автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Ротационная ковка стрежневых заготовок

на правах рукописи

СОРВИНА ОЛЬГА ВЛАДИМИРОВНА

т он

; ; " "О

РОТАЦИОННАЯ КОВКА СТЕРЖНЕВЫХ ЗАГОТОВОК

специальность 05.03.05 - Процессы и машины обработки металлов

давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2000

Работа выполнена на кафедре МИФ Тульского государственного университета

Зашита состоится «13» декабря 2000 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 063.47.03 Тульского государственного университета (300600, г.Тула, ГСП, проспект им. Ленина, 92, 9-101)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью, просим выслать по указанному адресу.

11аучный руководитель:

доктор технических наук, профессор Яковлев С. П.

О ф п ни ал ь н ые о пион енты:

доктор технических наук, профессор Алюшин Ю. А. доктор технических наук,

профессор Лялин В. М.

Ведущая организация:

АООТ ОКТБ «Ротор»

Автореферат разослан 10 ноября 2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

В.Б.11ротасьев

<623.250.014.2,27,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Перед отечественным машиностроением стоит задача разработки принципиально новых технологий и оборудования, конкурентно способных на мироном рынке и позволяющих получать изделия высокого качества при наименьших затратах на ■ их производство.

Одним из наиболее эффективных направлений получения стержневых изделий из высокопрочных материалов являются методы локального деформирования, к числу которых относится ротационная ковка - процесс радиального обжатия вращающейся заготовки на относительно : небольшом участке ее длины периодически сходящимися пульсирующими бойками.

Вследствие локальности деформирования на порядок снижается технологическое усилие, что' '' обёспечивает^' злачительное снижение металлоемкости оборудования и повышение стойкости инструмента. Радиальное обжатие обеспечивает возможность формоизменения материалов без разрушения до значительных степеней деформаций при высокой точности полученных изделий, сводя до минимума последующую обработку резанием.

Однако, несмотря на достоинство этого метода и его преимущества перед другими, особенно при получении Малогабаритных стержневых изделий с большим перепадом диаметров; внедрение его идет медленными темпами. Это спязано с отсутствием рекомендаций и методик, позволяющих проводить процесс ротационной ковки наиболее рационально. Поэтому в производстве достаточно велик объем экспериментальных и доводочных работ, реализуемые режимы обработки далеки от оптимальных.

Актуальным является необходимость дальнейшего развития теоретических и экспериментальных исследований для разработки научно-обоснованных методик проектирования технологических процессов ротационной ковки с целью их интенсификации при снижении энергоемкости и трудозатрат, что в целом представляет большой практический интерес.

Диссертационная работа выполнена в соответствие с Областной целевой программой научно-технических работ 1997-2002 г в рамках

хоздоговорной темы № 125701 «Разработка и внедрение технологических процессов получения обработкой металлов давлением стержневых изделий переменного сечения из высокопрочных сталей на автоматическом оборудовании»: в рамках Государственной программы 2000 года «Научные исследования высшей школы в области производственных технологий» и госбюджетной темой № 36-95 Тульского государственного университета.

Цель работы. Диссертационная работа направлена на решение важной народнохозяйственной задачи, состоящей в повышении эффективности изготовления стержневых изделий переменного сечения из высокопрочных сталей в результате использования технологии ротационной ковки.

Автор защищает. Математическую модель процесса ротационной ковки стержневых изделий переменного сечения с учетом реальных свойств материала.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований напряженного и деформационного состояния заготовки, кинематики течения материала при различных схемах нагружения.

Зависимость силовых режимов и предельные возможности деформирования исследованных процессов ротационной ковки от геометрии инструмента, условий трения на границе контакта и способов нагружения.

Рекомендации по проектированию технологических процессов ротационной ковки стержневых изделий.

Научная новизна состоит в разработке математической модели процесса ротационной ковки, в изучении особенностей пластического формоизменения в процессе штамповки, в получении зависимостей силовых и деформационных параметров процессов и предельных степеней формоизменения от технологических факторов и схем обработки.

Методы исследовпния. Поставленная цель реализована путем использования деформационной теории пластичности и метода конечных элементов. Предельные возможности формоизменения установлены на базе

¿г

использования феноменологического критерия разрушения, связанного с накоплением микроповреждений при холодном пластическом деформировании.

Практическая ценность и реализация работы.

РазработаннЕ.!е математические модели процесса ротационной ковки являются основой программного обеспечения, которое может быть использовано для расчета параметров штамповки осесимметричных заготовок различной геометрии.

Результаты исследования использованы в опытном производстве для разработки технологического процесса для изготовления сердечника пули из стали У10А.

Отдельные материалы научных исследований включены в разделы лекционных курсов, таких как «Механика процессов пластического формоизменения» и «Машины и технология обработки металлов давлением» для студентов специальности 1204.00 - Машины и обработка металлов давлением.

Апробация. Результаты исследования доложены на международной конференции, посвященной 150-летию со дня рождения С.И. Мосина. город Тула, 1999 год. на международной ■ научно-технич'еской 'конференции «Ресурсосберегающие технологии. оборудование и автоматизация производства», город Тула, 1999 год, а также на Всероссийской научной конференции "Современные проблемы математики, механики, информатики", Тула, 2000 год, а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорского - преподавательского состава Тульского государственного университета (1997 - 2000 гг).

Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 4 печатных работах.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору С.П. Яковлеву и кандидату технических наук, доценту А.Н. Пасько за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы из 112 источников, приложения и включает 74 страницы машинописного текста, содержит 158 рисунков и 2 таблицы. Общий объем 155 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе задачи, ее научная новизна, практическая ценность работы и кратко раскрыто содержание разделов диссертационной работы.

В первом разделе рассмотрено современное состояние теории и технологии ротационной ковки осесимметричных заготовок, проведен анализ существующих технологических процессов, рассмотрены известные подходы к их теоретическому анализу, обоснована постановка задач исследования.

Основы теории, технологии и оборудования ротационной ковки в значительной мере базируются на результатах работ Деордиева Н.Т., Заварцевой В.М., Лазоркина В.А., Любвина В.И., Лялина В.М., Поспелова И.А., Тюрина В.А., УнксоваЕ.П. и других.

Проведенные исследования выявили существенные преимущества данной технологии по сравнению с другими способами холодной объемной штамповки стержневых элементов. Однако из-за отсутствия научно-обоснованных рекомендаций многие технологические операции ротационной ковки осуществляются недостаточно эффективно, что ставит задачу более глубокого изучения этих процессов, включая исследования напряженно-деформированного состояния заготовки в течение всего процесса формоизменения, прогнозирования ее разрушения и оптимизации параметров оснастки.

Показано, что применение численных методов теоретического анализа процессов пластического осесимметричного формоизменения в настоящее время наиболее перспективно. Среди них наиболее развитым

метолом математической формализации задач механики пластического формоизменения является метод конечны?, элементов. Дано обоснование выбора этого метода, как наиболее перспективного при анализе процессов ротационной ковки осесиммстричных заготовок.

Во втором разделе диссертации представлен вариант конечно-элементного анализа процессов пластического формоизменения, основанный на вариационном принципе Лагранжа и деформационной теории пластичности. Основываясь на результатах эксперимента, расчетную схему процесса принимали осесимметричной, что позволило использовать трехузловые тороидальные конечные элементы. Учитывая нестационарный характер процесса, решение задачи вели с применением пошагового алгоритма. Применение метода пошагового нагружения позволило, решая задачу в приращениях перемещений, деформаций и напряжений, перейти к линейной системе уравнений вида

¿АР = ¿(К-Дм) О о

где Аи • вектор приращений перемещений,

АР - вектор приращения внешних сил, К - матрица жесткости.

В процессе деформирования изменение конфигурации тела требует пересчета матрицы жесткости К , т.е. на каждом шаге вычислений текущая конфигурация тела принимается как начальная для следующего этапа нагружения. Рассматривался вариант упругопластического тела с линейным упрочнением, при этом матрица материальных констант в упругой и пластической области имела вид

в

Л + 2в

Л Л

о

я

Л + 2в Л О

л л

Л + 2в О

о о о а

где Л — К1--Сг. - коэффициент Ляме

3

Н

С - модуль сдвига в упругой области и — - в

пластической.

Я - касательный модуль кривой упрочнения,

К/ - объемный модуль упругости.

Зная текущее состояние элемента, предел текучести, накопленную деформацию и приращения внешних сил, можно определить изменение напряженно-деформированного состояния на шаге нагружения, используя для вычисления матрицы жесткости упругое или пластическое ее представление.

Использование пошагового алгоритма дает возможность более точно учесть профиль геометрии контакта материала и инструмента, его движение в процессе обработки, а также условия трения.

Деформационная теория пластичности позволяет оценить гидростатическую составляющую напряженного состояния, то есть прогнозировать вопросы разрушения материала в процессе обработки.

Приведены результаты решения тестовой задачи, которые позволили сделать вывод об адекватности предложенного подхода к анализу процессов осесимметричного пластического формоизменения заготовок.

Третий раздел посвящен теоретическим исследованиям процессов ротационной ковки конических заготовок, которые осуществляются по трем вариантам. В первом случае формообразование одной заготовки происходит за

счет изменения зазоров между бойками. Во втором случае осуществляется осевая подача прутковой заготовки в зону обработки при неизменном зазоре между бойками. В третьем случае осуществляется одновременное деформирование двух заготовок путем сближения бойков. На базе метода конечных элементов оценены напряженное и деформированное состояния, кинематика течения материала и предельные возможности рассматриваемых процессов деформирования, связанные с накоплением микроповреждений в зависимости от геометрии получаемого изделия, схемы обработки и условий трения на границе контакта материала и инструмента.

Исследовался процесс ротационной ковки заготовок из стали У10А. Исходными данными для расчета послужили следующие геометрические параметры: диаметр заготовки 10 мм, длина заготовки 20 мм, угол конусности бойков 10-30°, коэффициент трения ц=0.1-Ю.З, ход бойков при обжатии 0.5; 1; 1.5 мм. Механические свойства материала- модуль Юнга - Е = 200 ГПа,

модуль упрочнения - Н = 800 МПа, предел упругости сгу = 300 МПа, коэффициент Пуассона V = 0.3.

Для рассмотрения процесса ротационной ковки по всем трем вариантам использовались модели, в которых рассматривалась только половина меридионального сечения осесимметричной заготовки.

Расчетная схема

штамповки по первому варианту представлена на рисунке 1.

В результате расчетов установлено, что деформации по сечению заготовки весьма неоднородны. Наибольшее их значение находится непосредственно в зоне контакта материала и бойка, в связи с чем материал на наружной поверхности заготовки получает большее удлинение, чем на

Рис.1

внутренней, что приводит к возникновению утяжин на торце заготовки. Это подтверждается результатами экспериментов.

Показано, что окружные и радиальные напряжения в течение процесса деформирования являются сжимающими, а осевые могут быть как растягивающими, так и сжимающими. Причем для элемента, который находится непосредственно под бойком, осевое напряжение в течение всего процесса является растягивающим, а для элемента, находящегося на оси заготовки в начальной стадии процесса, осевое напряжение является сжимающим, а в заключительной стадии растягивающим.

На рисунках 2а и 26 показана диаграмма пластичности (кривая 1)

стали У10А и траектория деформирования Т) = Т]{(. 1) материала (кривая 2)

в элементах 1 и 2 в процессе нагружения.

1.5 е,еР 1

05

-12

и

о,вР 1

05

-06

Об т) 12

-36

-24

-12

12

Рис.2а Рис. 26.

При этом элемент, находящийся на наружной поверхности переходит из зоны растяжения в область сжатия, а элемент, лежащий на оси симметрии -наоборот из области высоких гидростатических давлений в зону растяжения.

Показано, что с увеличением угла конусности бойка средняя интенсивность деформации по объему пластической области растет, осевые компоненты напряжений переходят в сжимающие, поэтому материал заготовки находится в области более высокого гидростатического давления, что снижает вероятность разрушения.

//

Формоизменение заготовки по второму варианту обработки осуществляется следующим образом. Заготовку непрерывно перемешают в зазор между бойками и за счет пульсирующего перемещения их осуществляется формоизменение. При математическом моделировании такого процесса предполагается, что заготовка дискретно перемещается в зону обработки, т, е. после подачи заготовки в осевом направлении на шаг подачи её формоизменение осуществляется перемещением бойка в горизонтальном направлении на величину хода бойка.

Анализ результатов показал, что максимальная интенсивность деформаций в пластической области возрастает при пошаговом нагружении, а технологическое усилие уменьшается по сравнению с обработкой заготовки по первому варианту, а повреждаемость заготовки по второму варианту несколько больше, чем по первому.

Картины формоизменения при штамповке двух заготовок показана на рисунках За-Зг.

Рис. За (а =10°) Рис. 36 (а = 20°)

Я/ 1Ё /

ш

р ■ 1\

Рис. Зв(а = 30°) Рис. Зг (а = 45°)

Как показали расчёты, симметричность формоизменения в этом случае достигается, только если угол бойков не достигает 20 градусов. При увеличении угла конусности бойков симметричность течения нарушается. Это

выражается в том, что в нижней части бойка металл начинает отходить от границы контакта, т. е. возникают утяжины. А в верхней части заготовки может возникнуть даже небольшой наплыв материала. Это связано с тем, что в процессе деформирования значительный объём металла перетекает из нижней части заготовки в верхнюю, что можно наблюдать на рисунке, на котором приведена картина течения металла на промежуточном шаге деформирования.

Кроме того, расчётами было установлено, что максимальная интенсивность деформаций по этому варианту штамповки примерно на 10 процентов меньше, чем при штамповке по первому варианту.

В четвертом разделе на базе метода конечных элементов проведено исследование процессов ротационной ковки одно и двухступенчатых цилиндрических заготовок. Формоизменение заготовок осуществляется за счёт изменения зазора между бойками. Показано влияние геометрических факторов, характеризующих форму и размеры заготовок, степени -обжатия, влияния трения на силовые и деформационные параметры процесса.

Анализ картин развития пластической области в процессе нагружения (рисунок 4) показал, что характер формоизменения существенно зависит от условий трения на границе контакта материала и инструмента.

Так, при деформировании заготовки гладким бойком, пластическая область в течении всего процесса нагружения концентрируется под первым горизонтальным участком бойка и незначительно распространяется за зону выступа, при этом полного заполнения профиля бойка не происходит. Под шероховатым бойком пластическая область в процессе нагружения охватывает всю заготовку, вызывая утолщение заготовки в нижней ее части. Это приводит к тому, что на заключительной стадии процесса излишки материала из нижней полости бойка вынуждены перемещаться в верхнюю полость, при этом происходит полное заполнение полости бойка.

Установлено, что при ковке идеально гладким инструментом во всех областях заготовки окружные и радиальные напряжения являются сжимающими, а осевые - растягивающими. Увеличение трения ведет к росту абсолютных значений напряжений во всем объеме заготовки. При этом осевые

напряжения становятся сжимающими, как радиальные и окружные во всех областях заготовки, кроме области, прилегающей к свободном}' краю заготовки.

б (ц = 0.4) Рис.4

Показано, что увеличение трения ведет к росту гидростатического давления во всех областях заготовки, причем разрушение материала вероятнее всего на оси заготовки и для гладкого инструмента оно наступает при меньших степенях обжатия, чем для шероховатого. Установлено, что увеличение коэффициента трения ведет к существенному росту усилия процесса.

При штамповке двухступенчатых цилиндрических заготовок деформированное состояние заготовок носит еще более неоднородный характер, причем компоненты деформации в одной и той же точке заготовки в течение процесса нагружения могут изменяться как по величине, так и по направлению. Наибольшие степени деформации реализуются на оси заготовки, и, как показывает анализ результатов, интенсивность деформации при обработке заготовки шероховатыми бойками всегда больше, чем при обработке гладкими бойками. -

Анализ силовых параметров процесса показа!, что хотя при обработке двухступенчатым бойком суммарная степень обжатия заготовки значительно меньше, однако усилие при этом в случае обработки шероховатыми бойками даже несколько выше, чем при деформировании одноступенчатой заготовки.

В пятом разделе работы изложены результаты по отработке технологического процесса изготовления заготовки детали «Стержень». Она представляет собой тело вращения с оживальной головной и конической хвостовой частью. Было опробовано несколько вариантов получения изделия «Стержень». .Первые три из них предполагали поштучное изготовление изделий с раздельным изготовлением головной и хвостовой частей, при этом штучная заготовка перемещалась в горизонтальном направлении в зазор между пульсирующими бойками. В результате было установлено, что как при формирований головной так и хвостовой частей образовывалась утяжина на торцах, что не допустимо.

Четвертый вариант предполагал изготовление изделий из прутковой заготовки, при этом формирование головной и хвостовой частей двух изделий проходила одновременно. Было показано, что данный способ обработки позволяет получить готовое изделие, однако реализация этого процесса требует осуществлять подачу заготовки в зону обработки с высокой точностью по шагу, что довольно затруднительно. Поэтому были рассмотрены варианты получения готового изделия целиком из прутковой заготовки, когда профиль бойка соответствовал профилю готового изделия. Теоретические расчеты показали, что в этом случае возможно использовать пруток меньшего

диаметра, чем наибольший диаметр готового изделия, что ведет к снижению максимальной степени деформации формоизменения. Кроме того, теоретически была показана возможность изготовления двух заготовок одновременно, но при этом необходимо обеспечить трение на поверхности инструмента в зонах истечения металла, так как в противном случае потребуется использование прутковой заготовки большего диаметра.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ II ВЫВОДЫ.

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное народно-хозяйственное значение, и состоящая в повышении эффективности изготовления стержневых изделий переменного сечения из высокопрочных сталей в результате использования технологии ротационной ковки.

В процессе практического и экспериментального исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. На основе метода конечных элементов созданы математические модели процессов ротационной ковки конических и ступенчатых осесимметричных заготовок, исследованы различные схемы нагружения. установлено влияние геометрии и условий трения на характер течения материала и силовые и деформационные параметры процессов.

2. Процесс ротационной ковки конических заготовок характеризуется значительной неравномерностью течения материала в данной области, что может привести к возникновению утяжины па торцевой части заготовки. Уменьшить утяжину возможно за счет уменьшения коэффициента трения на поверхности контакта металла и инструмента.

3. Установлено, что увеличение угла конусности матрицы при одном и том же обжатии вызывает рост гидростатического давления в пластической области, в этом случае снижается вероятность разрушения заготовки в процессе деформирования.

4. Показано, что интенсивность деформаций возрастает с увеличением хода бойка, причем при угле конусности 20° и малых ходах бойка интенсивность деформаций больше, чем при углах 10° и 30°, а при больших холах - интенсивности деформаций при разных углах бойка сравнимы

5. Установлено, что радиальное усилие в процессе штамповки конических заготовок при увеличении хода бойка возрастает, причем наиболее интенсивно при углах 10° и 30°.

6. , Установлено, что одновременная штамповка двух заготовок возможна только при углах конусности бойков менее 20°. С увеличением угла конусности бойков симметричность течения нарушается, и дальнейшая штамповка невозможна.

7. Показано, что штамповка с осевой подачей заготовки предпочтительней с точки зрения уменьшения технологического усилия, однако, возможность разрушения заготовки при эго.м возрастает, так как схема деформирования менее «жесткая)-, чем в случае штамповки радиальным перемещением бойков.

8. Установлено, что при обработке ступенчатых заготовок полное заполнение профиля бойка возможно только в случае шероховатого инструмента, при этом металл в процессе нагружения может в некоторых областях заготовки менять направление своего движения на противоположенное в радиальном направлении. ■

9. Показано, что если заготовка деформируется идеально гладкими бойками, осевые напряжения в большей части'пластической области являются растягивающими, а при обработке шероховатыми бойками -сжимающими, что ведет к росту гидростатического давления в пластической области и снижает вероятность разрушения материала.

10. Установлено, что при обработке заготовок шероховатым инструментом усилие процессов, как в случае обработки одноступенчатым так и двухступенчатым бойками, может увеличиваться на порядок по сравнению с обработкой идеально гладким инструментом.

11. Проанализирована возможность получения сердечника пули из стали У ЮЛ методами ротационной ковки Выявлены схемы штамповки, позволяющие получить изделие заданного качества без нарушения сплошности материала. Результаты исследования внедрены в опытно-промышленное производство АООТ ОКТБ «Ротор».

Основное содержание диссертации отражено в публикациях.

1. Кухарь В.Д. Математическое моделирование процесса ротационной ковки методом конечных элементов/ В.Д. Кухарь, А.Н. Пасько. О.В Сорвина //Исследования в области пластичности и обработки металлов давлением, - Тула,-1998.-С.

2. Пасько А.П. Ротационная ковка конических заготовок. / А.Н. Пасько, О.В Сорвина //Теория, технология, оборудование и автоматизация обработки металлов давлением и резанием. Выпуск 2. Сборник науч. Трудов. - Тула,- 1999. - С. 353-359

3. Пасько А.Н. Ротационная ковка ступенчатых стержневых изделий. / А.Н. Пасько. О.В Сорвина // Всероссийская научная конференция "Современные проблемы математики, механики, информатики".-Тула,- 2000,-С. 107-108

4. Яковлев С.П. Математическое моделирование процесса ротационной ковки конических заготовок. / С.П. Яковлев, А.Н. Пасько, О.В Сорвина // «Кузнечно-штамповочное производство»,- 2000. - М> 9. -С. 24-26.