность кавитационных разрывов, рассматривается идеальная сжимаемая жидкость, уравнение состояния которой определяется адиабатическим уравнением в форме Тэта для воды; заготовка, как система с распределенными параметрами, принимается безмоментной осесимметричной оболочкой, при математическом описании которой используются определяющие соотношения теории пластического течения на этапе пластического деформирования и обобщенного закона Гука на этапе ее упругого деформирования с учетом деформационно-скоростного упрочнения материала заготовки, при этом материал заготовки считается изотропным и несжимаемым, а ее напряженное состояние -плоским;

при взаимодействии заготовки с матрицей стенки последней, также как и стенки разрядной камеры и отражателя, принимаются абсолютно жесткими, трением заготовки о матрицу пренебрегаем.

Изменение давления на поверхности парогазовой полости канала в процессе решения задачи определяется на основе баланса энергии при условии адиабатично-сти процессов на поверхности раздела парогазовой полости и жидкости:

/ т, йрк йУк ...

~ к (П~+ГРк ~ёи~'

где у - показатель адиабаты плазмы канала, образуемой из жидкости (у =1,26), Vк

и рк - объем канала разряда и давление в нем, ' мощность, вводимая в канал.

Разработанная математическая модель предусматривает возможность использования в расчетах как реального закона выделения энергии в канале разряда, определяемого экспериментально, так и вычисляемого с учетом переходных электрических процессов в цепи и канале разряда.

Возможны три модели состояния жидкости при возникновении в ней растягивающих напряжений < р0): жидкость, несопротивляющаяся растяжению; абсолютно прочная жидкость; а также жидкость, допускающая состояние пузырьковой кавитации. Условие появления кавитации в жидкости записывается в виде:

\РжЛ:

< рКРА(, (2)

'к

где Ьс - время возникновения давления рж = рке; рКР - прочность жидкости при статическом растяжении (рКР = (-0.2)+(-0.35) МПа); ДI - время, необходимое для разрыва столба жидкости усилием, равным рКР.

Начальное положение частиц среды описывается системой лагранжевых координат го и й). Текущие эйлеровы координаты г, г и давление рж точек жидкости являются функциями от Го, го, I:

г = г[гй, г0, г), г = г(г0, г0, /); рж = рж(г0, г0, /).

Система уравнений гидродинамики сжимаемой жидкости в этих координатах имеет вид:

уравнение сплошности: ~ (рж - Л) = 0; (3)

ш

1 ^ -

равнение движения: _ _ —=--Ь'Гаа рж; —= гж, (4)

Ж Рж-------------------^________________________

где Л - якобиан перехода от лагранжевых координат (го, го) к эйлеровым (г, 2), Уж-вектор скорости частиц жидкости.

Тензор логарифмических деформаций в в заготовке представляется в виде

р е

суммы тензора пластических деформаций о и тензора упругих деформаций о .

Меридаанальные £т и тангенгшальные компоненты этих тензоров определяются в процессе расчета напряженно-деформированного состояния заготовки, а толщин-тше компоненты определяются следующим образом: для тензора пластических деформаций - условием сплошности:

< + (5)

дня тензора упругих деформаций - из условия, что напряженное состояние заготовки считается плоским.

При математическом описании заготовки используются определяющие соотношения теории пластического течения, причем предельная интенсивность напряжений и интенсивность пластической деформации связаны соотношением (условие текучести в форме Губера-Мизеса):

(6)

где <Т50, В, га - параметры аппроксимации кривой деформационного упрочнения. Кд - коэффициент динамичности, учитывающий влияние скорости деформации на

упрочнение материала заготовки, - интенсивность тензора пластических деформаций.

Тензор напряжений а определяется по тензору упругих деформаций Ь с помощью обобщенного закона Гука:

сг =[1/0 + V)] £е + 3 УЕ [(1 - 2 у)(\ + V)]"14-8 , СО

где § - метрический тензор; £ % - среднее значение тензора упругих деформаций; Е, V - упругие константы материала.

Движение заготовки рассматривается под действием внутреннего давления

Рз ~ 0 > а положение точек заготовки описывается функциями:

где Бо - лагранжева координата, совпадающая с начальным положением образующей заготовки.

Уравнение движения заготовки в проекциях на оси координат гиг записывается в виде:

1 8 ( СГ„/3 . ^ cre p3cosoj(l+g%, ) дц ^

А =-1 » 8ШН--+- U- »Vft = (8)

8t p3r3aS0\l + sm ) РзГг pyh 3 dt

1 д ( <ттг3 "Ляп«(! + **» )

---.mi cps ф1----/ у i, (9)

8t р&д8т\\+ечт ) fhh 3 8t

где р3- плотность материала заготовки; гз, Тз - эйлеровы координаты; h - текущая *

толщина заготовки; Бт - относительное удлинение в меридианальном направлении; <зт и Ое - соответственно меридианалъное и тангенциальное напряжения; СО -угол, образуемый касательной к профилю заготовки и осью Т.

Задача решается при следующих начальных условиях (t=0):

жидкость неподвижна и имеет плотность Pq; = 6j,_0 ; заготовка неподвижна: V3 =6j(=0; Г3 — Rq", Z3 ~ Sq;

канал разряда имеет радиус гко, давление в канале разряда равно атмосферному рко=1,013-Ю5 Па.

Граничные условия по границам Г1, Г2, ГЗ, Г4 записываются следующим образом:

на границе канала разряда и жидкости (Г1):рк = рж\ л, где рк - давление на поверхности парогазовой полости канала разряда;

на неподвижных стенках разрядной камеры, матрицы и стенках отражателя (Г2 и Г4) соблюдается равенство нулю нормальной к границе составляющей скорости жидкости: Vx ■ Ft - 0(Г2Г4 ,

где п - вектор нормали к данному участку границы;

на подвижной заготовке (ГЗ) соблюдается равенство нормальных составляющих скоростей жидкости и заготовки, а также выполняется условие непрерывности давления: (^-v3)-n = Ojr3; рж = р3\п-

Таким образом, разработанная модель сводится к смешанной задаче математической физики для системы уравнений в частных производных гиперболического типа. Вследствие нелинейности уравнений решение поставленной задачи осуществлялось численно на ЭВМ. Для этого был разработан алгоритм, который реализован в виде программ на языке Borland С++ с использованием явной консервативной конечно-разностной схемы.

Начальный шаг по времени задавался не более 1-10" с, а в дальнейшем вычислялся исхода из условия устойчивости Куранта. При машинном счете задавалось от 31 до 91 разбиения по пространственным координатам для гидродинамической части задачи и от 21 до 77 разбиений по лагранжевой координате для деформируемой заготовки.

Примеры расчета параметров процессов деформирования поперечного рифта на оболочке вращения, представленные на рис.2, показывают возможности полученной математической модели. Описанная математическая модель позволяет при разработке ЭГИШ деталей из тонкостенных пространственных заготовок получить в любой момент времени деформирования энергосиловые, кинематические характеристики процесса, параметры напряженно-деформированного состояния любой точки

заготовки, а также гидродинамические характеристики жидкости в любой ее точке для любого уровня введенной в канал разряда энергии.

____Ю__6)

ЩШЩШ time=270mte ШЯШВЯВВЯ time = 250 mks Kaiw— time=270mks

w тЧ3"

v

Ж)

ИМ »Ж «to

i ■к*

70 Ч > е.

N

ft 1

ff I г

\ ч- sa V 1 ч

«I

ea>\s xso too яо ^ма

time=30Qmb

■е»

-фгргФ* о gostef

4

0 г *

Ч|

\

V у-

)

! J

О S9W

Рис.2. Поля давлений в камере и матрице с заготовкой при различных схемах ее нагружения без учета кавитации рабочей жидкости (а), (б) и с учетом кавитации (в), изменение во времени энергосиловых и кинематических характеристик деформируемой заготовки (г), давления на жесткой стенке матрицы рс и на податливой заготовке р3 (д), параметры напряженно-деформированного состояния (е), (ж), (з), приращения радиуса А/"3 и компоненты скорости перемещения заготовки , Vв характерные моменты времени формообразования поперечного гофра (и).

С использованием разработанной модели были проведены также расчеты параметров процесса деформирования гофра на оболочке вращения с учетом ограниченной прочности жидкости на растяжение (с учетом кавитации) в в предположении, что жидкость выдерживает сколь угодно большие отрицательные давления (без учета кавитации). Сравнение результатов расчета показало, что учет кавитационных процессов в модели не приводит к существенному расхождению результатов: отличие

энергетических ( Ат) и деформационных (е©^, Е„,Р, ЩР, Дг3) параметров процесса находится в пределах 1 - 8 %.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований процесса ЭГИ формовки тонкостенных трубчатых заготовок с применением отражателей. Так как основной целью экспериментальных исследований являлось подтверждение адекватности математической модели, то в качестве сравниваемых экспериментальных и расчетных параметров были выбраны приращение радиуса трубной заготовки (степень ее раздачи), компоненты тензора логарифмических деформаций, а также давление на жесткой стенке технологической оснастки, которое в ходе эксперимента замерялось пьезоэлектрическими датчиками.

Исходными данными для численного расчета являлись характеристики материала заготовок, используемых в экспериментальных исследованиях, а также реальный закон выделения энергии в канале разряда. Механические характеристики материала (коррозионностойкая сталь 12Х18Н10Т), были получены в результате испытаний стандартных образцов на одноосное растяжение. Закон выделения энергии в канале разряда был получен на основе обработки осциллограмм разрядного тока и напряжения, снятых на измерительном стенде. В ходе проведения экспериментов параметры деформированного состояния заготовки определялись методом координатных сеток.

Сравнение экспериментальных и расчетных результатов показало, что среднее их расхождение по величинам приращений радиуса заготовки А Т3 составляет 104-] 3 %, по компонентам тензора пластических деформаций -8+16 %, а по амплитуде давления рс на неподвижной стенке - 8-М9 %. Это свидетельствует о достаточной степени адекватности разработанной математической модели реальным процессам деформирования тонкостенных цилиндрических заготовок.

В Данной главе также приведены результаты численного эксперимента по влиянию геометрических параметров технологической оснастки и заготовки, длительности й уровня выделяемой в канале разряда энергии на энергетические параметры, гидромеханический КПД (Т}гл1) процесса и деформационные характеристики

А €?Р ' '

заготовки (Аг, и )• Для типовых промышленных установок энергоемкостью

до 20 - 25 кДж и для камер малого объема с использованием гидродеформационной компьютерной модели на основе анализа .результатов численных экспериментов установлено, что использование отражателей в полости матрицы с заготовкой повышает КПД процесса гофрообразования на 20-г 30 % в зависимости от высоты отражателя, расположения гофра по высоте заготовки, ее податливости, времени выделения вводимой в канал разряда энергии и объема внутренней полости заготовки. Анализ составляющих энергетического баланса при оценке раздельного влияния отражателя и уменьшения объема рабочей жидкости за счет его введения в полость заготовки показывает, что увеличение эффективности процесса гофрообразования достигается в результате совместного влияния этих факторов. Установлено также, что варьирование формой отражателя (коническая, сферическая, параболическая, гиперболическая и в форме усеченного конуса) не приводит к существенному изменению пара-

метров процесса, поэтому рекомендуется для практических целей использование отражателей простых и технологичных в изготовлении форм - конической и в форме усеченного конуса. Выявлена область размеров заготовки, при превышении которой эффективность процесса резко снижается. Так, например, при вынесенном вне полости заготовки канале разряда при достижении радиуса заготовки размера в 200 т 250 мм гидромеханический КТТД процесса падает до 7 %, а при размере в 450-^500 мм практически вся выделившаяся энергия остается в канале разряда (гидромеханический КПД меньше 2 %).

Анализ результатов численных расчетов позволил определить ряд основных параметров процесса, оказывающих наиболее существенное влияние на гидромеханический КПД (геометрические соотношения отражателя, заготовки, гофра, уровень и длительность вводимой в канал разряда энергии, податливость заготовки, механические характеристики ее материала), которые были представлены в виде безразмерных параметров:

г - г Га-М

<?1 = -—---1 -энергосиловои параметр; С, 7 =1 ——-1 - характеризует инер-

V Еа ) \р0-тъ)

ционность заготовки и влияние присоединенной массы жидкости;

=

1в 'С

- отражает скорость выделения энергии; 4 А —-

нк

■

; =| - отражает степень неплоскостности заготовки; ¿?7 = (т)-пока-

характеризует влияние отражателя; 95 J" хаРакгеРизУет податливость заго-

затель деформационного упрочнения материала заготовки. Здесь В - параметр аппроксимации кривой деформационного упрочнения (В е[480;1198], МПа); Г3 - радиус заготовки (Г, €[30:480], мм); II к - высота от дна матрицы до канала разряда (Нк €[80; 150], мм); Ее1 - введенная в канал разряда энергия (Ее1 £[1,35; 16,8], кДж); />,, д, - плотности материала заготовки и рабочей жидкости е[7800;8900], кт/м3); Л3 - толщина заготовки (Лл 6[1;3], мм); гв - время выделения энергии в канале разряда {1В €[5,3;344], мке); с" - средняя по объему и средняя за время нагружения скорость волн возмущения в жидкости (в первом приближении задается как скорость звука С0); Нс - высота от дна матрицы до середины гофра {Нс £[30;90], мм); Н0 -высота конического отражателя (На е[0;80], мм); Ьг- ширина деформируемого

гофра ( Ьг £[20:80], мм); ТП Е[0,300;0,457]; Ее1 - Е0- Т)э, где Т]э - электрический КПД процесса (размеры всех параметров подставляются в зависимость в СИ).

В результате планирования и проведения численного эксперимента, а также статистической обработки его данных получена зависимость, позволяющая прогнозировать гидромеханический КПД г/гк{ при проектировании технологических процессов:

ППЙЙ I? гА539 гг-0,050 -0,050 £-0,818 £0,442 г 0,166

77ш=а06б-[4-1СГ) • -4 .(Ю)

Средняя погрешность аппроксимации составила 5,9 %.

Кроме того, на основе численного эксперимента с использованием модели переходных электрических процессов в нелинейной цепи разрядного контура ЭГИ установки, была получена регрессионная зависимость электрического КПД (Т]э ) от основных параметров разрядного контура и межэлектродного промежутка: емкости конденсаторов (С), индуктивности разрядного контура (Ь), активного сопротивления (Я), межэлектродного промежутка (1мэ) и напряжения заряда конденсаторной батареи (£/„):

=0,303-(^-104)"-789 -Ю6)0'"1 -и-10)^ -Ю2)45'106^ (И)

где Х{ —С/1 Ф; %2~Ы\ Гн; Хз =к/1 Ом; ;&=1мэ/1 м; %^~ио1\ В, а сами параметры

изменялись в следующих диапазонах: С€[30;60], мкФ; Ь€[0,1;0,3], мкГн; 1?.€[0д)1;0,04], Ом; 1.мэ €[5;50], мм; (70 е[25;100], кВ. Средняя погрешность аппроксимации составила 5,7 % Полученная зависимость позволяет с достаточной для практики точностью прогнозировать электрический КПД электрогидроимпульсной штамповки.

В четвертой главе изложена методика расчета 'технологических параметров ЭГИ формовки на основе теоретических и экспериментальных исследований, а также даны рекомендации по выбору схем нагружения и проектированию технологической оснастки при электрогидроимпульсной штамповке поперечногофрированных оболочек.

Методика проектирования технологических процессов ЭГИ парообразования включает:

• выбор формы и размеров исходной заготовки;

• выбор схемы нагружения заготовки;

• предварительный расчет энергии Е0, запасенной в конденсаторной батарее, и энергии Ее!, выделившейся в канале, на основе рассчитанной работы пластического деформирования заготовки Аш, значений электрического (Щ) и гидромеханического (Т]гм) КПД, определяемых по зависимостям (11) и (10), а также коэффициента запаса ,(*3 = 1,2 + 1,3): Е0 = к3.-А1Ш/(Т]э -Т}ГМ);

• уточненный расчет величины энергоемкости процесса, кинематических и деформационных параметров заготовки с использованием математической модели при оптимальных электрических параметрах разрядного контура, размерах и форме технологической оснастки и отражателя;

• оценку возможности осуществления технологического процесса на имеющемся оборудовашш, получение детали за один или несколько технологических переходов и прогнозирование эксплуатационных свойств отштампованных деталей на основе использованного ресурса пластичности.

В этой же главе представлено 12 новых технологических схем и конструкций комбинированного выполнения операций ЭГИШ, разработанных для получения поперечногофрированных оболочек из трубчатых заготовок как при групповом, так и при последовательном методе деформирования, дающих ряд преимуществ по сравнению с известными и позволяющих интенсифицировать процесс.

Разработанная методика апробирована на НПП "Завод им. ВЛ.Климова" (Санкт-Петербург) при проектировании технологий ЭГИ штамповки трех наимено-

ватш деталей типа "сильфон", что позволило в условиях опытного производства в 3-5- 5 раз удешевить технологическую оснастку, в 2-5-2,5 раза сократить сроки подготовки производства и улучшить его культуру.

------------------------ОаЮВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

!. На базе гндродеформацнонной модели процесса многоразрядной электрогидроим-пульсной штамповки деталей из пространственных заготовок разработана расчетная модель, учитывающая осесимметричное расширение канала разряда при заданной функции выделения энергии, многоразрядность процесса, двумерность гидродинамических явлений в сжимаемой рабочей жидкости, наличие и влияние на перераспределение поля давления отражателя, волновые процессы при упруго-пластическом деформировании заготовки нз упрочняемого материала в закрытую матрицу, и позволяющая определить энергосиловые, кинематические характеристики и параметры напряженно-деформированного состояния в любой точке заготовки и в любой момент ее нагружешю, а также гидродинамические характеристики рабочей жидкости с учетом возможности возникновения в ней кавитациотпп.тх разрывов.

2. Разработаны алгоритм численного решения задачи на основе явной конечно-разностной схемы с учетом особенностей расчетной модели, реализованный в виде пакета прикладных программ, и двумерный графический визуализатор результатов расчетов, позволяющий более эффективно анализировать данные в практике технологических расчетов.

3. Проверка адекватности математической модели реальному процессу показала, что расхождение экспериментальных и расчетных данных по амплитуде импульсного давления рабочей жидкости на жесткую стенку матрицы составляет 5+19 %, а по средним величинам деформационных параметров и приращений радиуса заготовки -

8-ь 16 % и 10+ 13 % соответственно, что свидетельствует о возможности использования расчетной модели при проектировании технологических процессов.

4. В результате численных расчетов с использованием предложенной модели установлено, что учет ограниченной прочности рабочей жидкости на разрыв (кавитанионных явлений) не приводит к существенному различию энергетических

(Ат) и деформационных £тР, ■> ^ ■> параметров процесса, по-

лученных в предположении, что жидкость не сопротивляется растяжению: расхождение не превышает 8 %.

5. Для типовых промышленных установок энергоемкостью до 20 - 25 кДж и для камер малого объема с использованием гидродеформационной компьютерной модели на основе анализа результатов численных экспериментов установлено:

• введение отражателя в полость матрицы с заготовкой повышает гидромеханический КПД процесса на 20-г-30 % в зависимости от соотношения геометрических размеров отражателя, заготовки и профиля матрицы, времени выделения энергии и ее уровня;

• влияние формы отражателя (параболическая, сферическая, коническая и др.) на КПД процесса находится в пределах ошибки численного расчета, что позволяет рекомендовать для заводской практики геометрически простые и технологичные в изготовлении отражатели;

• для указанного максимального уровня запасаемой энергии технологических установок при ширине гофра 20-ь80 мм и толщине заготовки 0,5-г 1,5 мм рекомендуемый максимальный радиус заготовки г3 не должен превышать 2004-250 мм исходя из приемлемой величины гидромеханического КПД (цгм > 10 %);

6. На основе статистической обработки результатов численного эксперимента по влиянию параметров, отражающих переходные электрические процессы в разрядном кои-

туре и канале разряда получена регрессионная зависимость для электрического (Г) э ) КПД в диапазонах изменения параметров, характерных для ЭГИ установок. Данная зависимость используется в методике оценки энергоемкости оборудования.

7. Разработан комплекс безразмерных параметров, отражающий физико-механическую природу нагружения и деформирования заготовки, ее механические характеристики, геометрию технологической оснастки, отражателя и заготовки и определяющий гидромеханический (т\ш) КПД в диапазонах изменения параметров, характерных для технологии ЭГИ штамповки.поперечногофрированных деталей.

8. В пространстве безразмерных факторов с использованием пакета прикладных программ.проведен математический эксперимент по определению влияния безразмерных факторов на: гидромеханический (?7гм) КПД, результат которого методами статистической обработки аппроксимирован многомерной степенной зависимостью, что позволяет в практике технологических расчетов определить с учетом электрического КПД общий ( 7]q ) КПД процесса, используемый для расчета энергоемкости необходимого оборудования.

9. Разработана методика проектирования технологических процессов ЭГИ штамповки поперечногофрированных деталей с использованием расчетной модели процесса, пакета прикладных программ, графического визуализатора, а также регрессионных зависимостей для т}э и т]гм, включающая выбор заготовки, схемы ее нагружения, расчет энергоемкости процесса, параметров напряженно-деформированного состояния заготовки, определение количества технологических переходов, а также прогнозирование возможного разрушения заготовки в процессе ее изготовления и эксплуатационных свойств отштампованных деталей.

10.В условиях опытного производства на НПП "Завод им. ВЛ.Климова" (Санкт-Петербург) спроектированы технологии ЭГИ штамповки трех наименований деталей типа "сильфон", что позволило в 3-г5 раз удешевить технологическую оснастку и в 2-ь2,5 раза сократить сроки подготовки производства.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Релаксационная калибровка и правка нежестких деталей электрогидравлической обработкой. /Б.В. Мериин, В Л. Вагин, В.Б. Гордиенко. //Перспективные технологические процессы обработки материалов. Тез. докл. Росс. науч. - техн. конф. - С.- Пб.: СПбГТУ, 1995.-С.66.

2. Определение технологической деформируемости металла на основе математического моделирования. /В.Е. Гордиенко,.Д.В. Смотраков. //Прогрессивные конструкции и технологии в машиностроении. Сб. науч. трудов студентов и аспирантов, N7. -С,-Пб.: СПбГТУ,-1996 г. -С. 32.

3. Анализ математических моделей электрогидроимпульсного деформирования цилиндрических оболочек. /В.А. Вагин, В.Е. Гордиенко, Б.В. Зотов, БА. Чихачев. //Электрофизические и электрохимические технологии: Тез. докл. Международной науч.- техн. конф. -С.- Пб., 1997. -С. 114.

4. Экспериментальная проверка математической модели электрогидроимпульсной раздачи цилиндрических оболочек. /В.Е. Гордиенко, A.B. Даниленко^/"Современные научные школы: перспективы развития" (часть 1). Молодежная научная конференция (в рамках XXVI Недели науки СПбГТУ), материалы докладов. - С.- Пб.: СПбГТУ, 1998г.-С.155.