автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Совершенствование технологии и оборудования закрытой штамповки стержневых изделий с целью повышения эффективности процесса

На правах рукописи

ДУНАЕВ КИРИЛЛ ЮРЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ ЗАКРЫТОЙ ШТАМПОВКИ СТЕРЖНЕВЫХ ИЗДЕЛИЙ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 г МАЯ 2014

005548753

Екатеринбург 2014

005548753

Работа выполнена на кафедре «Машиностроительные технологии и оборудование» в ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Поксеваткин Михаил Иванович

кандидат технических наук, профессор

Каржавин Владимир Васильевич

доктор технических наук, профессор ФГАОУ ВПО «Российский государственный профессионально-педагогический университет», профессор кафедры автомобилей

Ведущая организация:

Губашов Борис Николаевич

кандидат технических наук, доцент ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», доцент кафедры «Металлургические и роторные машины»

ОАО «Алтайский научно-исследовательский институт технологии машиностроения «АНИТИМ»

Защита состоится 24 июня 2014 года в 12.00 на заседании диссертационного совета Д 212.285.10 на базе ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» (620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, ауд. М-323).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», http://dissovet.science.uriu.ru/news2/

Автореферат разослан 19 мая 2014 г.

Учёный секретарь ^

диссертационного совета, //

доктор технических наук Е.Ю. Раскатов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Горячая объемная штамповка (ГОШ) занимает важное место в технологических циклах машиностроительных предприятий, и от эффективности этого процесса во многом зависят технико-экономические показатели всего производства.

Получение качественной поковки является первостепенной задачей современного проектирования процессов ГОШ.

Этой задаче в большей степени отвечают закрытая штамповка, штамповка выдавливанием и другие малоотходные и безотходные технологии, среди которых важное место занимает высадка в закрытых штампах. Использование высадки ограничивается условием продольной устойчивости заготовки, которое вынуждает осуществлять предварительные наборные переходы металла, что ведет к ухудшению качества изделий и повышению трудоемкости процесса.

Поэтому разработка и внедрение в производство новых способов высадки, позволяющих получать высококачественные стержневые изделия в один переход при сверхдопустимой по условию продольной устойчивости длине высадки является актуальной задачей.

Цель работы.

Целью настоящей работы является повышение эффективности изготовления и качества стержневых изделий с утолщением, требующим относительной длины высадки, превышающей допустимую по условию продольной устойчивости заготовки, на основе разработки комплекса термомеханических и технологических решений, обеспечивающих рациональные условия деформирования при горячей объемной штамповке.

Автор защищает:

- математические модели рационализации термомеханических параметров процесса горячей штамповки стержневых поковок из длинномерных заготовок;

- математическую модель реализации условий монотонного заполнения полости штампа;

- технологические процессы, реализующие результаты исследований и изобретений, защищенных патентами.

Научная новизна. Построена оптимизационная математическая модель однопереходной горячей штамповки стержневых изделий с утолщением из длинномерных заготовок при сверхдопустимой по условию продольной устойчивости относительной длине высадки; разработана комплексная методика реализации процесса штамповки, обеспечивающая приближение условий монотонности заполнения полости штампа, создание благоприятной волокнистой структуры металла поковки и минимизацию энергоресурсов.

Практическая ценность. Спроектированы технологии однопереходной штамповки типовых стержневых поковок из длинномерных заготовок при относительной длине высадки, вдвое превышающей допустимую по условию продольной устойчивости; разработана математическая модель процесса высадки, представленная многомодульным алгоритмом оптимизации

термомеханических параметров штамповки, который реализован компьютерной программой; предложены практические рекомендации по выбору теплофизических и технологических параметров штамповки стержневых изделий с утолщением, обеспечивающие условия монотонности процесса заполнения полости штампа и снижение энергоемкости получения изделий. Разработаны новые конструкции штампов для закрытой штамповки высадкой, внедренные на промышленных предприятиях.

Реализация работы в промышленности. Результаты работы использованы при разработке технологических процессов и проектировании штамповой оснастки в ООО «АЗПИ» г. Барнаул и ОАО «Барнаульский кузнечно-прессовый завод», ОАО «Алтайвагон», а также в учебном процессе ФГБОУ «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова». Экономический эффект от внедрения результатов исследований составляет 4,2 млн. рублей в год.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

IV, V, VI, VII, VIII Всероссийских научно-технических конференциях Наука и Молодежь в 2007-2012 г. г. Барнаул.

XI Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых 23-24 апреля 2009 г., г. Рубцовск, 2009 г.

II Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых 20 ноября 2011 г., г. Рубцовск, 2011 г.

9-ой, 10-ой Всероссийских научно-практических конференциях «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», г. Новосибирск 2011-2012.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 34 печатные работы, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, получено 4 патента на изобретения и 1 авторское свидетельство на программу для ЭВМ по оптимизации термомеханических параметров штамповки стержневых поковок из длинномерных заготовок.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов, списка литературы и семи приложений. Работа содержит 136 страниц машинописного текста, 46 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, ее теоретическая и практическая значимость, обозначена научная новизна, сформулирована цель исследований.

В первой главе описаны особенности формирования структуры металла при высадке утолщения стержневых изделий, проведен анализ существующих способов штамповки длинномерных стержневых изделий, выполнен обзор теоретических и экспериментальных исследований процессов получения названного типа изделий.

Результаты анализа патентной и научно-технической литературы в российских и зарубежных изданиях показали, что в настоящее время в

литературе отсутствуют сведения о действенной технологии штамповки стержневых изделий за один переход при сверхдопустимой по условию продольной устойчивости длине высадки, и практически нет рекомендаций по оптимизации технологических параметров штамповки, обеспечивающих монотонность заполнения полости штампа.

Значительный вклад в изучение рассматриваемых процессов внесли A.A. Ильюшин, Г.А. Смирнов-Аляев, В.Л.Колмогоров, Е.И.Семенов, А.Э. Артес, Л.Эйлер, Ф. Энгессер, Т. Карман, В.А. Бэкофен. Известны также работы О.С. Железкова, Ф.С.Ясинского, B.C. Паршина, В.Н. Перетятько, А.Г. Овчинникова, М.И. Поксеваткина, М.В. Бедарева и др. авторов.

Во второй главе приводятся результаты математического моделирования однопереходного процесса формообразования стержневых поковок с утолщением.

В основу аналитического исследования заложены условия монотонного протекания процесса деформации, сформулированные А.А.Ильюшиным, Г.А. Смирновым-Аляевым и развитые В.Л. Колмогоровым: 1) совпадение главных осей скоростей деформации с одними и теми же материальными частицами волокон металла в течение всего процесса; 2) неизменность за весь процесс вида малой деформации при переходе из предшествующей стадии в текущую.

Первое условие можно выразить уравнением: 2-(Т2 -сг, -СГ3 _ 2-<g2 -¿f

---~---,Т.е. Ha=He- (1)

Здесь и /4 - соответственно параметры вида напряженного и деформированного состояний металла;

<т;, 02 и аз - главные напряжения;

¿¡1, £2 и <5 - главные компоненты скоростей деформации.

Из второго условия монотонности процесса вытекает:

i I £*2

(2)

£2

»

где Б], £2 и Ез — главные компоненты результативной деформации.

Особенности монотонного заполнения полости штампа и возможное волокнистое строение поковки, возникающее в процессе формирования утолщения стержневых изделий, показаны на рисунке 1. Условие продольной устойчивости в первой стадии осесимметричной высадки обеспечивает монотонность процесса деформации (рис. 1, а). Во второй стадии в очаг деформации 3 последовательно поступает металл стержневой заготовки 2. Если сопротивление деформации (опв) поступающего в полость штампа металла равно таковому (<т„.ш.) в очаге деформации 3 (с учетом упрочнения последнего за счет степени (е) и скорости деформации (£)), то в очаге деформации 3 создается однородная среда. В этом случае параметры напряженного (//„) и деформированного (/4) состояния металла не изменяются и направления

главных осей напряжений и деформаций в осесимметричном очаге сохраняются (рис. 1, б). 1

Рисунок 1 - Схемы волокнистого строения стержневой поковки в процессе формирования утолщения: 1 — пуансон; 2 - заготовка; 3 - очаг деформации; 4 -матрица; 5 - направляющая втулка

В противном случае происходит нарушение условий монотонности процесса деформации. В результате возникают дефекты в виде складок и зажимов (рис. 1, в, г).

Для удовлетворения условий монотонности процесса производства стержневых изделий с утолщением на конце целесообразно использовать управляемый градиентный нагрев с рационализацией технологических параметров, учитывающих теплофизические и механические свойства штампуемого металла. Проектирование модели управления градиентным нагревом осуществляем в следующем порядке.

1. Определяем величину смещения зоны нагрева (/„) от торца концевого участка (1Х) с учетом времени нагрева (г„) и транспортировки заготовки (г,„) к штампу, равного т„= тн + г„.

2. На основании расчетов теплофизических параметров процесса с точностью до 10% в диапазоне 0,56< в <0,83 величину 1Х можно определять по простой аппроксимации

К = 1,572^7 • = 1,572^7 • вт, [3] (3)

н

где Э — —--— — температурный параметр; Тн и Г„, - соответственно

Тн

температура (°С) зоны нагрева и зоны торцевого участка заготовки; а -температуропроводность, м2/с.

3. С целью упрощения практического использования зависимость (3) представлена в виде номограммы (рис.2) [8]. По номограмме, используя

значение тц, апв, для углеродистой стали определяют величину смещения 1Х при нагреве участка /„ до температуры Тн без учета охлаждения заготовки и передачи тепла к торцу за время нагрева тн (см.ключ на рис.2).

1х, мм

3 5 8 Ю 15

М] 50 60 70 6 0 90 100

Та с

Рисунок 2 - Номограмма для определения параметров нагрева без учета охлаждения заготовки

Для повышения точности расчета в формулу (3) введены поправочные коэффициенты, учитывающие особенности теплообмена в заготовке в зависимости от параметров процесса:

¡х'= Ктн- Кы • Кохл ■ 1Х, (4)

где 1Х' - величина смещения участка нагрева с учетом поправочных коэффициентов; Кги, К и,, Кохл — аналитические поправочные коэффициенты; учитывающие соответственно время нагрева заготовки, длину нагреваемого участка и охлаждения заготовки с поверхности. Коэффициенты Кт и К/н представлены в виде номограммы (рис.3), коэффициент Кохл рассчитывают по формуле:

* =1-2-

а-т

и

ср-И

где а - коэффициент теплопередачи.

(5)

\

---

К

Ктк о \ Г 0 1 2

у 1 1

' У / Ччдз\ \

/ N

/ / ' 1 1 к

X / / 1 1 _Кы).1

т„

1.0

Кы Кги

1.0 15 2.0 2.5 3.0 3.5 1о/1«

Рисунок 3 - Номограмма для определения параметров нагрева с учетом теплообмена в заготовке

Далее проведено аналитическое исследование условий монотонного заполнения полости штампа и определены ключевые параметры, дающие возможность в первом приближении управлять процессом заполнения полости штампа с использованием способа однопереходной высадки стержневых изделий, защищенного патентом [2] (рис. 4).

а

Л

3 2 4 1

5

|--- ---—Л.

-ч^чч^И

ЧЧ4^

Рисунок 4 - Схема однопереходной штамповки стержневых поковок из длинномерных заготовок: исходное (а) и конечное (б) положения объектов штампа

Согласно предложенному способу штамповки стержневых поковок (рис. 4) [2] в первой стадии процесса заполнения полости штампа при свободной высадке пуансоном 1, размещенном в направляющей втулке 4, нагретой до ковочной температуры части заготовки 2 в матрице 3 при осесимметричной деформации наблюдается монотонное протекание процесса в очаге деформации 5 (рис. 5).

Рисунок 5 - Схема свободной высадки длинномерной заготовки при 4 < 2,5с1: 1 - пуансон; 2 - заготовка; 3 - матрица; 4 - очаг деформации

Действительно, материальные точки а, Ъ, с, ... (элементарные объемы волокон металла), расположенные в данный момент деформации на прямой, перпендикулярной меридианальному сечению осесимметричного очага деформации, должны располагаться на этой прямой и в предшествующие и в последующие моменты времени, а материальные точки а', Ь\ с', ..., расположенные на произвольных нормалях к свободной поверхности очага деформации, также должны находится на этих нормалях и в другие моменты времени (рис. 5), т.е:

оп я ( Тд ')= апш(Тд, Е, £). (6)

Соотношение термомеханических параметров можно аппроксимировать параболической зависимостью:

+ (7)

где т = а ( Тн - Т ); ав, и ав,н - сопротивления деформации (предел прочности) металла соответственно в текущий и начальный моменты времени, МПа; Т и Тн — температура металла соответственно в текущий и начальный моменты времени, °С.

Математическая модель управления монотонным процессов заполнения полости штампа представлена в виде алгоритма (рис. 6).

Разработанный алгоритм позволяет рассчитывать термомеханические параметры штамповки стержневых изделий, которые могут обеспечивать монотонное заполнение полости штампа (условие 6).

Рисунок 6 — Алгоритм обеспечения условия монотонности заполнения полости штампа

Далее для рационализации выбора термомеханических параметров градиентного нагрева длинномерных заготовок и схемы штамповки стержневых изделий разработаны математическая модель и многомодульный алгоритм (рис. 7).

С''начало')

1.2 13

и

ОПР.Ь= УсА

X

Р.у =Ь/0

X

Р.Ц)И=Пу:01

15

16

17 1.8

г »=(ИЬ;0! | '>

X

Хт = / Ив; гт! I

X и = Хт* Ти

ЛТ -Хц/10,006 - О)

2.13

х ш*1= хн+5

Штамповка на ГШМ сваВоднай

высадкой в стандарп ком штампе

Формовка на ГШМ сваВодной ) специальном штампе

НаВор металла на ГШМ высадкой на

Формовка на ГШМ сйойадной высадкой б стандартном штампе

X

Печать результатов

Рисунок 7 - Алгоритм оптимизации термомеханических параметров и схемы штамповки стержневых изделий из длинномерных заготовок

Процедура оптимизации содержит три основных модуля:

- первый модуль (М1) - параметрическая характеристика поковки и расчет ключевых параметров процесса;

- второй модуль (М2) - иерархическая гибридная подсистема технологических задач, реализующих минимизацию энергоемкости процесса штамповки;

третий модуль (МЗ) - настройка системы на конкретную технологическую область и назначение оптимального способа формообразования поковки в этой области.

После всех расчетов выполняются печать результатов оптимизации и даются рекомендации по выбору рациональной схемы формирования утолщения стержневого изделия.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования термомеханических параметров деформируемого металла с целью практической реализации монотонного заполнения полости штампа.

Опытные работы проводили на производственном штампе для закрытой высадки корпуса распылителя форсунки ДВС с использованием специальной насадки к штампу согласно изобретению [2] (рис. 4). Материал корпуса распылителя сталь 18Х2Н4МА.

Температурное поле участка 1С, вытесняемого последовательно в очаг деформации, определяют в следующем порядке.

На основе литературных источников построены кривые упрочнения стали 18Х2Н4МА, с помощью которых найдены параметры температурного поля стержневого участка (/с) (рис. 8) и построена его графическая характеристика (рис. 9).

400

щ .-»* * __ т

й % у / ✓» у

.___ --- —

Ключ

700'С 772'С

800'С 815'С 870'С 900'С

1000'С 1100'С

760'С 786'С

Рисунок 8 — Определение параметров температурного поля участка 1С стержневой заготовки по ее кривым упрочнения

10 20 30 40 50 е,%

Г

Рисунок 9 - Графическая характеристика температурного поля участка 1С стержневой заготовки

Р,

■--е.%

50 40 30 20

Подача прутка в очаг деформации [ /н

Из поковок, отштампованных при соблюдении условия (6) с использованием графической характеристики температурного поля (рис. 9),

Рисунок 10 - Макрошлиф поковки корпуса распылителя с характерно очерченными волокнами металла в очаге деформации

изготовлены макрошлифы (рис. 10).

Оценивание симметричности волокон в верхней и нижней частях очага деформации осуществляем по показателю 5, равному:

51 =

1

(В)

где а и Ь — величины расстояний между волокнами соответственно в верхней (I) и нижней (II) частях матрицы (очага деформации (рис.); /=1, п -номера отрезков между волокнами, п - количество отрезков.

Для сравнения результатов производственных опытов проведены экспериментальные исследования процесса однопереходной высадки корпуса распылителя с использование математического планирования эксперимента.

Для лучшей идентификации волокнистого строения металла поковки в качестве материала изделия выбрана сталь Ст2 (таблица 1).

Таблица 1 - Варьируемые факторы

Фактор Уровни факторов

Верхн. Основн. Нижн.

1. Температура (ТМ,°С) нагрева стержневой части 1м заготовки 1000°С 900°С 800°С

2. Температура (Тс,°С) нагрева стержневой части /с заготовки 1000°С 800°С 600°С

3. Отношение А=1л/В (при (//=//0=5,8) 3,0 2,5 2,0

4. Радиус закругления углов матрицы, г, мм 4,0 2,5 1,0

Для верификации полученной структуры металла волокнистому строению, возникающему при монотонности заполнения полости штампа использовали соотношение:

г = 1 /и (/,//,)• (9)

1

где 2 - показатель степени удлинения волокон при формировании утолщения в полости матрицы в продольной плоскости сечения;

/ - длина наиболее вытянутых (в том числе, искаженных) волокон, г=1...п — номера волокон использованных при измерении длины; п - количество характерных волокон, взятых для замера.

Для случая монотонного заполнения полости штампа из формулы (9) получаем эталонный показатель (гэ):

Ъ=1Л, (Ю)

где 1д — длина дуги крайнего волокна, контактирующего с боковой стенкой полости штампа.

Тогда математическая модель верификации монотонности заполнения полости матрицы (целевая функция) примет вид:

/(г) = 1/и(/,//.) г, (П)

1

Для описания возможных связей факторов была принята простейшая математическая модель в виде полинома первой степени.

После обработки результатов эксперимента модель процесса верификации монотонности заполнения полости матрицы ориентировочно может быть описана выражением:

2=1,1708-0,0125-хг0,0255-х2+0,0053-х3+0,0051 -х4, (12) В результате анализа результатов выбраны три макрошлифа с характерной волокнистостью.

Показатель волокнистости макроструктуры наиболее близок к эталонному в опыте №4, что соответствует результатам аналитических исследований, показанных на графиках.

Моделирование процесса деформации с помощью программного пакета С^огт позволило исследовать структуру металла в процессе заполнения полости штампа с использованием метода конечных элементов и подтвердить характер течения металла в очаге деформации.

Таким образом, в результате реализации новых технологических решений удается получать благоприятную волокнистую структуру металла стержневых изделий однопереходной закрытой штамповки при сверхдопустимой по условию продольной устойчивости относительной длине высадки заготовки, что свидетельствует о монотонности характера заполнения полости штампа.

В четвертой главе приведены однопереходные процессы горячей штамповки типовых поковок с утолщением из стержневых заготовок, разработанные на основе результатов исследований, описанных в главе 3.

Схема изготовления изделий из длинномерных заготовок согласно способу [2] представлена на рисунке 4.

Получение изделий из длинномерных заготовок согласно способу обеспечивает высокое качества изделий и повышенную производительность процесса, так как изготовление изделий осуществляется за один переход.

При однопереходной штамповке стержневых изделий при сверхдопустимой по условию продольной устойчивости относительной длине

высадки необходимо высокое качество торцевых элементов заготовки. Для получения высококачественных мерных заготовок разработан способ (рис. 11) [34].

Согласно способу в процессе разделения прутка на мерные заготовки в плоскости разделения создается знакопеременные напряжения, вызывающие пластический сдвиг металла по плоскостям скольжения, в результате чего образуются гладкие торцевые поверхности заготовок.

Полученные при реализации способа мерные заготовки имели торцевые фаски и гладкие торцевые поверхности, перпендикулярные продольной оси. Ж Ж Ж Ж Ж

Рисунок 1 1 Схема способа разделения прутка на длинномерные заготовки

представлена конструкция штампа для изготовления поковки малогабаритного корпуса распылителя форсунки ДВС [2].

Разработана технология высадки фланца полуоси автомобиля на ГШМ в один переход. Конструкция оснастки позволяет штамповать заготовки с относительной длиной высадки, превышающей допустимую в 2-3 раза.

Проектирование ТП для закрытой штамповки стержневых изделий с высоким фланцем без штамповочных уклонов осаживанием (поковки типа шестерни) или высадкой (поковки типа валов с высоким фланцем) базируется на предлагаемом запатентованным изобретении [17], которое позволяет повысить качество и снизить трудоемкость получения изделий, обеспечив благоприятную волокнистую структуру металла поковки.

Для автоматизации расчета элементов штампа разработан алгоритм, имеющий линейную структуру из 13 последовательных блоков (рис. 12).

Алгоритм реализован компьютерной программой, которая успешно опробована.

( Начат )

ВОад исходных данных О, Рц Нц ah, Гла.п

Vn* Hi

ж а'

Опр Ь=

i Vn жО2

Опр. с*

X

Опр.Ак= Ас - шаг

О

?

Ei'AF.I

И,.... п - номера барь ¡робанш

степени дефармаци. Т.!-At

^ Конец )

Рисунок 12 - Алгоритм расчета элементов штампа из условий допустимой по пределу упругости степени упругого сжатия стенок матрицы

В пятой главе приведена программная реализация выбора и рациональных термомеханических и технологических параметров штамповки стержневых изделий с утолщением из длинномерных заготовок

В результате исследований удалось сформировать четкие оптимизационные математические зависимости, на основе которых была разработана программа рационализации термомеханических параметров штамповки стержневых поковок из длинномерных заготовок. Разработки проводились с помощью программы Macromedia Flash MX 2007 со встроенным языком программирования С++ (ActionScript).

При использовании программы расчета термомеханических и технологических параметров штамповки стержневых поковок с утолщением из длинномерных заготовок, предлагается ввести исходные данные технологического процесса, а именно диаметр и высоту утолщения, теплопроводность, плотность той или иной стали, если параметры введены неверно или не в полном объеме, выдается ошибка с предложением исправить недочет. Далее происходит оптимизация термомеханических параметров с отображением конечных результатов и выдачей технологических рекомендаций по штамповке.

Испытания показали, что головки болта получены с четко оформленными гранями и закруглениями на торце. При этом расчетный объем металла на головку болта в связи с отсутствием заусенца снижается на 3^5%.

Предложенные аналитические зависимости для расчета величины смещения участка нагрева от торца стрежневой заготовки, учитывающие технологические параметры процесса штамповки и теплофизические свойства

металла, рекомендуются для практического использования при горячей высадке стержневых поковок с утолщением на конце.

Штамповка опытной партии с использованием уточненного расчета технологических параметров нагрева показала удовлетворительную сходимость результатов и хорошее качество поковок.

В главе 5 приведена также программная реализация условий монотонного течения металла в процессе формирования утолщения стержневой поковки, позволяющая подобрать технологические параметры, обеспечивающие условия монотонности протекания процесса формирования утолщения стержневой поковки. Разработка данной программы реализации условий монотонности течения металла в процессе формирования утолщения стержневой поковки проводилась с помощью программы Delphi 2007 CodeGear from Borland со встроенным языком программирования Object Pascal.

Проведена адаптация программ к конкретным условиям производства.

В основных результатах и выводах дается пояснение, что в ходе достижения основной цели диссертации - разработки эффективной однопереходной технологии изготовления стержневых изделий с утолщением при сверхдопустимой по условию продольной устойчивости относительной длине высадки были решены поставленные задачи исследования.

В приложении представлены: тексты компьютерных программ по оптимизации термомеханических параметров штамповки стержневых поковок из длинномерных заготовок и оптимизации термомеханических параметров градиентного нагрева длинномерных заготовок, фотографии макроструктуры поковок после опытной штамповки, чертежи оснастки, спроектированной и изготовленной для проведения опытных работ.

Основные результаты и выводы

В ходе достижения основной цели диссертации - разработки эффективной однопереходной технологии изготовления стержневых изделий с утолщением при сверхдопустимой по условию продольной устойчивости относительной длине высадки были решены следующие задачи.

1. Сформированы и обоснованы критерии оптимизации технологических параметров горячей штамповки поковок из длинномерных заготовок, позволяющие повысить качество стержневых изделий и эффективность их производства.

2. Разработанные оптимизационные математические модели, реализующие условия монотонного протекания процесса заполнения полости штампа при формировании утолщения при относительной длине высадки, вдвое превышающей допустимую, обеспечивают однородность структуры металла в очаге деформации, и, в связи с этим, повышенное качество изделий.

3. Экспериментально реализованные условия монотонного процесса заполнения полости штампа при yj»y/i,, подтверждают адекватность разработанных моделей.

4. Полученная экспериментальная модель процесса заполнения полости штампа хорошо согласуется с аналитической.

5. Разработанные оптимизационные модели выбора схемы штамповки и термомеханических параметров процесса позволяют существенно повысить эффективность производства стержневых изделий.

6. Разработанная компьютерная программа, реализующая рационализацию технологических параметров процесса штамповки стержневых поковок из длинномерных заготовок при i//>>y/d, может быть использована при внедрении эффективной технологии производства стержневых изделий.

7. Разработанные и промышленно реализованные технологии изготовления типовых стержневых изделий из длинномерных заготовок с использованием компьютерной программы подтверждают объективность и эффективность внедрения предложенных технических решений.

Разработан способ однопереходной штамповки стержневых поковок при 4i»y/à, разработана математическая модель процесса, представленная многомодульным алгоритмом оптимизации термомеханических параметров штамповки. Алгоритм реализован компьютерной программой, предложены рекомендации по выбору способа штамповки данного типа изделий с целью снижения энергоемкости процесса. Разработаны новые конструкции штампов для закрытой высадки, защищенные патентами, которые внедрены на промышленных предприятиях.

Анализ теоретических и экспериментальных данных позволил разработать научно-обоснованные практические рекомендации и методику проектирования технологических процессов горячей однопереходной штамповки стержневых поковок с утолщением из длинномерных заготовок с относительной длиной высадки, значительно превышающей допустимую по условию продольной устойчивости, которые были использованы при разработке технологий изготовления двух типов изделий. В результате внедрения технологий в производство получен экономический эффект в сумме 4,2 млн. рублей в год.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах и изданиях, определённых ВАК:

1. Определение параметров дифференцированного нагрева стержневых заготовок/Поксеваткин М.И., Осколков А.И., Мамонтов М.С., Дунаев К.Ю./ Журнал «КШП ОМД» №7,2009, с. 30-33.

2. Оптимизация термомеханических параметров штамповки стержневых поковок из длинномерных заготовок/ Поксевапшн М.И., Дунаев К.Ю., Поксеваткин Д.М./ Журнал «КШП ОМД» №10, 2010, с. 24-27.

3. Однопереходная штамповка болтов с внутренней фасонной полостью в утолщении стержневой поковки/Дунаев К.Ю., Поксеваткин М.И., Савостина К.С., Казанцева Ю.Е./ПоЛзуновский вестник, г. Барнаул, февраль 2012 г.

Другие публикации:

4. Алгоритм выборки компенсационных устройств штампов малоотходной горячей штамповки/Овчаров Г.А., Штильников А.А - аспиранты, Мамонтов М.С., Дунаев К.Ю. - студенты, Поксеваткин М.И./4-я Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных "Наука и молодёжь - 2007" (НиМ-2007) - г. Барнаул, АлтГТУ, апрель, 2007 г.

5. Установка длинномерных стержневых заготовок при закрытой штамповке/ Дунаев К.Ю., Поксеваткин М.И., Мамонтов М.С./ Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и

кузнечно-штамповочного производств: Сборник научных трудов/ под ред. A.M. Гурьева и В.А. Маркова - Вып. 5 - Барнаул: Изд-во АягГТУ, 2009.-262 е., с.87

6. Принципы оптимизации технологических параметров однопереходной штамповки изделий из длинномерных стержневых заготовок/ Поксеваткин М.И., Дунаев К.Ю., Мамонтов М.С./ Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств: Сборник научных трудов/ под ред. A.M. Гурьева и В.А. Маркова - Вып. 5 - Барнаул: Изд-во АлгГТУ, 2009.-262 е., с. 170-173

7. Обобщённый алгоритм минимизации технологической себестоимости деталн/Штилышков A.A., Поксеваткин М.И., Мамонтов М.С., Дунаев К.Ю.//Материалы научно-практической конференции Рубцовского индустриального института. Рубцовск. Изд. РубИИ, 2009, С. 26-28

8. Штампы для закрытой штамповки /Поксеваткин М.И., Штильников A.A., Овчаров Г.А., Мамонтов М.С., Дунаев К.Ю. //Материалы научно-практической конференции Рубцовского индустриального института. Рубцовск. Изд. РубИИ, 2009, С.39-42

9. Обобщённый алгоритм минимизации технологической себестоимости детали / Штильников A.A., Дунаев К.Ю., Поксеваткин М.И., Мамонтов М.С. //7-я всероссийская научно-техническая конференция студентов аспирантов и молодых учёных «Наука и молодёжь». Секция «Машиностроение». Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. -Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2009. С. 1618

10. Штамп для закрытой штамповки /Поксеваткин М.И., Дунаев К.Ю., Штильников А.А.//7-Я Всероссийская научно-техническая конференция студентов аспирантов и молодых учёных «Наука и молодёжь». Секция «Машиностроение». Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. -Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2009. С. 18-19

11. Методика экспериментального исследования процесса поперечного выдавливания/ Дунаев К.Ю, Мамонтов М.С., Копылов A.C. Обиход Г.И., Поксеваткин М.И. /7-я Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных "Наука и молодёжь - 2010" (НиМ-2010) - г. Барнаул, АлтГТУ, апрель - июнь, 2010 г.

12. К вопросу повышения качества штамповки стержневых деталей/ Дунаев К.Ю, Мамонтов М.С., Поксеваткин М.И. /7-я Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных "Наука и молодёжь - 2010" (НиМ-2010) - г. Барнаул, АлтГТУ, апрель - июнь, 2010 г.

13. Штамп для закрытой штамповки/ Дунаев К.Ю., Штильников A.A., Поксеваткин М.И./ 7-я Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных "Наука и молодёжь - 2010" (НиМ-2010) - г. Барнаул, АлгГТУ, апрель - июнь, 2010 г.

14. Минимизация энергоёмкости штамповки стержневых поковок из длинномерных заготовок/ Дунаев К.Ю., Поксеваткин Д.М., Поксеваткин М.И./7-я Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных "Наука и молодёжь • 2010" (НиМ-2010) - г. Барнаул, АлтГТУ, апрель - июнь, 2010 г.

15. Алгоритмизация штамповки стержневых заготовок с полостью в утолщении/ Дунаев К.Ю., Поксеваткин М.И., Бедарев М.В., Штильников A.A./ 9-ая Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» - г. Новосибирск, 2011, С. 8-9

16. Однопереходная штамповка болтов с полостью в головке/ Дунаев К.Ю., Поксеваткин М.И., Бедарев М.В., Штильников A.A./ 9-ая Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» - г. Новосибирск, 2011, С. 10-11

17. Проблемы монотонного заполнения полости штампа при деформации утолщения стержневой поковки/ Дунаев К.Ю., Штильников A.A./ 9-ая Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» - г. Новосибирск, 2011, С. 11-13

18. Компенсация избытка металла при штамповке стержневых поковок с фасонным хвостовиком/ Поксеваткин М.И., Штильников A.A., Дунаев К.Ю./ 9-ая Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» - г. Новосибирск, 2011, С. 23-24

19. Заполняемостъ внутреннего компенсатора при штамповке стержневых поковок/ Поксеваткин М.И., Штильников A.A., Дунаев К.Ю./ 9-ая Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» - г. Новосибирск, 2011, С. 25-26

20. Компенсация избытка металла при горячей штамповке корпуса распылители /Казанцева Ю.Е.. Савостина К.С., Поксеваткин М.И., Дунаев К.Ю., Штильников A.A. // Материалы VIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь - 2011», г. Барнаул, 2011

21. Принцип обеспечения монотонности процесса заполнения полости штампа /Дунаев К.Ю., Поксеваткин М.И., Штильников A.A. // Материалы VIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Наука и молодежь — 2011», г. Барнаул, 2011

22. Принципы параметрической классификации поковок по геометрическому образу /Овчаров Г.А., Поксеваткин М.И., Штильников A.A., Дунаев К.Ю., Логинов A.C. // Материалы VIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодёжь - 2011», г. Барнаул, 2011

23. Оптимизационная модель проектирования малоотходной горячей штамповки (МГШ) /Штильников A.A., Поксеваткин М.И., Дунаев К.Ю., Овчаров Г.А. //Материалы VIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Наука и молодежь — 2011», г. Барнаул, 2011

24. Оптимизация технологических параметров при закрытой штамповке стальных поршневых колец при волочении / Храмцов А.Н., Асташин А.И., Поксеваткин М.И., Штильников A.A., Дунаев К.Ю. //Материалы VIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Наука и молодёжь - 2011», г. Барнаул, 2011

25. Построение математической модели монотонного процесса заполнения полости матрицы при штамповки стержневых поковок из длинномерных заготовок/ Дунаев К.Ю., Поксеваткин М.И., Савостина К.С., Казанцева Ю.ЕЛ всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных, г. Рубцовск, 20 ноября 2011 г.

26. Алгоритмизация математической модели монотонного процесса штамповки стержневых поковок из длинномерных заготовох/I всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных, г. Рубцовск, 20 ноября 2011 г.

27. Алгоритмизация выбора температуры градиентного нагрева длинномерных заготовок при монотонном процессе закрытой штамповки стержневых поковок/ I всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных, г. Рубцовск, 20 ноября 2011 г.

28. Однопереходная штамповка винтов с фасонной полостью в головке/Дунаев К.Ю., Поксеваткин М.И., Савостина К.С., Казанцева Ю.Е./ 10-ая Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» - г. Новосибирск, 2012, С. 42-46.

Патенты:

29. Способ изготовления изделий из длинномерных заготовок/ Поксеваткин М.И., Овчаров Г.А., Поксеваткин Д.М., Дунаев К.Ю., Мамонтов М.С./ патент №2365459 от 10.12.2007

30. Способ штамповки поковок типа крестовин в штампе с горизонтальным разъёмом матриц/ Поксеваткин М.И., Дунаев К.Ю., Мамонтов М.С., Поксеваткин Д.М./патент №2399456 от 09.06.2009

31. Способ однопереходной штамповки стержневых деталей с полостью в утолщении/ Поксеваткин М.И., Бедарев М.В., Мамонтов М.С., Дунаев К.Ю., Поксеваткин Д.М./патент №2391172 от 23.03.2009

32. Оптимизация термомеханических параметров штамповки стержневых поковок из длинномерных заготовок/ Дунаев К.Ю., Поксеваткин М.И7 Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2012611303 от 02.12.2011

33. Способ разделения прутка на длинномерные заготовки/ Поксеваткин М.И., Дунаев К.Ю. и др./Решение о выдаче патента на изобретение №2012150836/02(081204) от 27.11.12 г.

Подписано в печать 18.04.2014. Формат 60x84 1/16. Печать - цифровая. Усл.п.л. 0,93. Тираж 100 экз. Заказ 2014 — 226

Отпечатано в типографии АлтГТУ, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46 тел.: (8-3852) 29-09-48

Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД №28-35 от 15.07.97 г.

ФГБОУ ВПО Алтайский государственный технический университет

им. И.И. Ползу нова

На правах рукописи

04201459466 ДУНАЕВ КИРИЛЛ ЮРЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ ЗАКРЫТОЙ ШТАМПОВКИ СТЕРЖНЕВЫХ ИЗДЕЛИЙ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, профессор Поксеваткин М.И.

Екатеринбург 2014

Содержание

Введение............................................................................... 5

Глава 1 Анализ процессов горячей штамповки стержневых поковок с утолщением из длинномерных заготовок..................................... 8

1.1 Особенности формирования структуры металла при высадке утолщения стержневой поковки............................................ 8

1.2 Способы и технологии горячей штамповки стержневых поковок с утолщением....................................................... 13

1.3 Постановка задач исследования....................................... 26

Глава 2 Моделирование однопереходного процесса формообразования стержневых изделий при сверхдопустимой по условию продольной устойчивости относительной длине высадки на основе монотонности заполнения полости штампа........................................................ 27

2.1 Характеристика и условия реализации однопереходного формирования утолщения стержневой поковки........................ 27

2.2 Теоретические предпосылки и создание модели управления монотонным процессом заполнения штампа............................. 33

2.3 Модель рационализации выбора схемы штамповки и термомеханических параметров градиентного нагрева длинномерных заготовок.................................................... 39

2.4 Построение математической модели и многомодульного алгоритма однопереходной горячей штамповки стержневых изделий с утолщением на основе монотонности заполнения полости штампа................................................................ 49

Глава 3 Экспериментальное исследование термомеханических параметров градиентного нагрева заготовок и практическая реализация монотонного заполнения полости штампа при однопереходной закрытой штамповке стержневых изделий при сверхдопустимой по условию продольной устойчивости относительной длине высадки

заготовки............................................................................... 54

3.1 Определение термомеханических параметров, реализующих монотонное заполнение полости штампа................................. 54

3.2 Методика идентификации монотонности заполнения полости штампа............................................................................ 57

3.3 Экспериментальное исследование структуры металла производственных образцов стержневых изделий..................... 63

3.4 Компьютерное моделирование структуры металла стержневых изделий........................................................................... 69

Глава 4 Проектирование технологических процессов горячей штамповки типовых поковок с утолщением из длинномерных стержневых заготовок............................................................... 73

4.1 Методология проектирования технологического процесса (ТП) однопереходной штамповки стержневых изделий с утолщением при сверхдопустимой относительной длине высадки по условию продольной устойчивости.................................................... 73

4.2 Разработка технологии разделения прутка на мерные заготовки повышенного качества........................................................ 76

4.3 Разработка ТП штамповки поковок типа корпуса распылителя... 82

4.4 Разработка ТП штамповки высадкой стержневых поковок с фланцем при относительной длине высадки, превышающей допустимую по условию продольной устойчивости.................... 84

4.5 Разработка ТП штамповки высадкой стержневых поковок с высоким фланцем без штамповочных уклонов.......................... 87

Глава 5 Программная реализация результатов разработки и их

внедрение............................................................................... 92

5.1 Программная реализация выбора рациональных термомеханических и технологических параметров штамповки стержневых изделий с утолщением из длинномерных заготовок.... 92

5.2 Программная реализация условий монотонного течения металла в процессе формирования утолщения стержневой поковки 94

5.3 Реализация расчета технологических параметров штампа для однопереходной высадки осесимметричных изделий без

штамповочных уклонов...................................................... 95

5.4 Адаптация программы к конкретным условиям производства 97

Основные результаты и выводы................................................... 97

Список использованной литературы............................................. 99

Публикации по теме диссертации................................................ 104

Приложение А Текст программы ЭВМ для оптимизации термомеханических параметров штамповки стержневых поковок из

длинномерных заготовок.......................................................... 110

Приложение Б Протокол результатов работы программы для поковки

малогабаритного корпуса распылителя........................................ 113

Приложение В Текст программы ЭВМ построения формы поковки на стадиях деформирования и расчета технологических параметров

штамповки............................................................................. 114

Приложение Г Протокол результатов работы программы для поковки

полуоси трактора МТЗ............................................................. 129

Приложение Д Акты внедрения результатов разработки.................. 132

Приложение Е Чертежи поковки заготовки полуоси трактора МТЗ..... 136

Введение

Актуальность темы. Горячая объемная штамповка (ГОШ) занимает важное место в технологических циклах машиностроительных предприятий, и от эффективности этого процесса в большой степени зависят технико-экономические показатели всего производства.

Проблемы ГОШ на сегодняшний день наиболее актуальны в сфере поиска новых способов штамповки и совершенствования действующих технологий. Получение качественной поковки по структуре, однородности строения волокон и распределению прочностных параметров во всем объеме поковки является первостепенной задачей современного проектирования процессов горячей штамповки.

Дальнейшее совершенствование процессов ГОШ направлено на повышение точности размеров и улучшения качества поверхности поковок путем перевода их изготовления со штамповки в открытых штампах на закрытую штамповку, штамповку выдавливанием и другие малоотходные и безотходные технологии, среди которых важное место занимает высадка в закрытых штампах. Использование высадки ограничивается условием продольной устойчивости заготовки, характеризующимся отношением длины высадки (/й) к диаметру (с1) заготовки, не превышающим, обычно, допустимого значения 1[/д=2,5. В случаях, когда это отношение (г//) выше допустимого, приходится осуществлять предварительные наборные переходы металла, что усложняет и удорожает технологию штамповки. Кроме того, в процессе набора возникает неблагоприятное волокнистое строение металла в утолщении.

Поэтому разработка и внедрение в производство новых способов высадки, позволяющих получать высококачественные стержневые изделия из длинномерных заготовок в один переход при условии 2,5 < у/ < 6, минимизируя, тем самым, энергоемкость процесса, является весьма актуальной задачей.

Цель работы. Целью настоящей работы является повышение эффективности изготовления и качества стержневых изделий с утолщением, требующим увеличенной относительной длины высадки, т.е. превышающей допустимую по условию продольной устойчивости, па основе разработки комплекса термомеханических и технологических решений, обеспечивающих рациональные условия деформирования при горячей объемной штамповке.

Автор защищает:

математические модели рационализации термомеханических параметров процесса горячей штамповки стержневых поковок из длинномерных заготовок;

- математическую модель реализации условий монотонного заполнения полости штампа;

- технологические процессы, реализующие результаты исследований и изобретений, защищенных патентами.

Научная новизна. Построена оптимизационная математическая модель однопереходной горячей штамповки стержневых поковок с утолщением из длинномерных заготовок при длине высадки, вдвое превышающей допустимую по условию продольной устойчивости; разработана комплексная методика реализации процесса штамповки, обеспечивающая приближение условий монотонности заполнения полости штампа, создание благоприятной волокнистой структуры металла поковки и минимизацию энергоресурсов.

Практическая ценность. Спроектированы технологии однопереходной штамповки типовых стержневых поковок из длинномерных заготовок при относительной длине высадки, вдвое превышающей допустимую по условию продольной устойчивости; разработана математическая модель процесса высадки, представленная многомодульным алгоритмом оптимизации термомеханических параметров штамповки, который реализован компьютерной программой; предложены практические рекомендации по выбору теплофизических и технологических параметров штамповки

стержневых изделий с утолщением, обеспечивающие условия монотонности процесса заполнения полости штампа и снижение энергоемкости получения изделий. Разработаны новые конструкции штампов для закрытой штамповки высадкой, внедренные на промышленных предприятиях.

Реализация работы в промышленности. Результаты работы использованы при разработке технологических процессов и проектировании штамповой оснастки в ООО «АЗПИ» г. Барнаул и ОАО «Барнаульский кузнечно-прессовый завод», ОАО «Алтайвагон», а также в учебном процессе ФГБОУ «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова». Экономический эффект от внедрения результатов исследований составляет 4,2 млн. рублей в год.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

IV, V, VI, VII, VIII Всероссийских научно-технических конференциях Наука и Молодежь в 2007-2012 г., г. Барнаул.

XI Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых 23-24 апреля 2009 г., г. Рубцовск, 2009 г.

II Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых 20 ноября 2011 г., г. Рубцовск, 2011 г.

9-ой, 10-ой Всероссийских научно-практических конференциях «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», г. Новосибирск 2011-2012.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 33 печатные работы, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, получено 4 патента на изобретения и 1 авторское свидетельство на программу для ЭВМ по оптимизации термомеханических параметров штамповки стержневых поковок из длинномерных заготовок.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов, списка литературы и семи приложений. Работа содержит 136 страниц машинописного текста, 46 рисунков и 8 таблиц.

Глава 1 Анализ процессов горячен штамповки стержневых поковок с утолщением из длинномерных заготовок

1.1 Особенности формирования структуры металла при высадке

утолщения стержневой поковки

Значительный вклад в изучение рассматриваемых процессов внесли A.A. Илыошин, Г.А. Смирнов-Аляев, В.Л.Колмогоров, Е.И.Семенов, А.Э. Артес, Л.Эйлер, Ф. Энгессер, Т. Карман, В.А. Бэкофен. Известны также работы О.С. Железкова, Ф.С.Ясинского, B.C. Паршина, В.Н. Перетятько, А.Г. Овчинникова, М.И. Поксеваткина, М.В. Бедарева и др. авторов.

Как известно, при штамповке стержневых изделий из длинномерных заготовок с относительной длиной высаживаемой части заготовки, не превышающей допустимую по условию продольной устойчивости, выполняют свободную высадку или простую закрытую штамповку за один переход, создающую благоприятное волокнистое строение металла в утолщении. В случае, когда относительная длина высадки превышает допустимое значение, наблюдается потеря устойчивости заготовки, что приводит к искажению симметричности волокнистого строения металла в утолщении и, как следствие этого, ухудшению качества изделия.

Первым понятие продольной устойчивости ввел Л. Эйлер [4].

Форма равновесия в деформированном состоянии считается устойчивой, если система при любом малом отклонении от начального состояния равновесия возвращается к нему после снятия внешней нагрузки. Переход системы от устойчивого состояния в неустойчивое называют потерей устойчивости, а границу этого перехода - критическим состоянием системы. Например, если стержень нагружен силой F, линия действия которой совпадает с геометрической осыо стержня, то стержень будет испытывать сжатие.

Под действием осевой нагрузки длинный тонкий стержень может искривиться вследствие того, что его ось практически всегда имеет

небольшую кривизну, а точка приложения силы смещена от центра тяжести поперечного сечения стержня. В результате стержень будет работать на сжатие и изгиб, что приводит к значительной неравномерности деформации и нарушению симметричности волокон в деформированной части стержня.

В результате своих исследований Л. Эйлером было получено уравнение для определения критической силы в зависимости от способа закрепления стержня:

2Е1/(Ц-1)2, (1.1)

где / - длина стержня, Е - модуль упругости, / - момент инерции поперечного сечения при потере устойчивости стержня, (¡л-1) - приведенная длина стержня; ¡л - коэффициент, зависящий от способа закрепления.

Р

н

р

т

Р

Р

Н

1 У/,

¡1-0,7

'//////■ УМ

{1*0,5

1Й1

а б в

Рисунок 1.1 - Способы закрепления стержня

МО

шш

г

Как видно из исследований Эйлера минимальное значение коэффициента /¿=0,5 у способа закрепления стержня, изображенного на рисунке 1.1, б). В способе, описанном в [24] использована именно такая схема нагружения стержня. Максимальный же коэффициент ц-2,0 (рисунок 1.1, в) соответствует открытой высадке плоским инструментом. Такую систему легче вывести из положения равновесия.

Неустойчивость пластической деформации и, связанное с этим, нарушение симметричности волокон в очаге деформации начинается в момент, когда в каком-либо месте металла последующее приращение

деформационного упрочнения аннулируется деформационным разупрочнением. В этом случае, по известному принципу С.И. Губкина, металл течет в сторону наименьшего сопротивления деформации.

Упрочнение характеризуется положительными приращениями напряжения (<т) да соответственно приращению степени деформации (e) ds. Тогда скорость деформационного упрочнения, равная da/de, будет соответствовать параметру Ек, известному в литературе как касательный модуль, входящий в формулу для расчета коэффициента упрочнения N [6]: N=EK-s/a . (1.2)

Поскольку скорость деформационного упрочнения эквивалентна скорости роста усилия деформации (Р) на единицу площади сечения (/) [38], то можно записать:

Ек = da/ds=dP/df. (1.3)

Тогда, с учетом соотношения ds=df/f, получим:

r 1 dP

Ек----

/ de (1 4)

Разупрочнение в общем случае зависит от материала, условий деформации (с - степень деформации, с - скорость деформации, с"1, Тд -температура деформации, °С и др.) и геометрических параметров деформируемого тела. Так, при монотонном процессе высадки (одноосное сжатие) изменение площади контакта равно Sf, т.е. происходит только упрочнение. При чистом сдвиге приращение df = 0, - разупрочнение отсутствует. Однако, неустойчивость процесса деформации может проявляться локально на плоскостях сдвига, что связано уже с металлом.

Обобщенную зависимость напряжения (а) течения от различных факторов можно описать выражением:

ст = сг(е,{,Тд,0С,у,...), (1.5)

где у - поверхностная энергия.

В результате дифференцирования (5) получим скорость деформационного упрочнения в виде уравнения [381:

(1а с!е

'ЭоЛ (д(ТЛ +

уде у

К

уде ,

+

11 да

кдТу

ЭГ

кд£;

+

(1.6)

В случае отрицательного значения какого-либо члена правой части уравнения, он становится причиной неустойчивости процесса деформации.

Г—1

Обычно отрицательной является производная у^Т)^ КОТОрая показывает, что склонность к адиабатическому процессу деформации способствует неустойчивости течения металла.

ГЭТ^

Но если сделать второй элемент третьего члена уравнения (1.6)

также отрицательным, то процесс деформации станет устойчивым: вся работа деформации переходит в тепло.

Для практических расчетов изменения температуры в очаге деформации можно воспользоваться соотношением [38]:

к • а • = с ■ с1Т или с1Т/ск = к ■ а/с, (1-7)

где к - часть сохраненного тепла (к = 1 для адиабатического процесса деформации);

с - коэффициент объемного расширения.

Изложенные выше механические и теплофизические зависимости определяют устойчивость процесса деформации и могут быть использованы при реализации условий монотонного заполнения полоти штампа при высадке стержневых изделий с утолщением.

На практике устойчивость процесса деформации часто связана с геометрическими параметрами заготовок и изделий, например, отношением высоты заготовки к ее диаметру при осадке, относительной длиной высадки и т.д. Большое влияние оказывает также действие контактных сил трения.

Еще в ранних исследованиях А. Надаи [39] было показано действ