Повышение эффективности изготовления полых осесимметричных деталей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.09, кандидат наук Екимова Оксана Анатольевна

• Екимова Оксана Анатольевна
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Екимова Оксана Анатольевна

ВВЕДЕНИЕ

Раздел 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ ВЫТЯЖКОЙ ИЗ ЛИСТОВЫХ ЗАГОТОВОК И МЕТОДОВ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1Современное состояние вытяжки осесимметричных

деталей из листовых заготовок

1.2 Обзор программного обеспечения, реализующее МКЭ

1.3 Исследование процесса вытяжки детали «стакан»

с помощью программного комплекса QForm2D/3D(тестовая задача)

1.4 Цель работы и задачи исследования

Раздел 2 ВЫТЯЖКА ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ

ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПЛОСКИХ ШЕСТИГРАННЫХ ЗАГОТОВОК

2.1 Осадка шестигранной заготовки в круговую матрицу

2.2 Напряженно-деформированное состояние при вытяжке в цилиндрическую матрицу

2.3 Влияние относительной толщины шестигранной заготовки на коэффициент вытяжки на первом переходе

2.4 Осадка корончатого венца осесимметричного полуфабриката

2.5 Основные результаты и выводы

Раздел 3 ВЫТЯЖКА ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПЛОСКИХ КВАДРАТНЫХ ЗАГОТОВОК

3.1 Осадка квадратной заготовки в круговую матрицу

3.2 Напряженно-деформированное состояние в заготовке при вытяжке в цилиндрическую матрицу

3.3 Сравнение результатов расчета и эксперимента операции вытяжки из квадратной заготовки

3.4 Влияние относительной толщины квадратной заготовки на коэффициент вытяжки на первом переходе

3.5 Характер изменения толщины стенки стакана при вытяжке из квадратной заготовки (сравнение с экспериментом)

3.6 Вытяжка осесимметричных деталей из плоских квадратных заготовок с зазором между пуансоном и матрицей равным толщине исходной заготовки

3.6.1 Влияние относительной толщины квадратной заготовки на коэффициент вытяжки на первом переходе

3.6.2 Влияние зазора между пуансоном и матрицей на процесс вытяжки квадратной заготовки

3.7 Осадка корончатого колпака после вытяжки квадратной заготовки

3.8 Вторая операция вытяжки из квадратной заготовки

3.9 Влияние основных технологических параметров на силовые, деформационные характеристики второй операции вытяжки

3.10 Интенсификация первой вытяжки из квадратной заготовки

3.11 Основные результаты и выводы

Раздел 4 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ «СТАКАН» ИЗ КВАДРАТНОЙ ЗАГОТОВКИ

4.1 Основные результаты и выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

119

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности изготовления полых осесимметричных деталей»

ВВЕДЕНИЕ

Основной задачей развития машиностроения является вывод его на принципиально новые ресурсосберегающие технологии, обеспечивающие повышение производительности труда, экономию материальных и энергетических ресурсов и охрану окружающей среды. В значительной степени решению этих задач способствует внедрение в промышленность прогрессивных технологий формообразования полых осесимметричных деталей.

Наиболее эффективным способом получения полых осесимметричных деталей из листовых заготовок является вытяжка - процесс превращения плоской заготовки в полую деталь.

Одним направлением повышения эффективности процесса вытяжки является замена круглой заготовки на профильную заготовку, однако реализация этих процессов затруднена в связи со сложным характером течения материала и недостаточной информацией о предельных возможностях деформирования.

Другим направлением повышения эффективности процесса является совмещение ряда операций в процессе изготовления осесимметричных деталей как из профильных так и из круглых заготовок.

Таким образом, развитие теории проектирования операций формообразования полых осесимметричных деталей является актуальной научной задачей, решение которой позволит обеспечить снижение энергоемкости и трудозатрат.

Работа выполнена в рамках программы «Анализ востребованности ключевыми российскими компаниями в сфере общего машиностроения и российскими вузами спроса на технологии, поисковые проблемно-ориентированные и прикладные работы: развитие теории пластического формоизменения кристаллических ортотропных материалов с деформационной анизотропией механических свойств - ГК 0038».

Цель работы состоит в повышении технологичности процессов формообразования осесимметричных деталей на основе использования профильных заготовок и совмещения технологических операций.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1 Провести теоретическое исследование процессов формообразования -выполнить моделирование процессов в программном комплексе рБогш 2В/3Э, основанном на методе конечных элементов: вытяжки шестигранной и квадратной заготовок в цилиндрическую матрицу; осадки корончатого колпака осесиммет-ричного полуфабриката, полученного из шестигранной и квадратной заготовок; совмещенной операции вытяжки и прямого выдавливания на первой и второй операциях вытяжки из квадратной заготовки.

2 Выявить предельные возможности деформирования профильных листовых заготовок.

3 Определить влияние степени деформирования заготовки на силовые параметры, накопленную пластическую деформацию совмещенного процесса вытяжки и прямого выдавливания на второй операции вытяжки из квадратной заготовки.

4 Разработать технологический процесс изготовления детали типа «стакан» из квадратной заготовки.

Объект исследования: операции изготовления осесимметричных деталей из листовых заготовок.

Предмет исследования: процессы вытяжки, совмещенной вытяжки с прямым выдавливанием.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий теоретический анализ и экспериментальную проверку полученных результатов.

Моделирование и теоретические исследования операций вытяжки осесимметричных деталей выполнены с применением программного комплекса QForm 2D/3D. Предельная возможность формообразования оценивалась по критерию разрушения Кокрофт-Латам.

Автор защищает:

- результаты теоретических исследований напряженного и деформированного состояния заготовки и силовых режимов для рассматриваемых процессов при различных схемах нагружения;

- результаты исследований по определению рациональных технологических параметров операции вытяжки из шестигранных и квадратных заготовок на первом переходе;

- результаты исследования второго перехода формообразования осесиммет-ричной детали из квадратной заготовки, реализуемого совмещением операций вытяжки и прямого выдавливания;

- выявленную возможность интенсификации процесса вытяжки из квадратной заготовки на первом переходе за счет совмещения вытяжки и прямого выдавливания;

Научная новизна состоит в:

- оценке напряженно-деформированного состояния и силовых параметров процесса формоизменения листовых заготовок различной геометрии при вытяжке цилиндрических деталей;

- обосновании предельных возможностей формообразования осесимметрич-ных деталей из профильных листовых заготовок на основе разработанных математических моделей, учитывающих геометрию инструмента, степень деформирования заготовки, совмещение операции вытяжки и прямого выдавливания.

Практическая ценность и реализация работы.

Разработаны рекомендации по расчету технологических параметров вытяжки полых осесимметричных деталей из шестигранных и квадратных заготовок на основе выполненных теоретических исследований.

На основе результатов выполненных теоретических исследований:

1) получены значения коэффициентов вытяжки для первого перехода в зависимости от относительной толщины заготовки для шестигранной и квадратной заготовок;

2) установлены границы устойчивого протекания совмещенного процесса вытяжки и прямого выдавливания из корончатого колпака при изготовлении цилиндрического изделия на втором переходе (совмещенная операция вытяжки и прямого выдавливания из корончатого колпака) формообразования осесиммет-ричной цилиндрической детали (или полуфабриката);

3) На основе результатов комплекса проведенных исследований, конструк-торско-технологических разработок и полученных рекомендаций для вытяжки шестигранных и квадратных заготовок усовершенствован технологический процесс изготовления детали «стакан»; часть материалов исследования использована в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных работ, в лекционных курсах «Технология листовой штамповки», «Теория обработки металлов давлением», при подготовке бакалавров и магистров техники и технологии по направлению «Машиностроение» профиля «Машины и технологии обработки давлением» и магистров техники и технологии по направлению «Технологические машины и оборудование» профиля «Высокоэффективные методы обработки металлов давлением».

Апробация. Результаты исследования доложены на научно-практических конференциях профессорского - преподавательского состава Тульского государственного университета (2011-2017 гг).

Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 13 работах, 12 из которых опубликованы в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы из 100 наименований, включает 74 страницы машинописного текста, содержит 92 рисунка и 12 таблиц. Общий объем 128 страниц.

Во введении обоснованы актуальность поставленной в работе задачи, ее научная новизна и практическая ценность проведенных теоретических и экспериментальных исследований, а также кратко раскрыто содержание разделов диссертационной работы.

В первом разделе работы изложено современное состояние формообразования осесимметричных деталей, представлены различные способы получения и даны примеры деталей и используемого инструмента, получаемых вытяжкой.

Показано, что применение компьютерного моделирования для теоретического анализа процессов пластического осесимметричного формоизменения в настоящее время наиболее перспективно. Дано обоснование выбора программного комплекса для теоретического исследования.

Обоснована постановка задач исследований.

Во втором разделе диссертации представлены возможности использования шестигранных заготовок для получения осесимметричных деталей. Использование шестигранных заготовок позволяет повысить коэффициент использования металла, т.е. интенсифицирует процесс вытяжки.

Представлены результаты по осадке шестигранной заготовки в круговую матрицу с целью получения круглой заготовки, напряженно-деформированному состоянию и силовых режимов процесса, результаты по вытяжке шестигранной заготовки в цилиндрическую матрицу.

Приведены технические параметры вытяжки из шестигранной заготовки. Представлены результаты исследования процесса осадки полученного полуфабриката, с целью получения ровного края детали.

В третьем разделе приведено исследование использования квадратных заготовок для получения осесимметричных деталей. Представлены результаты по осадке квадратной заготовки в круговую матрицу с целью получения круглой заготовки, напряженно-деформированному состоянию и силовых режимов процесса, результаты по вытяжке квадратной заготовки в цилиндрическую матрицу. Содержаться результаты исследования предельно допустимых возможностей использования квадратных заготовок для операции вытяжки.

Приведены результаты исследования вытяжки квадратных заготовок с зазором между пуансоном и матрицей равным толщине исходной заготовки: напряженного и деформированного состояния, предельно допустимых коэффициентов

вытяжки, геометрических параметров получаемого стакана.

Представлены результаты двух вариантов последующего использования полученного полуфабриката из квадратной заготовки: 1) исследования процесса осадки полученного полуфабриката из квадратной заготовки с целью получения ровного края детали для дальнейшего его использования в операциях вытяжки; 2) исследования совмещенного процесса вытяжки и прямого выдавливания, для получения цилиндрического изделия большей высоты и ровным краем.

Приведены результаты исследования способа совмещенной вытяжки и прямого выдавливания из плоской квадратной заготовки.

Представлен сравнительный анализ теоретически рассчитанных и практических результатов при вытяжке квадратных заготовок.

Четвертый раздел посвящен разработке технологического процесса изготовления детали типа «стакан» из квадратной заготовки.

В заключении описаны основные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе.

Раздел 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ ВЫТЯЖКОЙ ИЗ ЛИСТОВЫХ ЗАГОТОВОК И МЕТОДОВ

ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1Современное состояние вытяжки осесимметричных деталей из листовых заготовок

Вытяжка является одной из наиболее распространенных операций листовой штамповки. Она нашла широкое применение в автомобильном, тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, приборостроении, машиностроении для легкой и пищевой промышленности, электротехнической и других отраслях промышленности. Успешному внедрению процесса вытяжки способствовали работы многих отечественных и зарубежных ученых: Ю.М.Арышенского, В.К.Белосевича, С.А.Валиева, С.И.Вдовина, А.И. Власова, С.Ф.Головащенко, В.Д.Головлева, Г.Д.Дель, А.М.Дмитриева, В.А.Евстратова, М.Е.Зубцова, Е.И.Исаченкова, В.И.Казаченка, В.В.Каржавина, В.Г.Ковалева, В.Д.Кухаря, А.Н.Малова, В.Т.Мещерина, Е.И.Мошнина, А.Г.Овчинникова, П.А. Петрова, Е.А.Попова, В.П.Романовского, Л.Г.Степанского, Е.Н. Сосенушкина, Г.П.Тетерина, Л.А.Шофмана, Д.Н.Цой, С.П.Яковлева, R.Hill, G.Oehler, Е^еЬе1, D.M.Woo, N.-M.Wang, H.Iseki, Y.Yamada и многих других. Ими проведены теоретические исследования процессов вытяжки, экспериментально изучено влияние различных технологических параметров, накоплен и систематизирован большой производственный опыт. Однако широкий круг вопросов, связанных с созданием единой инженерной теории вытяжки различных деталей и с отысканием условий рационального ведения процессов вытяжки, не решен.

В обработке металлов давлением значительное место занимает вытяжка полых осесимметричных деталей, для получения которых обычно используют круглые заготовки. Однако при вырубке таких заготовок из полосы или ленты значительны потери металла, кроме того вырубка круглых заготовок подразуме-

вает наличие достаточно дорогого штампа. Весьма эффективным способом сокращения потерь металла является замена круглой формы заготовки, квадратной. Такую возможность рассматривали В.Г. Кондратенко, Э.А. Назарян, В.П. Романовский, Я. Галиновский, Н.В. Купор и другие. Внедрение этого способа приводит к возможности замены операции вырубки разрезкой или отрубкой, производимой на ножницах различных конструкций. Немногочисленные исследования в этом направлении были выполнены без учета особенностей деформирования квадратных заготовок и в предположении изотропности материала. Учёт анизотропии металла позволяет применить более рациональный технологический процесс, снизить трудоёмкость изготовления, повысить качество изделия, увеличить коэффициент использования металла.

Экспериментальные исследования, выполненные Я. Галиновским [91], показали, что при вытяжке корончатого колпака из квадратной заготовки, вместо круглой, диаметр которой равен стороне квадратной заготовки, даёт прирост высоты колпака по впадинам, достигающего 13 %, а расход металла снижается на 20%. Возможны различные модификации процесса, обладающие своими преимуществами и недостатками. Для изучения особенностей течения металла во фланце квадратной заготовки С.П. Яковлев и В.Д. Кухарь предлагают с помощью делительной сетки, нанесённой на плоскость заготовки, с обработкой её на каждом этапе по методике И.П. Ренне [84]. Для многих материалов коэффициенты анизотропии вдоль и поперёк прокатки по величине близки. Кроме того, направления вдоль прокатки или под углом 45° к ней являются направлениями максимального или минимального коэффициента анизотропии. Проведение экспериментов позволило определить кинематику течения металла, выявить наличие жёстких зон во фланце заготовки и динамику их развития. Граница жесткой зоны устанавливалась по величине деформаций. Принималось, что область фланца считается жёсткой. В результате расчётов установлено, что отношение площади жёсткой зоны к площади фланца заготовки значительно уменьшается в начальной стадии деформирования. Это обусловливается перетеканием металла из ранее жёстких об-

ластей в пластические в направлении середин сторон заготовки. Это подтверждает вывод о том, что при вытяжке цилиндрических изделий одинаковой высоты по впадине размер стороны квадратной заготовки меньше диаметра круглой. Распределение интенсивностей приращения деформаций по контуру матрицы носит одинаковый качественный характер, независимо от ориентации заготовки. Эта величина при ориентации заготовки направлением на сторону больше, чем при ориентации направлением на сторону, что даёт возможность получить изделие с более высокими механическими свойствами вследствие упрочнения.

Несмотря на очевидные преимущества, эти заготовки не нашли пока широкого распространения, так как процесс вытяжки из них носит более сложный характер по сравнению с вытяжкой из круглых заготовок и до настоящего времени остается малоизученным.

Известные немногочисленные работы в этом направлении выполнены аналитическим и практическим способами. Построение аналитических решений для анализа этих процессов представляется весьма трудоемкой задачей, требующей значительных упрощений, а так же не дают представления реальной картины процесса деформирования в ходе формоизменения заготовки. Следовательно, исключают возможность прогнозирования дефектов в готовых изделиях различных размеров.

Рассмотрим различные варианты применения профильных заготовок для изготовления полых цилиндрических изделий [22]. С точки зрения минимизации отходов при раскрое материала на штучные заготовки, наиболее предпочтительными являются квадратная и шестигранная заготовка. Основные схемы использования этих заготовок для вытяжки этих изделий приведены на рисунке. 1.1.

На первый взгляд простейшей схемой (рисунок 1.1,а) для использования квадратной и шестигранной заготовки является их предварительная осадка в кольцевую матрицу с целью получения круглой заготовки для последующей реализации традиционного процесса вытяжки.

Схема, приведенная на (рисунок 1.1,б) предусматривает вырубку-вытяжку

корончатого колпака из квадратной заготовки с последующей обрезкой «коронки» (уголка) и дальнейшими вытяжными операциями.

По схеме, показанной на рисунке 1.12,в после вытяжки корончатого колпака из квадратной заготовки производят осадку корончатого колпака с одновременным прямым выдавливанием цилиндрического стакана.

В этом случае получают изделие с утоненными стенками и толщиной дна равной исходной толщине заготовки. Этот способ позволяет не только осуществить штамповку практически без отходов, но и сократить число прессовых операций, так как метод прямого выдавливания позволяет работать с большими степенями деформаций по сравнению с вытяжкой.

В случае, изображенном на рисунке 1.1,г сначала вырубают квадратную заготовку, а затем радиальным обжатием в плоскости заготовки формуют правильный восьмиугольник.

На последующих операциях производят вытяжку корончатого колпака и осадку коронки кольцевым пуансоном. В результате получают изделие с ровным краем.

Известны и другие схемы формообразования цилиндрических изделий из квадратных заготовок , которые предусматривают производить на первом переходе вытяжку квадратной коробки, а на втором - вытяжку цилиндрического изделия (рисунок. 1.1,д); при этом угловые участки коробки, получая большие деформации в тангенциальном направлении, чем прямые, способствуют повышению высоты изделия.

Помимо применения квадратных заготовок, возможно применение шести и восьмиугольных заготовок. Схемы получения цилиндрических изделий из таких заготовок показаны на рисунке. 1.1, е, ж.

Анализ этих способов получения цилиндрических деталей из профильных заготовок показал, что в схемах, приведенных на рисунке. 1.1, а, в, д, е, не требуется использование сложнопрофильного инструмента и во всех из них реализуется операция осадки, что позволяет получать изделия с большей степенью дефор-

мации [22].

вырубка

Мч

вырубка-вытяжка

Й1

вырубка-вытяжка

вырубка

штамповка

вырубка

вытяжка

Ж

вырубка-вытяжка

т

вырубка-вытяжка

осадка а)

обрезка

Ш

вытяжка

вытяжка

подсадка

вытяжка

вытяжка

выдавливание обрезка

подсадка

вытяжка

ш

Вытяжка

вытяжка

подсадка

вытяжка

Рисунок 1.1 Схемы получения цилиндрических изделий

В соответствии с выбранным направлением исследования в работе анализировалась научно-техническая литература, проводился патентный поиск по совершенствованию раскроя листового металлопроката для деталей цилиндрической формы.

В последние годы проведено много исследований и создано изобретений, направленных на повышение эффективности вытяжки и экономию металла за счет получения рациональных форм заготовок и раскроя проката. В качестве альтернативных, известны следующие способы изготовления.

В патенте США [31] предлагается форма заготовки, обеспечивающая минимальную высоту фестонов после вытяжки за одну, две и три операции; заготовка имеет форму круга с радиусом R, у которого срезаны четыре взаимно перпендикулярные сегмента под углом 450 к направлению проката.

В Польше [70] разработан способ вытяжки деталей из квадратных заготовок, прижимаемых к матрице с различной силой. Для осуществления этого способа разработан штамп с сегментным прижимом. При вытяжке квадратной заготовки со стороной, равной размеру круглой заготовки, получают изделие, высота которого больше на 31,4 % по сравнению с высотой изделия, полученного из круглой заготовки. В изделиях, полученных из квадратных заготовок, утонение стенки происходит по всей ее длине, а в изделиях, полученных из круглых заготовок, на части стенки и на дне. Но в первом случае утонение составляет 6,5 %, а во втором 22 %.

В патенте РФ [65] предлагается способ изготовления глубоких цилиндрических изделий из квадратной заготовки, включающий вырубку квадратной заготовки из полосы или ленты, последующую многопереходную комбинированную вытяжку, все операции которой осуществляют цилиндрическим пуансоном в цилиндрических матрицах, отличающихся тем, что предварительно в углах квадратной заготовки формуют скосы, расположенные от прямых, перпендикулярных к диагоналям квадрата, под углом 3-5 до величины, равной толщине стенки гото-

вого изделия, и высотой, равной 1,3-1,5 разности между радиусами описанной и вписанной в квадратную заготовку окружностей.

В работе [66] рассмотрен способ глубокой вытяжки полых деталей и устройство для его осуществления (рисунок 1.2). Данный способ осуществляют воздействием пульсирующих усилий пуансона на заготовку. Фланец заготовки при этом вместе с рабочей средой подпорного элемента осаживают давлением прижима. Процесс ведут при регламентированных значениях рабочих усилий. Устройство для осуществления способа содержит соосно установленные прижим и пуансон с гидроприводом возвратно-поступательного перемещения, контейнер, матрицу, подпорный элемент и выталкиватель. Гидропривод выполнен пульсирующим, цилиндрическая поверхность рабочей части пуансона выполнена шероховатой, а выталкиватель в виде плавающего поршня размещен в вытяжном отверстии матрицы.

Рисунок 1.2 - Глубокая вытяжка полых деталей

В работе [32] предложена заготовка для вытяжки цилиндрического полуфабриката в форме многогранника (рисунок 1.3), имеющего в основании правильный многоугольник, отличающаяся тем, что в ней со стороны основания выполнены утонения в виде цилиндрических желобов, ориентированных по нормалям к серединам сторон многоугольника, глухой торец каждого желоба удален от оси заготовки на расстояние, равное среднему радиусу цилиндрической части полуфабриката, со стороны открытого края дно желоба в плане выполнено выступающим над стороной многоугольника в виде сегмента, при этом значения величин радиуса цилиндрической поверхности желоба Я, глубины желоба С, радиуса сегмента Яс и высоты сегмента X ограничены следующими интервалами

г

V

Рисунок 1.3 - Многогранная заготовка

В работе [69] изложен способ штамповки полых крупногабаритных высоких деталей из плоских листовых заготовок, относительная толщина которых превышает величину 0,0080 (рисунок 1.4). Способ штамповки высоких полых деталей состоит из предварительной вытяжки заготовки, разупрочняющего отжига и вытяжки. На этапе предварительной вытяжки плоскую заготовку из листа формуют коническим прижимом в чашку, величину диаметра меньшего основания которой определяют по зависимости ё = Вз-(35-40)Б, где Б - толщина исходной заготовки из листа, Эз - диаметр исходной заготовки из листа. Техническим результатом изобретения является увеличение глубины вытяжки в одном штампе.

Рисунок 1.4 - Штамповка крупногабаритных деталей

В работе [67] рассмотрен способ изготовления цилиндрических изделий с дном из квадратной заготовки: включает вытяжку без утонения фланцевой части заготовки и вытяжку с локальным утонением в зонах набора толщины вокруг апофем заготовки (рисунок 1.5). Вытяжку осуществляют пуансоном с помощью матрицы. Вытяжку без утонения и вытяжку с локальным утонением осуществляют одновременно (рисунок 1.6). Для обеспечения процесса вытяжки используют нежесткий плоский прижим фланца заготовки. Величина зазора между пуансоном и матрицей 7=0,9580. Радиус вытяжной кромки матрицы Я=0,91180. В результате обеспечивается снижение гофрообразования и процесс вытяжки детали осуществляется за один переход.

Рисунок 1.5 - Квадратная заготовка для изготовления осесимметричных

изделий с дном

Рисунок 1.6 - Схема штамповки

Предложенный способ приводит к снижению гофрообразования во фланцевой части заготовки, так как на начальном этапе вытяжки, когда под прижимом находится вся фланцевая зона, а при Кв > 1,4 схода зон апофем - часть фланцевой зоны; в процессе вытяжки, при локальном наборе толщины в периферийных зонах апофем склонность к гофрообразованию уменьшается из-за увеличения толщины и наклепа, и на сходе этих зон на радиусную кромку матрицы - в них происходит дальнейший набор металла без гофрообразования, что позволяет увеличить значение вытяжного радиуса матрицы, интенсифицировать процесс набора толщины в зонах апофем и добиться прироста высоты вытягиваемого изделия при однопе-реходной вытяжке и использовании традиционного вытяжного инструмента.

В существующей на сегодняшний день литературе информация представляет научный интерес, однако использование в практических задачах по разработке технологий недостаточны для разработки рекомендаций по выбору опти-

мальной геометрии заготовки, рациональных технологических схем и режимов деформирования при вытяжке цилиндрических деталей из квадратной заготовки.

Основная цель интенсификации формоизменения заготовок заключается в сокращении длительности технологического цикла и, следовательно, повышении производительности труда, сокращении числа занятого прессового оборудования. Перспективным направлением интенсификации формоизменения процессов листовой штамповки является изменение схем приложения внешних сил, увеличение коэффициента использования металла. Одним из вариантов таких изменений является замена круглых плоских заготовок на профильные, а так же совмещение нескольких операций в одном технологическом переходе [56,60,61,83]. Характерными примерами таких процессов является совмещение в одном переходе вытяжки с выдавливанием, совмещение двух операций за один рабочий ход пресса и т.п.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Екимова Оксана Анатольевна, 2018 год

| ■ -

, 1 , ■ 1 ■ 1 1 - , 1 ,

0

0.74 0.7 0.66 0.61

т.

ВЫТ

Рисунок 3.16 - Усилие вытяжки в зависимости от коэффициента вытяжки 1 - эксперимент, 2 - при численном моделировании

3.4 Влияние относительной толщины квадратной заготовки на коэффициент вытяжки на первом переходе

Продолжая исследовать процесс вытяжки из квадратной заготовки, рассмотрим предельно допустимые возможности использования квадратной заготовки. Определим минимально допустимые коэффициенты вытяжки в зависимости

от относительной толщины заготовки [21]. Для этого был спроектирован инструмент, рабочие радиусы которого соответствуют рекомендациям В.П. Романовского. Так как в справочной литературе нет рекомендаций по вытяжке из квадратной заготовки, то коэффициентом вытяжки будем считать отношение диаметра готового изделия (ё) к диаметру вписанной окружности (Б) твыт = ёЮ (Б-диаметр вписанной окружности), а относительной толщиной заготовки отношение толщины плоской заготовки к ширине - (8/0)100.

Был проведен ряд расчетов для получения цилиндрического изделия с относительными толщинами от 0,2 до 2 и коэффициентами вытяжки от 0,5 до 0,8. В ходе моделирования было установлено, что процесс вытяжки стабильно протекает только при относительной толщине заготовок, равной и более 0,5, при которой максимальным является коэффициент вытяжки 0,54. Следовательно, можно утверждать, что интервал варьирования предельно допустимых коэффициентов вытяжки составляет от 0,54 до 0,67 при относительной толщине заготовки от 0,5 до 2.

Методом приближения был исследован весь интервал допустимых значений. По возникновению дефектов вытяжки, таких как, складкообразование в зоне впадины, утонение стенки и отрыв дна изделия (рисунок 3.17), были установлены предельно допустимые коэффициенты вытяжки в диапазоне относительной толщины заготовки от 0,5 до 2.

4

Рисунок 3.17 - Отрыв донной части при относительной толщине заготовки 5 и коэффициенте вытяжки 0,75: 1 - пуансон; 2 - деформированная заготовка; 3 - радиальная матрица; 4 - прижим

Рассчитанные коэффициенты, так же как и при исследовании вытяжки из шестигранной заготовки, были скорректированы с учетом критерия разрушения и с учетом свойств исследуемой стали.

Для сравнения полученных результатов по деформированию квадратной заготовки с круглой, были построены график (рисунок. 3.18) и таблица 3.2. На графике видно, что характер кривых различен, если для круглой заготовки, при увеличении относительной толщины заготовки коэффициент вытяжки уменьшается, то для квадратной заготовки картина обратная - при увеличении относительной толщины заготовки коэффициент вытяжки увеличивается.

При (Б/а)100 ~ 0,65 и твыт = 0,55 кривые пересекаются, из чего следует вывод, что использование тонких квадратных заготовок при (Б/а)100 ~ 0,5-0,65 для вытяжки выгоднее, чем круглых.

Ш ЕЫТ

0.65

0.62 >

0.6

0.57 5

0.55

0.52 5

0.5

0.47 5

0.45

0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75(8/а)100

Рисунок 3.18 - Зависимость коэффициентов вытяжки от показателей относительной толщины заготовки: 1- квадратная заготовка; 2 - круглая заготовка

В таблице 3.1 приведены рекомендуемые значения коэффициентов вытяж-

ки осесимметричных деталей без фланца (при вытяжке с прижимом) в зависимости от относительной толщины, а так же представлены коэффициенты вытяжки из круглой заготовки [56].

Таким образом, при вытяжке из квадратной заготовки наибольшая степень деформации наблюдается при использовании более тонких заготовок [21].

Таблица 3.2 - Коэффициенты вытяжки осесимметричных деталей без фланца

Вид заготовки Значения коэффициентов при относительной толщине заготовки (Б/а)100

2-1.5 1,5-1 1-0,5

Квадратная 0,67-0,61 0,61-0,56 0,56-0,54

Круглая 0,46-0,5 0,5-0,53 0,53-0,58

Также были проведены проверочные расчеты, которые подтвердили пригодность рекомендуемых коэффициентов вытяжки как для мягкой латуни и аналогичных сплавов, так и для стали глубокой вытяжки.

3.5 Характер изменения толщины стенки стакана при вытяжке из квадратной заготовки (сравнение с экспериментом)

Для исследования изменения толщины стенки стакана были смоделированы процессы вытяжки квадратной и круглой заготовок с коэффициентом вытяжки mвыт= 0,66. Заготовки из стали Х18Н10Т толщиной Б0 = 1мм деформировались в цилиндрическую матрицу диаметром 50 мм. Оборудование - гидравлический пресс номинальной силой 50МН.

Эксперименты проводили в специальном штампе на испытательной машине ГМС-50.

Готовые изделия при моделировании и эксперименте были измерены по толщине стенки через каждые 3мм от дна вдоль образующей (рисунок 3.19) и сравнены с толщиной заготовки:

±Д5 = - 50

где 5, - толщина стенки на измеряемой высоте, 50 - толщина заготовки.

а)

б)

Рисунок 3.19 - Измерение толщины стенки стакана по впадине и выступу а - из круглой заготовки; б - из квадратной заготовки

Полученные данные при измерении приведены на рисунках 3.20-3.21. Характер изменения относительной толщины стенки стакана при моделировании и эксперименте совпадает.

Рисунок 3.20 - Изменение толщины стенки по впадине при вытяжке 1 - при численном моделировании из квадратной заготовки; 2 - эксперимент из квадратной заготовки; 3 - при численном моделировании из круглой заготовки; 4 - эксперимент из круглой заготовки

Рисунок 3.21 - Изменение толщины стенки по выступу при вытяжке из квадратной заготовки 1 - эксперимент; 2 - при численном моделировании

Видно, что по впадине толщина стенки увеличивается от дна к краю равномерно. Максимальное изменение толщины наблюдается на радиусе перехода дна к стенке стакана. При вытяжке из круглой заготовки изменение толщины больше чем при вытяжке из квадратной.

По выступу толщина стенки на некотором расстоянии от дна становится меньше исходной, а в верхней части практически равна толщине заготовки.

Однако при вытяжке, как из квадратной, так и из круглой заготовок, видим что значения, полученные при моделировании, относительных толщин меньше чем при эксперименте на 15%.

3.6 Вытяжка осесимметричных деталей из плоских квадратных заготовок с зазором между пуансоном и матрицей равным толщине исходной заготовки

При вытяжке цилиндрических деталей из круглых заготовок, по краю изделия образуются так называемые «фестоны», при вытяжке из квадратных - выступы и впадины, Таким образом, операция обрезки кромки неизбежна в обоих случаях. Однако, проведя операцию вытяжки из квадратной заготовки с зазором ме-

жду пуансоном и матрицей равным толщине исходной заготовки, реализуется вытяжка выступов и впадин квадратной заготовки, что приведет к увеличению полезной высоты готовой детали.

Рассмотрим подробно вытяжку квадратной заготовки с зазором равным ъ =

Зо.

Для этого была смоделирована операция вытяжки заготовки из стали 08кп[38], с аналогичными параметрами, как и при исследовании с зазором z = 1,330 - со стороной квадрата а = 55 мм, толщиной h = 2,9 мм, которая деформировалась в цилиндрическую матрицу диаметром D = 40,15 мм. Зазор между матрицей и пуансоном равняется толщине исходной заготовки, т.е. ъ = 2,9мм. Рабочие радиусы пуансона и матрицы приняты согласно рекомендациям С.П. Романовско-го[56, 71].

В качестве оборудования принимался стандартный механический пресс номинальной силой 10МН[56]. Последовательность деформирования квадратной заготовки и превращение ее в цилиндрический колпак представлена на рисунке 3.22.

а) б) в)

г) д) е)

Рисунок 3.22 - Деформирование квадратного образца а - t=0.1tизг; б - t=0.2tизг; в - 1=0.3Шзг; г - t=0.4tизг; д - t=0.5tизг; е - t=tизг; (^иэт-полное время изготовления)

Процесс формоизменения является неоднородным, что приводит к образованию неровного края стенки получаемого стакана. Так как картина формоизменения заготовки представляет собой ряд повторяющихся элементов относительно оси Ъ, то представляется целесообразным описать все процессы, происходящие в заготовке, на базе одного из этих элементов.

Для анализа процесса был принят сектор с углом 450 (рисунок 3.23) при исследовании которого можно полностью оценить все процессы пластического формоизменения, возникающие в заготовке.

Так как в программном комплексе система координат XYZ является не подвижной, то для анализа получаемых результатов потребовалось рассмотрение двух вариантов расположения выделенного сектора относительно системы координат. Т.е. в первом случае сечение впадины совпадает с плоскостью Х7 и во втором случае сечение по выступу совпадает с плоскостью ХЪ [57,58].

Такой подход к анализу процесса был обоснован тем, что в процессе формоизменения заготовка претерпевает большие пространственные перемещения относительно системы координат и поэтому судить о деформированном состоянии, возникающем в материале заготовки, можно только по двум параметрам: на-

2

Рисунок 3.23 - сектор заготовки: а - заготовка и расположение моделируемого сектора; б - вид моделируемого сектора после деформирования; 1 - впадина; 2 - выступ

копленной интенсивности пластической деформации и деформации в направлении оси Ъ. Так как волокна материала в этом направлении сохраняют свое положение относительно осям системы координат. Распределение этих деформаций в сечениях приведено на рисунках 3.24 - 3.25

I

а)

б)

II

а)

б)

Рисунок 3.24 - Пластическая деформация еуу I - при вытяжке с зазором ъ = 1,3Б0; II - при вытяжке с зазором ъ = Б0; а - впадина; б - выступ

Рисунок 3.25 - Накопленная пластическая деформация I - при вытяжке с зазором г = 1,380; II - при вытяжке с зазором г = Б0; а - впадина; б - выступ

Анализ полученных результатов показывает, что наибольшие степени деформации - до 131 % - реализуются в области впадины на кромке, что на 6% больше чем при вытяжке с зазором z = 1^0 (рисунок 3.28 II а). Это связано с тем, что утолщение, происходящее в процессе формоизменения в зоне впадины, когда доходит до рабочего радиуса матрицы утоняется до начальной толщины заготов-

ки.

Деформации в сечении выступа меньше. Максимальное значение деформации достигает 45%, которая реализуется на уровне кромки впадины, что в 2,5 раза больше чем при вытяжке с зазором z = 1,3S0 (рисунок 3.25 II б). Из этого следует, что угловые участки квадратной заготовки, деформируются практически как жесткое целое и прирост полезной высоты готовой детали осуществляется за счет утонения материала в зоне участков впадины.

3.6.1 Влияние относительной толщины квадратной заготовки на коэффициент вытяжки на первом переходе

Рассмотрим предельно допустимые возможности использования квадратной

заготовки при вытяжке с зазором между пуансоном и матрицей равным исходной толщине заготовки (z = S0).

Определим минимально допустимые коэффициенты вытяжки в зависимости от относительной толщины заготовки.

Для этого был спроектирован инструмент, рабочие радиусы которого соответствуют рекомендациям В.П. Романовского. Так как в справочной литературе нет рекомендаций по вытяжке из квадратной заготовки, то коэффициентом вытяжки будем считать отношение диаметра готового изделия (d) к диаметру вписанной окружности (D) твыт = d/D (D-диаметр вписанной окружности), а относительной толщиной заготовки отношение толщины плоской заготовки к ширине -(S/D)100.

Был проведен ряд расчетов для получения цилиндрического изделия с относительными толщинами от 0,2 до 2 и коэффициентами вытяжки от 0,5 до 0,8. В ходе расчетов было выявлено, что процесс вытяжки стабильно протекает только при относительной толщине заготовок (S/D) 100 > 0,6. При меньших значениях относительной толщины процесс вытяжки идет, но с образованием глубоких складок в зоне впадин (рисунок 3.26). Таким образом, диапазон исследуемых заготовок меняется с ряда от 0,2 до 2, на ряд от 0,6 до 2.

83

f

J

Рисунок 3.26 - образование складок при вытяжке (S/D) 100 = 0,5 и Швыт=0,57

Методом приближения был исследован весь ряд установленных значений относительных толщин, в результате чего были определены предельно допустимые коэффициенты вытяжки с учетом складкообразования в зоне впадин и значений критерия разрушения Кокрофт - Латам не более 0,4 (таблица 3.3).

Так как моделирование операции вытяжки проводили на пластичном металле, к которым относятся сталь 08кп, 05, алюминий и др., числовые значения коэффициентов увеличим на 2%.

Таблица 3.3 - Коэффициенты вытяжки осесимметричных деталей без фланца

Вид заготовки Значения коэффициентов при относительной толщине заготовки (8/0)100

0,6-1 1-1,5 1,5-2

Квадратная 0,58-0,58 0,58-0,61 0,61-0,65

В таблице 3.4 и на рисунке 3.27 представлены рекомендуемые значения коэффициентов вытяжки из квадратной заготовки при вытяжке ъ = 80 и рекомендуемые значения коэффициентов вытяжки из квадратной заготовки при вытяжке с ъ = 1,38о.

Таблица 3.4 - Коэффициенты вытяжки осесимметричных деталей без фланца

Способ вытяжки Значения коэффициентов при относительной толщине заготовки ^Ю)100

0,6-1 1-1,5 1,5-2

ъ = Б0 0,59-0,59 0,59-0,62 0,62-0,66

ъ = 1,3Б0 0,55-0,56 0,56-0,61 0,61-0,67

Ш

ВЫ!

0.68

0.66 0.6-1 0.62 0.6 0.55 0.56 0.54 0.52 0.5

/

Л

] 2

/

0,6 0.75 I 1,25 1.5 1.75 (3/Б)100

Рисунок 3.27 - Зависимости коэффициентов вытяжки от показателей относительной толщины заготовки при:

1- ъ = Бо; 2- ъ = 1,3Бо

Анализ полученных данных показал, что вытяжка с ъ = Б0 позволяет полу-

чить изделия с меньшей степенью деформации, чем при вытяжке с ъ = 1,380.

3.6.2 Влияние зазора между пуансоном и матрицей на процесс вытяжки квадратной заготовки

Рассмотрим влияние зазора между пуансоном и матрицей на геометрические параметры получаемого стакана.

Для этого проанализируем вытяжку квадратных заготовок без утонения двух вариантов:

1. С зазором между пуансоном и матрицей равным исходной толщине заготовки ^ = S0);

2. С зазором между пуансоном и матрицей на 30% большим, чем толщина заготовки ^ = 1^0);

Установим зависимость между относительной высотой готового стакана и относительной толщиной заготовки. Для этого проведем измерение высот стакана по впадине, как показано на рисунке 3.28.

Рисунок 3.28 - Измерение высоты по впадине стакана

Измерения проводили при одинаковых коэффициентах вытяжки и относительной толщине заготовок для обоих вариантов, представленных в таблице 3.5.

Таблица 3.5 - Коэффициенты вытяжки для исследования высот стакана по впадине

(8/0)100 0,6 1 1,5 2

твыт 0,59 0,59 0,62 0,67

В результате были получены значения высот, которые приведены в таблице 3.6. Была посчитана относительная высота стакана по формуле:

АИ=(Ь0-Ь)/Ь

где И - высота стакана по впадине при ъ = Б0 , И - высота стакана по впадине при ъ = 1,3Б0. Построен график зависимости относительной высоты стакана от относительной толщины заготовки (рисунок 3.29).

Таблица 3.6 - Относительная высота стакана по впадине

Способ вытяжки Высота по впадине стакана, мм при относительной толщине заготовки ^/0)100

0,6 1 1,5 2

ъ = Бо 38,6 36,4 32,6 27,2

ъ = 1,3Бо 33,2 33,2 30,1 25,1

АН 1,4 0,09 0,08 0,08

йН

1.4 1.2 1

0.8 0.6 0.4 0.2

°0.6 1 1.5 2 (8/0)100

Рисунок 3.29 - Зависимость относительной высоты готового стакана от относительной толщины заготовки

Анализ полученных результатов показал, что с увеличением относительной

толщины заготовки относительная высота стакана уменьшается. Связано это с тем, что при относительно тонких заготовках (при ^Ю)100=0,6 коэффициент вытяжки твыт наименьший), степень деформации выше и количество металла во впадине в процессе вытяжки перетекает больше.

3.7 Осадка корончатого колпака после вытяжки квадратной заготовки

Для дальнейших операций вытяжки необходимо выровнять край полученного полуфабриката. Это можно достичь двумя способами: 1) провести обрезку неровного края, что приведет к снижению экономии металла от использования квадратных заготовок; 2) провести осадку корончатого венца полуфабриката до получения ровного края, что минимально сократит отход металла при обрезке.

Рассмотрим реализацию второго способа. Прежде чем перейти к предлагаемой операции осадки корончатого венца, необходимо проделать высокий отжиг, при котором исходные свойства металла полностью восстановятся. Режим отжига для стали 08кп [78,82] принимаем следующий: температура нагрева 760 -7800 С, время выдержки 20 - 40 мин., охлаждение на воздухе [56,71].

Этапы осадки выступов корончатого венца заготовки показаны на рисунке

3.30.

Рисунок 3.30 - Осадка корончатого венца

а - 1=°. Низг; б - 1=°.2изг; в - ^изг;

Поэтапную оценку деформированного состояния проведем аналогично в двух сечениях, как это было рассмотрено при вытяжке. Анализ поэтапных результатов формоизменения при осадке показал, что неровность края устраняется за

счет перераспределением металла выступов. При этом в области впадины возникают сжимающие деформации в окружном направлении заготовки еуу (рисунок 3.31).

а) б)

Рисунок 3.31 - Распределение пластической деформация еуу :

а - впадина; б - выступ По мере осадки выступов в верхней части сечения впадины возникают

растягивающие деформации, которые непрерывно возрастают и достигают максимального значения при полной осадке.

Анализ накопленной деформации в этих сечениях за весь процесс нагру-жения показан на рисунке 3.32. Ее значения в сечении выступа превышают величины деформаций в области впадины на 20%.

а) б)

Рисунок 3.32 - Накопленная пластическая деформация: а - впадина; б - выступ

При этом гидростатическое давление во всем объеме заготовки является сжимающим, что позволяет прогнозировать отсутствие разрушения заготовки в процессе осадки.

Однако анализ картин формоизменения (рисунки 3.30 - 3.32) показал, что на заключительной стадии процесса осадки в области впадины образуются складки, что приводит к нарушению сплошности заготовки в верхней ее части.

Моделирование процесса осадки проводили на полуфабрикате, полученном из заготовки со стороной квадрата а = 55 мм, толщиной И = 2,9 мм, вытянутой в матрицу диаметром Э = 40,15 мм, что соответствует показателю относительной толщины 5. Учитывая результаты по осадке корончатого венца стакана, полученного из шестигранной заготовки, можно сделать вывод, что для стакана полученного из квадратной заготовки дальнейшее рассмотрение, по всему диапазону предельно возможных заготовок, деформирования не имеет смысла.

Таким образом, дальнейшее формоизменение данного полуфабриката без обрезки верхней части заготовки невозможно, что так же приведет к снижению коэффициента использования материала.

3.8 Вторая операция вытяжки из квадратной заготовки

В связи с тем, что в ходе процесса осадки корончатого колпачка образуется брак - происходит складкообразование в стенках стакана в зоне впадин, что не позволяет использовать полученную заготовку для дальнейших операций вытяжки, для исключения указанных недостатков предлагается использовать операцию вытяжки совместно [14] с операцией прямого выдавливания с целью получения цилиндрического полуфабриката меньшего диаметра и большей высоты с ровным краем [9]. Рассмотрим данную операцию применительно к полуфабрикату, полученному после первой вытяжки из квадратной заготовки и последующего ее отжига. Схема процесса показана на рисунке 3.33.

Рисунок 3.33 - Схема процесса: 1 -Пуансон; 2 - матрица; 3 - заготовка

Был спроектирован рабочий инструмент [42,44,56,72,].Ступенчатый пуансон 1 имеет два цилиндрических участка, соединенных конусной поверхностью. Причем меньший цилиндрический участок имеет диаметр, равный внутреннему

диаметру стакана в готовом изделии. Наибольший цилиндрический участок соответствует внешнему диаметру заготовки «стакан». Матрица 2 зеркально повторяет геометрию пуансона.

В начальной стадии процесса при движении пуансона вниз осуществляется операция вытяжки. В момент, когда донная часть детали сформирована, одновременно с вытяжкой начинается осадка корончатого венца заготовки в сочетании с прямым выдавливанием. На заключительной стадии процесса реализуется только прямое выдавливание. В результате данной операции получается цилиндрическая заготовка с фланцем, которая имеет ровный край.

Этапы процесса формоизменения показаны на рисунке 3.34.

а) б) в)

г) д) е)

Рисунок 3.34 - Этапы деформирования: а - 1=0.Низг; б - 1=0.21изг; в - 1=0.3^; г - 1 °.41изг; д - 1 °.51изг; е - 1 1изг; Для оценки напряженно-деформированного состояния возникающего в

объеме заготовки на различных этапах ее формоизменения, как и в предыдущем

случае, рассматривались два расположения сектора относительно системы координат, в первом случае сечение по центру впадины заготовки совпадает с плоскостью Х7 , а во втором случае сечение по выступу совпадает с плоскостью Х7. В процессе расчета система координат ХУ7 остается неподвижной в пространстве во время деформирования, а выбранные таким образом сечения заготовки в течение всего процесса деформирования будут находиться в плоскости Х7.

Распределение компонент деформации в сечениях выступа и впадины показано на рисунках 3.35 - 3.37.

а) б)

Рисунок 3.35 - распределение пластической деформации :

а - впадина; б - выступ

Анализ пластических деформаций е^ в направлении толщины заготовки показал, что в процессе деформирования они носят сжимающий характер, причем их значения в районе выступа и впадины практически не отличается, и достигают значения до 60 %. Деформация в окружном направлении также, носит сжимающий характер, причем в области впадины их значения в 3 - 4 раза выше, чем в области выступа. Осевая деформация по всей высоте заготовке является растяги-

вающей, увеличиваясь от донной части заготовки к верхнему краю, достигая максимальных значений до 120 % в районе впадины и до 70 % в районе выступа. Однако такие большие значения деформации не приводят к разрушению заготовки, так как гидростатическое давление во всем объеме заготовки в течение всего процесса является сжимающим при больших абсолютных значениях. Кроме того, в отличие от процесса осадки венца квадратной заготовки в данном случае никаких нарушений сплошности заготовки в процессе не наблюдается.

Рисунок 3.36 - Распределение пластической деформации еуу

а- впадина; б - выступ

Накопленная деформация (рисунок 3.38) по объему заготовки возрастает от донной части к верхнему переходу, где реализуется только процесс прямого выдавливания. Максимальные значения составляют 2-2,5.

а)

б)

Рисунок 3.37 - Распределение пластической деформации е2

а- впадина; б - выступ

а) б)

Рисунок 3.38 - Накопленная пластическая деформация а- впадина; б - выступ

Среднее напряжение, оно же гидростатическое давление, во всем объеме заготовки является сжимающим, что позволяет прогнозировать отсутствие разрушения заготовки в процессе формоизменения (рисунок 3.39).

а) б)

Рисунок. 3.39 Среднее напряжение (МПа) а- впадина; б - выступ

Анализ полученных результатов показал, что полученный полуфабрикат может использоваться для дальнейших технологических операций как обычная заготовка в виде стакана.

3.9 Влияние основных технологических параметров на силовые, деформационные характеристики второй операции вытяжки

С целью более глубокого изучения влияния технологических параметров процесса вытяжки и прямого выдавливания на изменение силовых, деформационных параметров и степень использования ресурса пластичности материала [25] было проведено исследование с использованием аппарата математической статистики и теории планирования многофакторного эксперимента на основе результа-

тов моделирования операций с помощью программного комплекса QForm2D/3D. В качестве материала заготовки рассматривалась сталь 08кп, оборудования принимался стандартный механический пресс номинальной силой 10МН [56]. Используя результаты предварительных экспериментов в реальном диапазоне изменения геометрических размеров заготовки, в качестве варьируемых входных факторов были выбраны: коэффициент вытяжки mвыx =dст/d , где dст - диаметр корончатого стакана, d - диаметр вытяжной матрицы; коэффициент утонения myX=Sсx/S, где Sсx - толщина корончатого стакана, S - толщина изделия после операции вытяжка-выдавливание; угол наклона матрицы а (рисунок 3.40)[3,53,54,79].

В качестве выходных параметров (функции отклика), характеризующих совмещенный процесс вытяжки и прямого выдавливание, приняты сила процесса, максимальная накопленная пластическая деформация, критерий разрушения Кок-рофт-Латам, который рассчитывается по формуле.

Рисунок 3.40 - Схема совмещенного процесса вытяжки и прямого выдавливания

где £ - накопленная пластическая деформация; о" - максимальное главное растягивающее напряжение; а - интенсивность напряжений,

Задача сводится к построению вторичной математической модели зависимости силы, деформаций и критерия разрушения от факторов, характеризующих геометрию заготовки.

Предварительный анализ показал, что эти зависимости имеют не линейный характер, поэтому для их описания использовали полиномиальную модель второго порядка:

2 2 2

У = Ы) + Ьх + ЬХ2 + Ь3Х3 + ЬПХ1 + Ь22Х 2 + ¿33X3 + ¿12X1X2 + ¿23X2X3 + Ь13X1X3,

где у - значение выходного параметра (функции отклика); Ь0, Ьь Ьц, Ьу - коэффициенты регрессии; x1, Xj - кодированные значения входных параметров.

где X1 - натуральное значение фактора; X? - натуральное значение основного уровня:

Xо = (хт- + Х1т1П)/2;

где А X;- интервал варьирования:

А Х1 = (ХГх-ХГУ2, 1 - номер фактора, к - количество факторов.

В таблице 3.7 представлена матрица планирования полного трехфакторно-го эксперимента, где через -1, 0,+1 обозначены соответственно нижний, основной и верхний уровни рассматриваемых факторов.

Для установки интервалов варьирования были проведены предварительные расчеты. Для поиска верхнего уровня были рассчитаны варианты с коэффициентами вытяжки твыт = 0,9 - 0,8 и утонения тут= 0,9 - 0,7 и углом наклона матрицы а =500, а =650, а =800. Для поиска нижнего уровня были рассчитаны варианты с коэффициентами вытяжки твыт = 0,5 - 0,6 и утонения тут= 0,5 - 0,6 и углом

наклона матрицы а = 100 - 200.

В процессе этих расчетов было установлено, что при коэффициентах вытяжки твыт = 0,9 - 0,8 и утонения тут= 0,9 - 0,8 и углом наклона матрицы а =500, не наблюдается получения полезной высоты, так как степень деформации недостаточная для совмещенного процесса вытяжки и выдавливания. При углах матрицы а = 650 - 800, так же полезной высоты нет - высота конусной части полуфабриката больше высоты цилиндрического стакана. Т.е. при подрезке торца большая часть металла уйдет в отход.

Таким образом, верхний уровень состоит из соотношений : твыт = 0,8 и утонения тут = 0,7 и углом наклона матрицы а = 500.

При поиске нижнего уровня, было установлено, что минимальный угол наклона матрицы а = 200, как при коэффициенте вытяжки твыт = 0,5, так и при

твыт = 0,6.

Таким образом, нижний уровнем является соотношение: твыт = 0,6 и утонения тут = 0,5 и углом наклона матрицы а = 200.

Через х1,х2,х3 обозначим кодовое значение факторов, которые связаны с действительными значениями следующими соотношениями:

Таблица 3.7 - Матрица планирования эксперимента

№ Х\ х2 х3

1 1 1 1

2 1 1 0

3 1 1 -1

4 1 0 1

5 1 0 0

6 1 0 -1

7 1 -1 1

Продолжение таблицы 3.7

№ Х\ х2 х3

8 1 -1 0

9 1 -1 -1

10 0 1 1

11 0 1

12 0 1 -1

13 0 0 1

14 0 0

15 0 0 -1

16 0 -1 1

17 0 -1

18 0 -1 -1

19 -1 1 1

20 -1 1

21 -1 1 -1

22 -1 0 1

23 -1 0

24 -1 0 -1

25 -1 -1 1

26 -1 -1 0

27 -1 -1 -1

С учетом рассчитанных коэффициентов уравнение регрессии для выходных параметров, характеризующих усилие процесса и накопленную пластическую деформацию примет вид:

у- = 0 7±07 - 0 - 0 - 0 105-, - 0 5-О^лг - 0 05::^;

у2 = 1.8048 - 0.2883x^-0.3261 - 0.3954л:3 -0.2058^ + 0.36 67 у3 = 0.5367 - 0.0633х2 - 0.0944х3 + 0.0867^;

где у1 - сила; у2 - накопленная пластическая деформация; у3 - критерий разрушения Кокрофт-Латам.

В таблице 3.8 уровни факторов численных экспериментов. Таблица 3.8 - Уровни факторов и интервалы варьирования_

Обозначение фактора x¡ Х2 x3

Наименование фактора твыт myT а

Область эксперимента

Основной уровень 0.7 0.6 35

Интервал варьирования 0.1 0.1 0.15

Нижний уровень 0.6 0.5 20

Верхний уровень 0.8 0.7 50

Необходимые расчеты по определению коэффициентов регрессии были выполнены по программе Ram3_10.exe, разработанной на кафедре МПФ ТулГУ.

Полученная математическая модель проверялась на адекватность с помощью Б-критерия (критерия Фишера), значимость коэффициентов модели - по 1-критерию Стьюдента при уровне значимости 5 % [3]. Полученные уравнения регрессии дают возможность определить усилие операции и максимальную накопленную пластическую деформацию изделия при любом сочетании указанных факторов из их области определения. На рисунках 3.41 - 3.43 показаны поверхности, определяющие силу операции и максимальную Накопленную пластическую деформацию детали в зависимости от коэффициента вытяжки твыт и от коэффициента утонения тут при различных углах наклона матрицы а.

Анализ полученных графиков (рисунок 3.41) показывает, что все рассматриваемые технологические параметры совмещенных вытяжки и прямого выдавливания по-разному влияют на усилие операции. Так коэффициент вытяжки неоднозначно влияет, наименьший показатель силы наблюдается при твыт = 0,7. Уменьшение коэффициента утонения стенки корончатого стакана оказывает тем большее воздействие на силу процесса, чем меньше угол наклона матрицы. Так при тут = 0,5 изменение угла от 500 до 200 приводит к увеличению усилия опера-

ции на 28 %.

а) б)

Рисунок 3.41 - Зависимость усилия процесса от коэффициентов вытяжки твыт и угла наклона матрицы а: а - поверхности; б - сечения плоскостями равного уровня

Анализ полученных графиков (рисунок 3.42) показывает, что показатель

накопленной пластической деформации аналогично силе в большей степени зависит от коэффициента утонения тут. Так, при угле наклона матрицы 200 изменение коэффициента утонения тут от 0,5 до 0,7 приводит к уменьшению накопленной пластической деформации на 50 %.

а) б)

Рисунок 3.42- Зависимость накопленной пластической деформации процесса от коэффициентов вытяжки твыт и угла наклона матрицы а;

а - поверхности; б - сечения плоскостями равного уровня

а) б)

Рисунок. 3.43 Зависимость критерий разрушения Кокрофт-Латам от коэффициентов вытяжки твыт и утонения тут : а - поверхности; б - сечения плоскостями равного уровня

Анализ полученных графиков (рисунок 3.43) зависимости критерия разрушения Кокрофт-Латам от коэффициентов вытяжки твыт и утонения 8ут показал,

что фактор разрушения зависти от коэффициента утонения и угла наклона матрицы. Так, при всех рассматриваемых технологических параметров стабильно будут протекать операции с углом наклона матрицы в 500. В области с наибольшим изменением толщины стенки стакана, которой соответствует 8ут = 0,5 - 0,56 для а = 350 и Бут = 0,6-0,5 для а = 200 , получаемая деталь (или полуфабрикат) теряет устойчивость.

Таким образом, благоприятными факторами для проведения совмещенного процесса вытяжки и выдавливания будут являться твыт = 0,65 - 0,8; тут = 0,6 - 0,7; а = 500 [80,81,82].

3.10 Интенсификация первой вытяжки из квадратной заготовки

Улучшение данного процесса состоит в том, что заготовка является не цилиндрическим стаканом с корончатым венцом, а плоской квадратной [12].

Исходный материал - квадратная заготовка 32,5 мм х 32,5 мм толщиной Б=2,5 мм из стали 08кп[39]. В качестве оборудования принимался стандартный механический пресс номинальной силой 10МН[56].

В начале процесса ступенчатый пуансон, двигаясь вниз, втягивает квадратную заготовку в цилиндрическую матрицу (рисунок 3.44).

ъ

Рисунок 3.44 - Схема процесса: 1 - пуансон; 2 - заготовка; 3 - матрица

По достижении заготовкой конического участка матрицы начинает формироваться донная часть изделия и одновременно больший диаметр пуансона начинает осаживать угловые участки заготовки.

После того, как заготовка полностью ляжет на конический участок матрицы, будет реализовываться процесс прямого выдавливания, который длится до тех пор, пока толщина фланцевой части заготовки будет равняться толщине стенки готового изделия.

Последовательность деформирования квадратной заготовки, а так же превращения ее в цилиндрическое изделие типа «стакан» показана на рисунке 3.45.

На рисунке 3.46, а приведены картины деформационного состояния в процессе формоизменения заготовки. На начальных этапах формоизменения наибольшие деформации происходят в плоском крае фланца, в то время как на угловых выступах она еще мала.

а)

б)

в)

Рисунок 3.45 - Этапы деформирования:

а - 1=0.Низг; б - t=0.2t„,r; в - t=0.3t

изг?

1изг?

г - t=0.4W; д - t=0.5W; е - t=t

изг

Однако, когда коническая часть пуансона прижимает утолщенный фланец к коническому участок матрицы и производит прямое выдавливание, область

наибольшей пластической деформации перераспределяется в стеночную часть изделия. Максимальная накопленная деформация наблюдается на завершающем этапе операции во фланце и составляет 300 %.

В начальной стадии деформирования заготовки гидростатическое давление является растягивающим, значение которого не превышает 30 МПа. Когда идет процесс вытяжки и коническая часть пуансона прижимает утолщенный фланец, среднее напряжение в донной части равняется 0.

В стенках колпачка становится сжимающим от -10 до - 40 распределяясь от дна к фланцу изделия. А во фланце с показателями от -1000 МПа до - 1600 МПа от стенки колпачка к кромке изделия.

На рисунке 3.47 показаны главные напряжения, которые также являются сжимающими.

/

II

III

IV

а)

б)

Рисунок 3.46 - Показатели напряженно-деформированного состояния:

а - деформация; б - среднее напряжение (МПа)

Рисунок 3.47 - Главные напряжения в меридиональном сечении (МПа) I-Gxx , II- Gyy , III- Gz

Анализ результатов по гидростатическому давлению и главным напряжениям позволяет прогнозировать отсутствие разрушения заготовки в процессе штамповки данного типа изделия.

Однако для реализации данного способа необходимо геометрические размеры ступенчатого пуансона подбирать не произвольно, а исходя из условия, чтобы операция выдавливания начиналась в момент, когда формирование донной части стакана завершено, а операция вытяжки с утонением не началась.

Удовлетворение этим требования достигается выбором определенной высоты тонкого участка пуансона.

В связи с этим было рассмотрено несколько вариантов высоты тонкого участка ступенчатого пуансона - 7, 8, 9мм (рисунок 3.48).

Рисунок 3.48 - Геометрические параметры ступенчатого пуансона

В процессе моделирования было выявлено, что при высоте 7 мм происходит обрезка заготовки (рисунок 3.49, а) при высоте 9 мм наблюдается утонение на радиусе скругления дна со стенкой изделия (рисунок 3.49, в ), при высоте 8 мм никаких недостатков не наблюдается (рисунок 3.49, б ).

б) в)

Рисунок 3.49 - Изделия, получаемые при моделировании разными пуансонами: 1 - матрица; 2 - пуансон; 3 - заготовка;

а - 7мм; б - 8мм; в - 9мм

Таким образом, для получение цилиндрического изделия непосредственно из плоской квадратной заготовки зависит от точности изготовления инструмента и точности размеров заготовки, обеспечение которой в производственных условия - достаточно сложная задача.

3.11 Основные результаты и выводы

1 Исследована предварительная осадка квадратных заготовок перед вытяжкой с целью получения круглой заготовки. Реализация данной операции возможна только при достаточной толщине квадратной заготовки и требует для своей реализации оборудования с большой номинальной силой. В связи с этим, предварительная осадка, является не целесообразной.

2 Выполнено моделирование процессов вытяжки из квадратных заготовок, в результате чего получен осесимметричный стакан с корончатым венцом. При этом наибольшие степени деформации - до 125% реализуются в области впадины, а угловые участки шестигранной заготовки деформируются практически как жесткое целое. Исследовано напряженно-деформированное состояние и характер течения материала в процессах вытяжки из квадратной заготовки. Показано, что наибольшие деформации реализуются посередине стороны многогранника, а угловые участки заготовки деформируются практически как жесткое целое.

3 Установлены предельно допустимые коэффициенты вытяжки в зависимости от относительной толщины заготовки. Выявлено, что для вытяжки из квадратной заготовки при увеличении относительной толщины от 0,5 до 2 коэффициенты вытяжки увеличиваются от 0,54 до 0,67.

4 Выявлено, что картины напряженно-деформированного состояния при вытяжке из квадратной заготовки с зазором ъ = Б0 и z = 1^0 аналогичны. Степень деформации в области впадины на 6%, а в сечении выступа в 2,5 раза при вытяжке с зазором ъ = Б0 больше чем при вытяжке с зазором z = 1^0. Установлено, что прирост полезной высоты готовой детали осуществляется за счет утонения материала в зоне участков впадины.

5 Показано влияние зазора между пуансоном и матрицей на геометрические параметры получаемого стакана. Установлено, что с уменьшение относительной толщины заготовки относительная высота стакана резко увеличивается.

6 Определено влияние степени деформирования заготовки на силовые параметры, накопленную пластическую деформацию совмещенного процесса. Установлено, что реализация совмещенного процесса вытяжки и прямого выдавливания корончатого колпака, получаемого вытяжкой из квадратной заготовки, наиболее целесообразна при значениях коэффициента вытяжки от 0,65 до 0,8, коэффициента утонения - от 0,6 до 0,7 и угле наклона матрицы 500.

7 Показано, что реализация совмещенного процесса вытяжки и прямого выдавливания непосредственно из квадратной заготовки с целью получения осе-симметричного изделия существенно зависит от точности изготовления инструмента и точности размеров заготовки, обеспечение которого в производственных условия - достаточно сложная задача.

Раздел 4 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ «СТАКАН» ИЗ

КВАДРАТНОЙ ЗАГОТОВКИ

Основные результаты, полученные при теоретическом исследовании процессов вытяжки для получения цилиндрических изделий из профильных заготовок были использованы при разработке технологического процесса изготовления стакана (рисунок 4.1) из квадратной заготовки [10].

Рисунок 4.1 - Геометрические размеры изделия типа «стакан» Материал заготовки - сталь 08кп, толщиной 2.9 мм, кривая упрочнения которого имеет вид (рисунок 4.2).

N 600

Л 500 . Ш & 500 200

;

и _

I 1

Ю 20 50 +0 50 60 70г,Х

Рисунок 4.2 - Кривая упрочнения

Традиционная технология получения данного изделия предполагает четыре

операции вытяжки из круглой заготовки диаметром 62мм, при этом коэффициент использования металла при раскрое составлял 72%.Предлагаемая технология с использованием квадратной заготовки той же площадью, что и круглой позволяет значительно повысить коэффициент использования материала до 93%.

Основные сведения о размерах заготовок и размерах полосы, используемых для их получения, приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Геометрические параметры для раскроя.

Форма заготовки Размер заготовки, мм Размер полосы, мм х мм Количество заготовок в полосе, шт

круглая В =62 1000х124 30

квадратная а =55 1000х115 36

Последовательность штамповочных и термических операций для получения данного изделия представлено в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Технологический процесс изготовления детали «стакан» из квадратной заготовки._

№

Наименование операции

Размеры полуфабрикатов по переходам_

Технологическая сила

Полуфабрикаты

Штамповочная. Вырубить квадрат и вытянуть стакан одновременно.

Термическая Отжиг

Штамповочная Произвести выдавливание полуфабриката

1

2

3

Штамповочная Обрубить бурт.

Термическая Отжиг

Штамповочная Произвести выдавливание и подштамповку дна

Термическая Отжиг

Механическая Подрезать торец в размер и притупить острые кромки на внутреннем и наружным диаметре фаски

5

6

7

8

После внедрения разработанного технологического процесса произойдет сокращение одной операции вытяжки, а потери металла снизятся на 21% [10].

4.1 Основные результаты и выводы

1 Данные по вытяжке из квадратных заготовок полученные при численном моделировании соответствуют данным полученным при экспериментах.

2 Разработан технологический процесс получения детали типа «стакан» из квадратной заготовки, который позволяет сократить количество операций на 1 и потери материала снизить на 21%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе решена актуальная научно-техническая задача, состоящая в развитии теории проектирования операций формообразования полых осесимметричных деталей.

При решении поставленных задач получены основные результаты и выводы:

1 Исследована предварительная осадка шестигранных и квадратных заготовок перед вытяжкой с целью получения круглой заготовки. Реализация данной операции возможна только при достаточной толщине профильных заготовок и требует для своей реализации оборудования с большой номинальной силой. В связи с этим, предварительная осадка, является не целесообразной.

2 Выполнено моделирование процессов вытяжки многогранных заготовок в программном комплексе QForm 2D/3D. Исследовано напряженно-деформированное состояние и характер течения материала в процессах вытяжки из шестигранной и квадратной заготовок. Показано, что наибольшие деформации реализуются по середине стороны многогранника, а угловые участки заготовки деформируются практически как жесткое целое.

3 Основополагающим фактором, влияющим на установку предельно допустимых коэффициентов вытяжки, является критерий разрушения. Зависимость коэффициентов вытяжки от относительной толщины заготовки для шестигранной заготовки отлична от зависимости для круглой заготовки, следовательно, существующие рекомендации по коэффициентам вытяжки из круглой заготовки не подходят для использования при вытяжке шестигранной заготовки. При увеличении относительной толщины заготовки от 0,5 до 2 коэффициенты вытяжки из круглой заготовки уменьшаются от 0,56 до 0,46, а из шестигранной заготовки - увеличиваются от 0,49 до 0,59. При (S/a)100 ~ 0,9 и твыт = 0,54 кривые пересекаются, из чего следует вывод, что использование тонких шестигранных заготовок при (S/a) 100 ~ 0,5-0,9 для вытяжки выгоднее, чем круглых.

4Установлено, что осаживая корончатый венец цилиндрического стакана, образуется полуфабрикат с ровным краем, который можно использовать в последующих операциях вытяжки, как обычную заготовку в виде стакана, однако это справедливо только для заготовок, относительная толщина которых более 2, для заготовок с меньшей относительной толщиной потребуется операция обрезки торца, что связано с наличием складок в области впадины.

5Установлены предельно допустимые коэффициенты вытяжки в зависимости от относительной толщины заготовки. Выявлено, что для вытяжки из квадратной заготовки при увеличении относительной толщины от 0,5 до 2 коэффициенты вытяжки увеличиваются от 0,54 до 0,67.

бВыявлено, что картины напряженно-деформированного состояния при вытяжке из квадратной заготовки с зазором ъ = Б0 и z = 1^0 аналогичны. Степень деформации в области впадины на 6%, а в сечении выступа в 2,5 раза при вытяжке с зазором ъ = Б0 больше чем при вытяжке с зазором z = 1^0. Установлено, что прирост полезной высоты готовой детали осуществляется за счет утонения материала в зоне участков впадины.

7 Показано влияние зазора между пуансоном и матрицей на геометрические параметры получаемого стакана. Установлено, что с уменьшение относительной толщины заготовки относительная высота стакана резко увеличивается.

8 Определено влияние степени деформирования заготовки на силовые параметры, накопленную пластическую деформацию совмещенного процесса. Установлено, что реализация совмещенного процесса вытяжки и прямого выдавливания корончатого колпака, получаемого вытяжкой из квадратной заготовки, наиболее целесообразна при значениях коэффициента вытяжки от 0,65 до 0,8, коэффициента утонения - от 0,6 до 0,7 и угле наклона матрицы 500.

9 Показано, что реализация совмещенного процесса вытяжки и прямого выдавливания непосредственно из квадратной заготовки с целью получения осесим-метричной детали существенно зависит от точности изготовления инструмента и точности размеров заготовки, обеспечение которого, в производственных условия - достаточно сложная задача.

10 Разработан технологический процесс получения детали типа «стакан» из квадратной заготовки, который позволяет сократить количество операций на одну и снизить потерю материала на 21%.

Список литературы