автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Теоретические основы операций вырубки-пробивки

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ ОПЕРАЦИЙ ВЫРУБКИ И ПРОБИВКИ.

1.1. Механизм деформирования разделительных операций.

1.2. Экспериментальные и теоретические исследования разделительных операций.

1.3. Критерии разрушения материала.

1.4. Цель работы и задачи исследования.

2. ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА ПРОЦЕССОВ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ИЗОПАРАМЕТРИЧЕСКОГО КОНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА

ВТОРОГО ПОРЯДКА.

2.1. Вариационные подходы к решению задач методом конечного элемента.

2.2. Конечный элемент.

2.2.1 Локальная система координат.

2.2.2. Определение функций форм элемента.

2.3. Представление матрицы жесткости.

2.4. Упругопластические переходы.

2.5. Взаимодействие заготовки с инструментом.

2.6. Определение силовых режимов процесса.

2.7. Осадка прямоугольного образца.

2.8. Выводы.

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБРАЗОВАНИЯ И РОСТА ТРЕЩИНЫ.

3.1. Концепция подхода дискретных трещин.

3.2. Определение направления роста трещины.

3.3. Распространение трещины внутри элемента.

3.3.1 Рост трещины из узла в вершине элемента.

3.3.2 Рост трещины из узла в середине стороны элемента

3.4. Распространение трещины в соседний элемент.

3.5. Математическая модель процесса вырубки-пробивки.

3.6. Выводы.

4. ВЫРУБКА ЛИСТОВЫХ ЗАГОТОВОК.

4.1. Вырубка круглых листовых заготовок.

4.2. Сравнительный анализ расчётных и экспериментальных результатов.

4.3. Теоретическое исследование процесса вырубки с применением различных схем операций.

4.4. Теоретическое исследование процесса вырубки при различных технологических зазорах.

4.5. Выводы.

Вопросы повышения конкурентоспособности продукции отечественного машиностроения, сокращения сроков освоения новых изделий и снижения себестоимости их изготовления в настоящее время приобретают особую актуальность, что выдвигает на первый план задачи повышения эффективности технологических операций с целью обеспечения минимальной трудоемкости изготовления изделий высокого качества.

Широкое применение в холодноштамповочном производстве находят разделительные операции листовой штамповки, в том числе процессы чистовой вырубки и пробивки, позволяющие получать готовые изделия без дополнительной механической обработки. Несмотря на широкое применение этих операций в промышленном производстве, выбор их технологических параметров основан на производственном опыте или результатах экспериментальных исследований. Однако при создании новых технологических процессов иногда этих данных бывает недостаточно для прогнозирования качества получаемого изделия, что ведёт к дополнительным экономическим затратам, связанным с экспериментальным подбором соответствующих технологических параметров.

Высокая экономическая стоимость доводочных работ приводит к необходимости разработки высокоэффективных теоретических методов моделирования разделительных операций, которые бы позволили оценить не только силовые и деформационные параметры процесса, но также дать предварительную оценку качества поверхности разделения. Поэтому актуальной является задача создания математической модели, адекватно отражающей процесс разделения листового материала при операции вырубки - пробивки.

Диссертационная работа выполнена в рамках государственной производственных технологий» и госбюджетной темы № 36-95 Тульского государственного университета.

Цель работы. Диссертационная работа направлена на решение важной народнохозяйственной задачи, состоящей в повышении эффективности разделительных операций листовой штамповки путем научно-обоснованнного выбора технологических параметров их проведения, полученных на основе конечно-элементной модели, описывающей механизм разделения листового материала.

Научная новизна состоит в разработке математической модели разделения металла в процессах вырубки-пробивки, в исследовании особенностей пластического формоизменения металла в ходе операций, в получении зависимостей силовых и деформационных параметров процессов от технологических факторов и схем обработки.

Автор защищает: Математическую модель зарождения и распространения трещины в процессах вырубки-пробивки в основу, которой положен вариант метода конечных элементов с использованием изопараметрического конечного элемента второго порядка.

Результаты теоретических исследований напряжённого и деформированного состояния и кинематики течения металла в зоне реза в зависимости от геометрических размеров инструмента и схем технологических процессов.

Практическая ценность работы. Разработанные математические модели разделительных операций ОМД являются основой программного обеспечения, которое может быть использовано для расчета технологических параметров процесса и оценки качества получаемых заготовок. Результаты исследований использованы в опытном производстве для разработки технологического процесса изготовления детали «планка».

Научные положения диссертации использованы при подготовке магистерских диссертаций и дипломных проектов.

Результаты диссертационной работы доложены на международных, всероссийских, региональных и межвузовских конференциях, в том числе: всероссийской научной конференции, посвященной 70-летию ТулГУ «Современные проблемы математики, механики, информатики» (г.Тула, 2000); ежегодной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 2000, 2001); региональной научной конференции «Современные проблемы математики механики и информатики» (г.Тула, 2001); 4-ой международной научно-технической конференции «Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве» (Харьков, 2001).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ.

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

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников из 83 наименований, приложения и содержит 104 страниц основного машинописного текста, 29 иллюстраций, 4 таблицы. Общий объем работы составляет 119 страниц.

Основные результаты и выводы

1. Создана модель зарождения и распространения трещины в процессах вырубки-пробивки, в основу которой положен вариант метода конечных элементов с использованием изопараметрического конечного элемента второго порядка.

2. Создан оригинальный алгоритм разбиения конечных элементов для описания роста трещины внутри материала, локально перестраивающий сетку конечных элементов в области кончика трещины в отличии от существующих, которые предполагают перестроение сетки во всём объеме деформируемого материала.

3. Установлено, что разработанная математическая модель удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными полученными при вырубке круглых заготовок из стали 10 при различных зазорах. Отклонение расчётных данных от экспериментальных по силовым параметрам не превышает 15%. Отмечается качественное совпадение геометрии поверхностей разделения заготовок.

4. Установлено, что при вырубке круглых заготовок без прижима при уменьшении технологического зазора с 0,75мм до 0,15мм наблюдается улучшение качества поверхности и снижение высоты неровностей профиля с 342мкм до 195мкм, при этом отмечается рост усилия операции на 30%.

5. Установлено, что при использовании схемы вырубки - пробивки с приложением давления на внешней границе заготовки полученное качество поверхности разделения в 3-3,5 раза выше, чем при использовании схемы с гладким прижимом. При этом глубина внедрения пуансона до начала разрушения при схеме с повышенным гидростатическим давлением увеличивается в 1,66 раза по сравнению

95 со схемой с гладким прижимом.

6. Установлено, что при вырубке по схеме с повышенным гидростатическим давлением при уменьшении технологического зазора с 0,07мм до 0,05мм высота неровностей профиля уменьшается в 2,9 раза при увеличении усилия в 1,2 раза; при дальнейшем уменьшении зазора качество поверхности меняется незначительно, но сопровождается резким возрастанием технологического усилия в 1,6 раза.

1. Зубцов М.В. Листовая штамповка. Л.: Машиностроение.- 1967. -504 с.

2. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение. - 1979.-520 с.

3. Попов Е.А. Основы листовой штамповки. М.: Машиностроение. -1977.-278 с.

4. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. -М.: Машиностроение, 1977. 423 с.

5. Гун Г.Я. Теоретические основы обработки металлов давлением. (Теория пластичности). М.: Металлургия. - 1980. - 456 с. Малинин H.H. Технологические задачи теории пластичности и ползучести. - М.: Высшая школа - 1979. - 119 с.

6. Огородников В.А. Оценка деформируемости металлов при обработке давлением. Киев: Вища Школа. - 1983. - 176 с. Михаленко Ф.П. Стойкость разделительных штампов. - М.: Машиностроение. - 1986. - 224 с.

7. Громов Н.П. Теория обработки металлов давлением. М.: Металлургия. - 1978. - 360 с.

8. Гнучий Ю.Б, Смирнягин В.М. Анализ результатов численного моделирования процесса вырубки-пробивки. // Вестник Киевского политехнического института. Киев. - 1986. - Вып.23. - С.17-22.

9. Rao R.S., Wright Р.К. An uppcr-bonp solution for tube cropping. // Trans Asme J.ENG., IND. -1985,- 107. №4.- C. 365-371

10. Жакенов Д.А. Экспериментальное определение показателей качества заготовок при разрезке труб в штампах // Изв.вузов. Машиностроение. -1990. - № 2. - С.109-113.

11. Вдовин С.И., Акастелов Н.А. Исследование очага пластической деформации при вырубке листового материала. // Изв.вузов. Машиностроение. 1989. -№ 8.- С. 90-92.

12. Холин Н.Н., Османов Т.З. Неоднородность поля деформаций при вырубке пробивке.// Автоматизация и моделирование в производстве приборов. - М.- 1989. - С.3-8.

13. Головащенко С.Ф., Овчинников А.Г. Математическое моделирование процессов разрушения заготовок при выполнении разделительных операций импульсной штамповки. // Вестник машиностроения. -1995. №4. - С.25-29.

14. Popat Р.В., Kishore N.N. Finite-element analysis of the blanking process. // Journal mech. Work technol. 1989 - 18 - №3 - p.269-282.

15. D. Brokken, W.A.M. Brekelmans, F.P.T. Baaijens Numerical modeling of the metal blanking process. // Journal of materials processing technology. 1998.-№83.-0.192-199.

16. Щеглов Б.А. Теоретические основы инженерного расчёта динамических осесимметричных процессов пластического формоизменения тонколистовых металлов: Дис.д-ра.техн.наук: 01.02.06.-М,- 1978.-389 с.

17. Щеглов Б.А., Власов Б.Ф. Определение критических скоростей удара применительно к импульсным процессам вырубки.// Кузнечно-штамповочное производство. 1973. - №2. - С.1- 4.

18. Грушевский A.B., Щеглов Б.А., Верина Т.А. Определение динамического предела текучести листовых материалов по данным испытания полосы на поперечный удар. // Машиноведение.-1967.-№3.-С. 96-103.

19. Щеглов Б.А. Пластическая деформация гибкой полосы под действием силы инерции. //Исследование пластического течения металлов. М,-1970. -С.49-66.

20. Кузнецов Г.П. Исследование электрогидроимпульсной пробивки тонколистовых материалов. Автореф. дис.канд.техн.наук:05.03.05.-Л.- 1974.-16 с.

21. Гребёнкин Н.Б. Исследование электрогидроимпульсной вырезки, пробивки круглых деталей и отверстий. Дис.канд.техн.наук:05.03.05,- Л.- 1978.-249с.

22. Пухов А.К. Разработка, исследование и внедрение технологического процесса электрогидроимпульсной пробивки, вырубки деталей из плоских заготовок. Автореф.дис.канд.техн.наук:05.03.05.-Л.-1984.-16с.

23. Мамутов B.C. Исследование вырубки и разрушения тонколистовых материалов давлением импульсного магнитного поля с применением передающей среды. Автореф.дис.канд.техн.наук:05.03.05.-Л.- 1976.-16с.

24. Шапошников И.А. Вырубка-пробивка тонколистовых материалов на электроимпульсных установках с применением эластичных сред. Автореф.дис. .канд.,техн.наук:05.03.05.-Л.- 1986.-16с.

25. Шелестеев A.M. Разработка, исследование и внедрение технологического процесса электрогидроимпульсной отбортовки отверстий на деталях из плоских заготовок. Автореф.дис.канд. техн.наук:05.03.05.-Л,- 1983.-12с.

26. Журавский А.Ю. Исследование процесса пробивки отверстия жидкостью высокого давления, создаваемого электрическимразрядом. Автореф.дис.канд.техн.наук:05.03.05.- Минск.- 1981.-20с.

27. Исследование процесса вырубки тонколистовых заготовок ударом эластичной среды / Э.А.Лимберг, М.М.Новаковская, И.М.Лысенко и др. // Обработка металлов давлением в машиностроении. Харьков. -1990.-Вып.26.- С.55-58.

28. Магнитно-импульсная штамповка с применением промежуточных эластичных сред.- Л.:ЛДНТП.- 1982.-ЗЗс.

29. Гидропластическая обработка материалов / К.Н.Богоявленский, В.А.Вагин, А.Н.Кобышев и др.-М.: Машиностроение. 1988.-256 с.

30. Зайцев К.И. Исследование взрывной пробивки отверстий. Дис.канд.техн.наук. 165-Харьков.- 1962.-190с.

31. Исследование процесса высокоскоростной вырубки листовых деталей / Н.Н.Беклемищев, В.В .Грибков, Э.Н.Понамарёв и др. //Механические взаимодействия в сильных магнитных полях. Л.-1974.- с.82-86.

32. Пономарёв Э.Н. Исследование высокоскоростной штамповки-вырубки тонколистовых деталей эластичной средой. Автореф. дис. канд.техн.наук:05.16.05.- М.-1973.-19с.

33. Грибков В.В. Исследование динамического процесса вырубки конструкционных элементов летательных аппаратов из тонких листов энергией импульсного магнитного поля. Автореф.дис. канд.техн. наук:05.16.05. М.-1976.-13с.

34. Электроимпульсная обработка материалов в машиностроении. / под ред. В.Н.Чачин, К.Н. Богоявленский, В.А. Вагин и др. Минск: Наука и техника. - 1987. -231с.

35. Головащенко С.Ф. Математическое моделирование процессов динамического деформирования труб в канавки с частичным разделением на кромках. // Изв. вузов. Машиностроение. 1990. - №3. - С.109-114.

36. Губкин С.И. Пластическая деформация металлов. т.2. «Металлургиздат». - 1961.

37. Соколов Л.Д. ДАН СССР. 1952,- т.87. - №6, с.905.

38. Скуднов В.А., Соколов Л.Д. Теория пластической деформации. -Горький. 1964.

39. Бабичков В.А. Сборник трудов. Выпуск 76,- 1952 С. 17.

40. Зайков М.А, Перетятько В.Н. // Известия вузов. Черная металлургия.-1965.-№Ю.

41. Зайков М.А, Перетятько В.Н. // Известия вузов. Черная металлургия. -1959. №8.

42. Томленов А.Д. Механика процессов обработки металлов давлением. Машгиз. 1963.

43. Одинг И.А. Известия АН СССР, ОТН. 1960. - №3.

44. Гилдман Дж. // Механика. 1962. - №5. - С.72.

45. Качанов Л.М. Основы механики разрушения. М.: «Наука». - 1974. -. 154с.

46. Фридман Я.Б. Сборник «Теоретические основы конструирования машин». № 1. - Машгиз. - 1957. - С. 257.

47. Колмогоров В.Л. Напряжение, деформации, разрушение. М: Металлургия. - 1970.- 229с.

48. Богатов A.A., Смирнов C.B., Колмогоров В.Л. Восстановление запаса пластичности при отжиге после холодной деформации. Известия вузов. Черная металлургия. -1978. - вып. 2. - С.62-65

49. Богатов A.A. и др. Ресурс пластичности металлов при обработке металлов давлением./ под ред. АА. Богатов, О.И. Мирицкий, C.B. Смирнов. -М.: «Металлургия». 1984.-144с.

50. Теория пластической деформации металлов / Е.П. Унксов, У. Джонсон, В.Л. Колмогоров и др. / под ред. Унксова, А.Г. Овчинникова. М.: Машиностроение. - 1983. - 598 с.

51. Дель Г.Д. Технологическая механика. М.: «Машиностроение».-1978.- 174с.

52. Огородников В.А. Деформируемость и разрушение металлов припластическом формоизменении Киев: УМКВО.- 1989.-151 с.

53. Секулович М Метод конечных элементов-М.: Стройиздат. 1993. -662с.

54. Аргирис Дж. Современные достижения в методах расчета . конструкций с применением матриц. / Перевод с английского В.А.

55. Александрова. / под ред. А.Ф. Смирнова. М.: «Стройиздат». - 1968.

56. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. / Перевод с английского Б.Е. Победри. -М.:«Мир». 1975 - 511с.

57. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация./ Перевод с английского Б.И. Квасова./ под ред. Н.С. Бахвалова. М.: «Мир»,- 1986.-317с.

58. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. / Перевод с английского В.И. Агошкова. / под ред. Г.И. Марчука. М.: «Мир». -1977. - 349с.

59. Оден Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред. / Перевод с английского A.M. Васильева. / под ред. Э.И. Григолюка. М.: «Мир». - 1976. - 464с.

60. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. / Перевод с английского В.М. Картвелишвили.- М.: «Мир». 1984. - 430с.

61. Бате К., Вйлсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. / Перевод с английского С.А. Алексеева. / под ред. А.Ф. Смирнова. М.: «Стройиздат». - 1982.- 447с.

62. Сабоннадьер Ж., Кулон Ж. Метод конечных элементов и САПР. / Перевод с фр. В.А. Соколова. / под ред. Э.К. Стрельбицкого. М.: «Мир». - 1989. - 192с.

63. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир. -1979.-392с.

64. Деклу У. Метод конечных элементов./ Перевод с фр. Б.И. Квасова. / под ред. H.H. Яненко. М.: «Мир». - 1976. - 95 с.

65. Вайнберг Д.В. Применение ЭВМ для решения упругих статическихзадач. Киев:«Техника». - 1971. - 252с.

66. Розин Л.А. Метод конечных элементов в применении к упругим системам. -М.: «Стройиздат». 1977. - 129с.

67. Розин Л.А. Основы метода конечных элементов и теории упругости.: Учебное пособие. Л. - 1972. - 79с.

68. Корнеев В.Г. Схемы метода конечных элементов высоких порядков точности. Л.- 1977. - 206с.

69. Капустин С.А. Метод конечных элементов в механике деформирования тел. Учебное пособие. Нижний Новгород. - 1997. -70с.

70. Гун Г.Я. Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением. М.: Металлургия. - 1983. - 352 с.

71. Ильюшин A.A. Механика сплошной среды. М.: Изд-во МГУ. -1978.- 287с.

72. Кухарь В.Д. Чистяков A.B. Математическое моделирование разделительных операций обработки металлов давлением с применением МКЭ // Известия ТулГУ, серия математика механика информатика. -Тула: ТулГУ. 2001. - Том 7, Вып. 2. - С.54-59.

73. Кухарь В.Д., Чистяков A.B., Бурак Л.П. Численное моделирование процессов вырубки металлов // Всероссийская научная конференция «Современные проблемы математики, механики, информатики». -Тула: ТулГУ. 2000. - С.88-89.

74. Чистяков A.B. Математическое моделирование разделительных процессов в ОМД. Тула: ТулГУ. 2001. - 23с. Деп. в ВИНИТИ 20.11.2001.- №2405-В2001.

75. Чистяков A.B., Бурак Л.П. Моделирование процесса роста трещины в металле при разделительных операциях // Региональная научная студенческая конференция «Современные проблемы математики, механики, информатики». Тула: ТулГУ. - 2000. - С.65-66.

76. Якушев А.И., Воронцов JI.H., Федотов Н.М. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. М.: «Машиностроение».-1986.-352с.