Повышение эффективности наборных операций объемной штамповки за счет применения комбинированного процесса высадки и поперечного выдавливания с "бегущим" очагом деформации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.05, кандидат технических наук Петров, Михаил Александрович

• Петров, Михаил Александрович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Петров, Михаил Александрович

Введение

1. Состояние вопроса

1.1. Способы получения деталей типа «стержень с утолщением»

1.2.Математические модели силового режима процессов высадки и поперечного выдавливания

1.3.Исследование трения при пластической деформации

1.3.1. Основные законы и модели трения

1.3.2. Методы определения коэффициента показателя) трения

1 АЦель и задачи работы

2. Теоретическое исследование комбинированного процесса высадки и поперечного выдавливания с «бегущим» очагом деформации

2.1 .Возникновение «бегущего» очага деформации

2.2.Определение силы комбинированного процесса

2.3.Алгоритм программы расчета силы деформирования

2.4.Результаты расчета силового режима комбинированного процесса

2.5.Определение силового режима на основе метода баланса мощности

2.6. Алгоритм программы расчета силы деформирования по методу баланса мощности)

2.7.Результаты расчета силового режима комбинированного процесса (по методу баланса мощности)

3. Экспериментальное исследование смазок и реологических свойств материалов

3.1.Материалы, оборудование и аппаратура для проведения экспериментов

3.2.Порядок проведения экспериментов: осадка цилиндрических образцов

3.3.Порядок проведения экспериментов: осадка кольцевых образцов

3.4.Обработка результатов экспериментов и построение кривых текучести (упрочнения) выбранных материалов

3.5.Аппроксимация кривых текучести (упрочнения)

3.6.Результаты исследования контактного трения при деформации выбранных материалов

3.7.Анализ результатов

4. Экспериментальное исследование процесса комбинированного выдавливания с «бегущим» очагом деформации

4.1.Материалы, оборудование и аппаратура для проведения экспериментов

4.2.Результаты исследования течения металла при комбинированном выдавливании с «бегущим» очагом деформации 123.

4.3.Пластичность металла при комбинированном процессе с «бегущим» очагом деформации

4.4.Исследование влияния трения на формоизменение в процессе комбинированного выдавливания с бегущим» очагом деформации

4.5.Исследование макроструктуры полученных изделий

5. Численное моделирование исследуемого процесса комбинированного выдавливания с «бегущим» очагом деформации

5.1 Гипотезы, основные допущения, принятые при моделировании комбинированного процесса высадки и поперечного выдавливания

5.2 Планирование численного моделирования 148 5.3. Анализ результатов численного моделирования

5.3.1 Подбор параметров процесса для получения детали, близкой по форме к экспериментальному образцу (схема 1)

5.3.2 Влияние начального соотношения L/D на течение металла (схема 2)

5.3.3 Влияние фактора трения на течение металла (схема 3)

5.3.4 Влияние геометрии заходной воронки на течение металла (схема 4)

5.3.5 Влияние жесткости пружины на течение металла (схема 5)

5.3.6 Влияние диаметра исходной заготовки на течение металла (схема 6)

5.4 Основные зависимости, полученные после моделирования процесса по схемам 2

5.5 Моделирование конусного участка заготовки 159 6. Практическое применение результатов экспериментальных исследований

6.1 Номенклатура деталей

6.2 Действующий технологический процесс изготовления детали болт

6.3 Штамп для набора утолщения

6.4 Моделирование процесса набора утолщения

6.4.1 Гипотезы, основные допущения, принятые при моделировании технологии получения заготовки детали болт

6.4.2 Результаты моделирования

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности наборных операций объемной штамповки за счет применения комбинированного процесса высадки и поперечного выдавливания с "бегущим" очагом деформации»

Осесимметричные детали типа «стержень с утолщением» занимают большое место в машиностроительном производстве. Заготовки для таких деталей обычно изготавливают по схемам высадки, выдавливания или ротационной обработки. Каждый их этих методов имеет свои преимущества и недостатки и занимает свою нишу в производстве.

Высадка деталей обладает многими достоинствами: сравнительно небольшие нагрузки на инструмент и, соответственно, высокая стойкость последнего; возможность применения универсального оборудования; схема напряженного состояния, обеспечивающая достаточную, в ряде случаев, пластичность обрабатываемого металла. Основным недостатком высадки является ограничение длины высаживаемой части прутка условием потери продольной устойчивости. Обычно она не превышает 2 - 2,5 значений диаметра высаживаемого прутка за один переход, а при многопереходном процессе - 8 диаметров. Таким образом, при необходимости набора большого объема металла производительность процесса оказывается весьма низкой, и требуется большое количество дорогостоящего инструмента.

Увеличить объем металла, набираемый за один переход высадки, можно, если организовать процесс так, чтобы длина очага деформации не превышала значений, определяемых условием продольной устойчивости прутка, а деформируемый металл подавался бы в очаг деформации постепенно. Именно так осуществляется процесс электровысадки, позволяющий за один переход набрать значительный объем металла. Однако при электровысадке реализуется схема поперечного выдавливания, а не высадки. Эта схема - более жесткая, пластичность металла уменьшается. Кроме того, процесс требует специального оборудования и может осуществляться только в условиях горячей деформации. Все это снижает его конкурентоспособность.

В литературе встречается упоминание о процессе «высадки подпружиненным пуансоном» [54, 56]. При ближайшем рассмотрении (в настоящей диссертации это показано) оказывается, что это комбинированный процесс, в котором на первой стадии осуществляется высадка, а затем процесс переходит в поперечное выдавливание, при котором очаг деформации перемещается вдоль оси прутка; при этом длина высаживаемой части не превышает значений, обусловленных условием потери продольной устойчивости. Такой процесс ниже упоминается как «комбинированный с «бегущим» очагом деформации». Очевидно, такой процесс мог бы обеспечить набор большого объема металла за один переход. Однако он является совершенно неизученным: не установлены силовые параметры, неизвестна связь между необходимым подпором подвижной части (матрицы) и размерами набираемой головки детали, не выяснена роль трения в процессе набора металла и при взаимодействии отдельных частей инструмента, неизвестны жесткость схемы нагруже-ния металла и, соответственно, ограничения процесса по условию возможного разрушения обрабатываемого металла. Остается открытым также вопрос о возможных конструкциях инструмента для осуществления процесса. Очевидно, этим объясняется тот факт, что в практике штамповки такой способ практически не встречается (нам, во всяком случае, примеры его применения не известны).

Цель настоящего исследования - устранить этот пробел, т.е. повысить. эффективность операций объемной штамповки заготовок деталей типа «стержень с утолщением» на основе научно обоснованных методов проектирования и реализации процесса комбинирования в одном инструменте схемы высадки и поперечного выдавливания с образованием «бегущего» очага деформации.

Методы исследования включают метод совместного решения приближенных уравнений равновесия с приближенным условием пластичности, энергетический метод расчета пластических деформаций и силовых режимов штамповки (метод баланса мощности), метод конечных элементов (МКЭ) в перемещениях, численные методы анализа и программирование на ЭВМ, экспериментальные исследования с применением тензометрирования и метода координатных сеток.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Установлены закономерности формоизменения деформируемого металла при комбинированном процессе высадки и поперечного выдавливания с «бегущим» очагом деформации.

2. Методом совместного решения приближенных уравнений равновесия с приближенным условием пластичности и методом баланса мощности получены аналитические и численные зависимости для определения силовых параметров процесса - силы деформирования и силы подпора подвижной части (матрицы), - а также связь между диаметром набираемой головки и силой подпора.

3. Обнаружены новые закономерности формоизменения и напряженно-деформированного состояния при осадке заготовок в форме усеченного конуса.

4. Установлен путь нагружения металла в точке наиболее вероятного разрушения при комбинированном процессе.

5. Установлены закономерности влияния контактного трения на силовые параметры процесса и работу отдельных частей штампа.

Достоверность результатов и выводов подтверждается:

1) использованием фундаментальных соотношений теории пластичности и современных методик эксперимента;

2) совпадением данных, полученных разными теоретическими методами и экспериментом;

3) возможностью практического использования результатов работы.

Практическая ценность работы.

1. Установлена возможность и осуществлена практическая реализация комбинированного процесса высадки и поперечного выдавливания с «бегущим» очагом деформации.

2. Усовершенствован метод определения коэффициента (показателя) трения осадкой кольцевого образца с применением расчета по методу конечных элементов.

3. Даны рекомендации по выбору технологических смазок.

4. Разработаны технология и конструкция штампа для производства заготовки конкретной детали; материалы переданы в производство для внедрения.

5. Результаты исследования использованы в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности «Машины и технология обработки металлов давлением».

Публикации и доклады на конференциях.

По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 6 статей в журналах, из них 3 статьи в ведущих рецензирумых журналах, 5 статей в сборниках научных трудов, получен 1 патент. Основные результаты работы доложены и обсуждены на 4 международных конференциях, а также на кафедрах «Кузовостроение и обработка давлением» (МГТУ «МАМИ») и «Машины и технология обработки металлов давлением» (МГИУ) в 2007 году. Среди конференций: Всероссийская молодежная научная конференция. XXVIII Гагаринские чтения (М., РГТУ МАТИ, 2002), 49-я Международная научно-техническая конференция ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» (М., МГТУ «МАМИ», 2005), 8-я Международная научно-техническая конференция ESAFORM (Румыния, Клуж-Напока, 2005), Международная научно-техническая конференция KomPlasTech (Польша, Закопане, 2007).

Диссертация состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 63 наименований, содержит 178 страниц машинописного текста, 119 рисунков и 35 таблиц и одно приложение.

Заключение диссертации по теме «Технологии и машины обработки давлением», Петров, Михаил Александрович

Основные результаты и выводы

1. Анализ литературы и существующего производства показывает, что основными деформационными схемами, которые используются при изготовлении осесимметричных поковок типа «стержень с утолщением», являются высадка и выдавливание. Каждая из этих схем обладает определенными недостатками. Комбинированный процесс поперечного выдавливания и высадки с «бегущим» очагом деформации позволяет расширить возможности технологии получения упомянутых выше заготовок, однако практически не изучен и нам неизвестны случаи его применения на практике.

2. Практическая реализация процесса показала его эффективность; возможность набора металла при сокращении числа переходов по сравнению с высадкой и уменьшении давления на рабочие элементы штампа по сравнению с выдавливанием. Установлено, что объем набираемого утолщения может быть ограничен только рабочим пространством применяемого оборудования (при использовании воздуха в качестве упругого элемента) или прочностью (при использовании пружины в качестве упругого элемента), а максимальный диаметр утолщения - условием разрушения деформируемого металла. На экспериментальной оснастке удалось достич конечного соотношения L/D=5,29 (упругий элемент - воздух). Применение воздуха позволяет также регулировать силу подпора матрицы и таким образом влиять на рост головки непосредственно в ходе процесса.

3. Установлены закономерности течения металла при комбинированном процессе с «бегущим» очагом деформации, в частности тот факт,что очаг деформации в стацинарной стадии приобретает форму конуса, который перемещается вдоль оси заготовки, отодвигая подвижную часть матрицы.

4. Теоретическое исследование процесса, проведенное методом совместного решения приближенных уравнений равновесия и приближенного

169 условия пластичности, показало, что при осаживании конуса образуется два характерных слоя, один из которых испытывает радиальные напряжения сжатия, в то время как другой - радиальные напряжения растяжения. В результате определены потребные силы деформирования и подпора со стороны подвижной части матрицы.

Теоретическое исследование, проведенное методом баланса мощности с использованием уравнений связи между тензорами напряжений и скоростей деформации, а также эксперимент подтвердили достоверность полученных ранее данных о силовых параметрах.

Моделирование процесса формоизменения с помощью МКЭ (программа QFORM-2D/3D) показало расхождение полученных результатов с экспериментальными данными, что свидетельствует о необходимости дальнейшего совершенствования использованного в диссертации пакета программ.

5. Поскольку контактное трение играет существенную роль в исследуемом процессе, в диссертации получил дальнейшее развитие метод определения коэффициента (показателя) трения осадкой кольцевых образцов. Показано, что при использовании, МКЭ отпадает необходимость в предварительном построении номограмм, и коэффициент (показатель) трения может быть найдет непосредственно по результатам эксперимента. Рекомендована коллоидно-графитовая суспензия с дисульфид молибденом на водной основе для холодной деформации стали и алюминиевых сплавов.

6. Экспериментальным путем установлен путь нагружения, т.е. зависимость показателя напряженного состояния от накопленной деформации, в точке, где наиболее вероятно возникновение разрушения, аппроксимированный зависимостью К=0. Это позволяет устанавливать предельные размеры получаемых утолщений, непосредственно по диаграмме пластичности.

7. Разработан технологический процесс получения заготовки «болт» и конструкция штампа, принятые ФГУП ММПП «Салют» для использования.

170

Новая технология позволяет получить экономический эффект в виде экономии амортизации капитальных затрат и уменьшение трудоемкости изготовления. Результаты работы используются в учебном процессе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Петров, Михаил Александрович, 2007 год

1. Абдулаев Ф.С. Разработка и исследование технологического процесса штамповки осесимметричных поковок в закрытых штампах выдавливанием в кольцевую полость. Афтореферат дисс.канд.техн.наук. М.: МВТУ им Баумана, 1979 - 16с.

2. Алиев И.С. Технологические процессы холодного поперечного выдавливания. // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 1988, №6 - стр.1 - 4.

3. Алиев И.С., Лобанов А.И., Борисов Р.С., Савчинский И.Г. Исследование штампов с разъемными матрицами для процессов поперечного выдавливания. // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2004, №8 - стр. 21 - 26.

4. Богатов А.А., Мижирицкий О.И., Смирнов С.В. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1984 - с. 144

5. Брейтуэйт Е.Р. Твердые смазочные материалы и антифрикционные покрытия (пер. с англ. С.Клюшнева: Под ред. В.Сфиницына. М.: Химия, 1967-320 с.

6. Быков П.А. Исследование холодного поперечного выдавливания осесимметричных деталей: Автореферат дисс.канд.техн.наук. М.: Мосстанкин, 1980 - 20с.

7. Ганаго О.А., Момзиков Ю.Г., Ватулин И.К., Сергеев Ю.Н., Субич В.Н., Степанов Б.А. Штамповка поковок шестерен в закрытом штампе с использованием активного действия сил трения. // Кузнечно-штамповочное производство. 1981, №6 - стр. 27 - 28.

8. Гневашев Д.А., Петров П.А., Петров М.А. Исследование трения при холодной деформации алюминиевого сплава АМЦ. Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. М.: 2005, №6-стр. 11-13.

9. Грайфер А.Х., Однопереходная штамповка на прессах поковок типа стержней с утолщением. // Кузнечно-штамповочное производство. -1972 №3-стр. 11-13.

10. Грудев А.П., Зильберг Ю.В., Тилик В.Т. Трение и смазки при обработке металлов давлением: Справочник. -М.: Металлургия, 1982 -312 с.

11. Губкин С.И. Экспериментальные вопросы пластической деформации металлов. М.: ОНТИ, 1934 - вып.1.

12. Гуменюк Ю.И., Кузнецов Д.П. Общая и специальная терминология ОМД на примере классификации основных видов процесса выдавливания. // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2005, №2 - стр.26-35.

13. Гуяш Г. Штампы с подвижной матрицей для холодного выдавливания. // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 1985, №3 - стр.11-13.

14. Дмитриев A.M., Воронцов A.JI., Аппроксимация кривых упрочнения металлов. // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. -2002, №6 стр. 16-21.

15. Евстифеев В.В. Научное обоснование, обобщение и разработка новых технологий холодной объемной штамповки. Дисс. докт. техн. наук: 05.03.05. Омск, 1993.

16. Евстратов В.А. Основы технологии выдавливания и конструирования штампов. М.: МГТУ им.Баумана, 1994 - 422 с.

17. Зибель Э. Обработка металлов в пластическом состоянии. М.: Металлургиздат, 1934.

18. Исаченков Е.И. Контактное трение и смазки при обработке металлов давлением. М.: Машиностроение, 1978 - 208 с.

19. Калпин Ю.Г., Басюк Т.С. Напряжение течения при горячем изотермическом деформировании. // Кузнечно-штамповочное производство. -1990, №3 стр. 7-9.

20. Калпин Ю.Г., Петров М.А., Петров П.А. Разработка нового способа получения детали типа «стержень с утолщением». // Известия ТулГУ. Серия. Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. Тула: ТулГУ, вып.2, 2005 - стр. 50-56.

21. Калпин Ю.Г., Петров М.А., Петров П.А. Experimental and numerical investigation of transverse extrusion of «rod with flange» parts. Computer Methods in Materials, Science (KomPlasTech'2007), V.7 (2007) №3, 347351.

22. Калпин Ю.Г., Петров М.А., Петров П.А. Исследование кинематики процесса радиального выдавливания с «бегущим» очагом деформации. // Известия МГТУ «МАМИ». М: МГТУ «МАМИ», №2(4) 2007 -стр. 164-168.

23. Колмогоров B.JI. Напряжение, деформация, разрушение. М.: Металлургия, 1970 - 230 с.

24. Лавриненко В.Ю. Разработка методики автоматизированного проектирования процессов высадки поковок типа стержня с шаровой головкой с направленным волокнистым строением: Автореф. дисс.канд.техн.наук: 05.03.05. -М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004.

25. Леванов А.Н., Колмогоров В.Л., Буркин С.П., Картак Б.Р., Ашпур Ю.В., Спасский Ю.И. Контактное трение в процессах обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1976 - 416 с.

26. Мансуров A.M. Технология горячей штамповки. М.: Машиностроение, 1971 -324 с.

27. Напалков А.В. Технология формообразования стержневых деталей со значительными перепадами сечения и фигурными подголовками. // Кузнечно-штамповочное производство. 2006, №9 - стр. 30-32.

28. Несвит С.М., Нюнько О.И. Горизонтально-ковочные машины и их автоматизация. -М.: Машиностроение, 1964 323 с.

29. Овчинников А.Г., Грайфер А.Х., Влияние конфигурации формовочного перехода на устойчивость заготовок при высадке. // Кузнечно-штамповочное производство. 1974, №12 - стр. 3-5.

30. Оленин Л.Д. К выбору оптимального варианта получения заготовок под точную объемную штамповку. // Повышение точности и качества при штамповке. М.: МДНТП, 1975 - стр.72-79.

31. Оленин Л.Д., Исследование процесса холодного комбинированного выдавливания. Дисс.канд.техн.наук: 05.03.05. -М.: МАМИ, 1967—167с.

32. Оленин Л.Д., Расчет технологических переходов и конструирование инструмента для холодного комбинированного выдавливания, // Кузнечно-штамповочное производство. 1972, №1 - стр. 9-12.

33. Охрименко Я.М., Тюрин В.А. Теория процессов ковки. М.: Высшая школа, 1977-295 с.

34. Перфилов В.И., Петров П.А., Петров М.А. Исследование трения при горячей изотермической деформации алюминиевого сплава АМгб. // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2004, №3 - с. 15-17.

35. Петров П.А., Петров М.А., Experimental and numerical investigation of friction in hot isothermal deformation of aluminium alloy A A3 003. The 8th International ESAFORM Conference on Material Forming, Romania, Cluj-Napoca, 27-29 April, 2005, pp.511-514.

36. Петров П.А., Петров M.A. Устройство для исследования сопротивления металлов и сплавов горячей деформации. Патент № 46582 РФ, МПК G01N 3/28, G01N 3/02.

37. Петров П.А., Перфилов В.И., Петров М.А. Исследование трения при горячей изотермической деформации алюминиевого сплава АК 4-1. Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2004, №3 - с. 15-17.

38. Полухин П.И., Горелик C.C., Воронцов B.K. Физические основы пластической деформации. М.: Металлургия, 1982 - 584 с.

39. Семенов Е.И. Технология и оборудование ковки и горячей штамповки. М.: Машиностроение, 1999 - 384 с.

40. Семенова Л.П. Холодная объемная штамповка головных частей на заготовках стержневых изделий с заданными эксплуатационными характеристиками: Автореферат дисс.канд.техн.наук: 05.03.05: Тула, 2006, М.: ПроСофт-М, 2005.

41. Соловцов С.С., Быков И.А. Изготовление стерженвых деталей с фланцем поперечным выдавливанием. // Технология автомобилестроения. 1988, №4 - стр.6-9.

42. Тарновский И.Я. Формоизменение при пластической обработке металлов. М.: Металлургиздат, 1954 - 534 с.

43. Трофимов И.Д., Стоколов В.Е. Оборудование для горячей штамповки с электронагревом. М.: Машиностроение, 1972 - 200 с.

44. Фиглин С.З., Калпин Ю.Г., Бойцов В.В., Каплин Ю.И. Изотермическое деформирование металлов. М.: Машиностроение, 1975 - 239 с.

45. Фиглин С.З., Бойцов В.В., Калпин Ю.Г. Горячая штамповка и прессование титановых сплавов. М.: Машиностроение, 1975 - 285 с.

46. Хензель А., Шпиттель Т. Расчет энергосиловых параметров в процессах обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1982.

47. Шварцман Я. О., Копылов-Хейфец С.И. Пути улучшения технологических параметров холодной высадки и объемной штамповки. // Кузнечно-штамповочное производство. 1977, №6 -стр.36-3 8.

48. Шибаков В.Г., Гончаров М.Н., Гончаров С.Н. Особенности разработки технологических процессов формообразования поковок управляемым поперечным выдавливанием. // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2006, №5 - стр. 38-40.

49. Billigmann J., Feldmann H.-D. Stauchen und Pressen. Handbuch fflr das Kalt- und Warmmassivumformen von Stahlen und Nichteisenmetallen. -Carl Hanser Verlag Munchen, 1973.

50. Burgdorf M. Uber die Ermittlung des Fliesswertes fur Verfahren der Massivumformung durch den Ringstauchversuch. // Ind.-Anz. V.89 (1967) №39, 15-20.

51. F. Fereshteh-Saniee, I. Pillinger, P. Hartley. Friction modelling for the physical simulation of the bulk metal forming processes. // Journal of Materials Processing Technology 153-154 (2004) 151-156.

52. Gronostajski Z. The constitutive equations for FEM analysis. // J. Mat.Proc. Techn., V.106 (2000) 40-44.

53. Male A.T., Cocroft M.G. Method for the determination of the coefficient of friction of metals under conditions of bulk plastic deformation. //J.Instit. Metals. V.93 (1964)38-46.

54. Spur G., Stoferle Th. Handbuch der Fertigungstechnik. Umformen, Band 2, Teil 2. Carl Hanser Verlag Munchen Wien, 1984.

55. ГОСТ 25.503-97. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие.

56. Конструкция штампового инструмента с подвижной матрицей передана в производство для проработки и для промышленного освоения.от МГТУ «МАМИ» оКФГУП ММПП «Салют»1. ЬЛ»,15;

57. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных Петрова М.А. применяются при чтении лекций по курсам «Теория обработки металлов давлением» и «Основы научных исследований».

58. Настоящий акт утвержден на заседании кафедры «КиОД» (протокол №11 от 8 ноября 2007г.)

59. Председатель комиссии: зав. каф., к.т.н., проф. Члены комиссии: д.т.н., проф. к.т.н., доц.1. FT/НЬКИН Н.Ф.

60. Филиппов Ю.К./ /Перфилов В.И./