Первая и последующие операции комбинированной вытяжки тонкостенных цилиндрических деталей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.09, кандидат технических наук Ле Минь Дык

• Ле Минь Дык
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ле Минь Дык

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕОРИИ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

1.1. Обзор способов изготовления цилиндрических деталей

1.2. Классификация процессов вытяжки

1.3. Методы исследования вытяжки

1.4. Основные выводы и постановка задач исследования

2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ОПЕРАЦИИ КОМБИНИРОВАННОЙ ВЫТЯЖКИ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

2Л. Постановка задачи расчета процесса вытяжки методом конечного элемента

2.2. Расчет первой операции вытяжки с использованием конечно-элементной модели

2.3. Расчет последующих операций вытяжки с использованием конечно-элементной модели

2.4. Определение сходимости полученных результатов

2.5. Основные результаты и выводы

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ КОМБИНИРОВАННОЙ ВЫТЯЖКИ

3.1. Компьютерное моделирование процессов вытяжки

3.2. Расчет повреждаемости на операциях вытяжки

3.3. Основные результаты и выводы

4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСЛЕДОВАНИЙ

4.1. Методика проектирования технологического процесса на базеоперации холодной комбинированой вытяжки

4.2. Расчет инструмента для операции холодной комбинированной вытяжки

4.3. Технологический процесс изготовления корпуса цельнотянутой банки

4.4. Использование результатов исследований

4.5. Основные результаты и выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Первая и последующие операции комбинированной вытяжки тонкостенных цилиндрических деталей»

ВВЕДЕНИЕ

Важными задачами, стоящими перед современным машиностроением, являются создание и производство конкурентоспособной продукции. В связи с этим перед машиностроительной промышленностью стоят актуальные задачи -разработка новых и совершенствование существующих технологических процессов, обеспечивающих повышение требований к качеству изделий при снижении себестоимости и трудоемкости их производства, экономии материальных и энергетических ресурсов. При этом особую актуальность приобретают новые подходы к технологии изготовления изделий, направленные на изыскание резервов применяемых способов обработки, установление оптимальных режимов проведения технологических процессов. Значительное место среди новых направлений совершенствования действующих технологических процессов занимает обработка металлов давлением (ОМД), являющаяся высокоэффективным способом изготовления, и в частности, комбинированные виды вытяжки, которые позволяют получать более качественные тонкостенные цилиндрические изделия.

Создание усовершенствованных технологических процессов изготовления цилиндрических тонкостенных изделий требуемого качества с минимальными сроками освоения выпуска продукции требует использования современных методов подготовки производства и более детального анализа свойств обрабатываемых материалов. К этим свойствам относятся явления, связанные с пластической неоднородностью и повреждаемостью деформируемого материала. Разработка новых технологий ставит перед теорией ОМД задачи, требующие применения более совершенных математических моделей, описывающих процессы деформирования материалов, использование многошаговых принципов принятия решения с элементами визуализации. Однако такой подход еще не нашел достаточно широкого применения в ОМД для анализа технологических операций. Поэтому актуальной является задача, состоящая в разработке теоретиче-

ски обоснованных режимов пластического деформирования, полученных с использованием точных методов расчета и современных достижений вычислительной техники, обеспечивающих заданное качество и сокращение сроков подготовки производства новых изделий.

Цель работы. Повышение эффективности изготовления цилиндрических деталей комбинированной вытяжкой на основе установления теоретически обоснованных режимов пластического деформирования с использованием точных методов расчета и современных достижений вычислительной техники, позволяющих обеспечивать заданное качество и сокращать сроки подготовки производства новых изделий.

Для достижения указанной цели, в работе поставлены, и решены следующие задачи исследований.

1. Сформулировать основные уравнения и соотношения объемного пластического течения, позволяющие с привлечением метода конечного элемента учитывать неоднородность, кинематические, деформационные, силовые характеристики и деформационную повреждаемость в процессах комбинированной вытяжки.

2. Провести теоретический расчет процессов первой и последующих операций комбинированной вытяжки цилиндрических деталей с определением силовых режимов и анализом напряженно-деформированного состояния и повреждаемости.

3. Установить зависимости влияния технологических параметров: степени деформации, коэффициентов вытяжки и утонения, угла конусности матрицы, коэффициентов трения инструмента на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояние заготовки, силовые режимы.

4. Адаптировать пакет прикладных программ ОЕРСЖМ-ЗО для расчета процессов комбинированной вытяжки цилиндрических деталей в условиях объемной деформации с применением многошагового процесса принятия решения.

5. Разработать рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления цилиндрических деталей и рабочего инструмента для его реализации, обеспечивающие заданное качество изделий путем уменьшения деформационной повреждаемости.

Объект исследования. Технологические процессы комбинированной вытяжки.

Предмет исследования. Первая и последующие операции комбинированной вытяжки цилиндрических деталей.

Методы исследования. Исследование процессов комбинированной вытяжки цилиндрических деталей выполнено с использованием основных положений теории пластичности с учетом пластической неоднородности материала и деформационной повреждаемости. Моделирование процесса осуществлено методом конечных элементов на базе прикладной программы БЕРСЖМ-ЗО. Предельные возможности формоизменения исследуемых процессов деформирования оценивались по величине напряжений в очаге пластической деформации и критерию разрушения материала, связанному с накоплением деформационной повреждаемости. При разработке рекомендаций использованы современные положения технологии вытяжных операций.

Автор защищает:

- определяющие уравнения и соотношения для анализа процесса комбинированной вытяжки цилиндрических деталей в условиях объемного напряженного и деформированного состояний;

- результаты теоретических исследований первого и последующих процессов комбинированной вытяжки цилиндрических деталей с учетом пластической неоднородности и повреждаемости деформируемого материала;

- установленные зависимости влияния технологических параметров на напряженное и деформированное состояния заготовки, повреждаемость материала и предельные возможности деформирования;

- адаптированные пакеты прикладных программ для ЭВМ по расчету первого и последующих процессов комбинированной вытяжки цилиндрических

деталей;

-рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления цилиндрических цельнотянутых деталей с использованием процессов комбинированной вытяжки.

Научная новизна: установление закономерностей изменения кинетики течения материала, напряженного и деформированного состояния, пластической неоднородности материала от технологических параметров первого и последующих процессов комбинированной вытяжки цилиндрических деталей при объемном деформировании.

Практическая ценность работы. На основе выполненных исследований разработаны рекомендации и пакет адаптированных прикладных программ по расчету технологических параметров первой и последующих операций комбинированной вытяжки цилиндрических деталей, обеспечивающих интенсификацию технологических процессов, заданное качество и сокращение сроков подготовки производства новых изделий.

Реализация работы. Отдельные результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе при подготовке специалистов и магистров по специальности 170104 «Высокоэнергетические устройства автоматических систем» и включены в разделы лекционных курсов «Технологическая механика», «Современные методы подготовки производства», а также применяются в научно-исследовательской работе студентов при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых "Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов" (г. Тула, 2009, 2012 гг.) на ежегодных магистерских научно-технических конференциях Тульского государственного университета (г. Тула, 2009, 2010 гг.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2010-2012 гг.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, входящих в Перечень рецензируемых научных журналов ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения и четырех разделов, заключения, списка использованных источников из 108 наименований, 3 приложений и включает 112 страниц машинописного текста, содержит 45 рисунков и 4 таблицы. Общий объем - 137 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе научно-технологической задачи, сформулированы цели работы, положения, выносимые на защиту, научная новизна, методы исследования, практическая ценность, приводятся данные о реализации работы, публикациях, структуре и объеме диссертационной работы, краткое содержание разделов диссертации.

В первом разделе работы представлен обзор технологий изготовления цилиндрических изделий бытового назначения, имеющих разные конструкции и широко применяемые в разных отраслях промышленности. Установлено, что широкое распространение среди технологий их изготовления получили процессы вытяжки. Приведена классификация процессов вытяжки. Проанализированы характерные стадии процесса вытяжки, так как смена стадий соответствует критическому моменту деформации. Рассмотрены основные теоретические и экспериментальные методы, которые могут быть использованы для исследования вытяжки. Исследованию процессов вытяжки посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых: A.A. Богатова [10], С.А. Валиева [14 - 21], B.JL Колмогорова [40, 41], С.И. Мижирицкого, И. А. Норицына [61],

B. А. Огородникова, Е.А. Попова [67, 81], С.В. Смирнова [78, 79], М.В. Сторожева [81], И.П. Ренне [69 - 72], Е. П. Унксова, С.П. Яковлева [54, 59, 100 - 103], С.С. Яковлева [21, 59, 102], У. Джонсона, О. Зенкевича [32, 33],

C. Кобояши, Ф.А. Макклинтона, К. Моргана, Дж. Одена [63] и других. Однако,

многие сложные вопросы анализа напряженно-деформированного состояния, проектирования и разработки технологических процессов вытяжки остаются мало изученными. Особенно трудными для анализа остаются вопросы, связанные с применением объемных схем пластического формоизменения, в которых материал испытывает сложное нагружение, к которым и относятся процессы комбинированной вытяжки цилиндрических деталей. Таким образом, развития метода, повышающего эффективность процесса комбинированной вытяжки, является актуальной задачей. Для этого целесообразно использовать более точные способы расчета и достижения современной вычислительной техники при исследовании процессов комбинированной вытяжки. На основе проведенного обзора поставлена научно-техническая задача диссертационного исследования, состоящая в моделировании процесса комбинированной вытяжки цилиндрических деталей с использованием трехмерной модели.

Во втором разделе даны основные соотношения и уравнения, необходимые для теоретического анализа процесса комбинированной вытяжки методом конечных элементов. Математическое моделирование комбинированной вытяжки выполнено в предположении, что материал жесткопластический, несжимаемый, изотропный. Рассмотрена системы уравнений для статической задачи, которая являются замкнутыми относительно функций би,£ и V,. Для построения единственного решения сформулированы граничные условия в любой текущий момент деформирования / на поверхности тела 8 объемом V.

Построен функционал полной мощности, эквивалентный системе уравнений с учетом принятых допущений для статической задачи. Выполнена процедура конечно-элементной дискретизации, для чего непрерывное тело разбивается на множество элементов конечных размеров (конечных элементов) рассматривается как совокупность этих элементов. При этом непрерывные функции, описывающие физические и механические величины, заменяются приближенными выражениями, которые, являясь гладкими в пределах каждого

конечного элемента, будут непрерывными и кусочно-дифференцируемыми во всем теле.

Разработана, конечно-элементная, методика решения статических задач, составлены соответствующие схемы алгоритмов и разработан программный комплекс для расчета технологических процессов ОМД протекающих в условиях объемной деформации при статическом подходе к исследованию процесса деформирования, с использованием многошагового процесса принятия решения. Пакет прикладных программ имеет модульную структуру, и состоит из трех основных частей: автоматизированной подготовки данных, непосредственного решения задачи и визуализации результатов расчетов в виде диаграмм, графиков, рисунков и т.п. Это позволяет облегчить, и ускорить процесс подготовки и решения конкретной технологической задачи.

Рассмотрен расчет первой и последующих операций комбинированной вытяжки с использованием метода конечного элемента и многошагового процесса принятия решения. Разработанный алгоритм реализован с помощью программы конечно-элементного анализа ОБРСЖМ-ЗО. Приведены результаты решения в виде графиков изменения компонент тензора деформаций, скоростей деформации и компонент тензора напряжений для 3 произвольно взятых точек.

Полученные результаты вычислений показывают, что предложенный подход позволяет решать трехмерную задачу с определением силовых режимов и полным анализом напряженно-деформированного состояния процессов первой и последующих операций комбинированной вытяжки. Сопоставляя, полученные результаты для различных точек можно определить пластическую неоднородность деформируемого материала.

Третий раздел посвящен анализу процессов комбинированной вытяжки, на основе адаптированного программного комплекса ОБРСЖМ-ЗО. В качестве основных технологических параметров учитывалось влияние степени деформации, коэффициентов изменения толщины и диаметров, геометрии матрицы, коэффициентов трения на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояние заготовки и силовые режимы. Моделирование проводи-

лось по схеме проведения однофакторного эксперимента, когда исследовалось влияние одного параметра при постоянных значениях других. Рассмотрено влияние основных технологических параметров (суммарной степени вытяжки, коэффициентов изменением диаметра и толщины, угол конусности матрицы и коэффициентов трения на матрице и пуансоне) на предельные возможности процессов формообразования путем расчета численных значений компонент тензора напряжений и деформаций с визуализацией полученных значений в виде графических зависимостей их изменения от времени. На основе полученных полей распределения напряжений и деформаций с использованием положений механики рассеянной повреждаемости, можно довольно точно рассчитывать деформационную повреждаемость.

Оценка величины накопленной повреждаемости деформируемого металла, проводится с использованием линейной модели пластического разрыхления, предложенной В.Л. Колмогоровым. Проведен расчет численных значений степени деформации сдвига, предельной степени деформации сдвига и повреждаемости для первой и последующих операций комбинированной вытяжки.

В случае получения значений, превышающие предельно допустимые, на схеме процесса показывается разрушение заготовки.

Адаптированный пакет прикладных программ позволяет моделировать влияние основных технологических параметров на предельные возможности процесса формоизменения, с визуализацией результатов расчетов в виде диаграмм, графиков, рисунков деформируемого полуфабриката. В случае задания технологических параметров, которые приводят к превышению предельных возможностей процесса формоизменения, выдается графическое изображение, показывающее, что проведение процесса не возможно.

Четвертый раздел содержит результаты практического использования проведенных исследований при проектировании технологических процессов на базе операции холодной комбинированной вытяжки. Использование разработанного подхода дает возможность прогнозировать силовые, деформационные характеристики, пластическую повреждаемость и устанавливать предельные

степени формоизменения, разрабатывать в кратчайшие сроки высокоэффективные новые технологические процессы изготовления элементов изделий бытового назначения при рациональном выборе режимов обработки.

Основными этапами при разработке технологического процесса холодной комбинированной вытяжки корпуса цельнотянутой банки являются:

— предварительный выбор схемы деформирования в зависимости от конструкции детали;

— выбор исходной заготовки, расчет ее размеров;

— расчет количества операций в зависимости от степени деформации и составления технологического процесса;

— определение силовых, деформационных характеристик и пластической повреждаемости с целью установления предельных степеней формоизменения;

— разработка конфигурации рабочей части инструмента с учетом специфики течения металла в процессе деформирования, контактного трения и структурных характеристик материала.

На основании изложенного можно сделать вывод о том, что внедрение подобных технологий и методик расчета в производство способно дать существенный экономический эффект.

В заключении приводятся основные результаты и выводы по выполненной работе.

Приложения содержат полученные тексты программы компьютерного моделирования процессов комбинированной вытяжки из первой операции и последующих операций и акт внедрения полученных результатов в учебный процесс.

Д. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕОРИИ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

1.1. Обзор способов изготовления цилиндрических деталей

Металлические тонкостенные цилиндрические детали, в зависимости от назначения, имеют разные конструкции, и широко применяются в разных отраслях промышленности.

Широко распространенным массовым видом металлических деталей являются жестяные консервные банки, к которым предъявляются требования по герметичности, прочности и коррозионной стойкости, обеспечивающей длительное хранение пищевых продуктов без изменения их качества. Они должны выдерживать без нарушения герметичности внутреннее давление при стерилизации и охлаждении продуктов, наружное давление при создании вакуума внутри и другие внешние воздействия. Банки применяются для герметичной укупорки продуктов, и изготовляются преимущественно из белой жести, а также алюминия и его сплавов [2, 3, 11].

По способу изготовления банки бывают сборные (из корпуса и концов -донышка и крышек) и цельноштамповапные (с прикатанной или припаянной крышкой).

Изготовление сборных банок

Сборная жестяная банка имеет, как правило, цилиндрическую форму и имеет три составные части: крышка 1 и донышко 3 присоединяются к отбортованному корпусу 2 с помощью закаточного шва (рис. 1.1.) [3].

Изготовление сборных металлических банок состоит из следующих этапов: раскроя жести, изготовления концов, изготовления корпусов, закатывания, испытания банок на герметичность.

Корпус банки образуется при свертывании в цилиндр прямоугольной заготовки (бланка), на которой предварительно загибаются края; последующего

склепывания этих краев «в замок» и пайкой продольного шва припоем. Такой шов состоит из четырех слоев жести, плотно прилегающих друг к другу.

При изготовлении корпуса и его закатке нахлестка продольного шва подвергается значительным деформациям. Так во время перегиба фланца корпуса при образовании закаточного шва может изменяться взаимное расположение слоев нахлестки. Верхний слой отстает от нижнего, и скользит по границе припоя, в результате чего образуется выступ, который значительно затрудняет герметизацию шва.

Поперечный (закаточный) шов образуется путем двойного загиба поля донышка (крышки) вокруг фланцев корпуса. Герметичность закаточного шва достигается с помощью эластичной уплотнительной прокладки (тонкий слой высушенной пленки синтетической пасты), располагаемой на фланце крышки (в основном в завитке) и плотно заполняющей зазоры между сжатыми слоями жести.

Изготовление цельноштампованных банок

В цельноштампованной банке (Рис. 1.2.), в отличие от сборной, отсутствуют продольный и нижний закаточные швы, что делает ее более герметичной. Для облегчения вскрытия штампованных банок на крышке делают надрезы. Затем, пользуясь специальным ключом, в виде кольца, закрепленным на крышке, можно легко открыть банку по местам предварительного надреза. Такие банки применяются в тех случаях, когда требуется тара различных форм

2

Рис. 1.1. Конструкция сборной жестяной банки

(прямоугольная или овальная) и в количестве, обеспечивающем потребность небольших предприятий [49, 93].

10 О

X

Ф26,5

Ф24

Рис. 1.2. Конструкция цельноштампованной банки.

В отличие от сборных банок, штампованные, изготавливаются из белой хромированной жести или алюминия методом холодной вытяжки или выдавливания. При изготовлении холодной вытяжкой можно выпускать банки небольшой высоты за одну операцию. Опыт показывает, что при вытяжке белой жести отношение высоты к диаметру банки Н/И (за одну операцию) не превышает 0,5. Рекомендуется применять холоднокатаную жесть, которая имеет необходимые механические свойства для глубокой вытяжки. При вытяжке из алюминиевой полосы можно получить более высокие банки, особенно при вытяжке в 2-3 операции.

Технологический процесс производства таких банок основан на использовании операций комбинированной вытяжки. По чертежу готовой банки определяется объем заготовки и ее геометрические размеры: толщина и диаметр кружка. Толщина кружка определяется из условия получения объема металла, необходимого для образования дна, с учетом утонения дна на вытяжках. Далее определяются: диаметр кружка и размеры полуфабрикатов вытяжки. Изготов-

ление верхней части банки осуществляется в зависимости от используемой конструкции.

Цельноштампованные банки могут быть также получены путем холодного выдавливания. При таком способе изготовления высота банки может превышать ее диаметр в несколько раз. Исходным материалом для таких банок является алюминиевая полоса (лист) толщиной 4 - 5мм, из которой предварительно подучают круглые или восьмигранные заготовки.

Процесс обратного холодного выдавливания или прессование является операцией, по изготовлению полых тонкостенных деталей из толстой заготовки в результате пластического истечения металла в зазор между пуансоном и матрицей. Заготовка, имеющая объем, равный объему детали с припуском на обрезку, помещается в гнездо матрицы; давлением пуансона металл приводится в пластичное состояние, и выдавливается в кольцевой зазор между пуансоном и матрицей (Рис. 1.3) [26].

И

£

Рис. 1.3. Процесс обратного выдавливания. 1- матрица, 2 - пунсон, 3 - заготовка, 4 - центрирующее кольцо, 5 - полуфабрикат, 6 - выталкиватель

Обратный способ холодного выдавливания применяется для изготовления цилиндрических и призматических полых изделий диаметром до 120мм, с толщиной стенок от 1,5 до 0,08мм и высотой до 30мм при отношении высоты к диаметру до 8:1. Обратное выдавливание часто применяется для изготовления корпуса аэрозольного баллона.

Наибольшее распространение из рассмотренных способов изготовления банок получила технология изготовления цельноштампованных банок методом комбинированной вытяжкой, так как технология их значительно проще, чем технология изготовления сборной банки и не требует высокоточного мощного оборудования для обеспечения требуемой разностенности на операции обратного выдавливания.

1.2. Классификация процессов вытяжки

В соответствии с классификацией холодной штамповки к вытяжным работам относятся операции, предназначенные для изготовления объемно-полых деталей: вытяжка без утонения стенок, вытяжка (протяжка) с утонением стенок и комбинированная вытяжка [14-21].

Вытяжка — процесс пластического формоизменения первой и последующих операций в полое изделие путем втягивания пуансоном в матрицу с существенным уменьшением ее периметра, но без предусмотренного утонения (рис. 1.4, а, б).

Вытяжка (протяжка) с утонением — процесс пластического формоизменения первой и последующих операций в полое изделие путем втягивания пуансоном в матрицу с существенным принудительным уменьшением толщины стенки, но с незначительным уменьшением ее внутреннего поперечного размера (рис. 1.4,е).

Комбинированная вытяжка — процесс пластического формоизменения первой и последующих операций в полое изделие путем втягивания пуансоном

в матрицу с одновременным существенным уменьшением ее периметра и принудительным утонением (рис. 1.4, г—е).

?) д) е)

Рис. 1.4. Схемы первой и второй операций различных методов вытяжки: а, б — вытяжка без утонения; в — вытяжка (протяжка) с утонением; г, д, е — комбинированная вытяжка.

Для различных методов вытяжек существуют две группы операций. Первая группа операций, превращение первой операции в полое изделие любой формы (или для дальнейшего изменения ее размеров), является наиболее многообразной и наиболее распространенной в холодной штамповке. Вторая группа операций, деформация последующих операции с изменением или без изменения толщины стенки. Наибольшую интенсификацию технологических процессов по сравнению с другими видами вытяжек дает применение комбинированной вытяжки.

Процесс комбинированной вытяжки деталей может осуществляться из первой и последующих операций. Типовые схемы выполнения переходов комбинированной вытяжки могут быть прямые и реверсивные, со складкодержа-телем и без складкодержателя. Комбинированную вытяжку на последующем переходе можно проводить двумя вариантами: из первой операций с не утоненными стенками (заготовка получена вытяжкой без утонения); из последующих операций с утоненными стенками (заготовка получена вытяжкой с утонением). При комбинированной вытяжке цилиндрических изделий обычно используют коэффициенты уменьшения диаметра, рекомендованные в справочной литературе для вытяжки без утонения [73]. Эти коэффициенты в сочетании с практически проверенными коэффициентами утонения дают возможность получать изделия значительной относительной глубины.

При первой операции комбинированной вытяжке возникают два критических момента, когда возможно разрушение заготовки. Первый — переходный этап (начало утонения стенки), второй — конечный этап утонения стенки.

Последовательность деформирования заготовки при первой операции комбинированной вытяжке показывает, что на первой стадии происходит процесс вытяжки, продолжающийся до полного прилегания заготовки к рабочей поверхности матрицы, граничащей с ее рабочим пояском. Начало затекания материала в рабочий поясок матрицы соответствует характерному

граничному моменту переходного этапа. При этом происходит встречное касательное перемещение рабочих инструментов, с одновременным скольжением заготовки относительно матрицы и течением материала в сторону противоположную перемещению пуансона. Что вызывает: во-первых, нарастающие растягивающие напряжения от силы трения по матрице; во-вторых, увеличивающуюся силу трения на поверхности заготовки, контактирующей с пуансоном (по закруглению и частично по боковой поверхности). Эта сила трения направлена по движению пуансона и, следовательно, выполняет полезную работу передачи части технологической силы непосредственно в очаг пластической деформации (а не через дно заготовки). Переходный этап соответствует возникновению и развитию зоны принудительного утонения до ее стационарной формы. На этом этапе процесс деформации на первом переходе комбинированной вытяжки можно считать квазистационарным [33].

Незадолго до конца операции возникает второй критический момент, когда совместное влияние напряжений и принудительного утонения утолщенного края заготовки может вызвать отрыв ее верхнего края. Конец второй стадии представляет собой нестационарный процесс протяжки с уменьшающимся очагом деформации.

Комбинированную вытяжку на последующем переходе рекомендуют выполнять на конической матрице, учитывая преимущества конического профиля для процесса принудительного утонения, с коэффициентами вытяжки (например, т(1 = 0,5; тс, = 0,73), но при этом происходит увеличение

толщины края стенки я2к = 1,65^.Такое увеличение толщины существенно ограничивает значения достижимых степеней деформации на второй операции.

Поэтому при проведении расчетов возможны два случая: в первом случае коэффициент утонения на втором переходе представляет собой отношение толщины стенки после утонения (или величины зазора) к толщине исходного материала; во втором случае коэффициент утонения на втором или после-

дующем переходе обычно принимают, как отношение толщины стенки после этого перехода к толщине стенки заготовки.

Имеющиеся рекомендации по комбинированной вытяжке в основном относятся ко второму варианту. Однако для правильного расчета технологических переходов необходимо учитывать некоторые особенности процесса формоизменения, присущие этому варианту. Пренебрежение этими особенностями может привести к неудачам при внедрении метода.

При комбинированной вытяжке цилиндрических изделий обычно используют коэффициенты уменьшения диаметра, рекомендованные в справочной литературе для вытяжки без утонения [73]. Эти коэффициенты в сочетании с практически проверенными коэффициентами утонения дают возможность получать изделия значительной относительной глубины (за два перехода Н({ и 5).

Попытки увеличить деформацию по диаметру при этих коэффициентах утонения приводят к отрыву дна. Попытки увеличить степень утонения стенки при коэффициентах т(1 =0,73-^-0,85 вызывают резкое повышение силы вытяжки в начале операции. Следствием этого также может быть отрыв дна.

Эти явления, лимитирующие последующий переход комбинированной вытяжки через одну матрицу, объясняются следующим образом.

В вытяжной зазор последующего перехода комбинированной вытяжки, составляющий некоторую часть толщины утоненной стенки последующих операции, в начале этого перехода втягивается кольцевой участок дна заготовки шириной (¿/,_, -¿/г)/2 и толщиной, почти равной толщине исходного материала. Объем металла этого кольца создает своеобразный барьер (назовем его «донным барьером»), с преодолением которого и связано максимальное усилие в начале операции (Рис. 1.5). При преодолении этого «донного барьера» коэффициент утонения оказывается более «жестким» по сравнению с коэффициентом утонения стенки на этом же переходе. На практике вопрос преодоления «донного барьера» пытаются решать нерациональным

путем либо просто уменьшают степень утонения стенки, либо снижают деформацию по диаметру (до т(1 = 0,9-^0,95), приближаясь к схеме протяжки. И то, и другое увеличивает необходимое число переходов, что производству невыгодно [28, 30].

Рис. 1.5. Схема образования «донного барьера» на последующем переходе

Анализ напряженного состояния заготовки при вытяжке (без утонения) достаточно подробно выполнен И.А. Норицыным [61] и Е.А. Поповым [67, 81] методом совместного решения приближенных уравнений равновесия с энергетическим условием пластичности.

Ценность теоретического анализа, проведенного И. А. Норицыным, заключается в том, что впервые было дано решение задачи с учетом напряженного состояния, как на плоском, так и на радиальном участках фланца. Кроме того, им впервые была выведена аналитическая формула для определения предельного коэффициента вытяжки с учетом основных факторов, влияющих на

1.3. Методы исследования вытяжки

процесс вытяжки. Более простая приближенная формула предельного коэффициента вытяжки была предложена позднее Е. А. Поповым.

Теоретический анализ напряженного состояния при комбинированной вытяжке выполнен С.А. Валиевым смешанным методом. Смешанный метод анализа состоит в том, что зоны деформации анализируются разными методами (Рис. 1.6). Первая зона путем совместного решения приближенных уравнений равновесия с приближенным энергетическим условием пластичности, а вторая зона - путем решения уравнения баланса работ внешних и внутренних сил с использованием граничного условия, по которому на верхней границе зоны II имеется противонатяжение, равное растягивающему напряжению зоны I.

Рис.. 1.6. Схема анализа напряженного состояния при вытяжке с утонением

Анализ напряженного состояния заготовки при вытяжке без утонения, т. е. в предположении, что толщина заготовки не изменяется, весьма сложен [21, 94]. Добавление деформации принудительного утонения при комбинированном процессе еще более осложняет задачу.

Рассматривая процесс вытяжки, можно отметить, что напряжение в стенке в начальный критический момент комбинированной вытяжки в значительной мере зависит от величины напряжения в первой зоне в начале второй стадии, т.

е. от величины противонатяжения, а именно: чем больше противонатяжение, тем больше растягивающее напряжение в опасном сечении.

Условие прочности стенки при комбинированной вытяжке можно записать без учета радиуса закругления пуансона, так как его роль здесь меньше, чем при вытяжке: б,<б3 . Общий принцип интенсификации процессов вытяжки

состоит в увеличении б5 или в уменьшении б, [16].

Комбинированная вытяжка обеспечивает повышение несущей способности стенки в опасном сечении не только в результате ее непосредственного упрочнения, но и за счет разгрузки путем увеличения трения по пуансону (суммарный эффект). Кроме того, значительный резерв интенсификации процесса открывает оптимизация условий деформирования, которая способствует уменьшению б,.

Оптимальные условия осуществления комбинированной вытяжки включают три фактора: оптимальные параметры вытяжного инструмента; оптимальные комбинации коэффициентов деформации по периметру и толщине заготовки; оптимальные контактные условия.

В настоящее время анализ напряженного и деформированного состояния заготовки в процессах вытяжки проводится различными теоретическими и экспериментальными методами, в том числе и численными методами конечно-разностных соотношений с использованием ЭВМ путем решения приближенных уравнений равновесия с уравнением состояния для анизотропных материалов. Предельные возможности формоизменения оцениваются по величине максимального растягивающего напряжения на выходе из очага пластической деформации и феноменологическому критерию разрушения, связанных с накоплением микроповреждений [5, 31].

В связи с развитием вычислительной техники получили широкое распространение вариационные методы. Задача интегрирования системы дифференциальных уравнений может быть заменена равнозначной задачей, заключающейся в отыскании функции, сообщающей наименьшее значение некоторому

функционалу. В механике сплошных сред, в частности, в теории пластичности этот функционал выражает мощность сил пластической деформации. Подобные задачи называются вариационными. Соответствующие им уравнения выводятся на основе энергетических принципов. Они позволяют решать любые задачи механики с одних и тех же позиций, без каких либо принципиальных ограничений [44, 94, 98].

Решение вариационной проблемы также представляет большие трудности, в связи, с чем часто приходится применять приближенные методы, так называемые прямые методы вариационного исчисления. Эти методы достаточно хорошо обоснованы и в применении к вариационным уравнениям выглядят проще, чем непосредственно к дифференциальным уравнениям равновесия. Общность и универсальность методов позволяет использовать вычислительную технику для решения конкретных задач.

Несмотря на большое количество работ, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям процессов вытяжки, проведенный обзор показал, что актуальной остается задача разработки теории и технологии первой и последующих операций комбинированной вытяжки. Так как создание усовершенствованных технологических процессов изготовления цилиндрических тонкостенных изделий требуемого качества с минимальными сроками освоения выпуска продукции требует использование современных методов подготовки производства и более детального анализа свойств обрабатываемых материалов. К этим свойствам относится явления, связанные с пластической неоднородностью и повреждаемостью деформируемого материала. Разработка новых технологий ставит перед теорией ОМД задачи, требующие применения более совершенных математических моделей описывающих процессы деформирования материалов, использование многошаговых принципов принятия решения с элементами визуализации. Однако такой подход еще не нашел достаточно широкого применения в ОМД для анализа технологических операций. Поэтому актуальной является задача развития метода, основанного на исполь-

зовании точных способов анализа операций и современных достижений вычислительной техники и позволяющего выбирать теоретически обоснованные режимы процесса комбинированной вытяжки при изготовлении цилиндрических заготовок из конструкционных материалов.

1.4. Основные выводы и постановка задач исследования

Для достижения указанной цели в работе поставлены, и решены следующие задачи исследований:

1. Сформулировать основные уравнения и соотношения объемного пластического течения, позволяющие с привлечением метода конечного элемента учитывать неоднородность, кинематические, деформационные, силовые характеристики и деформационную повреждаемость в процессах комбинированной вытяжки.

2. Адаптировать пакет прикладных программ ОЕРОЯМ-ЗО для расчета операдий комбинированной вытяжки цилиндрических деталей в условиях объемной деформации с применением многошагового процесса принятия решения.

3. Провести теоретический расчет процессов первой и последующих операций комбинированной вытяжки цилиндрических деталей с определением силовых режимов и полным анализом напряжено-деформированного состояния.

4. Установить влияние технологических параметров: степени деформации, коэффициентов изменения толщины и диаметров, угла конусности матрицы, коэффициентов трения на инструменте на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояние заготовки, силовые режимы.

5. Разработать рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления цилиндрических деталей и рабочего инструмента для его реализации, обеспечивающие заданное качество изготовления, уменьшение трудоемкости и металлоемкости деталей.

2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ОПЕРАЦИИ КОМБИНИРОВАННОЙ ВЫТЯЖКИ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

2.1. Постановка задачи расчета процесса вытяжки методом

конечного элемента

Метод конечных элементов (МКЭ) - численный метод решения задач прикладной механики. Широко используется для решения задач механики деформируемого твёрдого тела, теплообмена, гидродинамики и электромагнитных полей.

С точки зрения вычислительной математики, идея метода конечных элементов заключается в том, что минимизация функционала вариационной задачи осуществляется на совокупности функций, каждая из которых определена на своей подобласти, для численного анализа системы позволяет рассматривать его как одну из конкретных ветвей — общего метода исследования систем путём их расчленения. Возникновение метода конечных элементов связано с решением задач космических исследований в 1950-х годах (идея МКЭ была разработана советскими учёными ещё в 1936 году, но из-за неразвитости вычислительной техники метод не получил развитие). Этот метод возник из строительной механики и теории упругости.

Математическое моделирование комбинированной вытяжки выполнено в предположении, что материал жесткопластический, несжимаемый, изотропный. Основные уравнения для проведения расчета следующие [24, 33, 63]:

Условие текучести запишем в виде

/(<?») = = 0 (2-1)

В приведенных выражениях ¿;и и би- соответственно интенсивности

скоростей деформаций и напряжений, определяемые выражениями

£ = - у2 + - £)2 + (£ " &)2 + §0£ + + С); (2.2)

= - + (б>' ~ + " +1+ < + (23) '

При построении численных решений технологических задач теории пластичности принимаем:

- в случае медленного пластического течения уравнение равновесия

б^ = 0; (2.4)

- определяющие уравнения в формулировке Леви-Мизеса

3 £

£ =-—^; (2.5)

- соотношения связи компонентов скоростей деформаций с компонентами вектора скорости перемещения

- условие несжимаемости

(2.7)

- начальные условия для компонентов скорости

В приведенных выражениях б - компоненты тензора напряжений;

— 5 б - компоненты девиатора напряжений; 8Ц - символ Кронекера; % - компоненты скоростей деформаций; у1 - компоненты вектора скоростей; I - время; индексы г,у =1,2,3.

Связь между инвариантами би,еи и может определяться уравнением состояния в общем виде

би=би(еи,{и,Т,хк); (2.9)

где Еи - интенсивность деформаций; Т - температура; Хк ~ физико-структурные параметры, характеризующие состояние материала в рассматриваемый момент времени и определяемые соответствующими кинетическими уравнениями. В качестве физико-структурных параметров обрабатываемых материалов могут, например, рассматриваться скалярные

характеристики поврежденности структуры микродефектами, зернистости поликристаллических агрегатов, энергетические характеристики необратимых изменений кристаллической решетки [15] и другие [16].

Рассмотренная система уравнений является замкнутой относительно функций и Уг. Они должны быть проинтегрированы по объему V.

Для построения единственного решения сформулируем граничные условия в любой текущий момент деформирования ^ на поверхности тела 8 объемом V в предположении, что поверхность 8 состоит из трех частей

На поверхности

■К=К, (2Л0)

где у1 - заданная скорость перемещения - в технологических задачах, как правило, скорость инструмента. На поверхности ^

(2-11)

где у* - нормальные составляющие скорости. Условие (2.11) называют

иногда условием обтекания или непроницаемости, согласно которому приконтактные частицы деформируемой среды перемещаются по поверхности инструмента.

Если, в касательной к поверхности к плоскости инструмента имеет место скольжение деформируемого металла со скоростью у3, направление и величина которой известна, то граничные условия включают учет трения. Напряжение от сил трения определяется с помощью какого-либо известного закона трения, который в общем виде определяется выражением

'А =**(./>,>■..), (2-12)

где fn - нормальное давление.

На поверхности задается вектор поверхностного напряжения

/,=/,*■ (2-13)

В частном случае, если плоскость свободна от нагрузок, то

/ = о.

Начальное условие задачи определим в виде задания исходных координат точек тела в начальный момент времени t = t0

(/ = 1,2,3) (2.14)

Кроме того, в качестве начальных условий можно задавать значения механических и физико-структурных характеристик в каждой точке тела.

Решение сформулированной задачи ищется в виде совокупности функций:

К бц =бу(х,у,г^У, (/,у = 1,2,3) (2.15)

в пределах пластически деформируемого объема V, которые связаны системой уравнений (2.4 - 2.7) и граничными условиями (2.8 - 2.13).

Известно, что сформулированные выше система уравнений, для решения статических задач может трактоваться как система уравнений типа Эйлера для некоторого функционала и решение их эквивалентно исследованию на экстремум соответствующего функционала. Для решения технологических задач ОМД будем использовать принцип возможных перемещений с представлением соответствующего функционала для множественного состояний деформируемого тела. В качестве возможных перемещений принимаются величины, пропорциональные скоростям перемещений точек деформируемой среды. Для нестационарной стадии деформирования задача решается шаговым методом, т.е. функционал рассматривается справедливым на некотором достаточно малом временном отрезке At. Вводятся следующие допущения:

- весь материал в рассматриваемом объеме V находится в пластическом состоянии;

- значение интенсивности напряжений би=б5. (62 - сопротивление материала пластической деформации), в рассматриваемый момент времени, задано (или вычислено) по известному с предыдущего шага решению в соответствии с уравнением состояния (2.12);

- ускорение материала на текущем шаге решения задачи не варьируется, а плотность материала в процессе всего периода деформирования остается неизменной и принимается равной ее начальному значению.

Касательное напряжение трения на контактной поверхности определяется по закону Прандтля

где // - коэффициент трения по напряжению текучести (0<//<1) иногда коэффициент ¿1 называют фактором трения. Величина тх принимается осредненной, а коэффициент ¡л - постоянным, по всей поверхности контакта.

Функционал полной мощности, эквивалентный системе уравнений с учетом принятых допущений для статической задачи принимает следующий вид

где /*- известное напряжение на поверхности тела.

Согласно принципу Журдена действительное поле скоростей, в отличие от всех кинематически возможных, сообщает функционалу полной мощности минимальное значение.

Минимум функционала (2.17) должен быть найден для класса функций, соответствующих условию несжимаемости. При численном решении задачи поле скоростей приближается к действительному всегда с ограниченной точностью и для жесткопластического течения условие несжимаемости должно быть выполнено в пределах этой точности. Отклонение от него в пределах заданной точности не оказывает существенного влия-

тк = //г,

(2.16)

(2.17)

ния на полученное решение. Для выполнения условия несжимаемости при определении скоростей перемещений с помощью функционала (2.17) в дальнейшем применяется метод штрафных функций [32, 104].

В соответствии с этим методом вместо исходного функционала J вводится модернизированный функционал

J{=J + a\{OdV, (2.18)

v

где qc- параметр штрафа; dV - стабилизирующий функционал. В

V

работе [19] доказано, что для любого а > 0функционал J, имеет минимум и, если стабилизирующий функционал есть неотрицательная квадратичная функция, то этот минимум достигается в единственной точке. Можно подобрать такое значение а, что исходная вариационная задача на минимум функционала J будет эквивалентна задаче на минимум функционала J у Причем, в то время как исходная задача может не обладать свойством устойчивости, задача минимизации функционала Jx обладает устойчивостью-за счет сужения класса возможных решений. Введенный дополнительный функционал, таким образом, играет стабилизирующую роль, а его выбор часто подсказывается характером задачи.

Параметр штрафа а выбирается в общем случае как некоторая функция от уровня погрешности правой части исходного уравнения (2.18). В частности, может быть выбрано значение а = const. От выбора а зависит сходимость решения к действительному. Чем больше значение а, тем сильнее влияет на выбор поля скоростей отклонение от условия несжимаемости и минимум (2.17) ищется вблизи класса функций, соответствующих точному решению жесткопластичёского течения. Для действительного поля скоростей £„ =0 и модернизированный функционал будет совпадать с (2.17). При приближении поля скоростей к точному —»0 и функционал причем, JX>J (оценка "сверху"). Поэтому чтобы не за-

виснуть может быть распространена теорема о минимальных свойствах действительного поля скоростей.

Основные уравнения и соотношения конечно-элементного анализа

процессов деформирования

При конечно-элементной формулировке задачи непрерывное тело разбивает на множество элементов конечных размеров (конечных элементов) рассматривается как совокупность этих элементов. При этом непрерывные функции, описывающие физические и механические величины, заменяются приближенными выражениями, которые, являясь гладкими в пределах каждого конечного элемента (КЭ), будут непрерывными и кусочно-дифференцируемыми во всем теле. Эти приближенные функции конструируются с использованием неизвестных параметров, таких как, их значения в узловых точках, и интерполяционных функций (иногда их называют функциями формы или базисными функциями), так что распределение физических величин в каждом конечном элементе может быть определено однозначно по их значениям в узловых точках [32]. В результате такого подхода исходные дифференциальные уравнения заменяются алгебраическими уравнениями, которые определяют неизвестные параметры.

Дискретизация по методу конечных элементов

Для выполнения процедуры конечно-элементной дискретизации представим модернизированный функционал (2.18) полной мощности в следующем виде

Построение разрешающих уравнений относительно скоростей перемещение в узлах КЭ выполним с учетом аппроксимации кинематических величин, входящих в функционал (2.19), через значения скоростей перемещений в узлах КЭ. При этом принцип возможных перемещений применяется к конечному

(2.19)

элементу, находящемуся в некотором деформированном состоянии, а в качестве возможных перемещений принимаются величины, пропорциональные скоростям перемещений узлов КЭ.

При формулировке разрешающих соотношений с применением МКЭ удобной является матричная форма записи соответствующих зависимостей. В связи с этим в дальнейшем будем использовать следующую матричную символику: { } - вектор-столбец, [ ] - матрица или вектор-строка.

Компоненты вектора скорости перемещения материальной частицы внутри КЭ Ух, V и У2 выразим в общем виде через значения в узлах элемента с помощью следующей матричной записи (в дальнейшем будем обозначать скорость перемещения внутри КЭ прописной буквой V, а скорость перемещения в узлах КЭ - строчной буквой v )

{у}7 =[к Уу = '' (2.20)

где {и}г =[1/, у2 ... вектор-столбец компонентов узловых скоростей КЭ по соответствующим координатным направлениям; к - общее число компонентов скоростей перемещений в узлах КЭ; [Л^] - матрица функций формы элемента; верхний индекс Т после матричных скобок означает операцию транспонирования. Вид матрицы [Щ конкретизируется выбором интерполяционных функций

конечного элемента и типом самого КЭ.

Соотношения связи компонентов скоростей деформаций с узловыми компонентами скоростей перемещений принимают следующий вид

{£} = ИИ (2-21)

где в общем случае вектор-столбец компонентов скоростей деформаций К}7 =[& 4г % Я«]> = - матрица дифференциальных опера-

торов.

Выражение интенсивности скоростей деформаций, в матричной записи принимает вид

где

(2.22)

(2.23)

[£)] - квадратная симметричная матрица.

Рассмотрим вид матрицы [£)] для частных случаев напряженно-

деформированного состояния. Принимая во внимание известное выражение для интенсивности скоростей деформаций в случае несжимаемого материала

4 =

(2.24)

матрицу [/)] можно представить в следующем виде

10 0 0 0 0

010 0 0 0

0 0 1 0 0 0

0 0 0 1/2 0 О

0 0 0 0 1/2 0

0 0 0 0 0 1/2

(2.25)

Объемная скорость деформации

& = {СП#} = {С}Г[В] М (2.26)

где |С}Г=[1 1 1 0 0 0]. В случае плоской деформации или плоского

Заключение диссертации по теме «Технологии и машины обработки давлением», Ле Минь Дык

4.5. Основные результаты и выводы

1. Разработана усовершенствованная методика проектирования технологии изготовления цельнотянутой банки инструмента из цилиндрических заготовок на базе операций комбинированной вытяжки. Новизной методики является прогнозирование прочностных свойств материала готовых изделий на основе анализа напряженно-деформированного состояния материала и деформационной повреждаемости, позволяющие получать качественную структуру материала, необходимую для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств.

2. На основе предложенной методики разработан технологический процесс изготовления цельнотянутой банки комбинированной вытяжкой из алюминиевого сплава марок АМц-3.

3. Технико-экономическая эффективность предлагаемого технологического процесса обеспечивается простотой реализации данного способа, так как предлагаемая технология изготовления не требует высокоточного и мощного оборудования для обеспечения требуемой разностенности, как на операции обратного выдавливания и дает возможность повышением прочности изделия за счет упрочнения и уменьшения повреждаемости со =0,55, сокращением сроков, подготовки производства в 1,4 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуальная научная задача, имеющая важное значение для различных отраслей машиностроения и состоящая в повышении эффективности изготовления цилиндрических деталей комбинированной вытяжкой на основе выбора теоретически обоснованных режимов пластического деформирования, полученных с использованием точных методов расчета и современных достижений вычислительной техники, обеспечивающих заданное качество и сокращение сроков подготовки производства новых изделий.

В процессе проведенного изучения и моделирования комбинированной вытяжки цилиндрических деталей получены следующие основные результаты, и сделаны выводы.

1. Сформулированы определяющие соотношения для анализа пластического формоизменения цилиндрических деталей комбинированной вытяжкой из жесткопластического, несжимаемого, изотропного материала в условиях объемного пластического течения, позволяющие определять кинематику течения материала, силовые режимы, напряженное и деформированное состояния, деформационную повреждаемость.

2. Выполнен теоретический расчет первого и последующих процессов комбинированной вытяжки цилиндрических деталей с определением силовых режимов и анализом напряжено-деформированного состояния, деформационной повреждаемости путем решения трехмерной задачи с визуализацией схем процессов и исследованием кинетики полученных значений в виде графиков.

3. Моделирование процесса комбинированной вытяжки позволило установить влияние технологических параметров, степени деформации вытяжки, коэффициентов вытяжки и утонения, угла конусности матрицы, коэффициентов трения на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния заготовки и силовые режимы. Показано, что первую операцию комбинированной вытяжки из плоской заготовки алюминиевого сплава АМц-3 возможно проводить при степени вытяжки /// = 0,6 с коэффициентами вытяжки md-0,6 и утонения ms= 0,67, дальнейшее увеличение степени деформации приводит к разрушению полуфабриката. Оптимальным и являются коэффициенты трения на матрице juM =0,03 и пуансоне //„ = 0,06 и угол конусности матрицы а = 12.15°, дающие минимальные значения напряжений и деформации. Последующие операции комбинированной вытяжки из полой заготовки алюминиевого сплава АМц-3 возможно проводить при степени вытяжки i// =0,6 с коэф-. фициентами вытяжки /«,=0,8 и утонения ms= 0,5, дальнейшее увеличение приводит к разрушению полуфабриката. Оптимальным и являются коэффициенты трения на матрице и пуансоне //1( = 0,03, //„ = 0,06 и угол конусности матрицы а = 15°, дающие минимальные значения напряжений и деформаций.

4. Проведена оценка повреждаемости деформируемого материала микро-дефейтами. Учёт. пластической повреждаемости вносит заметную поправку в расчёт операционных степеней деформаций, дает возможность их увеличения до 12.16%.

5. На основе предложенного метода решения статических задач-составлены соответствующие схемы алгоритмов, и адаптирован программный комплекс DEFORM-3D для расчета технологических процессов комбинированной вытяжки, протекающих в условиях объемной деформации, с использованием многошагового процесса принятия решения. Использование пакета прикладных программ дает возможность уменьшить время проведения технологических расчетов, обеспечивает наглядность результатов, и позволяет сократить сроки освоения выпуска продукции.

6. Разработаны рекомендации по проектированию технологических процессов изготовдения цилиндрических деталей и рабочего инструмента для его реализации. Спроектирован технологический процесс изготовления цельнотянутой банки комбинированной вытяжкой. Технико-экономическая эффективность предлагаемого технологического процесса обеспечивается простотой реализации данного способа, так как предлагаемая технология изготовления не требует высокоточного мощного оборудования, как на операции обратного выдавливания, и дает возможность повысить прочность изделий за счет упрочнения и уменьшения повреждаемости со =0,55, сокращает срок подготовки производства в 1,4 раза.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ле Минь Дык, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ источников

1.Аверкиев Ю.А., Аверкиев А.Ю. Технология холодной штамповки: Учебн. для вузов. - М.: Машиностроение, 1989. -304с.

2. Автоматические линии для производства жестяной тары. Изд 2-е, перераб. и доп., Авт : Я. Ю. Локшин, Г. X. Молдавский, Г. Ю. Бершадский, А. Е. Розенбелов. М., «Машиностроение», 1972. - 304 с.

3. Автоматы для производства жестяных банок. Локшин Я.Ю., Молдавский Г.Х., Бершадский Г.Ю., Розенбелов А.Е., Москва, «Машиностроение», 1966г.

4. Арышенский Ю.М., Гречников Ф.В. Теория и расчеты пластического формоизменения анизотропных материалов. -М.: Металлургия, 1990. - 304с.

5. Баркая В.Ф., Рокотян С.Е., Рузаиов Ф.И. Формоизменение листового материала. - М.: Металлургия, 1976. - 294 с.

6. Баудер У. Глубокая вытяжка пустотелых изделий из толстых листов. Пер. с нем. Сб. переводов «Проблемы современной металлургии», № 2, М., Изд-во иностр. лит., 1982, с. 93-110.

7. Бебрис А. А., Гольдберг Д. Н. Технология совмещенной реверсивной глубокой вытяжки с утонением стенки алюминиевых изделий Рига, Латвийский ИНТИ, 1968. - 29 с.

8. Белл Дж.Ф. Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел. В 2-х частях. Часть 2. Конечные деформации. Пер. с англ. - Под ред. А.П. Фалина. - М.: Наука, Главная редакция физ. - матем. лит -ры, 1984. -432 с.

9. Бернштейн М.Л. Структура деформированных металлов. - М.: Металлургия, 1977. - 431 с.

10. Богатов A.A. Механические свойства и модели разрушения металлов: учеб. пособие для вузов. — Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2002. - 329 с.

11. Бурцев К. Н. Металлические сильфоны. М., Машгиз, 1963.- 163

12. Бернштейн МЛ. Структура деформированных металлов. - М.: Металлургия, 1997. - 43 1-е.

13. Вайнтрауб Д. А. Технологические расчеты при вытяжке высоких прямоугольных деталей. ЛДНТП, 1969. - 28 с.

14. Валиев Р. 3., Александров И. В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. - М.: Логос, 2000. - 272 с.

15. Валиев С. А. Комбинированная глубокая вытяжка деталей с утонением стенок. ЛДНТП, 1965. - 26 с.

16. Валиев С. А. Комбинированная глубокая вытяжка листовых материалов. М., Машиностроение, 1973. - 176 с.

17. Валиев С. А.-Новые принципы построения технологического процесса глубокой вытяжки. — Сб. «Глубокая вытяжка листовых материалов», Вып. 1. ЛДНТП, 1963, с. 3—20.

18. Валиев С. А. Список литературы и ГОСТов. Учебное пособие для курсового и дипломного проектирования. Кафедра ТШП, ТулПИ, 1980.

19. Валиев С. А., Ренне И. П. Технологические расчеты и обоснование рациональных параметров инструмента для глубокой вытяжки. - Сб. «Глубокая вытяжка листовых материалов». Вып. 1. ЛДНТП, 1983. - с. 2120. Валиев С. А., Яковлев С. С. Технологические параметры комбинированной вытяжки анизотропного материала // Известия вузов. Машиностроение. 1984.-№ 9.-С.117-121.

21. Валиев С.А., Яковлев С.С., Короткое В.А. Технология комбинированной вытяжки цилиндрических заготовок из анизотропного материала //Кузнечно-штамповочное производство. 1994. - N 12. - С.6-8.

22. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. - М.: Металлургия, 1984. - 280с.

23. Всидзу К. Вариационные методы в теории упругости и пластичности. М.: Мир, 1987. - 542 с.

24. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы.- М.: Мир, 1984. -428

25. Гоффман О. и Закс Г. Введение в теорию пластичности для инженеров. Пер. с англ. Под ред. Э. И. Григолюка. М., Машгиз, 1957.-279 с.

26. Губанова Г. А. Выбор оптимального варианта технологического процесса холодной штамповки. ЛДНТП, 1958. - 19 с.

27. Губкин С._ И. Пластическая деформация металлов. Т.2. Физико-химическая теория пластичности. - М.: Металлургиздат, 1961. - 416 с.

28. Гун Г. Я. Теоретические основы обработки металлов давлением (теория пластичности): Учебн. пособие для вузов. -М.: Металлургия, 1983. - 352с.

29. Давыдов Ю. П., Покровский Г. В. Листовая штамповка легированных сталей и сплавов. М., Оборонгиз, 1962. - 200 с.

30. Дель Г .Д., Огородников В.А., Нахайчук В.Т. Критерий деформируемости металлов при обработке давлением // Изв. вузов. Машиностроение. 1975. - №4. - С. 135-137.

31. Дзугутов М.Я-. Пластичность, ее прогнозирование и использование при обработке металлов давлением. - М.: Металлургия, 1984. - 64 с.

32. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М. Мир, 1975. -541с.

33. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. - М.: Мир, 1986.-318с.

34. Зубцов .М. Е. Листовая штамповка. Л., «Машиностроение», 1967. - 504с.

35. Зубцов М. Е. Листовая штамповка: Учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности «Машины и технология обработки металлов давлением». - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1980.-432 с., ил.

36. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных металлов / С.П. Яковлев, В.Н. Чудин, С.С. Яковлев, Я.А. Соболев. —М: Машино-строение-1, Изд-во ТулГУ, 2004..- 427 с.

37. Качанов Л.М. Основы теории пластичности.- М.: Наука, 1969.- 420с.

38. Качанов JI.IYL Основы механики разрушения. - М-.: Наука, 1974. -312с.

39. Ковка и штамповка. Справочник: в 4 т. Т. 4 листовая штамповка /под редакцией А.Д. Матвеева - М.: Машиностроение, 1985-1987.

40. Колмогоров B.JI. Механика обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1986. - 688 с.

41. Колмогоров B.JI. Напряжение деформации, разрушение. М.: Металлургия, 1970. - 229с.

42. Комплексные задачи теории пластичности / Н.Д. Тутышкин, Ю.В. Полтавец, А.Е. Гвоздевой др. Под ред. Н.Д. Тутышкина, А.Е. Гвоздева. - Тула: Шар, 1999.-378с.

43. Кроха В.А. Упрочнение металлов при холодной деформации: Справочник. - М.: Машиностроение, 1980. - 150 с.

44. Ле Минь Дык. Расчет напряженно-деформированного состояния при вытяжке из плоской заготовки. Известия ТулГУ. Технические науки, вып. 4. Издательство ТулГУ, г. Тула 2012. - С. 92.. .97.

45. Ле Минь Дык. Расчет повреждаемости на вытяжных операциях. Материалы Региональная научно-техническая конференция «Техника XXI века глазами молодых учебных и специалистов», г. Тула, 2012г. - с. 2757..281.

46. Ле Минь Дык, Журавлев Г. М. Расчет операции первой вытяжки с спользованием конечно-элементной модели. Материалы Региональная научно-техническая конференция «Техника XXI века глазами молодых учебных и специалистов», г. Тула, 16 марта 2009г. - С. 18...22.

47. Ле Минь Дык, Журавлев Г. М. Постановка задачи расчета процесса первой вытяжки.. Материалы Региональная научно-техническая конференция «Техника XXI века глазами молодых учебных и специалистов», г. Тула, 16 марта 2009г.-С. 22...30.

48. Ле Минь Дык, Журавлев Г. М. Влияние напряженного состояния на механические характеристики латуни. Известия ТулГУ. Технические науки, вып. 2. 4.1. Издательство ТулГУ, г. Тула 2010. - С. 106... 110.

49. Ле Минь Дык, Журавлев Г. М. Разработка технологического процесса изготовления цельной банки. Известия ТулГУ. Технические науки, вып. 6. 4.2. Издательство ТулГУ, г. Тула 2011. - С. 285...291.

50. Локшин Я.Ю. Производство и применение металлической тары, Москва, Пищевая промышленность, 1980 г. - - -

51. Лялин В.М. Технология производства элементов. Основы проектирования и производства заготовок; Учеб. пособие, - Тула, ТулГу, 1988, -84 с.

52. Лялин В.М., Гельфонд В.Л., Котляров B.C. Основы проектирования технологических процессов заготовления элемента: Учеб. пособие, - Тула, ТулГу,1987,-100 с

53. Малов А. Н. Технология холодной штамповки.. М., «Машиностроение» 1971. - 564 с.

54. Малоотходная, ресурсосберегающая технология штамповки / С.П. Яковлев, В.Д. Кухарь,_Н.Е. Проскуряков и др. Под ред. С.П. Яковлева, Л.Г.Юдина. - Кишинев: «Universitas», 1993. - 238 с.

55. Мещерин В.Т. Листовая штамповка (атлас схем). - М.: Машиностроение, 1975.

56. Механика процессов изотермического формоизменения элементов многослойных листовых конструкций / С.П. Яковлев, С.С. Яковлев, В.Н. Чу-дин, Я.А. Соболев. — Тула: ТулГУ, 2001. — 254 с.

57. Монченко В.П. Эффективная технология производства полых цилиндров. - М.: Машиностроение, 1980. - 248с.

58. Недорезов— В. Е. Глубокая вытяжка листового " металла. М.—Л., Машгиз, 1949. - 104 с.

59. Нечепуренко Ю.Г., Яковлев С.П., Яковлев С.С. Глубокая вытяжка цилиндрических изделий из анизотропного упрочняющегося материала. Тула: ТулГУ, 2000. 182 с.

60. Новое в технологии обработки металлов давлением/ Н.Т.Деордиев, [и др.] --Под ред. Н.Т.Деордиева. - Вып. 15. - ЭНИКМАШ - М.: Машиностроение, 1967.- 180 с.

61. Норицын И. А. К вопросу о технологических параметрах штамповки. Труды МАМИ. — Сб. «Исследование процессов штамповки и их технологических параметров». Вып. 4, М., Машгиз, 1955, с. 5—-18.

62. Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов. - М.: Мир, 1981.-304 с.

63. Оден Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред. -М.: Мир, 1976.-464с.

64. Основы теории обработки металлов давлением. Под редакцией М. В. Сторожева. М., Машгиз, 1959. - 539 с.

65. Пластичность и разрушение / B.JT. Колмогоров, A.A. Богатов, Б.А. Мигачев и др. - М.: Металлургия, 1977. - 336 с.

66. Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин A.M. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов: Справочник. - М.: Металлургия, 1976. -448с.

67. Попов Е. А. Основы теории листовой штамповки. М., «Машиностроение», 1968. - 283 с.

68. Прогрессивные технологические процессы холодной штамповки / Под ред. А.Г. Овчинникова. - М.: Машиностроение, 1985. - 184 с.

69. Ренне И.П. Некоторые вопросы плоского течения в-технологических задачах теории> пластичности: - дис... д-ра. техн. наук: 05.324.- Защищена 1971,-Библигр. С.618-655, Тула, 1970. - 655 с.

70. Ренне И.П. Удельное усилие при плоской осадке между шероховатыми плитами // Кузнечно-штамповочное производство. - 1964. - №9. - С. 16-20.

71. Ренне И.П. Использование годографов для определения деформаций при неустановившемся плоском течении // Технология машиностроения: Ис-след. в обл. пластических деформаций и обраб. металлов давлением. - Тула: Приокск. книжн. изд-во, 1967. - Вып. 1. - С. 198-210.

72. Ренне И.П., Рогожин В.Н., Кунецоа В.П., Тутышкин Н.Д. Вытяжка с утонением стенки. - Тула, 1970. Изд-во ТПИ. С. 141

73. Романовский В. П. Справочник по холодной штамповке. М., «Машиностроение», 1971. - 782 с.

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

75. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. - М.: Металлургия, 1986. - 221 с.

76. Селедкин Е.-М., Гвоздев А. Е. Математическое моделирование процессов формоизменения заготовок. - М.: Академия проблем качества; ТулГУ, 1998.-225 с.

77. Скворцов Г.П. Основы конструирования штампов для холодной листовой штамповки. -М.: Машиностроение, 1972.

78. Смирнов-Аляев Г. А,, Вайнтрауб Д. А. Холодная штамповка в приборостроении. М., Машгиз, 1963. - 435 с.

79. Смирнов-Аляев Г.А. Сопротивление материалов пластическому деформированию. -М.: Машгиз, 1981. - 464 с.

80. Соколов Л.Д.,~Скуднов В.А. Закономерности пластичности металлов. -М.: ООНТИВсес. ин-та легких сплавов, 1980. - 130 с.

81. Сторожев М. В., Попов Е. А. Теория обработки металлов давлением. М., «Машиностроение», 1971. - 424 с.

82. Теория и практика обработки металлов давлением. Под ред. С. И. Губкина. Государственное издательство. Минск, 1956.- 164 с.

83. Теория ■ пластических деформаций металлов / Е.П.Унксов, У. Дронсон, В.Л.Колмогоров и др. Под ред. Е.П.Унксова, А.Г.Овчинникова. -М.: Машиностроение, 1993. - 598 с.

84. Технологические основы обеспечения качества машин / К.С: Колесников, Г.Ф. Баландин, А.М. Дальский и др. Под ред. К.С. Колесникова. - М.: Машиностроение, 1990. - 256 с.

85. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. -М.: Наука, 1998.-288 с.

86. Томленов А.Д. Теория пластического деформирования металлов. - М.: Металлургия, 1972. - 408 с.

87. Травин ВЛО. Анализ поврежденности деформируемого материала и степеней деформации на операциях вытяжки // Теория, технология, оборудование и автоматизация обработки металлов давлением и резанием. -Тула: Тул. гос. ун-т, 1999. -Вып.2. -С.189...194.

88. Третьяков А.В. Зюзин- В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением: Справочник. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1973. - 224 с.

89. Тутышкин Н.Д. Теоретические основы и проектирование интенсивных процессов обработки давлением изделий с прогнозируемыми свойствами: Диссертация докт. техн. наук. - Защищена 24.05.94; утв. 09.12.94; 05940001392. -Тула, 1993.- 459 с.

90. Тутышкин Н.Д., Трегубов В.И. Технологическая механика: Учебн. пособие. - Под ред. Н.Д.Тутышкина. - Тула: «Тульский полиграфист», 2000. -196 с.

91. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Оборонгиз, 1952. - 555 с.

92. Хилл Р. Математическая теория пластичности : пер. с англ, Э.И. Гри-голюка. - М.: Госуд. изд-во технико-теорет. лит-ры, 1956. - 407 с.

93. Чупахин В.М., Леонов И.Т. Производство жестяной консервной тары. - Изд. 3-е, перераб. и доп. - Москва: Пищевая промышленность, 1974. - 438 с.

94. Шевелев В.В., Яковлев С.П. Анизотропия листовых материалов и ее влияние на вытяжку. — М.: Машиностроение, 1972. — 136 с.

95. Шофман Л. А. Теория и расчеты процессов холодной штамповки. М., «Машиностроение», 1964. - 375 с.

96. Шумейко И. П., Смоленцев Ю. П. Производство алюминиевой консервной тары.-М.: Пищевая промышленность, 1978. - 120 с. - -

97. Элер Т\ Листовой металл и его испытание. Пер. с нем. М., Машгиз, 1958.-282 с.

98. Элер, Кайзер. Вырубные гибочные и вытяжные штампы. Пер. с

нем. М., Машгиз, 1961. - 396 с.

99. Юдин Л.Г., Маленичсв А.С., Герасимова О.М., Жукова Н.В. Методическое пособие по дипломному проектированию. Часть 2. РИО ТулГУ, 1999 г.

100. Яковлев С.П., Кухарь В.Д. Штамповка анизотропных заготовок. — М.: Машиностроение, 1986. — 136 с.

101. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В.А. Обработка давлением анизотропных материалов. - Кишинев: Квант, 1997. - 331с.

102. Яковлев С.С., Трегубов В.И. Теория и технология изготовления крупногабаритных осесимметричных деталей ответственного назначения из высокопрочных анизотропных материалов / под ред. С.С. Яковлева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011.232с.

103. Яковлев С.П., Юдин Л.Г. Многооперационная осесимметричная вытяжка // Ковка и штамповка: Справочник в 4 т. Т.4. Листовая штамповка/ Под ред.А.Д. Матвеева; Ред.совет: Е.И.Семенов (пред.) и др. - М.: Машиностроение, 1987. - С. 67-80.

104. Kitahara Y., Osakada К., Fujii S., Narutaki R. Analysis of Deformation of Plates in Free Forging using Rigid-Plastic Finite Element Method // Сосей то како, J. Jap. Soc. Technol. Plast. 1977 - V.l 8. - № 200. - P. 753-759.

105. Lake J.S., Willis D.J., Fleming H.G. The Variation of Plastic Anisotropy during Straining//Met. Trans. A. -1988. -19,N7. -P.2805-2817.

106. Lui J.C., Johnson L.K. Hill's Plastic Strain Ratio of Sheet Metals // Met. Trans. - 1986.-N7.-P.1531-1535.

107. Thompson A.W. Fractography and its role in fracture interpretation // Fatigue and Fract. Eng. Mater, and Struct. - 1996. - T. 19. - №11. - С 1307-1316.

108. Siebel E. und Weiss H. Untersuchungen uber das Abstreken Mitteilurgen die Mitglider Forschugsgese Usehaft Blechvtrbeitung, Nr 11, 1954.