автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Развитие теории и разработка прогрессивных технологий холодной объемной штамповки

На правах рукописи

005058289

Александров Александр Александрович

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И РАЗРАБОТКА ПРОГРЕССИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ХОЛОДНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ

Специальность 05.16.05 - Обработка металлов давлением

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

16 МАЙ 2013

Новокузнецк - 2013

005058289

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)».

Научный консультант —

доктор технических наук, профессор Евстифеев Владислав Викторович. Официальные оппоненты:

Володин Игорь Михайлович, доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», проректор по научной работе, зав. кафедрой механики пластического деформирования;

Перетятько Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», зав. кафедрой «Обработка металлов давлением и металловедение»;

Филиппов Юлиан Кириллович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)», профессор кафедры «Кузовостроение и обработка давлением».

Ведущая организация — ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».

Защита диссертации состоится 4 июня 2013 года в 10-00 на заседании диссертационного совета Д212.252.01 при Сибирском государственном индустриальном университете по адресу: 654007, Россия, г. Новокузнецк Кемеровской области, ул. Кирова, 42, ауд. ЗП. Факс: (3843) 465792; e-mail: ds21225201@sibsiu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».

Автореферат разослан « » & tS 2013 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Нохрина Ольга Ивановна

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы Перспективным направлением создания ресурсосберегающих технологий является применение способов штамповки, обеспечивающих получение изделия при приложении меньших деформирующих сил, что особенно значимо при использовании метода холодной объемной штамповки (ХОШ), позволяющего изготавливать поковки с формой, размерами и качеством, приближающимися или соответствующими готовым деталям, благодаря чему уменьшается или даже полностью исключается доработка резанием.

Проектирование малоотходных технологий ХОШ для получения изделий с заданными свойствами сопряжено с решением комплекса задач по определению условий устойчивого протекания процессов штамповки, нагрузок на инструмент, напряженно-деформированного состояния (НДС) и свойств штампуемой детали, выбору смазки, оптимальных технологических параметров и режимов обработки для повышения стойкости инструмента, предотвращения образования дефектов и т.д.

Потребность в улучшении технологий приводит к необходимости разработки новых и усовершенствованию существующих способов формообразования и штампового инструмента.

Изучение новых способов штамповки и резервных возможностей известных процессов пластической деформации металлов для поиска оптимальных режимов металлообработки требует проведения дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.

Применение планирования экспериментов, математического и компьютерного моделирования, а также систем автоматизированного проектирования, использование которых сокращает сроки и снижает стоимость технологической подготовки производства, позволяет научно обосновать, разработать и воплотить эффективные технические и технологические решения.

Актуальным и важным, как в теоретическом, так и практическом отношениях является повышение уровня и результативности проводимых исследований, чему способствует совершенствование известных и создание новых теоретических и экспериментальных методов обработки металлов давлением (ОМД).

Особый интерес для развития теории механики сплошной среды и деформируемого твердого тела может представлять определение и аналитическое описание геометрических условий, показывающих единство и связь результатов решений задач методами: линий скольжения (MJIC), верхней оценки (МВО) и нижней оценки (MHO), позволяющих выявить закономерности и уточнить результаты некоторых известных решений.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с Аналитическими целевыми программами министерства образования и науки Российской федерации «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2009-2011 г.г. (проект 2.1.2/5431) и на 2012-2014 г.г. (проект 7.1765.2011). В ней представлены некоторые из возможных решений указанных проблем. %

Цель работы — развитие научных основ и инженерных решений для разработки прогрессивных технологий холодной объемной штамповки, обеспечивающих экономию материальных, энергетических ресурсов и получение изделий с заданными свойствами.

Методы исследования Для достижения поставленной цели применены общие положения теории обработки металлов давлением и теории пластичности, базирующиеся на принципах механики сплошной среды.

В теоретических исследованиях процессов использовались аналитические и численные методы: вариационный энергетический, совместного решения дифференциальных уравнений равновесия и условия пластичности, линий скольжения, нижней и верхней оценки, конечных элементов.

При проведении экспериментальных исследований использовались методы: математического планирования эксперимента, координатных сеток, макроструктурного анализа, измерения твердости, тензометрирования.

Математическое и компьютерное моделирование, а также планирование, получение и обработка данных проводились с применением стандартных и специально разработанных компьютерных программ.

Задачи исследования:

1. Анализ актуальных направлений, методов и решений практических и теоретических задач для создания и реализации ресурсосберегающих технологий.

2. Разработка и обоснование графо-аналитической модификации метода верхней оценки для расчета силового режима и формоизменения заготовки в процессах плоской и осесимметричной деформации.

3. Создание на основе энергетических методов математических и компьютерных моделей для расчета процессов, определения их возможностей и поиска оптимальных режимов штамповки.

4. Экспериментальное исследование влияния технологических факторов на НДС и формоизменение металла при ХОШ осесимметричных изделий преимущественно способами, содержащими операции поперечного выдавливания и высадки.

5. Разработка теоретически и экспериментально обоснованных математических моделей для оценки условий предельного формоизменения без разрушения при холодном поперечном выдавливании фланцев с коническими и сферическими поверхностями.

6. Разработка на основе проведенных исследований новых технических и технологических решений, расширяющих возможности и повышающих конкурентоспособность изученных процессов, для создания прогрессивных технологий изготовления изделий методом ХОШ.

Научная новизна

1. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены новые сведения о технологических возможностях ряда перспективных процессов, представляющих преимущественно комбинированные и совмещенные способы ХОШ, включающие операции поперечного, прямого и обратного выдавливания, высадки, обжима и раздачи.

2. Для изучения процессов разработаны и усовершенствованы методики: оценки предельного формоизменения заготовки при холодном поперечном выдавливании фланцев с коническими и сферическими поверхностями; расчета нагрузок, действующих при штамповке на формообразующий инструмент; определения деформированного состояния штампуемой заготовки; проведения экспериментов, получения и обработки их результатов с использованием методов математической статистики и планирования экспериментов, тензометрии и компьютерных технологий с применением разработанных программ.

3. Разработана модификация МВО, реализующая графо-аналитический подход (с использованием предложенных формул и графических приемов) к вычислению энергетических затрат на пластическое формоизменение металла по геометрическим соотношениям треугольных блоков, для плоских и осесимметричных схем деформации.

4. С применением энергетических методов, включая разработанную графоаналитическую модификацию МВО, построены математические модели процессов, содержащих операцию поперечного выдавливания, которые позволяют рассчитывать силовой режим и формоизменение заготовок, упрочнение и предельную деформируемость металла, определять оптимальные режимы штамповки. Получены новые результаты, а также дополняющие и уточняющие известные теоретические решения.

5. Путем графо-аналитического сопоставления результатов установлена взаимосвязь между результатами предельных и оптимизационных решений задач о деформировании полосы и осадки тупого клина, полученных различными методами математической теории пластичности (МЛС, MHO и МВО). Впервые показаны геометрические условия, соответствующие оптимизационным результатам, отвечающим минимуму деформирующей силы; их связь с «золотой» пропорцией и семейством замечательных кривых (от строфоиды до окружности).

6. Разработаны математические модели:

- процессов поперечного и поперечно-прямого выдавливания, позволяющие с учетом свойств штампуемого материала и геометрических параметров инструмента, определить нагрузки, действующие на подвижный и неподвижный инструмент; рассчитать конечную форму деформируемой заготовки; прогнозировать образование трещин и утяжины для исключения этих дефектов при штамповке; установить максимально возможный диаметр изделия за один переход штамповки;

процессов комбинированного (поперечное, прямое и обратное) выдавливания изделий с полостями и фланцами из цилиндрических и кольцевых заготовок для расчета: силового режима штамповки; формоизменения заготовки; соотношений инструмента, обеспечивающих получение изделия необходимых размеров с приложением минимальной деформирующей силы.

Достоверность полученных результатов исследований обеспечивается применением апробированных теоретических и экспериментальных методов и технических средств. Результаты расчетов формоизменения, характеристик НДС и энергосиловых параметров подтверждены проведенными экспериментами в лабораторных и промышленных условиях, сопоставлением с известными

экспериментальными и теоретическими данными, оценкой погрешности экспериментов статистическими методами, а также успешным внедрением в производство созданных на основе исследований технологий. Достоверность и новизна технических решений подтверждена свидетельствами на изобретения.

На защиту выносятся:

1. Предложенная модификация МВО - метод «энергетической геометрии» (МЭГ), согласно которому скоростные, деформационные и энергосиловые параметры процесса определяются по геометрическим соотношениям сторон и высот треугольных блоков; математические модели процессов штамповки и результаты решений задач плоской и осесимметричной деформации, полученные с его применением.

2. Качественные и количественные зависимости, устанавливающие взаимосвязь между результатами предельного и замкнутого решений задач о деформировании полосы и тупого клина, полученные МВО, MHO и MJIC, а также зависимости, устанавливающие связь полученных оптимизационных результатов с «золотой» пропорцией и описываемые семейством гипоциссоид.

3. Разработанные и усовершенствованные методики: оценки условий предельного формоизменения без разрушения при холодном поперечном выдавливании фланцев с коническими и сферическими поверхностями; расчета сил, действующих при штамповке на деформирующий и на формообразующий инструмент; расчета с применением аппарата конечно-элементного анализа распределения интенсивности деформации по сечению деформируемой заготовки; проведения экспериментов по выдавливанию и высадке, получения и обработки их результатов с использованием методов планирования экспериментов и математической статистики, тензометрии и компьютерных технологий с применением разработанных программ.

4. Материалы экспериментальных исследований и зависимости, описывающие простые, комбинированные и совмещенные процессы ХОШ изделий с коническими поверхностями, включающие операции поперечного выдавливания и высадки, а также теоретические зависимости, полученные математическим и компьютерным моделированием с применением разработанных моделей, методик, алгоритмов и программ.

5. Новые технические и технологические решения, расширяющие возможности и повышающие конкурентоспособность изученных процессов.

Практическая ценность работы

1. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработаны научно-обоснованные методики проектирования технологических процессов изготовления осесимметричных полых и стержневых деталей.

2. Применение предложенного способа штамповки деталей с наружным и внутренним фланцами из трубных заготовок при создании и внедрении технологии в производство позволило увеличить коэффициент использования материала в 4,4 раза.

3. Разработанные математические модели процессов использованы при создании технологий ХОШ изделий с фланцами и полостями. Для реализации

способов выдавливания, высадки и обжима применены оригинальные технические решения.

4. Предложенная методика оценки поврежденности металла и прогнозирования разрушения при холодном поперечном выдавливании фланцев с коническими и сферическими поверхностями позволяет определить условия повышения запаса пластичности металла.

5. Для моделирования процессов штамповки, проведения инженерных и исследовательских расчетов, автоматизированного получения и обработки экспериментальных данных созданы компьютерные программы, реализующие расчетные методики, формулы и математические модели.

7. Выявленные геометрические закономерности оптимизационных решений позволили найти взаимосвязи и уточнить результаты решений некоторых известных задач математической теории пластичности. Это дало возможность их применения в качестве тестовых задач при разработке компьютерных программ, использующих в качестве вычислительного средства МВО.

8. Результаты работы используются в ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия» и ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет» при обучении студентов и магистрантов по машиностроительным и механическим специальностям.

Апробация работы Основные результаты и положения диссертационной работы представлялись, докладывались и обсуждались на следующих семинарах, совещаниях, конференциях и симпозиумах: научно-технич. конф. «Совершенствование конструирования, изготовления и эксплуатации штампов для холодной штамповки на предприятиях отрасли» — Барнаул, 1982.; научно-технич. конф. «Автоматизация штамповки и внедрение малоотходных процессов» — Омск, 1984; отраслевое совещ. по холодной объемной штамповке. — Белебей, 1987; семинар «Перспективы производства точных заготовок и деталей методами объемного деформирования», — Москва, 1990; Всеросс. научно-метод. конф. «Новые информационные технологии в системе многоуровневого обучения» — Н.Новгород, 1996; научно-технич. конф. «Развитие оборонно-промышленного комплекса на современном этапе» — Омск, 2003; II Международ, науч.-техн. конф. Механика пластического формоизменения. Технология и оборудование обработки материалов давлением — Тула, 2004; V Междунар. научно-технич. конф. «Динамика систем, механизмов и машин» — Омск, 2004; Всерос. научн. конф. молодых ученых «Наука, технологии, инновации» — Новосибирск, 2004; III Междунар. технологич. конгресс «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения» — Омск, 2005; VIII Междунар. симпозиума «Advances in Abrasive Technology» — С-Пб, 2005; Междунар. научно-технич. конф., поев. 50-летию ЛГТУ «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии» — Липецк, 2006; Всеросс. научно-технич. конф. «Прогрессивные технологические процессы, новые материалы и оборудование обработки металлов давлением» — Рыбинск, 2006; Всеросс. научно-технич. конф. «Роль механики в создании эффективных материалов, конструкций и машин XXI века» — Омск, 2006; 59-й Междунар. научно-технич. конф. ААИ: Автомобили, специальные и технологические машины для Сибири и Крайнего

Севера» - Омск, 2007; Всеросс. научно-практич. конф. «Металлургия новые технологии, управление, инновации и качество» - Новокузнецк, 2007; Междунар. научно-технич. конф. «Броня — 2008», Омск, 2008; VII Междунар. научно-технич. конф. «Динамика систем, механизмов и машин» - Омск, 2009; 69-й Междунар. научно-технич. конф. ААИ, Омск, 2010; 5-я Межрегион, научно-практич. конф. «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, модернизация, эксплуатация, боевая эффективность, наука и образование» «Броня-2010» Омск. 2010; Междунар. конгресс «Креативные подходы в образовательной, научной и производственной деятельности», Омск, 2010; Междунар. научно-технич. конф. «Новые наукоемкие технологии получения материалов и изделий повышенного качества методами обработки металлов давлением», Краматорск, 2011; II Междунар. научно-технич. конф. «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов и сплавов, Орск, 2011; Междунар. 66-я научно-практич. конф. СибАДИ, Омск, 2012.

Соответствие диссертации паспорту специальности

Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует следующим пунктам паспорта специальности 05.16.05 - Обработка металлов давлением:

п.1. Исследование и расчет деформационных, скоростных, силовых, температурных и других параметров разнообразных процессов обработки металлов, сплавов и композитов давлением.

п.2. Исследование процессов пластической деформации металлов, сплавов и композитов с помощью методов физического и математического моделирования. п.4. Оптимизация процессов и технологий обработки давлением для производства металлопродукции с заданными характеристиками качества, п.5. Математическое описание процессов пластической деформации металлов, сплавов и композитов с целью создания математических моделей, способов, процессов т технологий.

Личный вклад автора состоит в постановке и организации экспериментальных и теоретических исследований, непосредственном участии в их проведении, в анализе результатов исследований, в обобщении и обосновании всех защищаемых положений.

Публикации По теме диссертации опубликовано 70 работ в виде научных статей, трудов, материалов, докладов. В том числе в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией, опубликовано 22 работы. 54 работы опубликованы в соавторстве, 16 работ опубликовано лично автором, а также получены патент и 6 авторских свидетельств на изобретения, 4 свидетельства об отраслевой и государственной регистрации компьютерных программ.

Структура и объем работы Диссертация изложена на 327 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, основных выводов, приложений, содержит 15 таблиц, 200 рисунков и список литературы из 322 наименований.

Во введении кратко описана область исследования, основные положения и проблемы, определяющие актуальность и важность научных исследований по теме диссертационной работы, сформулированы цели и основные задачи, также отмечена научная новизна, практическая значимость и достоверность полученных результатов.

В первой главе «Актуальные направления, методы и решения практических и теоретических задач для создания и реализации ресурсосберегающих технологий холодной объемной штамповки» выполнен анализ теоретических и экспериментальных исследований отечественных и зарубежных ученых.

Анализ показал, что наибольший интерес для повышения эффективности изготовления изделий, учитывая специфичные особенности холодной пластической деформации металлов, представляют способы, требующие приложения наименьшей деформирующей силы. Расширению технологических возможностей комбинированных и совмещенных способов штамповки и снижению деформирующей силы способствует применение операции поперечного (радиального) выдавливания.

Совершенствование известных и разработка новых методов расчета процессов ОМД осуществляется, как в направлении формулирования качественных и приближенных количественных соотношений для оценки различных параметров на характеристики процесса пластического деформирования, так и в направлении создания программных комплексов на базе усложненных математических моделей.

Изучение работ по математической теории пластичности, механике твердого деформируемого тела и ОМД показало, что многие результаты оптимизационных и предельных решений задач связаны с «золотой» пропорцией. В известных работах авторы при анализе своих решений эту особенность явно не выделяют.

Вместе с тем, В.М. Сегалом замечено: «В теории пластичности, как и в других областях механики, постоянно ощущается острая необходимость в нахождении точных решений, являющихся своеобразными «реперными точками», на основе которых могут быть развиты приближенные методы решения задач и оценена их точность».

Для их поиска могут быть использованы и сами приближенные методы, например, графо-аналитический метод верхней оценки, являющийся приближенным энергетическим методом. Анализ известных решений полученных с его применением показал наличие резервных возможностей метода и перспективность создания на их основе графо-аналитической модификации МВО для нахождения точных решений.

На основании проведенного анализа актуальных направлений сформулированы задачи исследований.

Во второй главе представлена графо-аналитическая модификация МВО -метод «энергетической геометрии» (МЭГ) для расчета процессов пластического формоизменения металлов, позволяющая получить результат графическими построениями, используя которые, можно наглядно проводить сравнение с результатами решений другими графо-аналитическими методами

математической теории пластичности и ОМД. Особое внимание уделено анализу оптимизационных результатов.

Для вычисления энергетических затрат по основным геометрическим параметрам блоков были разработаны формулы, позволяющие определить, например, долю затрат удельной деформирующей силы на линиях разрыва скоростей треугольных блоков:

где 1ц— длины границ между блоками /' и у; /, и /, - длины сторон г'-го и у-го блоков параллельные линиям тока в этих треугольных блоках, И, и А, - высоты блоков; а — угол поворота линии тока на границе блоков г иТк = ц-тз, (0 < ц < 1).

На примерах процессов прямого и обратного выдавливания полых и стержневых изделий показана применимость этих формул для расчета составляющих относительной удельной силы и определения полного усилия на деформирующем инструменте, найдены оптимальные величины варьируемых параметров. Полученные результаты согласуются с известными решениями МВО, а значения, определяющие наименьшие величины относительных удельных сил, описываются числами «золотой» пропорции.

Различные аспекты решения задачи о деформировании полосы в клиновой матрице (редуцирование, прессование, волочение) и подобных ей задач с использованием простейшей кинематической схемы (очаг деформации представлен в виде одного треугольного блока) рассматривались в большом количестве работ отечественных и зарубежных ученых. Однако в известных работах, как правило, не проводился графический анализ результатов.

Графические приемы анализа результатов даны на примере оптимизационного решения задачи о волочении (прессовании) полосы в клиновой матрице с использованием простейшей кинематической схемы в соответствии с рисунком 1.

Ввиду симметричности схемы показана ее половина. Очаг деформации представлен треугольным блоком, одна из вершин которого находится на оси симметрии.

Оптимизационные результаты решения задачи с применением формул (1) и (2) показывают, что при угле матрицы, определяемом из выражения:

= О)

Рисунок 1 — Расчетная схема

оптимальная величина удельной силы описывается уравнением

-АЛ-• (4)

Эти результаты согласуются с известными решениями этой задачи МВО и его конечно-элементной модификацией с применением функций тока.

Однако в известных решениях ранее не отмечалось, что значение силы, определяемое по (4), также может быть получено из уравнения:

РорI = ■ (5)

Геометрические условия, соответствующие расчетному минимуму значений относительной удельной силы для данной кинематики течения, представлены на рисунке 2. Оптимальные соотношения при одинаковой величине обжатия отвечают предельным значениям коэффициента ц = 0 (рисунок 2а) и ц = 1 (рисунок 26), который в этом случае может быть определен по уравнению:

^ = (п - ш) / (п + ш),

где шип- расстояния от входного и выходного сечений матрицы до вершины очага деформации на оси в соответствии с рисунком 2.

Ь. 5 П ( Ь; 1 <

ГП п

при /Л — 0 при [I — 1

Рисунок 2 — Геометрия очага при оптимизационном решении

Анализ уравнения (4) и графиков изменения относительной удельной деформирующей силы р/2к в зависимости от е = (Ь|-113)/Ь] для различных углов матрицы, показал, что расчетный минимум силы достигается при высоте очага деформации Ъг равной среднегеометрической величине от значений толщины полосы до и после деформации при нулевом трении для любого угла матрицы.

На рисунке 3 представлен типовой вид расчетных кривых, показывающих изменение составляющих относительной удельной силы деформирования в зависимости от положения вершины (расстояния от выходного сечения) при деформировании заготовки в гладкой матрице (ц = 0).

Обе кривые имеют одинаковый минимум, значение которого соответствует величине:

р/2к = 2^(а / 2). (6)

Она увеличивается от 0 до 2 при изменении угла матрицы а от 0° до 90°, что показывает график в соответствии с рисунком 36, и описывается числами «золотой» пропорции. В полярной системе координат этот график имеет вид удвоенной строфоиды.

а - в зависимости от положения на оси вершины очага деформации; б - в зависимости от угла а при ц = 0.

Рисунок 3 - Минимальные значения относительной удельной силы р/2к

Оптимальные соотношения между скоростями одинаковы при одинаковых величинах коэффициента трения, т.е. не зависят от величины угла матрицы (концы векторов скоростей на годографе лежат на окружностях).

Нижняя оценка величины деформирующей силы (для гладкой матрицы), полученная У. Джонсоном при решении этой задачи MHO с построением кругов Мора:

р = 2k(l + sin a)r ; (7)

где г = (h\ —h3)/hi.

Расчеты по (5) и (7) показывают, что при одинаковых геометрических соотношениях матрицы и очага деформации в соответствии с рисунком 2а усилия, определяемые по МВО - минимальны, а напряжения по MHO -максимальны. Однако в этом случае выражение (7) можно представить так:

p = 4ksina. (8)

Из (5) и (8) видно, что расхождение определяется функцией угла.

С использованием расчетной схемы (рисунок 4) и формул (1) и (2) получено уравнение для определения минимальной верхней оценки относительной удельной силы осадки клина:

Pmin = 4rstga •b/(b-á) = 4rstgaIr. (9)

Оно легко сопоставимо, как с известным (В. Прагер и Ф.Г. Ходж) результатом решения этой задачи MHO:

р = 2k(l + sin а), который в данном случае можно записать

р = 4¿ sin а / г, так с и уравнением (5) предыдущей задачи.

по МВО

по MHO

а — расчетная схема; б - оптимальные соотношения. Рисунок 4 - Схема осадки клина

Верхняя оценка Нижняя оценка

р/2к = 2tga/r ' \\\

!

р/2к = 2-sirta /г \ \ \

h =а +Ь

Отметим, что при этом геометрические соотношения клина полностью совпадают и отвечают условиям в соответствии с рисунком 2а и рисунком 6. Идентичность оптимальных геометрических соотношений, полученных в решениях задач MHO и МВО, указывает на то, что они описываются единой кривой.

Путем совмещения плоскости годографа скоростей и физической плоскости построены кривые, отвечающие полному минимуму удельной силы при заданной величине обжатия. Выявлено, что в соответствии с рисунком 5а эти кривые являются кривыми третьего порядка - гипоциссоидами. Форма петли, образуемой левой ветвью кривой, изменяется от строфоиды при ц = 0 до окружности при ц = 1. В соответствии с рисунком 56 значения максимумов левых ветвей гипоциссоид при 0 < ц < 1, отвечают кубическому уравнению «золотой» пропорции. Действительные корни этого уравнения, определяющего значения максимумов, равны:

1; 3/2+ 1/2-2,618034; 3/2- 1/2-V5- 0,381966. Следовательно, уравнение может быть представлено в следующем виде: М(х) = {х-1) • [х-- (1,5 + V5 / 2)] • [х - (1,5-л/5/2)].

Отмечена аналогия с известными кривыми, используемыми в расчетах задач газо- и гидродинамики.

Проведено сравнение результатов решений аналогичных задач ОМД методами нижней оценки (В. Прагер и Ф.Г. Ходж, У. Джонсон и П. Меллор, Л.Г. Степанский и др.) и линий скольжения (Р. Хилл, В.В. Соколовский, A.A. Ильюшин, А.Д. Томлёнов, И.П. Ренне и др.), получены уравнения и построены кривые, отображающие их взаимосвязь.

В рассмотренных примерах приведены графические построения, соответствующие результатам оптимальных и замкнутых решений, определены геометрические соотношения оптимума и показано, что они выражаются числами «золотой» пропорции.

а) о;

а - семейство гипоциссоид; б - максимумы их ветвей в зависимости от ц.

Рисунок 5 - Построение кривых по результатам оптимизационного решения

На рисунке 6 представлен вид кривых, показывающих связь между решениями задачи о деформировании полосы в гладкой матрице оценочными методами и методом линий скольжения. Где решениям МВО и MHO соответствуют ветви строфоиды, а решению МЛС - кривые (рисунок 6а и рисунок 66), которые в полярной системе координат описываются взаимообратными уравнениями:

_ 1 + sin а _ cos а(1 + 2 sin а)

^ cosa(l + 2sino:) ' ^ 1 + sina

строфоида

строфоида

а) б)

Рисунок 6 — Кривые, построенные по результатам решений задачи о деформации полосы в гладкой матрице (ц = 0) и осадке тупого клина оценочными методами (строфоида) и методом линий скольжения

С использованием МВО и предложенной модификации была разработана программа для моделирования процессов ОМД в виде подключаемого модуля системы «Компас». Она позволяет производить силовые и кинематические расчеты процессов штамповки. В соответствии с рисунком 10 показан вид окон графического модуля при расчете процесса поперечно-прямого выдавливания.

а) - схема процесса; б) — режим вывода процесса со значениями затрат мощности на границах блоков; в) - режим вывода годографа скоростей

Рисунок 7 - Вид окон графического модуля при расчете процесса поперечно-

прямого выдавливания

В третьей главе «Теоретический анализ процессов ХОИ1 осесимметричных изделий» приведены разработанные методики и математические модели для расчета сил, действующих на формообразующий инструмент в процессах, пластического формоизменения заготовок поперечным, поперечно-прямым, прямым, обратным, а также комбинированным способами выдавливания и высадки, разнообразных по конфигурации изделий.

Одним из перспективных направлений для совершенствования технологий ХОШ является использование комбинированных и совмещенных способов, сочетающих нескольких штамповочных операций.

Применение комбинированных способов штамповки позволяет расширить номенклатуру штампуемых деталей, обеспечивает получение изделий сложной формы с приложением меньших деформирующих сил и сокращение числа штамповочных переходов.

С применением вариационно-энергетических методов разработаны математические модели процессов, включающих операцию поперечного выдавливания, а именно: поперечного выдавливания наружных и внутренних фланцев и утолщений с коническими поверхностями; штамповки полых изделий совмещенным (поперечно-прямое) и комбинированным (поперечно-прямое и обратное, поперечное и обратное) выдавливанием.

Для оценки влияния формы и размеров инструментов на технологические параметры процессов, в расчетных схемах деформируемая заготовка разбивалась на треугольные и четырехугольные зоны. Использовались разрывные поля

скоростей и следующие допущения: материал заготовки жестко-пластический; скорость деформирующего инструмента постоянна; напряжение сдвига на границах зон соответствует условию текучести Р. Мизеса, т^ст/ТЗ; а напряжение контактного трения гд. = 2//г5 - закону трения Э. Зибеля (0< ¡и< 0,5). Линии тока в треугольных блоках задавались параллельными прилежащим поверхностям инструмента.

Эффективность процесса штамповки полых изделий последовательным поперечно-прямым выдавливанием обусловлена значительным снижением деформирующей силы (в 2-3 раза) по сравнению с простыми процессами прямого и обратного выдавливания. Использование операции поперечного выдавливания в зазор между коническими поверхностями инструмента на стадии формообразования донной части полого изделия при холодном поперечно-прямом выдавливании позволяет получить изделия большего диаметра за счет увеличения ресурса пластичности материала. Качество оформления выдавливаемого изделия повышается, если толщина стенки стакана не превышает наименьшую толщину его донной части.

При расчете технологической силы поперечно-прямого выдавливания рассматривалась установившаяся стадия процесса с выходом металла за калибрующий поясок контрпуансона в соответствии с рисунком 8а.

Кинематически возможные поля скоростей перемещения частиц металла, описывающие радиальные Ур и осевые Уг составляющие скоростей, в зонах 1-5, с учетом граничных условий и условия несжимаемости материала, задавались в виде разрывных функций. Траектории перемещения частиц металла в третьей зоне задавались уравнением: г = +(р-/?о)'с'Я"<Р> гДе <Р - угол, определяющий эту траекторию.

Интенсивности скоростей деформаций сдвига Н,) в пластических зонах, рассчитывались по известным уравнениям и соотношениям Коши. Подстановкой /// и величин разрывов скоростей на соответствующих поверхностях в интегральные уравнения мощностей получены выражения составляющих полной мощности процесса и технологической силы на пуансоне.

Реактивные силы, воспринимаемые неподвижными частями инструмента -матрицей и контрпуансоном, определялись по методике, близкой к методике Л.Г. Степанского, предложившего вычислять мощности, развиваемые реактивными силами со стороны неподвижных частей штампа, условно задав им малые виртуальные скорости перемещений. Анализ известной методики позволил заключить, что возможно определение реактивных усилий на матрице и контрпуансоне раздельно от основного расчета силы деформирования. Такой подход подразумевает принятие реактивных сил — деформирующими, что с одной стороны завышает величину вычисляемых сил, а с другой стороны, позволяет использовать получаемые выражения мощностей при расчетах более широкого круга процессов объемной штамповки. Устранение указанного завышения осуществляется введением коэффициента, позволяющего согласовать по граничным условиям кинематически возможную скорость перемещения частиц металла при выдавливании.

Расчетные схемы показаны в соответствии с рисунком 8а. Задавая матрице скорость перемещения Ум в осевом направлении, совпадающим с направлением движения пуансона, считаем, что пуансон во время перемещения матрицы остается условно неподвижным. Оставляя прежнюю нумерацию зон, процесс рассматривался с учетом того, что зоны 1, 2 и 5 - жесткие, а 3 и 4 - пластические.

По уравнению баланса мощностей определена суммарная мощность внешних сил, развиваемая реактивной силой на конической поверхности матрицы при скорости Ум. Расчет распирающей силы на матрице проводили в последовательности аналогично расчету деформирующей силы на пуансоне.

Подобным образом, заданием скорости Ук, определены суммарная мощность и соответствующая ей реактивная сила на контрпуансоне.

Расчет сил, действующих на формообразующий инструмент, показал, что наибольшая сила действует на контрпуансон, а наименьшая на пуансон. Сила на матрице определяется разностью сил на контрпуансоне и на пуансоне.

С использованием полученных выражений для определения затрат мощности при поперечном и поперечно-прямом выдавливании разработаны математические модели аналогичных процессов выдавливания изделий в штампе с подвижной матрицей.

При сочетании операций поперечного, прямого и обратного выдавливания в соответствии с рисунком 86 реализуется схема штамповки с двумя очагами пластической деформации (1-2; 5-6-7), которые могут разделяться жесткой зоной 4, и двумя степенями свободы течения металла.

Ям

а)

Ям

б)

а - поперечно-прямого; б - комбинированного выдавливания.

Рисунок 8 - Расчетные схемы процессов выдавливания

Разработанная математическая модель процесса комбинированного выдавливания учитывает все характерные его стадии. Сравнение теоретических результатов с данными эксперимента показало, что она позволяет с достаточной точностью рассчитывать силовой режим и формоизменение деформируемой заготовки при получении изделия с двумя полостями, как со ступенчатой, так и с гладкой наружной поверхностью.

Кинематика течения металла в процессах штамповки осесимметричных заготовок описывалась разрывными полями скоростей применением четырех и треугольных блоков. В последнем случае использовался предложенный вид уравнений для вычисления скорости сдвиговой деформации

где а - угол между осью Ъ и направлением скорости в ¡-той пластической зоне.

С применением вариационного энергетического метода и расчетной схемы в соответствии с рисунком 9 разработана математическая модель процесса поперечного выдавливании конических фланцев (утолщений) на трубной заготовке, позволяющая определять технологическое усилие и формоизменение заготовки от хода пуансона.

Показано, что затраты мощностей на границах между зонами внутри заготовки и на контактных границах между заготовкой и инструментом могут вычисляться через геометрические соотношения треугольных блоков, например:

где Ь5б - длина границы между зонами 5 и 6; Ь5 - длина образующей контактной поверхности зоны 5 и матрицы 9; Ь5 - высота зоны 5 к этой образующей.

Обозначения остальных геометрических параметров даны на рисунке 9.

иер ОУ- , _ „ .

и интенсивности скоростей деформации сдвига

Н = + +£) + Щрс18а +

Рисунок 9 — Расчетная схема выдавливания наружного и внутреннего фланцев на трубной заготовке

При одновременном выдавливании металла во внутренний и наружный фланцы в очаге деформации имеется граница раздела течения г0 (п < г0 < г2), являющаяся при расчете варьируемым параметром. Радиус границы г0, разделяющей два направления течения металла, находили, используя вариационный принцип возможных изменений деформированного состояния по условию минимального усилия на пуансоне, соответствующего минимуму полной мощности деформации.

Приращение объемов наружного и внутреннего фланцев на каждом расчетном шаге хода пуансона определяли из соотношения кольцевых площадей, задаваемого величиной г0.

Величина относительной удельной силы вычислялась по уравнению:

^ а5У0(г22-Г12)"

Типовые графики изменения относительной удельной силы, радиусов границы раздела течения металла, а также внутреннего и наружного фланца в зависимости от хода пуансона представлены на рисунке 10.

Для осуществления данного способа выдавливания (на прессе простого действия) разработан штамп (а.с. № 1355341), позволяющий получать изделия с коническими, цилиндрическими, ступенчатыми фланцами и утолщениями.

а - радиус границы раздела течения металла; б - относительное удельное усилие; в - радиус внутреннего фланца; г - радиус наружного фланца (П = 20 мм., г2 =25 мм., а = 80°, р = 80°, ц = 0,25)

Рисунок 10 - Графики изменения параметров процесса выдавливания фланцев на трубной заготовке в зависимости от величины хода пуансона и начальной высоты зазора Н

Также приведены примеры расчетов с применением треугольных в плане блоков процессов прямого выдавливания в конической матрице, поперечного выдавливания фланцев и поперечно-прямого выдавливания полых изделий. Они показывают, что аналогично расчетам МВО с жесткими блоками, энергетические затраты на пластическое формоизменение заготовки определяются с использованием отношения l/h треугольных блоков.

Известно, что выдавливание металла в сужающийся зазор повышает ресурс пластичности материала за счет снижения влияния растягивающих напряжений на свободной поверхности (кромке). Теоретические и экспериментальные данные по изучению деформируемости металлов и силового режима при холодном выдавливании полых изделий в суживающийся зазор с коническими поверхностями приведены в работах А.Э. Артеса, A.M. Дмитриева, В.В. Евстифеева, А.Г. Овчинникова, Г.П. Подколзина, Е.С. Серова и др.

В развитие этих исследований, базируясь на феноменологической теории разрушения B.JI. Колмогорова, разработана методика оценки поврежденности металла и прогнозирования разрушения при поперечном выдавливании фланцев с коническими и сферическими поверхностями. Согласно методике для определения условий, повышающих коэффициент предельной деформации, последовательно производится: расчет обобщенных показателей НДС вдоль траекторий движения частиц металла кромки; выявление траектории, где наиболее вероятно нарушение сплошности материала; определение запаса пластичности данного материала с учетом характера развития деформации и диаграммы пластичности; установление оптимальных параметров формообразующего инструмента.

Расчетная схема процесса выдавливания конического фланца представлена в соответствии с рисунком 11а. Пластическая деформация охватывает объемы заготовки: находящийся в контейнерной части матрицы на уровне входного сечения щели (2); и обжимаемый в самой щели (3).

В зоне фланца кинематически возможное поле скоростей задано траекториями перемещения частиц металла вида z = zq +{р- Ro)ctg(p, а радиальная составляющая скорости Крз = f(p) ■

Для удобства расчетов все линейные размеры, определяющие форму фланца, отнесены к R0'- K=p/R0\ S=hr/RQ; X=ht/R0. По радиальной и осевой составляющим скорости перемещения частиц металла во фланце вычисляли интенсивность скоростей деформации сдвига Н.

Учитывая нестационарность процесса, в качестве показателя деформированного состояния использована степень деформации сдвига А.

А = ]н{К)-^К.

1 v Р

В качестве показателя напряженного состояния принято относительное гидростатическое давление и/Т, являющееся критерием жесткости схемы деформирования.

Расчет обобщенных показателей НДС металла на кромке фланца показал, что траектория перемещения частиц металла, прилежащая к конической поверхности матрицы является наиболее опасной, с точки зрения разрушения кромки.

Предельная степень деформации сдвига ЛР вдоль этой траектории, при аппроксимации диаграмм пластичности линейными функциями, определена выражением:

Л^ = А + 2В(5 - тК) / -/(4 + - К ■ от) + 4 ■ К ■ 5 • от,

где А и В — коэффициенты аппроксимации диаграммы пластичности.

Предельное значение коэффициента выдавливания Кр находится из условия:

КР М

1- \ -—-йК = О,

\ КБ(а4М +2В(5-тК)

где М = (4+с^а){/5 — К-т) + 4-К-Б-т.

Получены расчетные зависимости ресурса пластичности материала и предельного коэффициента выдавливания в зависимости от геометрических параметров формообразующего инструмента для различных материалов.

Например, при поперечном выдавливании стальных и медных изделий при изменении X от 0,5 до 2,5 (с шагом 0,5) и а от 50° до 90° (с шагом 5°) отмечено, что при а = (90-75)° максимальные значения Кп соответствуют X ~ 0,5; при а = (75-65)° максимум на кривых Кп- X находятся в области 1,0 < X < 1,5; при

а = (65-50)° Кп max приходится на 1,0 < X < 1,5. При выдавливании изделий с цилиндрическим фланцем Кп равен 1,6 для стали и 2,4 для меди.

В соответствии с рисунком 12 результаты экспериментов по определению предельной деформируемости металла при холодном поперечном выдавливании, проведенные с применение заготовок из алюминиевого сплава АВ, показали, что выдавливание в коническую щель (верхний ряд) значительно увеличивает возможность набора металла и получения развитых фланцев высокого качества, а выдавливание в щель постоянной высоты (нижний ряд) ограничено появлением трещин. Были определены значения предельного коэффициента выдавливания в зависимости от угла конуса матрицы, который варьировался от 70° до 90°, и величины начального зазора. Найдены соотношения инструмента, обеспечивающие получение наибольших по диаметру изделий.

Рисунок 12 - Вид фланцев, полученных поперечным выдавливанием металла в уменьшающийся и постоянный по высоте кольцевой зазор

На рисунке 13 представлено изменение величины предельного коэффициента выдавливания Кп, при выдавливании конических фланцев (сплав АВ) в зависимости от относительного начального зазора X и угла конусности матрицы а. Сравнение теоретических и экспериментальных данных показало их удовлетворительное соответствие.

Кп

4

3,5 3

2,5 2

1,5 1

70 75 80 й, ФЗД.

расчет (-), эксперимент (---)

Рисунок 13 - Зависимости коэффициента Кп от угла а и величины X при р = 90°

Л=1,5

— — 1— Л=1

Также получены математические выражения для оценки запаса пластичности металла выдавливаемого в зазор, образуемый сферическими поверхностями инструмента (рисунок 116), применимые к расчетам процессов поперечного выдавливания фланцев и поперечно-прямого выдавливания полуфабрикатов для получения шаровых пальцев с пустотелой сферической головкой (рисунок 14).

В четвертой главе «Экспериментальные исследования процессов ХОШ осесимметричных изделий» представлены данные экспериментальных исследований процессов поперечного, поперечно-прямого выдавливания полых изделий, обжима и высадки конических фланцев на трубных заготовках.

Натурное исследование процесса поперечно-прямого выдавливания (рисунок 15) осуществлялось с привлечением метода математического планирования многофакторных экспериментов. Описана методика их проведения с использованием регистрирующей аппаратуры для измерения сил, действующих на формообразующий инструмент, примененная оснастка и полученные результаты.

По данным опытов получены регрессионные зависимости сил на пуансоне матрице и контрпуансоне, учитывающие влияние основных факторов, а именно: угла конуса матрицы а, угла конуса контрпуансона (3, относительных величин высотных и диаметральных зазоров между матрицей и контрпуансоном, соотношения диаметральных размеров матрицы и контрпуансона, высоту заготовки в контейнерной части матрицы.

В процессе поперечно-прямого выдавливания в донной части изделия, прилегающей к контрпуансону, может образовываться центральная утяжина. Путем поэтапного деформирования заготовки (рисунок 15) была получена соответствующая картина формообразования стакана, зарождения и роста утяжины. Последовательно прослежены две основные стадии процесса: образование фланца и формирование стенки изделия. На первой стадии при

Рисунок 14 — Схема формовки пустотелой шаровой головки с применением поперечно-прямого выдавливания

Рисунок 15 — Стадии процесса поперечно-прямого выдавливания

любых соотношениях инструмента утяжина не образуется. Момент зарождения утяжины совпадает с началом формирования стенки стакана. Определены соотношения формообразующего инструмента, при которых утяжина образуется. Выявлено, что увеличение трения приводит к уменьшению величины утяжины.

На стадии поперечного выдавливания возможно образование трещин на кромке фланца, однако неглубокие трещины, образовавшиеся вблизи боковой стенки матрицы, на стадии формирования стенки изделия в дальнейшем не развиваются и не влияют на качество.

Области интенсивного трения заготовки в контейнерной части матрицы (со стороны пуансона и со стороны расширяющейся части матрицы) по высоте не превосходили диаметрального размера заготовки, т.е. их максимальная суммарная высота не превышала двух диаметров исходной заготовки.

Установлено, что сила, действующая на контрпуансон, с достаточной точностью определяется суммой деформирующей силы и силы раскрытия матрицы.

Для сравнения теоретических результатов с экспериментами использовались регрессионные зависимости, полученные по методике обработки многофакторных экспериментов, где в качестве исходных данных были взяты значения сил, найденные при решении задачи методом мощностей.

На рисунке 16 показаны графики теоретических и экспериментальных значений сил, действующих на пуансон, матрицу и контрпуансон при поперечно-прямом выдавливании, построенные по регрессионным зависимостям. Полученные результаты согласуются с данными экспериментальных исследований, проведенных в Штутгартском университете (Германия).

т=0,18; ctg ß = 0,18; S,=I,2; R=2,5; h=0,5; H=2 Рисунок 16 - Экспериментальные (П, M, К) и теоретические (Пт, Мт, Кт) зависимости сил от параметра S2

Для отработки технологий, включающих операцию холодного закрытого обжима толстостенных трубных заготовок, были проведены эксперименты на стальных образцах с различной относительной толщиной стенки заготовки в зависимости от угла конуса матрицы.

По результатам опытов построены зависимости и выявлены закономерности, связывающие силовые параметры и формоизменение при обжиме трубных заготовок. Их использование показало, что они с достаточной для практики точностью позволяют прогнозировать геометрию инструмента и конечную форму деформированной заготовки при разработке процессов, включающих данную технологическую операцию («Холодная штамповка заготовки "цапфы оси" тракторного прицепа» / В.В. Евстифеев и др. // Кузнечно-штамповочное производство. - 1987. -№ 9. - С. 11-12).

При натурном моделировании в лабораторных условиях процессов комбинированного выдавливания изделий из "высоких" цилиндрических заготовок (отношение высоты к диаметру больше 1,5), а также выдавливания и высадки фланцев на полых цилиндрических заготовках для изучения деформированного состояния заготовок использовался экспериментально-аналитический метод делительных сеток.

Распределение интенсивности деформаций рассчитывалось с применением усовершенствованного варианта методики В.В. Евстифеева и В.В. Требина, реализующей математический аппарат конечно-элементного анализа, по искажению делительной сетки, нанесенной на экспериментальные образцы, составленные из двух половин.

Четырехугольные элементы координатной сетки в соответствии с рисунком 17 условно делятся на треугольные. Перемещения U и V в направлении осей R и Z внутри каждого треугольного элемента аппроксимируются линейными функциями:

U = aj +0С2 R +а3 Z, V = a4+ а5 R+а6 Z, где R и Z - начальные координаты точки внутри элемента, а!-а6- коэффициенты аппроксимации, причем а] и сц соответствуют величине смещения элемента без деформации по осям R и Z.

Коэффициенты аппроксимации для элемента ABC определяются из двух матричных уравнений -

1 ra zA «1 uA 1 ra zA оц VA

1 rb zB x tx2 = UB 1 rb zB x «5 = VB

1 rc ZC a3 Uc 1 rc Zc 4 VC

решая, которые получим значения коэффициентов аппроксимации:

«1 = [иА(Квгс -гвяс) + ив^сгА -г^А) + ис(яАгв - гАкв)]/А; <*2 = [иА(2в-2с) + ив(2С"2А) + ис(2А-гв)]/Д;

<*3 = [иА (Яс - *в) + иВ(Яд - Яс) + - RA)]/Д ;

«4 = [Уа(яв2с - 2вК-с) + -гсяА) + Ус^Агв - zARв)]/A;

<*5 = К(гв -гс) + ув(гс-гА) + ус(гА -гв)]/д;

«6 = К (яс - *в) + ^ (я А - яс) + ус(кв - )М> где индексы А, В, С при Я, Z, и, V — обозначают соответствие значений вершинам треугольных элементов, А - определитель матрицы.

Аналогично находятся коэффициенты для узлов других элементов.

Деформации вычисляются по известным формулам Коши:

аи ЗУ Эи 5У

£г=^Г = а2> £г=^г = а6> Угг + —= а3+а5

Эг

Из условия постоянства

ЄЄ =-єг ~єг = ~а2 ~а6-

Интенсивность деформаций

дг дг

объема находится окружная деформация

Е1 =Л/4(а22 +а2а6 +а62) + (а3 +а5)2/л/з.

В зависимости от типа расположения узла (в соответствии с рисунком 16) значение интенсивности деформаций рассчитывали по уравнениям, которые в отличие от известной методики, учитывают действительные величины углов при вершинах элементов с общим узлом:

Р1в! +Р2в2 +Р353 +Р4Ё4 +Р5Е5 +Рб£6 Р1+Р2+РЗ+Р4+Р5+Р6

в узле А

ЄА ="

в узле В

ЄВ =

Р5Є5 +Р6Є6 .

в узле С Єс =

Ріє1 +Р6£6 +Р7£7

Р5+Рб ' " " Р1+Р6+Р7

где Рь р2, Рз, Р4, Р5, Рб, р7 - углы между сторонами треугольных элементов координатной сетки деформируемого тела в общем для этих элементов узле.

Это позволяет использовать сетки с любой первоначальной конфигурацией, повысить точность результатов при снижении трудоемкости их получения. Обработка опытных данных производилась с помощью компьютерной техники и специально разработанных программных модулей для экспорта данных (координат узловых точек) и для вычисления интенсивности деформации и визуализации результатов расчета.

Вид одного из экспериментальных образцов, полученных комбинированным выдавливанием, а также рассчитанное по предложенной методике распределение интенсивности деформации по сечению образца показаны на рисунке 18.

/ /

; 7 / 1 2 / / 3 /

; в / '5 V у/ 8 /

■та

т

Рисунок 17 - Схема к расчету интенсивности деформации Рисунок 18 — Вид деформированного образца с делительной сеткой и

распределение интенсивности деформации по его сечению

На примере процесса многоканального прессования показано, что применение этой методики для вычисления распределения деформаций по

сечению заготовки повышает информативность и наглядность представления результатов расчетов, проводимых МВО с применением жестких блоков.

В работе описан разработанный способ штамповки фланцев (а.с. № 1355339). Фланцы на трубной заготовке получают высадкой, выступающей из матрицы части, за два перехода. Преимущественный набор металла в наружный или внутренний фланец обеспечивается за счет деформирования на первом переходе коническим пуансоном: вогнутым или выпуклым, а на втором переходе плоским. Проведено экспериментальное исследование процесса с применением тензометрической аппаратуры и постадийного деформирования заготовок из стали и алюминиевых сплавов. Получены данные о силовых режимах процессов и формоизменении заготовок.

Компьютерное моделирование силового режима, формоизменения заготовки и распределения интенсивности деформаций по ее сечению показало соответствие теоретических и экспериментальных данных.

В пятой главе «Разработка технологий ХОШ с применением математического и компьютерного моделирования процессов» описаны разработанные технологии ХОШ и технические решения для их осуществления, а также разработанные программы, использованные для моделирования процессов штамповки и реализации методики проведения экспериментов с применением компьютерных технологий, полученные результаты и их сравнение с экспериментальными данными.

Приведены разработанные компьютерные программы, реализующие предложенные расчетные методики и предназначенные для моделирования процессов ОМД, преимущественно ХОШ: система расчета процессов обработки металлов давлением, реализующая в качестве вычислительного средства МВО; система моделирования процессов ХОШ, включающая модули процессов штамповки, для их расчета вариационно-энергетическими методами с выдачей данных о формоизменении заготовки и силовом режиме; модуль для расчета накопленной поврежден ности при холодном выдавливании металла в сужающийся зазор и др. Автоматизированная компьютерная обработка экспериментальных данных, полученных с использованием метода делительных сеток, проводилась с применением графического редактора «Компас» и разработанных программ.

Образцы с нанесенной делительной сеткой сканировались до и после деформации (рисунок 19).

Рисунок 19 — Сканированные изображения исходной и деформированной заготовки с нанесенными в «Компасе» узловыми точками

На сканированное изображение образца с помощью «Компаса» в узлах сетки наносились точки. Далее информация о списке и координатах узловых точек, посредством текстового файла, созданного с применением разработанного

модуля экспорта, передавалось через буфер обмена Windows в программу вычисления интенсивности деформации.

На рисунке 20 показаны этапы работы программы при расчете деформаций.

а - вывод координат узлов; б - генерация сети треугольных элементов; г - расчет интенсивности деформации

Рисунок 20 — Вид графического окна программы

С ее использованием проведено компьютерное моделирование высадки фланцев на трубной заготовке коническими пуансонами, показавшее хорошую сходимость результатов с экспериментальными данными по формоизменению заготовки в соответствии с рисунками 21-24. По величине деформирующей силы расхождение составляло до 15 % в сторону завышения.

м

Рисунок 21 - Вид экспериментальных образцов (сталь 10), деформированных коническими (вогнутыми) пуансонами с углами а = 10°; 20°; 30° и 40°

І

.

Рисунок 22 - Расчетное формоизменение заготовок деформированных коническими (вогнутыми) пуансонами с углами а = 10°; 20°; 30° и 40°

ЯййннмяМЁЧР Т.......................... " —

Рисунок 23 - Вид экспериментальных образцов (сталь 10), деформированных коническими (выпуклыми) пуансонами с углами а = 10°; 20°; 30°

Рисунок 24 - Расчетное формоизменение заготовок деформированных коническими (выпуклыми) пуансонами с углами а= 10°; 20°; 30°

Разработаны и реализованы при производстве фланцев одно- и двухпереходные способы высадки из кольцевых и трубных заготовок в соответствии с рисунком 25, обеспечивающие преимущественный набор металла

в наружный или внутренний фланец (утолщение) за счет: поддержки, выступающей из матрицы, части заготовки (рисунок 25а); деформирования на первом переходе коническим пуансоном: вогнутым (рисунок 256) или выпуклым (рисунок 25в), а на втором переходе плоским; поэлементной штамповки сначала наружного (рисунок 25г, 25е), а затем внутреннего (рисунок 25д, 25ж), воздействием на части торца кольцевой заготовки, коаксиально расположенными кольцевым и цилиндрическим пуансонами. Их применение способствовало сокращению числа переходов штамповки и получению изделий на кузнечно-прессовом оборудовании меньшего усилия.

б) в) г) д) е) ж)

Рисунок 25 — Способы высадки фланцев на трубных заготовках

Результаты исследований использованы при разработке технологических процессов изготовления различного типа деталей из сталей и цветных сплавов. Описан ряд технологий ХОШ, внедренных в производство.

Применение предложенного способа штамповки фланцев (а.с. № 1355339) при изготовлении детали «фланец» из меди МЗ (рисунок 26 и 276) с наружным диаметром 120 мм увеличило коэффициент использования материала в 4,4 раза.

а - высадка коническим пуансоном; б - высадка плоским пуансоном Рисунок 26 — Переходы высадки фланца на трубной заготовке

Сравнением результатов компьютерного моделирования по изменению деформированного состояния трубной заготовки при закрытом обжиме с экспериментальными данными изменения твердости по сечению поковки «цапфа оси» автотракторного прицепа массой свыше 11 кг (рисунок 27а) показана обоснованность замены стали 35 на сталь 20 за счет упрочнения металла и перевода с технологии горячей объемной штамповки на ХОШ.

С применением полученных теоретических и экспериментальных данных о процессах поперечного, поперечно-прямого, высадки, закрытого обжима спроектированы, внедренные в производство, процессы изготовления деталей различного типа (рисунок 27).

Для реализации комбинированных и совмещенных способов ХОШ, включающих операции выдавливания, высадки и обжима разработаны штампы

оригинальных конструкции, новизна которых подтверждена авторскими свидетельствами (а.с. №№ 1323181, 1355341, 1593774, 1593775, 1736669).

Шй

а)

б)

г)

а — заготовка и поковка детали "цапфа оси"; б - поковка детали "фланец"; в — поковка детали "переходник"; г — поковка детали "штуцер"

Рисунок 27 - Натурный вид поковок

Результаты исследований использованы при разработке технологий на заводах и предприятиях г. Омска и г. Петропавловска (Казахстан).

Экономический эффект от внедрения разработанных технологий составляет более 4,5 млн. рублей с долевым участием автора не менее 1,5 млн. рублей. Акты о производственных испытаниях, внедрении и использовании результатов работы приведены в приложении, где также представлены описания и распечатки разработанных компьютерных программ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основе выполненных исследований разработаны теоретические положения, являющиеся существенным вкладом в теорию ОМД, благодаря которым получены новые результаты, дополняющие и уточняющие известные теоретические данные.

2. Предложена графо-аналитическая модификация МВО, согласно которой параметры процесса определяются через геометрические отношения сторон и высот треугольных блоков l/h на физической плоскости, что позволило:

- упростить аналитическое решение некоторых задач ОМД;

- установить общность решений в ряде задач механики сплошной среды;

выявить и математически описать закономерности результатов оптимизационных решений МВО и MHO, определить величину их расхождения и показать, что точное решение задачи, при описании разрывными полями скоростей и напряжений, связано с «золотой» пропорцией;

- установить и графически показать, что оптимальные результаты решения задач теории пластичности, описываются кривыми третьего порядка, применяемыми при газо- и гидродинамических расчетах;

- получить уравнения семейства этих кривых, а также показать, что максимумы семейства кривых (от строфоиды до окружности) описываются кубическим уравнением «золотой» пропорции.

3. На примерах расчета процессов прямого выдавливания в конической матрице, поперечного выдавливания наружных и внутренних фланцев на трубной заготовке, поперечно-прямого выдавливания полых изделий из заготовки показано, что при использовании треугольных в плане блоков энергетические затраты на пластическое формоизменение заготовки в расчетах осесимметричных процессов определяются через основные геометрические параметры треугольников аналогично расчетам плоской деформации, и применение предложенных графо-аналитических приемов с использованием отношения 1/к упрощает вычисления.

4. С использованием энергетического метода мощностей разработаны математические модели процессов поперечного и поперечно-прямого выдавливания, комбинированного выдавливания (обратное, прямое, поперечное) для определения деформирующих и реактивных сил, действующих на подвижный и неподвижный инструмент при штамповке.

5. На базе феноменологической теории разрушения разработана расчетная методика оценки поврежденности металла и определения параметров инструмента, повышающих ресурс пластичности металла при холодном поперечном выдавливании фланцев с коническими или сферическими поверхностями.

6. Адекватность созданных математических моделей процессов ХОШ полых и стержневых изделий подтверждена экспериментами, проведенными по разработанным методикам с использованием средств тензометрирования и компьютерных технологий. Получены новые, уточняющие или подтверждающие данные о технологических возможностях изученных процессов.

7. Результаты проведенных исследований используются при разработке и внедрении в производство прогрессивных технологий и штамповой оснастки, при создании компьютерных программ для моделирования процессов ХОШ, при разработке учебных пособий, при выполнении исследовательских, курсовых работ, дипломных проектов и подготовке кандидатских диссертаций.

8. Эффективность прогрессивных технологий штамповки, созданных с использованием результатов исследований, достигается за счет:

- повышения коэффициента использования материала при применении нового способа высадки внутренних и наружных фланцев на трубных заготовках;

- снижения технологического усилия в 1,5-2 раза по сравнению с обратным выдавливанием при штамповке тонкостенных стаканов поперечно-прямым выдавливанием;

- повышения ресурса пластичности и сокращения переходов штамповки развитых фланцев поперечным выдавливанием;

- использования свойства упрочнения металлов при ХОШ, что дало возможность замены материала для перевода с технологий горячей объемной штамповки;

- применения разработанных устройств для сокращения количества переходов штамповки, повышения производительности, удешевления штампов, повышения их стойкости и упрощения наладки, уменьшения загрузки оборудования, возможности использования прессов простого действия;

- научно обоснованных рекомендаций, математического и компьютерного моделирования с применением программ, реализующих разработанные расчетные методики, что позволило уменьшить сроки и стоимость технологической подготовки производства.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Проектирование, анализ и расчет процессов холодной объемной штамповки: Монография / В.В. Евстифеев, A.A. Александров, И.С. Лексутов -Омск: СибАДИ, 2009. - 184 с.

2. Александров A.A. Графо-аналитическая модификация метода верхней оценки / A.A. Александров // Известия ТулГУ. Сер. «Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением». - Тула, ТулГУ. — 2004. Вып.2. -С. 51-59.

3. Александров, A.A. О сравнении методов верхней и нижней оценок / A.A. Александров // Известия ТулГУ. Серия. Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. - Тула: ТулГУ. - 2005. Вып.1. — С. 81-84.

4. Alexandrov, A.A. Graph-analytic Modification of the Method of Upper Estimation (Method of Energetic Geometry) / A.A. Alexandrov, V.V. Evstifeev // Advances in Abrasive Technology VIII: Key Engineering Materials Vols. 291-292 -Trans Tech Publications, Switzerland - (August 2005). - pp. 637-642.

5. Евстифеев, B.B. Построение технологических процессов точной объемной штамповки изделий с многогранной наружной поверхностью / В.В. Евстифеев, A.A. Александров, И.С. Лексутов — Омский научный вестник, 2006, № 9. -С. 77-81.

6. Александров, A.A. Моделирование процесса холодного поперечно-прямого выдавливания изделий с коническим дном / A.A. Александров, И.С. Лексутов // Омский научный вестник. —2007. — № 2 (56). - С. 129-131.

7. Лексутов, И.С. Расчет интенсивности деформации осесимметричных поковок / И.С. Лексутов, A.A. Александров, В.В. Евстифеев // Омский научный вестник. 2007. № 2 (56). - С. 131-133.

8. Лексутов, И.С. Имитационное моделирование процессов холодной объемной штамповки (краткое сообщение) / И.С. Лексутов, В.В. Евстифеев, A.A. Александров // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 2008. № 6. - С. 69.

9. Евстифеев, В.В. Имитационное моделирование и обработка результатов эксперимента по пластическому деформированию / В.В. Евстифеев, A.A. Александров, И.С. Лексутов // Научный вестник НГТУ, 2009. №1 (34). -С. 211-218.

10. Евстифеев, В.В. Имитационное моделирование в технологической подготовке производства фасонных изделий / В.В. Евстифеев, A.A. Александров, И.С. Лексутов // Вестник Академии военных наук, 2009. № 3 (28). С. 294-298.

11. Александров A.A. Прогнозирование разрушения заготовки при прямом холодном выдавливании в конической матрице / A.A. Александров, А.И. Ковальчук // Вестник Академии военных наук, 2010. № 3 (32). - С. 198-202.

12. Ковальчук, А.И. К расчету силы прямого выдавливания в конической матрице по линиям тока (краткое сообщение) / А.И. Ковальчук, A.A. Александров, В.В. Евстифеев // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 2011. № 12. С. 52.

13. Александров, A.A. «Золотая» пропорция в задачах обработки металлов давлением / A.A. Александров // Вестник СибАДИ, 2012. № 4 (26). - С. 66-71.

14. Александров, A.A. Математическое моделирование процесса поперечного выдавливания конических фланцев на трубной заготовке /

A.A. Александров, В.В. Евстифеев, А.И. Ковальчук, A.B. Евстифеев // Вестник СибАДИ, 2012. № 6 (28). - С. 93-98.

15. A.c. № 1355339 СССР, МКИ3 В21 J 5/08. Способ формовки фланцев на полой цилиндрической детали / A.A. Александров, В.В. Евстифеев, И.А. Игнатович, В.Н. Лобас (СССР): № 3972444/31-27; заявл. 05.11.85, опубл. 30.11. 87, Бюл.№ 44.-3 с.

16. A.c. 1323181 СССР, МКИ3 В21 D 41/04. Штамп для обжима трубных заготовок / В.М. Колесников, В.А. Коновалов, В.В. Евстифеев, A.A. Александров (СССР): № 3980117/31-27; заявл. 26.11.85; опубл. 15.07.87, Бюл. № 26.-3 с.

17. A.c. 1355341 СССР, МКИ3 В25 J 5/08. Штамп для высадки утолщений на заготовках / В.В. Евстифеев, В.П. Кокоулин, В.Н. Лобас, A.A. Александров (СССР): №3994280/31-27; заявл.23.12.85; опубл. 30.11.87, Бюл., № 44. - 4 с.

18. A.c. 1593774 СССР, МКИ3 В21 J 13/02. Штамп для объемного деформирования / A.A. Александров, В.М. Колесников, В.В. Евстифеев,

B.Н. Лобас (СССР): № 4608872/31-27; заявл. 25.11.88; опубл. 23.09.90, Бюл. № 35. -4 с.

19. A.c. 1593775 СССР, МКИ3 В21 J 13/02. Штамп для выдавливания /

A.A. Александров, В.В. Евстифеев, В.М. Колесников, В.Н. Лобас, O.A. Макеев (СССР): № 4608873/31-27; заявл. 25.11.88; опубл. 23.09.90, Бюл. № 35. -4 с.

20. A.c. 1736669 СССР, МКИ3 В21 J 13/02. Штамп для выдавливания заготовок / A.A. Александров, В.В. Евстифеев (СССР): № 4629191/27; заявл. 02.01.89; опубл. 30.05.92, Бюл. № 20. - 5 с.

21. Патент РФ № 2441728, МКП В21 К. Способ изготовления шарового пальца / В.В. Евстифеев, А.И. Добрынин, И.И. Завьялов, A.A. Александров: №2010129620/02; заявл. 15.07.10; опубл. 10.02.12, Бюл. №4.-6 с.

22. Колесников, В.М. Холодное и полугорячее выдавливание в универсальных штампах / Перспективы производства точных заготовок и деталей методами объемного деформирования.: Матер, семин. /В.М. Колесников, В.В. Грязнов, A.A. Александров. - М.: МДНТП. 1990. - С. 94-97.

В других изданиях:

23. Евстифеев, В.В. Определение условий повышения предельной пластической деформации при холодном поперечном выдавливании /

B.В. Евстифеев, A.A. Александров - Омск, ОмПИ. 1989. - 18 с. - Деп. в ВИНИТИ 24.10.89, №6405-В89.

24. Разработка схем конструкций штампов для выдавливания / В.В. Евстифеев, В.П. Кокоулин, A.A. Александров [и др.] / Омск, политехи.ин-т. - Омск, 1991. - 12 е.: ил. - Деп. в ВНИИТЭМР 26.07.91, № 65-МШ 91.

25. Александров, A.A. Комбинированное выдавливание стаканов с цапфой / A.A. Александров, В.В. Евстифеев, И.С. Лексутов // Военная техника, вооружение и технологии двойного применения: матер. III Междунар. технологии, конгресса: в 2 ч - Омск: ОмГТУ, 2005. Ч. I. - С.88-89.

26. Евстифеев, В.В. Разработка технологии холодного формоизменения заготовки «цапфа оси» транспортных машин /В.В. Евстифеев, A.A. Александров, И.С. Лексутов / Матер. 59-й Междунар. науч.-техн. конф. ААИ - Омск: СибАДИ, 2007.-С. 114-116.

27. Колесников, В.М. Холодная объемная штамповка точных заготовок деталей тракторного прицепа / В.М. Колесников, В.А. Коновалов,

A.A. Александров // Автомобилестроение. Тез. докл. отрасл. совещ. по холодной объемной штамповке. — Белебей, 1987. — С. 25-27.

29. Евстифеев, В.В. Конструкции закрытых штампов для выдавливания /

B.В. Евстифеев, A.A. Александров, В.Н. Лобас // Проблемы машиностроения и металлообработки: Сб. науч. статей. - Омск, 1992. - С. 100-104.

30. Александров, A.A. Автоматизация проектирования процессов холодной объемной штамповки / A.A. Александров, В.Е. Андриянников // Новые информационные технологии в системе многоуровневого обучения: Тез. докл. Всерос. науч.-метод. конф. — Н. Новгород, 1996.-С. 132-133.

31. Александров, A.A. Разработка методики проектирования технологического процесса поперечно-прямого выдавливания стаканов /

A.A. Александров // Механика процессов и машин: сб. науч. трудов — Омск, 1996. -С. 45-49.

32. Александров, A.A. Графо-аналитическая модификация метода верхней оценки / A.A. Александров // Механика пластического формоизменения. Технология и оборудование обработки материалов давлением: тез. докл. II Междунар. науч.-техн. конф. — Тула, 2004. — С. 17-19.

33. Александров, A.A. Оптимизационное решение задач обработки давлением методом энергетической геометрии / A.A. Александров // Динамика систем, механизмов и машин: Матер. V Междунар. науч.-техн. конф. — Омск: ОмГТУ, 2004. Кн. 2. - С. 93-96.

34. Евстифеев, В.В. Расчет предельного коэффициента выдавливания при холодной деформации осесимметричных изделий с коническими поверхностями / Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии: Сб. научн. трудов междунар. науч.-техн. конф., поев. 50-летию ЛГТУ /

B.В. Евстифеев, A.A. Александров - Липецк: ЛГТУ. Часть 2, 2006. - С. 97-101.

35. Александров, A.A. Исследование процесса холодного выдавливания тонкостенных полых изделий / A.A. Александров // Прогрессивные технологические процессы, новые материалы и оборудование обработки металлов давлением: Матер, докл. Всеросс. науч.-техн. конф. - Рыбинск, РГАТА, 2006.-С. 9-13.

36. Евстифеев, В.В. Технология штамповки деталей с развитыми фланцами из трубных заготовок / В.В. Евстифеев, A.A. Александров, В.Н. Лобас, В.П. Кокоулин // Матер. 59-й Междунар. науч.-технич. конф. Автомобили,

специальные и технологические машины для Сибири и Крайнего Севера - Омск: СибАДИ, 2007.-С.117-119

37. Расчет и анализ процессов обработки металлов давлением методом верхней оценки: Учеб. пособие / В.В. Евстифеев, A.A. Александров, И.С. Лексутов. Омск: ОмГТУ, 2007 - 38 с.

38. Александров, A.A. Динамические трапеции в задачах плоской деформации / Динамика систем, механизмов и машин: Матер. VII Междунар. науч.-техн. конф. / A.A. Александров, А.И. Ковальчук - Омск: ОмГТУ, 2009. Кн. 2.-С. 212-217.

39. Александров, А.А Расчет деформационной поврежденное™ фланцев со сферическими и коническими поверхностями: Материалы 69-й Междунар. науч.-техн. конф. Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) / А.А Александров -Омск; СибАДИ, 2010. - С. 141-145.

40. Александров, A.A. К расчету силы прямого выдавливания в конической матрице по линиям тока / Обработка материалов давлением: Сб. науч. трудов. / A.A. Александров, А.И. Ковальчук - Краматорск: ДГМА, 2010, № 4 (25). -С. 22-25.

41. Александров, A.A. О некоторых графических построениях к расчетам процессов пластической деформации металлов / Обработка материалов давлением: Сб. науч. трудов. / A.A. Александров, А.И. Ковальчук - Краматорск: ДГМА, 2011,№ 1 (26).-С. 11-16.

42. Александров, A.A. О «золотой» пропорции и геометрии предельных решений некоторых задач обработки металлов давлением / Обработка материалов давлением: Сб. науч. трудов. / A.A. Александров - Краматорск: ДГМА, 2011, № 2 (27). - С. 3-9.

41. Александров, A.A. Геометрия предельных решений некоторых задач обработки металлов давлением / A.A. Александров, В.В. Евстифеев, А.И. Ковальчук // Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов и сплавов: Сб. докл. Междунар. науч. конф. Орск. в 2-х т. - М.: Машиностроение, 2012, Т.1. - С. 216-225.

42. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки «Система расчета процессов обработки металлов давлением» / И.С. Лексутов, A.A. Александров // М.: ВНТИЦ, 2007. -№ 50200700794.

43. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки «Модуль экспорта геометрических данных» / И.С. Лексутов, A.A. Александров // М.: ВНТИЦ, 2008. -№50200801323.

44. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Компьютерная программа для вычисления показателей деформированного состояния по искажению делительной сетки на экспериментальных образцах» / И.С. Лексутов, A.A. Александров, В.В. Евстифеев // М.: Роспатент, 2010. -№2010615733.

Подписано в печать 18.04.2013 г. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл.печ.л. 2,1 Уч.-изд.л. 2,34 Тираж 100 экз. Заказ № 215

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Сибирский государственный индустриальный университет» 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42. Издательский центр СибГИУ

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет»

На правах рукописи

0Ч?П1-Пи

Александров Александр Александрович

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И РАЗРАБОТКА ПРОГРЕССИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ХОЛОДНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ

Специальность 05.16.05 - Обработка металлов давлением

Научный консультант -Евстифеев В.В., д.т.н., профессор

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Новокузнецк - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ стр.

Введение.......................................................... 6

Глава 1. Актуальные направления, методы и решения практических и теоретических задач для создания и реализации ресурсосберегающих технологий холодной объемной штамповки........................................15

1.1 Актуальные направления и методы изучения процессов ОМД.......15

1.2 Процессы штамповки выдавливанием стержневых деталей с фланцами (утолщениями)......................................................42

1.3 Процессы штамповки выдавливанием полых деталей...............47

1.4 Определение реактивных сил на неподвижном инструменте........55

1.5 Теории разрушения металлов при обработке давлением.............58

1.6 Постановка задач исследования.................................62

Глава 2. Расчет и анализ процессов пластической деформации с применением графо-аналитической модификации метода верхней оценки................64

2.1 Расчет приращения деформации на линии сдвига................. 65

2.2 Расчеты сил и скоростей при плоской деформации.................69

2.2.1 Расчет процессов прямого и обратного выдавливания............74

2.2.2 Расчет деформирующей силы и оптимального угла матрицы при прессовании полосы в клиновой матрице................................77

2.3 Графический расчет деформаций.................................93

2.4 Сопоставление предельных решений некоторых задач ОМД (геометрия оптимума и «золотая» пропорция)......................................97

2.4.1 Верхняя и нижняя оценки силы деформирования полосы в клиновой матрице............................................................97

2.4.2 Верхняя и нижняя оценки силы осадки тупого клина........... 100

2.4.3 Сравнение результатов решений, полученных оценочными методами и методом линий скольжения..........................................101

2.5 Определение усилия выталкивания оправки при прямом выдавливании деталей с глубокой полостью..........................................107

2.6 Выводы.....................................................110

Глава 3. Теоретический анализ процессов холодной объемной штамповки осесимметричных изделий........................................... 111

3.1 Поперечное выдавливание конических фланцев...................113

3.2 Оценка предельной пластичности металла при холодном поперечном выдавливании фланцев............................................... 118

3.3 Поперечное выдавливание фланцев со сферическими поверхностями .126

3.4 Поперечно-прямое выдавливание полых изделий..................130

3.4.1 Расчёт деформирующей силы...............................130

3.4.2 Учет упрочнения металла при холодном выдавливании.........135

3.5 Методика расчета реактивных сил на неподвижном инструменте .... 138

3.5.1 Расчет силы раскрытия матрицы.............................139

3.5.2 Расчет силы, действующей на контрпуансон.................. 143

3.6 Расчет процесса выдавливания в штампе с подвижной матрицей .... 151

3.7 Прогнозирование образования осевой утяжины при поперечно-прямом выдавливании стаканов.............................................. 153

3.8 Комбинированное выдавливание ступенчатого двухполостного стакана............................................................ 153

3.9 Определение напряжений при комбинированном выдавливании полого изделия с фланцем...................................................169

3.10 Расчеты процессов по упрощенным кинематическим схемам...... 175

3.10.1 Поперечно-прямое выдавливание........................... 175

3.10.2 Поперечное выдавливание внутренних и наружных фланцев .... 180

3.10.3 Прямое выдавливание в конической матрице..................188

3.11 К расчету процессов штамповки с применением МКЭ............. 194

3.12 Выводы....................................................198

Глава 4. Экспериментальные исследования процессов холодной объемной штамповки осесимметричных изделий..................................200

4.1 Определение сил, действующих на формообразующий инструмент при холодном поперечно-прямом выдавливании.........................200

4.1.1 Методика проведения многофакторных экспериментов.........200

4.1.2 Подготовка и проведение экспериментов.....................207

4.1.3 Обработка результатов и построение регрессионных моделей .... 211

4.1.4 Сравнение экспериментальных и теоретических результатов.....218

4.1.5 Дефекты, образующиеся при поперечно-прямом выдавливании . . . 225

4.2 Определение предельной пластичности металла при поперечном выдавливании конических фланцев....................................227

4.3 Закрытый обжим толстостенных трубчатых заготовок.............229

4.4 Высадка конических фланцев на трубных заготовках..............233

4.5 Комбинированное выдавливание заготовок с координатными сетками............................................................241

4.5.1 Методика автоматизированного получения и обработки результатов экспериментов......................................................241

4.5.2 Описание проведения экспериментов.........................242

4.6 Выводы....................................................248

Глава 5. Разработка технологий холодной объемной штамповки на основе математического и компьютерного моделирования процессов..............250

5.1 Описание разработанных программ.............................250

5.1.1 Программа для расчета показателей деформированного состояния по искажению координатных сеток....................................250

5.1.2 Модуль для ввода и записи координат делительных сеток.......254

5.1.3 Программа для расчетов МВО процессов штамповки...........255

5.2 Компьютерное моделирование процесса высадки фланцев коническими пуансонами........................................................264

5.3 Разработка технологий штамповки..............................265

5.4 Примеры разработанных технологических и технических решений . . 268

5.5 Выводы.....................................................291

Основные выводы и результаты.......................................291

Библиографический список...........................................294

Приложения.......................................................328

Приложение А Акт производственных испытаний.......................328

Приложение Б Акт об использовании результатов работы.................330

Приложение В Акт о внедрении......................................332

Приложение Г Система моделирования процессов ХОШ..................334

Приложение Д Программа расчета процессов ОМД.......................341

ВВЕДЕНИЕ

Перспективным направлением создания ресурсосберегающих технологий является применение способов штамповки, обеспечивающих получение изделия при приложении меньших деформирующих сил, что особенно значимо при использовании метода холодной объемной штамповки (ХОШ), позволяющего изготавливать поковки с формой, размерами и качеством приближающимися или соответствующими готовым деталям, благодаря чему уменьшается или полностью исключается доработка резанием.

Проектирование технологий ХОШ для получения изделий с заданными свойствами сопряжено с решением комплекса задач по определению оптимальных технологических параметров и режимов обработки, условий устойчивого протекания процессов пластического формоизменения, нагрузок на деформирующий и формообразующий инструменты, напряженно-деформированного состояния (НДС), прогнозированием свойств штампуемой детали, возможных дефектов, стойкости инструмента, выбором смазок и т.д.

Потребность в улучшении технологий приводит к необходимости разработки новых и усовершенствованных способов формообразования и штампового инструмента.

Изучение новых способов штамповки и резервных возможностей известных процессов пластической деформации металлов для поиска оптимальных режимов металлообработки требует проведения дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.

Применение планирования экспериментов, математического и компьютерного моделирования, а также систем автоматизированного проектирования, использование которых сокращает сроки и снижает стоимость технологической подготовки производства, позволяет научно обосновать, разработать и воплотить эффективные технические и технологические решения.

Актуальным и важным, как в теоретическом, так и практическом отношениях является повышение уровня и результативности проводимых

исследований, чему способствует совершенствование известных и создание новых теоретических и экспериментальных методов.

Особый интерес для развития теории механики сплошной среды и деформируемого твердого тела может представлять определение и аналитическое описание геометрических условий, показывающих единство и связь результатов решений задач методами: линий скольжения (MJ1C), верхней оценки (МВО) и нижней оценки (MHO), позволяющих выявить закономерности и уточнить результаты некоторых известных решений.

В диссертационной работе представлены некоторые из возможных решений указанных проблем.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с Аналитической целевой программой министерства образования и науки Российской федерации «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2009-2011 г.г. (проект 2.1.2/5431) и на 2012-2014 г.г. (проект 7.1765.2011).

Цель работы - развитие научных основ и инженерных решений для разработки прогрессивных технологий холодной объемной штамповки, обеспечивающих экономию материальных, энергетических ресурсов и получение изделий с заданными свойствами.

Методы исследования

Для достижения поставленной цели применены общие положения теории ОМД и теории пластичности, базирующиеся на принципах механики сплошной среды.

В теоретических исследованиях процессов использовались аналитические и численные методы: вариационный энергетический; совместного решения дифференциальных уравнений равновесия и условия пластичности; линий скольжения; нижней и верхней оценки; конечных элементов.

При проведении экспериментальных исследований применялись методы: математического планирования эксперимента; координатных сеток; макроструктурного анализа; измерения твердости; тензометрирования.

Математическое и компьютерное моделирование, а также планирование, получение и обработка экспериментальных данных проводилась с применением стандартных и специально разработанных программ.

В соответствии с указанной целью были поставлены основные задачи:

1. Анализ актуальных направлений, методов и решений практических и теоретических задач для создания и реализации ресурсосберегающих технологий.

2. Разработка и обоснование графо-аналитической модификации метода верхней оценки для расчета силового режима и формоизменения заготовки в процессах плоской и осесимметричной деформации.

3. Создание на основе энергетических методов математических и компьютерных моделей для расчета процессов, определения их возможностей и поиска оптимальных режимов штамповки.

4 Экспериментальное исследование влияния технологических факторов на НДС и формоизменение металла при ХОШ осесимметричных изделий преимущественно способами, содержащими операции поперечного выдавливания и высадки.

5. Разработка теоретически и экспериментально обоснованных математических моделей для оценки условий предельного формоизменения без разрушения при холодном поперечном выдавливании фланцев с коническими и сферическими поверхностями.

6. Разработка на основе проведенных исследований новых технических и технологических ' решений, расширяющих возможности и повышающих конкурентоспособность изученных процессов, для создания прогрессивных технологий изготовления изделий методом ХОШ.

Научная новизна основных результатов диссертационной работы:

1. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены новые сведения о технологических возможностях ряда перспективных процессов, представляющих преимущественно комбинированные и совмещенные способы ХОШ, включающие операции поперечного, прямого и обратного выдавливания, высадки, обжима и раздачи.

2. Для изучения процессов разработаны и усовершенствованы методики: оценки предельного формоизменения заготовки при холодном поперечном выдавливании фланцев с коническими и сферическими поверхностями; расчета нагрузок, действующих при штамповке на формообразующий инструмент; определения деформированного состояния штампуемой заготовки; проведения экспериментов, получения и обработки их результатов с использованием методов математической статистики и планирования экспериментов, тензометрии и компьютерных технологий с применением разработанных программ.

3. Разработана модификация МВО, реализующая графо-аналитический подход (с использованием предложенных формул и графических приемов) к вычислению энергетических затрат на пластическое формоизменение металла по геометрическим соотношениям треугольных блоков, для плоских и осесимметричных схем деформации.

4. С применением энергетических методов, включая разработанную графоаналитическую модификацию МВО, построены математические модели процессов, содержащих операцию поперечного выдавливания, которые позволяют рассчитывать силовой режим и формоизменение заготовок, упрочнение и предельную деформируемость металла, определять оптимальные режимы штамповки. Получены новые результаты, а также дополняющие и уточняющие известные теоретические решения.

5. Путем графо-аналитического сопоставления результатов установлена взаимосвязь между результатами предельных и оптимизационных решений задач о деформировании полосы и осадки тупого клина; полученных различными методами математической теории пластичности (MJIC, MHO и МВО). Впервые показаны геометрические условия, соответствующие оптимизационным результатам, отвечающим минимуму деформирующей силы; их связь с «золотой» пропорцией и семейством замечательных кривых (от строфоиды до окружности).

6. Разработаны математические модели:

- процессов поперечного и поперечно-прямого выдавливания, позволяющие с учетом свойств штампуемого материала и геометрических параметров

инструмента, определить нагрузки, действующие на подвижный и неподвижный инструмент; рассчитать конечную форму деформируемой заготовки; прогнозировать образование трещин и утяжины для исключения этих дефектов при штамповке; установить максимально возможный диаметр изделия за один переход штамповки;

процессов комбинированного (поперечное, прямое и обратное) выдавливания изделий с полостями и фланцами из цилиндрических и кольцевых заготовок для расчета: силового режима штамповки; формоизменения заготовки; соотношений инструмента, обеспечивающих получение изделия необходимых размеров с приложением минимальной деформирующей силы.

Достоверность полученных результатов исследований обеспечивается применением апробированных теоретических и экспериментальных методов и технических средств. Результаты расчетов формоизменения, характеристик НДС и энергосиловых параметров подтверждены проведенными экспериментами в лабораторных и промышленных условиях, сопоставлением с известными экспериментальными и теоретическими данными, оценкой погрешности экспериментов статистическими методами, а также успешным внедрением в производство, созданных на основе исследований, технологий. Новизна ряда предложенных технических решений, выполненных на уровне изобретения, подтверждена авторскими свидетельствами и патентом.

На защиту выносятся:

1. Предложенная модификация МВО - метод «энергетической геометрии» (МЭГ), согласно которому скоростные, деформационные и энергосиловые параметры процесса определяются по геометрическим соотношениям сторон и высот треугольных блоков; математические модели процессов штамповки и результаты решений задач плоской и осесимметричной деформации, полученные с его применением.

2. Качественные и количественные зависимости, устанавливающие взаимосвязь между результатами, предельного и замкнутого решений задач о деформировании полосы и тупого клина, полученные МВО, MHO и MJIC, а также

зависимости, устанавливающие связь полученных оптимизационных результатов с «золотой» пропорцией и описываемые семейством гипоциссоид.

3. Разработанные и усовершенствованные методики: оценки условий предельного формоизменения без разрушения при холодном поперечном выдавливании фланцев с коническими и сферическими поверхностями; расчета сил, действующих при штамповке на деформирующий и на формообразующий инструмент; расчета с применением аппарата конечно-элементного анализа распределения интенсивности деформации по сечению деформируемой заготовки; проведения экспериментов по выдавливанию и высадке, получения и обработки их результатов с использованием методов планирования экспериментов и математической статистики, тензометрии и компьютерных технологий с применением1 разработанных программ.

4. Материалы экспериментальных исследований и зависимости, описывающие простые, комбинированные и совмещенные процессы ХОШ из�