Разработка эффективного технологического процесса объемной штамповки фланцев сложной формы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Архипов Андрей Алексеевич

• Архипов Андрей Алексеевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Архипов Андрей Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

1.1 Применение фланцевых поковок в машиностроении ... 12 1.1.1 Типы фланцев и способы их изготовления

1.2 Классификация процессов объемной штамповки

1.3 Современное состояние теоретических и экспериментальных исследований процессов

обработки давлением

1.3.1 Совместное решение дифференциальных уравнений статического равновесия и условия пластичности

1.3.2 Метод линий скольжения

1.3.3 Метод верхней оценки или метод жестких блоков

1.3.4 Метод баланса работ или энергетический метод

1.3.5 Метод конечных элементов

1.3.6 Современные методы моделирования процессов ОМД

1.3.6.1 Компьютерное моделирование

1.3.6.2 Математическое моделирование

1.3.7 Предельное состояние и критерии разрушения деформируемого металла

1.4 Выводы по главе

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ПОЛОЖЕНИЙ

МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

ХОЛОДНОЙ ШТАМПОВКИ ПОКОВКИ

ПРЯМОУГОЛЬНОГО ФЛАНЦА С

ВЫДАВЛИВАНИЕМ КОНТУРНОГО РЕБРА

2.1 Постановка краевой задачи пластического течения металла в относительно тонком слое

2.2 Ход решения задачи течения металла при заполнении

контурного ребра вокруг отверстия фланца

2.3 Обсуждение результатов теоретического анализа

2.4 Выводы по главе

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ХОЛОДНОЙ

ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ ВОЛНОВОДНЫХ ФЛАНЦЕВ И ШТАМПОВОЙ ОСНАСТКИ ДЛЯ ЕЕ РЕАЛИЗАЦИИ

3.1 Базовые технологии изготовления фланцев

3.2 Холодная объемная штамповка выдавливанием

3.3 Выводы по главе

ГЛАВА 4 КОМПЬТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ХОЛОДНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ ФЛАНЦА СЛОЖНОЙ ФОРМЫ

4.1 Программный комплекс и исходные данные

4.2 Обсуждение результатов компьютерного моделирования

4.2.1 Модель напряженного состояния металла

4.2.2 Кинематические и деформационные параметры холодного выдавливания

4.2.3 Оценка исчерпания ресурса пластичности металла

4.2.4 Силовые параметры холодного выдавливания поковки фланца

4.3 Выводы по главе

ГЛАВА 5 ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ХОЛОДНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ

5.1 Цель проведения эксперимента

5.2 Оборудование, инструмент, материал заготовок

5.3 Обсуждение результатов эксперимента

5.4 Методика технологической подготовки процесса

выдавливания поковок с контурным оребрением

5.5 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А. Патент на полезную модель

Приложение Б. Акт об использовании результатов в

промышленности

Приложение В. Акт об использовании результатов в

учебном процессе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка эффективного технологического процесса объемной штамповки фланцев сложной формы»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Фланцевые соединения - одни из наиболее часто встречающихся в промышленности конструктивных элементов. Задача оптимизации и повышения эффективности производственных процессов при изготовлении различной номенклатуры фланцев важна, особенно при крупносерийном и массовом производстве. Одним из самых перспективных подходов для реализации такой задачи является использования технологических процессов обработки материалов давлением (ОМД).

Фланцевые контактные соединения, особенно применяемые в радиоэлектронной технике, часто унифицированы и стандартизованы, для них требуется высокая повторяемость размеров и формы, что также означает целесообразность применения в их производстве методов ОМД.

Традиционно, технология изготовления контактных фланцев для радиоэлектронной аппаратуры включает в себя открытую горячую объемную штамповку, например, в специальном штампе, установленном на штамповочном молоте. Обрезка облоя производится в обрезном штампе. Такой способ обеспечивает высокую производительность и дает возможность изготавливать даже фланцы относительно сложной конфигурации, с оребрением и выступами различной формы.

Однако практика показывает, что изготовление таких деталей объемной штамповкой в открытых штампах сопровождается большим процентом брака и повышенным расходом материала, причинами чего могут являться не соответствие выбранных режимов нагрева заготовок, нерациональный выбор оборудования и конструкции штампов, чрезмерные либо недостаточные габариты заготовок. Часто бывает необходима дополнительная механообработка фланцев в результате низкой точности получаемых поковок, что увеличивает общую трудоемкость их изготовления. Для того, чтобы повысить эффективность процесса штамповки фланцев,

предлагается технология закрытой объемной штамповки без образования облоя. Роль компенсатора в этом случае может выполнять увеличенная высота выступа по центральному отверстию фланца.

При проектировании процессов ОМД и их научном обосновании необходимо учитывать закономерности их протекания, без чего трудно получить заданные размеры конечного изделия - поковки, а также нужные свойства и структуру её материала.

Степень разработанности проблемы. В работах, посвященных изучению процессов ОМД, представлены результаты исследований пластического формоизменении, рассмотрены аналитические и численные методы исследования течения металла в очаге пластической деформации. Обоснованы технологические возможности процессов холодного выдавливания и используемого оборудования, рассмотрены различные методы определения энергосиловых параметры. Однако следует отметить, что в основном исследования проводились для поковок с осевой симметрией в осесимметричной или плоской постановке, при этом применялись метод линий скольжения, метод баланса мощности, метод верхней оценки, метод конечных элементов. Для прямоугольных фланцев с контурным оребрением необходим поиск другого подхода к исследованию силовых параметров.

Целью работы является разработка эффективного технологического процесса изготовления деталей фланцев волноводов в части уменьшения количества брака, снижения трудоемкости производства, а также увеличение коэффициента использования материала (КИМ) и производительности, снижение энергетических затрат путем разработки и внедрения современных технологий обработки давлением с использованием средств математического анализа, компьютерного моделирования и проектирования.

Для достижения цели исследования необходимо решить следующие задачи:

1. Создать математическую модель процесса холодной объемной штамповки прямоугольных фланцев для определения силовых и

деформационных параметров процесса выдавливания с получением аналитических зависимостей для определения контактного давления, сил деформирования и скоростей течения металла.

2. Разработать 3D модели поковки и штамповой оснастки для проведения компьютерного моделирования основных технологических параметров выдавливания. По результатам моделирования установить взаимосвязи силовых и геометрических параметров выявить особенности кинематики течения при заполнении штампа и, при необходимости, внести коррективы в конструкцию штампа. Провести оценку исчерпания ресурса пластичности алюминиевого сплава по критерию Кокрофта-Латама при холодном выдавливании поковки фланца.

3. Спроектировать новую конструкцию штамповой оснастки для реализации технологии холодной объемной штамповки выдавливанием в закрытой полости.

4. Поставить и провести физические эксперименты для подтверждения адекватности математической теории, определения характера деформации и особенностей кинематики течения металла и формулирования в виде методики научно обоснованных рекомендаций, полученных с использованием разработанной математической модели и результатов экспериментов.

5. Устранить причины возникающих дефектов при холодной штамповке поковок и повысить коэффициент использования металла.

6. Передать на производство результаты исследований и методику технологической подготовки технологии закрытого холодного выдавливания поковок прямоугольных фланцевых деталей с полым выступом по контуру центрального отверстия, отдельные результаты теоретического анализа и экспериментальных исследований использовать в учебном процессе.

Объект исследования: прямоугольные в плане фланцы со сложным оребрением, являющиеся составными частями радиоэлектронной аппаратуры.

Предмет исследования: процесс холодной объемной штамповки комбинированным выдавливанием поковок фланцев прямоугольных в плане.

Научная новизна: предложена новая математическая модель процесса объемной штамповки выдавливанием на основе теории течения деформируемого материала в относительно тонком пластическом слое с получением аналитических зависимостей; установлены взаимосвязи и характер влияния геометрических параметров заготовки и поковки на напряженно-деформированное состояние штампуемого металла; по результатам компьютерного моделирования проведен анализ напряженно-деформированного состояния и выявлены особенности кинематики течения металла при заполнении полости штампа и выполнено прогнозирование остаточного ресурса пластичности металла заготовки.

Теоретическая и практическая значимость: для замены базового технологического процесса механической обработки фрезерованием предложено изготавливать прямоугольные в плане фланцы с полым выступом способом холодного выдавливания в закрытых штампах с использованием заготовки круглого сечения, устанавливаемой и центрируемой в штампе по цилиндрической образующей; на основе теоретического анализа создан математический аппарат, позволяющий оценить силовые и деформационные параметры выдавливания поковки фланца сложной формы; разработанные компьютерные модели позволяют провести симуляцию по стадиям деформирования, оценить исчерпание ресурса пластичности штампуемого металла, и, при необходимости, вносить изменения в геометрию деталей штамповой оснастки; экспериментальными исследованиями подтверждена возможность изготовления сложного фланца волновода из алюминиевого сплава АМц в условиях холодной деформации выдавливанием; разработанные методика технологической подготовки выдавливания и рациональный технологический процесс штамповки приняты для реализации на предприятии ПАО «НПО «АЛМАЗ» концерна ВКО «АЛМАЗ-АНТЕЙ» в рамках программы импортозамещения при

создании новой техники; разработана штамповая оснастка для закрытого деформирования прямоугольных фланцев (техническая новизна защищена патентом РФ №186383 на полезную модель), для изготовления которого спроектирован полный комплект конструкторской документации.

Методы исследования. Метод совместного решения системы дифференциальных уравнений статического равновесия и условия несжимаемости на основе применения гипотез теории течения металла в соответствии с моделью «идеальной жидкости», разработанной А.А. Ильюшиным. Численные эксперименты в виде компьютерного моделирования методом конечных элементов. Постановка и проведение физических экспериментов на сертифицированном оборудовании технологического полигона ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН».

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная математическая модель, позволяющая прогнозировать силовые параметры технологического процесса штамповки прямоугольных фланцев с полым прямоугольным выступом в штампах закрытого деформирования с увеличенным коэффициентом использования металла.

2. Результаты численного и физического экспериментов по определению напряженно-деформированного состояния и характера формоизменения заготовки, а также контактного давления и силы штамповки.

3. Предложенная и реализованная технология закрытой объемной штамповки выдавливанием прямоугольного фланца с рёбрами жесткости по контуру центрального отверстия из цилиндрической заготовки.

4. Методика проектирования технологии холодного выдавливания поковок фланцев сложной формы в закрытых штампах, отличающаяся от типовой, применением разработанных математической и компьютерной моделями, для расчета силовых и деформационных параметров, а также прогнозирования ресурса пластичности штампуемого металла.

Степень достоверности результатов подтверждается использованием известных научных гипотез, теоретических методов, корректных ограничений и допущений, полученных анализом технической информации из достоверных источников: монографий, справочников, периодических изданий и патентов. Компьютерное моделирование проведено с использованием лицензионного программного обеспечения DEFORM 3D. Практические результаты получены на сертифицированном и поверенном испытательном оборудовании с помощью современной регистрирующей аппаратуры и подтверждаются удовлетворительным согласованием расчетных результатов с результатами экспериментальных исследований.

Апробация. Результаты исследований доложены на:

- международном XIII Конгрессе «Кузнец-2017» «Состояние и перспективы развития технологических процессов обработки материалов давлением и оборудования кузнечно-прессового машиностроения», Рязань, 2017;

- научно-технической конференции «Математическое моделирование, инженерные расчеты и программное обеспечение для решения задач воздушно-космической обороны», научно-образовательный центр воздушно-космической обороны «Алмаз-Антей» им. Академика В.П. Ефремова Москва, 2017;

- XV Международной научно-практической конференции «Инновационные, информационные и коммуникационные технологии» (ИНФО-2018), Сочи, 2018;

- всероссийской научно-практической конференции «Цифровая экономика: оборудование, управление, человеческий капитал», Вологда, 2018;

- международном XIV Конгрессе «Кузнец-2019» «Состояние и перспективы развития технологических процессов обработки материалов давлением и оборудования кузнечно-прессового машиностроения», Рязань, 2019;

Отдельные материалы диссертации были использованы в докладе, занявшем I место на городском конкурсе профессионального мастерства «Московские мастера 2018», Москва, 2018.

Исследования по тематике диссертационной работы выполнялись автором в рамках государственного задания в сфере научной деятельности Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, проект №0707-2020-0025.

По теме исследования опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК Министерства науки и образования РФ, получен 1 патент на полезную модель, 5 публикаций в других рецензируемых научных изданиях.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности:

Работа соответствует формуле специальности 2.5.7. «Технологии и машины обработки давлением» по пунктам 1 «Закономерности деформирования материалов и повышения их качества при различных термомеханических режимах, установление оптимальных режимов обработки», 3 «Технологии ковки, прессования, листовой и объемной штамповки и комплексных процессов с обработкой давлением, например, непрерывного литья и прокатки заготовок» и пункту 5 «Методы оценки напряженного и деформированного состояния и способы увеличения жесткости, прочности и стойкости штампового инструмента» паспорта научной специальности 2.5.7.

Состав диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. В состав работы включены 28 таблиц, 35 рисунков, список литературы из 171 наименований и приложения. Общий объем диссертации -160 страниц. Автореферат содержит 18 страниц.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

1.1 Применение фланцевых поковок в машиностроении

Одним из широко распространенных видов деталей ответственного назначения, получаемых при помощи технологических процессов ОМД, являются детали фланцевого типа. Фланцы используются в трубопроводах, в качестве деталей топливных систем, в строительных конструкциях, для соединений вращающихся валов, в радиоэлектронике и т.д.

К типам фланцев различного назначения предъявляются разные требования: по применяемым материалам, по механическим свойствам, по геометрической форме и точности изготовления. Возможно отдельно выделить тип фланцев для составных частей радиоэлектронной аппаратуры, таких как антенные устройства, волноводы и высокочастотные радиоэлектронные блоки [1, 2].

1.1.1 Типы фланцев и способы их изготовления

Контактные фланцы в радиоэлектронике имеют сложную форму, чаще всего прямоугольные или квадратные в плане, реже применяются круглые фланцы. Фланцы волноводов содержат такие конструктивные элементы, как выступы, ребра жесткости, внутренние полости и отверстия.

Ввиду специфики назначения таких фланцев, к ним предъявляются высокие требования по точности их размеров и формы, а также по шероховатости поверхностей. В современном машиностроительном производстве востребованы различные виды технологических процессов изготовления таких деталей: механическая обработка [3], аддитивные

технологии 3^-печати [4], гальванопластика [5], штамповка из жидкого металла [6 ,7], горячая [8, 9], неполная горячая [10, 11] или холодная объемная штамповка [10, 11]. Каждый из перечисленных способов изготовления имеет свои достоинства, недостатки, особенности и связанные с ними области применения. При единичном и мелкосерийном производстве, а также при макетировании оправдано применение фрезерования или аддитивного изготовления. При крупносерийном и массовом производстве наиболее целесообразно применять технологии ОМД.

Достоинства обработки фрезерованием (рисунок 1.1) - высокая точность размеров и формы получаемых деталей, возможно получение высокой чистоты обрабатываемых поверхностей.

Рисунок 1.1 Изготовление фланцевых деталей фрезерованием

Недостатками фрезерования являются повышенная трудоемкость - в среднем на 40% выше по сравнению с методами ОМД и низкий КИМ [12].

Преимущество изготовления аддитивным методом - возможность получения геометрии практически любой формы (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 Получение деталей аддитивными технологиями

Недостатками аддитивной технологии является продолжительный цикл изготовления одной детали, высокая пористость монолитных конструкций, недостаточно высокое качество поверхности получаемых

изделий - шероховатость по параметру № порядка 40 мкм, необходимость последующей лезвийной обработки.

Объемная штамповка в настоящее время остается одним из прогрессивных способов получения поковок фланцев высокого качества во многих отраслях промышленности, включая радиоэлектронику. Наиболее распространены процессы производства таких поковок горячим деформированием. Недостатками горячего деформирования являются большие значения штамповочных уклонов и припусков, в ряде случаев образование окалины или окисной пленки при нагреве до высоких температур, необходимость последующей механической обработки поковок. В качестве альтернативы применяют неполное горячее, неполное холодное и холодное деформирование [10, 11, 13, 14].

Преимущества объемной штамповки - высокая производительность, возможность снижения расхода материала заготовки, снижение удельной трудоемкости. К недостаткам относят высокую стоимость и трудоемкость проектирования и изготовления штамповой оснастки, повышенную энергоемкость процессов.

Возможность применения технологических процессов холодной объемной штамповки в мелкосерийном и серийном производстве существенно расширяет область применения объемного формоизменения в машиностроении, однако требует организации группового производства поковок [15-17]. При этом повышаются механические свойства материала заготовки - происходит упрочнение и снижение пластичности. Это позволяет применять материалы заготовок с более низкими механическими свойствами, например, вместо легированных, или подвергаемых впоследствии упрочняющей термической обработке. Холодная штамповка в отдельных случаях позволяет увеличивать коэффициент использования материала (КИМ) до 98%, что особенно актуально в связи с повсеместным внедрением принципов бережливого производства.

Вместе с тем холодная объемная штамповка связана с необходимостью приложения высоких удельных сил деформирования, иногда в несколько раз превышающих предел текучести ат материала заготовки. Это накладывает серьезные требования к прочностным характеристикам штампуемого металла и материалов штамповой оснастки [18].

а) б) в)

Рисунок 1.3 Волноводные фланцы: а) - изготовленные способом ОМД; б) - изготовленный механообработкой; в) - изготовленные с помощью

аддитивной технологии

На рисунке 1.3 показаны волноводные фланцы, полученные различными технологиями.

В связи со сложностью процессов, протекающих в металле, подвергаемом объемному деформированию, а также для получения заготовок высокого качества при наименьших затратах труда, времени и материальных ресурсов, задача определения технологических параметров изготовления поковок деталей фланцевого типа способами объемной штамповки очень важна.

1.2 Классификация процессов объемной штамповки

Для изготовления разных типов фланцев применяются различные процессы ОМД [19]. Применительно к технологической схеме горячей штамповки используется формоизменение в открытых штампах, закрытая объемная штамповка более универсальна и может применяться для

деформирования заготовок, как в холодном, так и в горячем состоянии. Технологические процессы объемной штамповки могут включать различные операции деформирования (табл. 1.1): осадку, высадку, редуцирование, различные виды выдавливания (табл. 1.2): прямое, обратное, комбинированное, радиальное, боковое и их сочетания.

Таблица 1.1 Операции обработки давлением

Таблица 1.2 Разновидности выдавливания

Выдавливание

прямое

обратное

комбинированное

радиальное

боковое для изготовления поковок в виде

крестовин [20]

Направление сил трения определяет характер течения металла в технологических операциях выдавливания. Этот фактор может способствовать заполнению металлом заготовки полости инструмента или создавать дополнительное сопротивление, то есть оказывать влияние на равномерность распределения деформаций в поковке, на силовые и энергетические параметры процессов выдавливания. Для изменения направления сил трения в некоторых случаях используются «плавающие» подвижные матрицы [21-23].

Анализ практического опыта показывает, что в производстве фланцев

широко используется горячая облойная штамповка с применением универсального оборудования - молотов, кривошипных горячештамповочных прессов (КГШП) и гидравлических прессов. Для фланцев средних и крупных габаритов используют сферодвижную штамповку или раскатку на кольцераскатных станах, получая либо заготовки для дальнейшей штамповки, либо готовые изделия. Известные схемы технологических процессов горячей обработки давлением, представлены табл. 1.3 [24].

Таблица 1.3 Технологии изготовления фланцев способами обработки

давлением

Комбинирование различных операций выдавливания при изготовлении поковок фланцевых деталей является перспективной задачей повышения технологических возможностей объемной штамповки [25].

Авторами [26] разработан способ штамповки поковок воротниковых фланцев на КГШП, включающий осадку заготовки в конусную часть матрицы с формообразованием фланца требуемого размера и конусной воротниковой части (рисунок 1.4), штамповку поковки выдавливанием, а затем штамповку поковки окончательных размеров с формообразованием конусной воротниковой части, имеющей безуклонное сквозное отверстие.

Рисунок 1.4 Переход открытой горячей объемной штамповки полуфабриката

При этом штамповку полуфабриката осуществляют с получением конусной воротниковой части с величиной конусности, превышающей конусность воротниковой части окончательной поковки, и наметки под сквозное отверстие, имеющей штамповочный уклон на боковой поверхности. Окончательное формообразование конусной воротниковой части с безуклонным сквозным отверстием на поковке (рисунок 1.5) производят путем срезания указанного штамповочного уклона на боковой поверхности наметки и прошивки перемычки, которые осуществляют одновременно с раздачей и удлинением воротниковой части и калибровкой сквозного отверстия. Недостатками технологии являются наличие облоя, что

уменьшает КИМ, и сложное центрирование заготовки при ее позиционировании в штампе. Варианты технологии штамповки, ориентированные на гидравлические прессы двойного действия, представлены в работе [27].

Рисунок 1.5 Пробивка перемычки и калибровка отверстия

Разработанные автором схемы процессов (рисунок 1.6 и 1.7) предполагают использование в качестве заготовок сортовой прокат круглого или квадратного сечения.

Рисунок 1.6 Схемы осадки и полузакрытой прошивки

Недостатками таких технологических процессов являются многопереходность штамповки, увеличенные припуски и напуски,

обусловленные неравномерностью распределения металла относительно оси поковки в процессе осадки и полузакрытой прошивки.

© I

Рисунок 1.7 Схемы закрытой штамповки фланцевой части и пробивка

В результате анализа накопленного в промышленности опыта и научных публикаций сделаны выводы, что комбинированное выдавливание дает большие возможности для расширения технологий ОМД [28]. При этом технологические параметры, раскрывающие преимущества таких процессов не изучены в достаточной степени [29].

1.3 Современное состояние теоретических и экспериментальных исследований процессов обработки давлением

Теория выдавливания и экспериментальные исследования подробно изложены в технической литературе. Так, например, в работах А.К. Евдокимова [25], И.С. Алиева [30], А.И. Алиевой [31] и А.Э. Артеса [32] проведена классификация обрабатываемых деталей и схем деформирования, описаны методы расчета сил выдавливания. В работах Я.Е. Бейгельзимера [33], А.В. Боткина, В.М. Сегала рассматриваются вопросы интенсивной пластической деформации. К.Н. Богоявленский [34] разрабатывал процессы сферодвижной и гидромеханической штамповки. Труды А.Л. Воронцова [35] посвящены теории холодного выдавливания и сравнению результатов с

экспериментальными данными. Фундаментальные работы В.А. Головина [36] и Г.Я. Гуна [37] по теории и технологии обработки металлов давлением остаются востребованными и в настоящее время. Холодному выдавливанию сложных деталей и комбинированию операций посвящены работы А.М. Дмитриева [38]. Им разработаны оригинальные схемы холодной объемной штамповки с активными силами трения и спроектировано специализированное оборудование для реализации таких процессов. В.А. Евстратовым [39] реализованы технологии холодного выдавливания с внецентренным нагружением, разработана методика и проведена оптимизация конструкций оснастки для холодной объемной штамповки, с целью повышения точности штампуемых деталей и стойкости рабочих инструментов. Н.В. Коробовой [40] ведутся работы по оптимизации технологических параметров объемной штамповки методами математической статистики. А.Г. Овчинниковым [41] создана теория штамповки на прессах, исследовано множество технологических процессов холодной объемной штамповки сложных по конфигурации деталей, выведены аналитические зависимости для расчетов силовых параметров. А.А. Богатовым, В.Л. Колмогоровым, Ю.Г. Калпиным, В.А. Огородниковым [42] разработаны новые критерии оценки ресурса пластичности штампуемых металлов. В работах Ф.И. Антонюка, А.Г. Вяткина, Л.Д. Оленина [43] проведено научное обоснование и разработаны технологии холодной объемной штамповки поковок повышенной точности. Исследования Р.И. Непершина, Л.Г. Степанского [44] продвинули развитие теоретических методов линий скольжения и верхней оценки. Системные работы Е.Н. Сосенушкина [17], В.Г. Шибакова [45] посвящены методологии проектирования процессов объемной штамповки и оптимизации конструкторско-технологических решений. И.Л. Акаро, Г.А. Навроцкий, А.Н. Митькин, Ю.К. Филиппов [46] являются разработчиками технологических процессов горячей и холодной объемной штамповки, которые нашли применение в автомобильной промышленности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Архипов Андрей Алексеевич, 2022 год

х - ал

2т5 к?

(У~Ь2)2

х - ал

а1—г

2т5 (а1 + Ь2-х)+ (х - (а± + Ь2))2^ йх =

а.1

= -2т,

(а± + Ъ2- х):

а2 - Г1

ал

+ 1кГ2(х- (а1 + ь2))3

а2 - Г1

ал

= -(т5(а1 + Ь2-а2 + г1) - т5Ь2) +-— ((а2 - Г1Ь2)3 - Ь3) =

3п2

-т5(а1 -а2 + Г1) + —^ (а2 -Г1-а1-Ь2- Ь2)((а2 -^-0.1- Ь2)2 +

3И.2

+Ь2(а.2 -Г1-а1- Ь2) + Ь2) = *5((а2 - Г1) - 0,1) + Зк^ ((а2 - Г1) -а,1- 2Ъ2) (((а2 - г1) -а,1- Ь2)2 +

+Ь2((а.2-Г1) - а1))

(2.136)

РзТ = тз((а2 — Г1) — а^ + (( а2 — г1) — а.1 — 2Ь2) •

• ((О 2 — Г1) — а.1 — Ь 2) + Ь 2 ((а 2 — Г1) — %)) Окончательно:

Р45) = Ts((a2 — а1) — Г1) ((^2 — а1) — 2Ь2 — Г1) •

2

• ((а2 — а1) — (Ь2 + Г1)) + Ь2((а2 — а1) — Г1). Для подобласти 56 с толщиной слоя И2:

Ыу)=ГЬ.У) ^Гь^ (2137)

Граничные условия на контуре:

у = х — а1 - линия постоянного уровня, вдоль которой у=0; (2.138)

при х = а2 ; р=2т3. (2.139)

В этом случае система уравнений (2.16 - 2.18) примет вид:

д± = 0 (2.140)

ох

др 2т

Б

дх -ь2 ди

дх 6.1

(2.140)

(2.141)

2Тс 2тяап

Р = —Г* + С61 * С61 = 2т3 +-р (2.142)

ь2 ь2

2т3

Рзв = 2т3^—~ (х~а2). (2.143)

ь2

Из уравнения несжимаемости компонента вектора скорости перемещения в направлении оси Ох:

1 бк2 к2(г) бх

С учетом граничных условий (2.138):

и6 = 1 ТГГ • ~ГГх + С62

1 бк2 С62 = м)-ЦТ(а1~А').

1 бк2

иб = нм + а1~А). (2144)

Сила штамповки, приходящаяся на 56:

Ь2~п а2

,(6)

6

= а Рзб^хйу = ¡ йу ¡ ((2т3 — (х — а2)) йх =

йу

Бб 0 у+а!

Ь2~г± а2

¡ йу ¡ | 2т5(а,2 — а,1 — у) —

0 у+аг ^

Ь2~Гг

2т3 2к2

2т

(х — а2)2

а.2 У + ац

= ¡ йу (2т3((а2 — а1) —у) + ¿—^(у — (а2 — а1))2^) =

= —2т,

(У — — %))

2 Ь2—г1 2т

+ вй(у — (а2 — а1))3

Ьг — Г1 0

= —т5 ((&2 — а1) — (Ь2 — Г1))2 — (а2 — а^ +

+ 33Ъ^(((Ь2 — Г1) — (а2 — а±)) + (а2 — а1)3) =

= —^5 (ь2 + г)(а2 — а1—Ь2 + Г1 + а2 — а{) + + -^т ((ь2 —Г1 — а2 + а.1 + а2 — %) •

(((Ь2 — Г1) — (а,2 — а1))2 — ((Ь2 — Г1) — (а2 — а1)) • (а2 — а1) + (а2 — а{)2') Р(!6) = —Ъ —2 + Г1)(2а2 — 2ах — Ъ2 + гх) + (^ — п) •

3-2

((р2 — Ч)2 — 2(Ъ2 — Г1)(а2 — а1) + (а,2 — а-1)2 — (-2 — Г1)(а2 — а1) + 2(а2 — а.1)2) =

т3

= (Ь2 — Г1)(2а,2 — 2а.1 — Ъ2 + п) +^7-^2 — ч) •

3-2

• ((р2 — п)2 — 3(Ь2 — Г1)(а2 — а1) + 3(а,2 — а1)2).

Окончательно:

Р5(6 = Ъ (Ъ2 — г1)(2(а2 — %) — (Ъ2 — Г1)) +

(Ь2—Г1) 3Ь2

• ((Ъ2 — ч)2 — 3(Ъ2 — Г1)(а2 — а1) + 3(а2 — а1)2).

Для подобласти 57 с толщиной слоя И2:

г а2 — г1<х<а2

У) = /(Х, у)

(2.145)

(2.146)

Ь2~Г1<у< (Ь2~ г1) + /г2 (х (а2 — г^У < '

Линии тока образуют пучок прямых с центром в точке (а2 - г1; Ь2 - г1). Граничные условия на контуре:

уф=0 в области 87, т.е. при р=0, Уф=0; при р = аг ; р=2тя В этом случае система уравнений (2.16 - 2.18) примет вид: др 2т3 2т3

ёр = —; ^р(р; ф^^-т; (р~г1);

2т5 2Т3

др = й~др', р(р) = -~т-Р + С71; к2 к2

2т3 =

2тс

к

Р + С71;

С71 —

Р(Р) = 2т,

{1+к1); (1+^

(2.147)

(2.148)

(2.149)

(2.150)

(2.151)

(2.152)

(2.153)

С учетом условия (2.148) интегрируем уравнение несжимаемости, записанное в полярной системе координат:

ду0 у0 1 йк?

р + — + ---^ = 0

др р к2 &

д(рУр) = _ 1 А1к2(€) ^

рдр к2 д! рур =

р<Ик2 (г)

Ур 2 к2&г

1 йк2(Ь) р2 к2 № 2

Р 0

(2.154)

(2.155)

(2.156)

02

Из уравнения несжимаемости в подобласти £7:

ду0 у0 1 йк? Ю

+ -£ +--— = 0

др р к2 №

ур = и^ у; у'р = и' • у + и^ у'

иу 1 йк2(1)

и' •У + и •у' +------;- = 0

р к2 М

и

и' +- = 0 Р

йи йр и р

1п\и\ = - 1п\р\

(2.157)

(2.158)

(2.159)

(2.160)

(2.161) (2.162)

Р (IV,

1

и = — р

1 бк2(г) к2 &

р = Р ^(р йр к2

у = -

Р2 ^к2(€)

2к2 &

+ С72

УР =

)2 бк2(^

+ С

72 ,

2к2 д!

очевидно из граничных условий что, С72 = 0

Р2

-2 ак2(1)

Ур 2к2 & Сила штамповки, приходящаяся на подобласть £7:

Р() = Л Р(Р, <р)р(1р(1(р = I а<р I Г2т5 - ^ (р - Г1 ))рйр =

о о

п 2

= I (1(р | т5р2

о

Г1 2 \ - -т1 I (Р2 -Г1р)бр ) =

0 к2 п /

п 2

=I

= I &Ц> ( ъ5Г12 -

2- 2*3 р3 к2 3

Г1 2т3Г1 р2

+

0

к2 2

0

п 2т5 Г13 п т5г13 п

^ 2 3 ^к/ 2+ к2

Окончательно:

р(7) = т*П/2 г

'12(1+1 Г1)

Суммарная сила штамповки поковки фланца:

т=7

Рфл =

= 4 I

1=1

Рз,

(2.163)

(2.164)

(2.165)

(2.166)

(2.167)

(2.168)

(2.169)

2.170

(2.171)

2.3. Обсуждение результатов теоретического анализа

В качестве иллюстрации работы математической модели, построим на графике расчетные точки, связывающие силу деформирования с геометрией поковки, которые показаны на рисунке 2.4.

Толщина фланца

Рисунок 2.4 Расположение расчетных точек в координатах «сила деформирования Рфл - толщина фланца М»

Варьируемым параметром является толщина фланца И1, изменяемая в диапазоне значений 7...14 мм. По имеющемуся дискретному набору известных значений функции, проведя интерполяцию, можно проследить характер ее изменения.

Расположение точек демонстрирует увеличение силы при уменьшении толщины фланца и неизменных габаритных размерах в плане, так как при этом увеличивается рабочий ход пуансона. Стрелками показана толщина фланца М=8,0 мм исследуемой поковки и соответствующая ей сила.

а = 25 ? Ш, Рй ■л =21 > йкН

>

>

>

| 1 > 1.

а= 1 | 8 мм, I _Рфл 1644к Н

2200

? 2100 к

£ 2000 М О

^ 1900

л о

^ 1800

«

се

к 1700 и

1600

17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Расстояние от центра до боковой стороны фланца а, мм

Рисунок 2.5 Расположение расчетных точек в координатах «сила деформирования Рфл - габарит фланца в плане а»

Рисунок 2.5 отображает расположение расчетных точек в выбранной системе координат, интерполирование которых позволяет проследить характер изменения силы от половины длинной стороны фланца. Изменение этого геометрического параметра проводилось в диапазоне значений от 18 мм до 25 мм. При увеличении одного из габаритных размеров фланца сила холодной штамповки возрастает. Стрелками показано значение силы для исследуемой поковки с фиксированным значением половины стороны фланца, равным а=21,0 мм.

На рисунке 2.6 показано расположение расчетных точек на плоскости, интерполирование которых позволяет оценить характер влияния толщины перемычки фланца в области отверстия И2 на силу штамповки. Параметр И2 варьировался от значения 1,0 мм до 8,0 мм. При увеличении толщины перемычки требуется сила меньшего значения, что не противоречит механике процесса. Стрелками показано, какая сила холодной штамповки необходима для получения исследуемой поковки с толщиной перемычки ^2=2,0 мм.

м

к

ей И о

к

2800

2600

2400

2200

& 2000

<о

ч 1800

сЗ

и

1600

1400

/72= 1 ММ, Рф. г =2600

<4-< >

-■ к- < > 1 у 12= 8 М]\ [, Рфп — 141 ОкН

< > < ►

1

8

Толщина перемычки фланца /72, мм Рисунок 2.6 Расположение расчетных точек в координатах «сила деформирования Рфл - толщина перемычки И2»

Представленные рисунки показывают, что для штамповки фланцев с размерами в указанном диапазоне наиболее подходит пресс для холодного выдавливания КБ0034В номинальной силой 2500 кН или аналог такого же значения номинальной силы.

2.4. Выводы по главе 2

1. Разработана математическая модель процесса закрытой холодной объемной штамповки поковки плоского прямоугольного фланца с полым прямоугольным выступом, основанная на кинематических гипотезах А.А. Ильюшина. С учетом допущения, что деформируемый металл находится в плоском деформированном состоянии, получены аналитические зависимости для расчета сил, возникающих при холодном выдавливании.

2. Представленная математическая модель позволяет прогнозировать силовые параметры технологического процесса холодной объемной

штамповки выдавливанием прямоугольных фланцев с полым прямоугольным выступом в штампах закрытого деформирования на этапе предпроектных исследований.

3. Результаты расчета силовых параметров предлагаемого технологического процесса позволяют провести выбор необходимого для выдавливания кузнечно-штамповочного оборудования и, при необходимости, определить напряжения, возникающие в рабочих деталях штампа, для их поверочных расчетов.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ХОЛОДНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ ПОКОВОК ФЛАНЦЕВ И ШТАМПОВОЙ ОСНАСТКИ

ДЛЯ ЕЕ РЕАЛИЗАЦИИ

3.1 Базовые технологии изготовления фланцев

Фланцы волноводов относятся к составным частям радиоэлектронной аппаратуры [1]. Фланцы небольших габаритных размеров (40-100 мм) в настоящее время в условиях ПАО «НПО «Алмаз» изготавливают операциями лезвийной механической обработки, в частности, фрезерованием с низким коэффициентом использования металла (КИМ) порядка 0,5. Процесс малопроизводителен, кроме того, возникает необходимость утилизации большого количества стружки. При фрезеровании фланца габаритами 42x42x12 мм из карты, с припусками 1,5 мм на сторону, заготовка имеет форму прямоугольной пластины с размерами 45x45x17 мм, объемом 30375 мм3, что более чем в 2 раза (30375 мм3 против 14546,14 мм3) превышает объем получаемого такой технологией фланца.

Рисунок 3.1 Чертеж поковки прямоугольного фланца

Фланцы средних размеров 100-130 мм изготавливают горячим деформированием на штамповочном молоте модели М2145 массой падающих частей 3150 кг. На рисунке 3.1 представлен чертеж поковки прямоугольного фланца с ребрами жесткости.

На производстве используют молотовой штамп с размерами блока по ГОСТ 13983-93 [150] (рисунок 3.2), предназначенного для сменных призматических угловых вставок по ГОСТ 19585-93 [151] (рисунок 3.3а). Вставка для нижней части блока изображена на рисунке 3.3б, которая крепится призматическим клином [150].

Рисунок 3.2 Схема молотового блока для сменных призматических угловых

вставок

а) б)

Рисунок 3.3 Ручьевая призматическая угловая вставка к молотовому штампу:

а - схема; б - вставка нижняя для изготовления фланца.

В данном случае блок молотового штампа выполняет роль групповой штамповой оснастки, в который при смене номенклатуры поковок близких по типоразмеру фланцев вставляется набор других ручьевых вставок.

В качестве заготовки для горячей штамповки используется пластина с размерами 125x100x25 мм из алюминиевого сплава АМц ГОСТ 4784-97 [152]. После штамповки поковки необходима обрезка облоя, для реализации которой нужен обрезной штамп и дополнительная единица штамповочного оборудования - обрезной пресс. В процессе молотовой штамповки половины штампа, выполненные без замковых устройств, могут смещаться друг относительно друга и после обрезки остатки облоя неравномерно распределяются по линии обрезки, что затрудняет дальнейшую механическую обработку для придания фланцу размеров в соответствии с требованиями ОСТ 4Г 0.206.203 [1].

На рисунке 3.4 представлена штампованная на молоте поковка.

а) б) в)

Рисунок 3.4 Молотовая поковка: а - незаполненное ребро; б - поковка с

облоем;

в - поковка после обрезки облоя

Потери материала заготовки при таком способе изготовления довольно велики, коэффициент использования материала обычно составляет не более 0,5...0,6.

Температура предварительно нагретой заготовки быстро понижается, что при открытой штамповке на штамповочном молоте требует больше

одного удара, это также является фактором повышения процента брака из-за возможного смещения заготовки относительно ручья между ударами. Среди бракованных поковок фланцев наиболее часто встречаются такие дефекты, как недоштамповка, различные забоины и зажимы, неполная фигура -незаполнение рабочей полости штампа металлом заготовки. Фланцы волноводов относятся к составным частям радиоэлектронной аппаратуры. Это накладывает высокие требования к точности их размеров и формы, что также плохо сочетается с молотовой штамповкой.

Анализ вариантов технологии, применяемых на производстве, привел к выводу о несовершенстве способов изготовления и необходимости разработки и внедрения новых технологических процессов холодной объемной штамповки поковок в закрытых штампах.

3.2. Холодная объемная штамповка выдавливанием

Для увеличения коэффициента использования материала и уменьшения количества дефектных поковок, предлагается использование процесса комбинированного выдавливания при закрытой объемной штамповке вместо применения технологии штамповки на молоте. Новая технология предполагает применение заготовки из прутка круглого сечения, вместо прямоугольной пластины. Исходную заготовку в виде калиброванного прутка возможно более точно установить и центрировать в рабочей зоне штампа за счет особенностей разработанной конструкции рабочих деталей. Также форма заготовки в виде цилиндра дает возможность использовать стандартный сортамент в виде круглого прутка по ГОСТ 21488-97 [153], а также малоотходную технологию разделения прутков на мерные заготовки, в том числе сдвигом [154].

Чертеж поковки фланца разрабатывался по чертежу механически обработанной детали, который представлен на рисунке 3.5. Анализу подвергались функциональные поверхности детали, на размеры которых назначались припуски в соответствии с рекомендациями [155-159] и опытом независимых исследователей [9, 13, 23, 43].

Рисунок 3.5 Чертеж детали фланец

Чертеж поковки фланца представлен на рисунке 3.6.

а)

б)

Рис 3.6. Чертеж поковки фланца: а - вариант 1; б - вариант 2

Чертеж поковки по варианту 1 спроектирован в соответствии с требованиями отраслевого стандарта [1]. Однако более рационально уменьшить толщину перемычки и сделать наметку под отверстие с двух сторон фланцевой части, как показано на рисунке 3.6б. Это позволит увеличить КИМ и удалять перемычку пробивкой.

Для обеспечения центрирования заготовки в полости матрицы было принято решение располагать ее продольно с фиксацией на контрпуансоне. Конструкция разработанного штампа, показанная на рисунке 3.7, обеспечивает соосность прямоугольного или квадратного ручья штампа и исходной заготовки круглого сечения при установке последней вдоль одной из осей полости матрицы, как правило, большей.

Цилиндрическая заготовка, длина которой соответствует максимальному габаритному размеру фланца, устанавливается в полости штампа с ориентацией торцов по боковым стенкам полости параллельно продольной оси с позиционированием по цилиндрической поверхности.

Рисунок 3.7 Чертеж наладки штампа для закрытой объемной штамповки:

а - пуансон без выступа; б - пуансон с выступом:

1 - матрица,

2 - контрпуансон,

3 - бандаж,

4 - основание,

5 - заготовка,

6 - держатель матрицы,

7 - пуансон,

8 - гайка держателя пуансона

В соответствии с условием несжимаемости деформируемого металла, по значению объема поковки и заданной конструктивно длине заготовки был

рассчитан необходимый диаметр заготовки. Центрирование заготовки обеспечивается конструктивными особенностями контрпуансона.

В конструкции штампа закрытого типа (рисунок 3.7) используется ряд решений, направленных на улучшение показателей надежности и унификации рабочих деталей. Матрица выполнена быстросменной, с надежным узлом крепления в виде прижимного кольца с резьбой, которое предохраняет матрицу от самопроизвольного отсоединения от штампа. Для увеличения прочностных характеристик матрицы в конструкции штампа применен прием бандажирования. Матрица запрессовывается в бандажное кольцо с натягом 0,5 мм и конусностью 1°30', для создания предварительного сжимающего напряжения [158, 159]. Пуансон также выполнен быстросменным с креплением резьбовой гайкой через пуансонодержатель.

Центрирование удлиненной в плане заготовки приводит к увеличению точности ее позиционирования в штампе и более равномерному растеканию металла в ручье, обеспечивающему равномерность деформации по объему штампуемой поковки. Новизна технического решения заключается в том, что в штампе для закрытой штамповки прямоугольного фланца с полым прямоугольным выступом и ребрами жесткости установлен контрпуансон-выталкиватель, на рабочем торце которого выполнена впадина радиусом Двп=0,5^заг. При этом габаритный размер ручья штампа изготовлен равным длине заготовки для ограничения течения материала заготовки в одном из направлений при заполнении полости штампа.

В матрице 1 (см. рисунок 3.7) выполнена прямоугольная полость с размерами в плане, соответствующими размерам поковки. Для формирования на поковке полого выступа с ребрами жесткости в нижней части установлен контрпуансон-выталкиватель 2 с впадиной на рабочем торце. При подаче заготовки 3 в штамп она опирается только на фигурный торец контрпуансона-выталкивателя, что позволяет центрировать ее относительно полости матрицы в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Штамп работает следующим образом. Отрезанная от прутка круглого сечения мерная заготовка необходимой длины после нанесения на ее поверхность технологической смазки устанавливается в полость матрицы, как показано на рисунке 3.8а [160].

а) б)

Рисунок 3.8 Схема процесса закрытой объемной штамповки фланца: а) исходное положение штампа; б) конечное положение штампа;

1 - матрица; 2 - контрпуансон; 3 - заготовка/отштампованная поковка;

4 - пуансон

Верхний пуансон 4 при рабочем ходе пресса центрируется по полости матрицы на ходе 10-15 мм до касания заготовки. После касания пуансоном поверхности заготовки начинается процесс штамповки в направлении, перпендикулярном продольной оси заготовки. На первом этапе штамповки происходит поперечная осадка, и металл равномерно течет в полости матрицы, частично заполняя ребра жесткости и прямоугольную полость, оформляющую выступ. При заполнении фланцевой части течение металла в продольном направлении ограничивается боковыми стенками полости матрицы. Однако в перпендикулярном направлении все еще реализуется свободное течение металла с затеканием в ребра жесткости и в полость под выступ. С этапом окончания свободного течения, когда металл заготовки достигает стенок полости матрицы в поперечном направлении, одновременно с уменьшением высотного размера фланца будут заполняться труднодоступные места ребер жесткости и полости, оформляющей полый

прямоугольный выступ, образованный матрицей и контрпуансоном-выталкивателем (рисунок 3.8б). Этот этап соответствует схеме деформации тонкого слоя, находящегося в пластическом состоянии.

При колебаниях объема заготовки в пределах допусков по диаметру и длине необходимо компенсировать возможный разброс. В спроектированной конструкции штампа компенсатором служит высота контурного ребра вокруг отверстия фланца, которая увеличена на 2 мм.

При обратном ходе подвижных частей штампа в действие приводится контрпуансон-выталкиватель, удаляя поковку из полости матрицы. После смазки полости матрицы и верхнего пуансона цикл штамповки повторяется. Техническая новизна штампа защищена патентом РФ на полезную модель [161].

На примере фланца с габаритными размерами 42x42x12 мм опробована разработанная технология холодного выдавливания, включающая отрезку заготовки от круглого проката диаметром 021-ОО5 мм высотой 41-0 05 мм и штамповку выдавливанием в один переход.

Большинство поверхностей в дальнейшем не будет подвергаться механической обработке, что повышает производительность и уменьшает расход металла. Исключение составляет осевое отверстие в поковке. Как известно, сквозное отверстие штамповкой, в том числе и холодной, получить невозможно, поэтому спроектирована наметка под будущее отверстие со стороны ребер жесткости выступа. Со стороны пуансона в первом варианте (см. рисунок 3.7а) наметка отсутствует, что дает возможность упростить его изготовление. В этом случае качество заполнения полости штампа не страдает. Чтобы сократить расходы на пробивной штамп, доработку отверстия осуществляют механической обработкой с необходимой точностью под дальнейшую сварку с профильной трубой. Во втором варианте поковки (см. рисунок 3.7б) наметки спроектированы с двух сторон с перемычкой в средней части отверстия, что дает возможность увеличения КИМ. Перед механической обработкой перемычку удаляют пробивкой.

3.3 Выводы по главе 3

1. Проведенный анализ производственных технологий показал, что они далеки от совершенства и реализуются с низким коэффициентом использования металла КИМ<0,5 и производительностью, а также с повышенным процентом брака.

2. Предложен эффективный способ холодного выдавливания в закрытом штампе, что улучшает заполнение металлом заготовки труднодоступных полостей штампа.

3. Технология формоизменения может быть с успехом переведена на более производительную холодную объемную штамповку в закрытых штампах, для чего разработаны чертежи поковок и штамповой оснастки, техническая новизна которой защищена патентом РФ на полезную модель.

4. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ХОЛОДНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ ФЛАНЦА СЛОЖНОЙ

ФОРМЫ

4.1 Программный комплекс и исходные данные

Перед тем, как приступить к проектированию штамповой оснастки и проведению физического эксперимента, следует убедиться в работоспособности закрытого штампа, изучив особенности деформирования при выдавливании с обеспечением качественного заполнения ручья.

Моделирование процессов объемной штамповки в данной работе выполнялось в программе DEFORM®-3D [127, 138, 139, 144,163], лицензией на использование которой обладает ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН», где выполнена диссертация. Численный эксперимент позволил оценить возможности использования технологии холодной объемной штамповки в закрытом штампе.

В качестве исходных моделей пуансона и матрицы, была применена импортированная геометрия их моделей, созданных в программе Solidworks, так как программный комплекс DEFORM-3D не имеет достаточного собственного инструментария для создания сложных 3D-моделей, но при этом позволяет с легкостью импортировать компьютерные трехмерные модели из других программных пакетов, посредством файлов формата STL, широко используемого для хранения различных 3D-моделей.

Механические свойства заготовки были заданы в соответствии с характеристиками алюминиевого сплава АМц ГОСТ 4784-97 [152]. Такой сплав выбран благодаря его высоким пластическим, технологическим свойствам, коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью [34]. В

качестве исходной заготовки для моделирования процесса использован калиброванный пруток диаметром 21,0-0,05 мм и длиной 41-005 мм из алюминия технического АМц ГОСТ 4784-97. Фактор трения ц = 0,4. Температура деформирования 20°С. Выполнено два варианта моделирования с рабочим ходом пуансона 14,1 мм для варианта №1 и 17,8 мм для варианта №2. Свободное течение металла происходит в направлениях, перпендикулярных в плане оси 2 до того, как объем, соответствующий основанию фланца, заполнится. На последних этапах деформирования материал заготовки затекает в трудно заполняемые полости инструмента, соответствующие стенкам выступа фланца.

С учетом накопленного опыта [164, 165] 3D модели фланца разбивалась на конечные элементы следующим образом. Использовалась тетраэдральная сетка конечных элементов, с задаваемым количеством 60000. При автоматическом генерировании сетка модели по варианту 1 содержала 58528 элементов с общим количеством узлов 12999, при этом поверхностных многоугольников - 11954. Модель поковки по варианту 2 разбивалась на фактическое число элементов 51228 при общем количестве узлов 11745, поверхностных многоугольников - 11852. Минимальный размер применяемых элементов 0,61 мм, максимальный - 1,22 мм, что является общим для двух моделей поковки.

4.2 Обсуждение результатов компьютерного моделирования

Проведено сравнение двух вариантов исполнения пуансона для выдавливания: с плоским торцом и с торцом, имеющим выступ для оформления наметки под отверстие. В соответствии с различием конструкции пуансонов 3D модели поковок также имеют различия, заключающиеся в оформлении наметок под отверстие (см. рисунок 3.6).

4.2.1 Модель напряженного состояния металла

Для определения компонентов тензора напряжений ох (таблица 4.1), оу (таблица 4.2) и а2 (таблица 4.3) выбрано поперечное сечение [166], проходящее через одну из осей симметрии поковки, показывающее наиболее проблемные области заполнения материалом полости инструмента. Компоненты нормальных напряжений определялись по осям X, У и Z для стадий процесса, соответствующих 25%, 50%, 75% и 100% рабочего хода пуансона. Поскольку ход пуансона для рассматриваемых моделей разный, то процентное соотношение для варианта 1 следующие: 25% соответствует ходу 3,53 мм; 50% - 7,05 мм; 75% - 10,58 мм; 100% - 14,1 мм. Для модели поковки по варианту 2 следующие соотношения: 25% соответствует ходу 4,45 мм; 50% - 8,90 мм; 75% - 13,35 мм; 100% - 17,8 мм.

Таблица 4.1 Нормальные напряжения ох, действующие по оси X

Вариант 1

Вариант 2

Продолжение таблицы 4.1 Нормальные напряжения ох, действующие по оси X

Проанализируем результаты расчета напряжений ах по двум вариантам модели поковки. Для варианта 1 при фиксированном ходе пуансона в процессе выдавливания поле напряжений показано в левом столбце таблицы 4.1. На начальной стадии выдавливания уровень максимальных сжимающих напряжений на контактных поверхностях соответствует -157 МПа с распространением в глубинные слои и затуханием до уровня -44,0 МПа. На свободной боковой поверхности заготовки напряжения растягивающие 69,4 МПа и преходящие в зону сжатия с уровнем -44,0 МПа. На конечной стадии деформирования, когда полость матрицы полностью заполнена, выступ поковки охвачен сжимающими напряжениями от -50 МПа на свободной поверхности до -275 МПа в верхних зонах выступающей части. От радиусов закругления в отверстии с уровнем сжимающих напряжений -500 МПа

происходит распространение по телу фланца до уровня -725 МПа, тот же уровень напряжений действует в угловых элементах фланца.

В варианте 2 поковки результаты показаны в правом столбце таблицы 4.1. На начальной стадии деформирования на контактных поверхностях действуют максимальные сжимающие напряжения с уровнем -393 МПа, распространяющиеся вглубь с затуханием от уровня -153 МПа до -33,7 МПа. На свободных боковых поверхностях уровень растягивающих напряжений от 206 МПа с распространением вглубь с затуханием до уровня 85,9 МПа. При заполнении штампа в конце рабочего хода в угловых элементах действуют напряжения сжатия с уровнем -301 МПа, в зоне перемычки и боковых поверхностях фланца уровень сжимающих напряжений -1000 МПа. Центральная часть фланца охвачена напряжениями сжатия с уровнем -769 МПа.

В таблицу 4.2 сведены результаты расчета напряжений в направлении оси У по стадиям деформирования.

Таблица 4.2 Действующие по оси У нормальные напряжения а

у

Вариант 1

Вариант 2

Продолжение таблицы 4.2 Действующие по оси У нормальные напряжения оу

В начале процесса выдавливания заготовка охвачена сжимающими напряжениями, которые в зонах, окрашенных желтым цветом, имеют значения от 0 МПа до -12,5 МПа, переходящие в зоны, окрашенные зеленым цветом с диапазоном изменения сжимающих напряжений от -12,5 МПа до -150 МПа.

На заключительной стадии выдавливания фланец охвачен сжимающими напряжениями от -500 МПа до -1000 МПа. В контактных зонах сжимающие напряжения возрастают до значений -1180 МПа.

В таблице 4.3 приведены напряжения в направлении оси 2 по стадиям деформирования.

Таблица 4.3 Действующие по оси 2 нормальные напряжения а2

Вариант 1

Вариант 2

Б^еээ -1 (МРа)

Р

В обоих вариантах моделей поковки на заключительной стадии деформирования поля напряжений сходны. Максимальные сжимающие напряжения по оси 2 действуют на радиусной части контактной поверхности контрпуансона, отмеченные линией равных напряжений на стыке зон, величина которых -1220 МПа. Напряжения на стыке зон (синей и бирюзовой) с уровнем равным -988 МПа действуют в области перемычки и в средней части фланца. В остальных зонах уровень сжимающих напряжений изменяется в диапазоне от -756 МПа до -62,5 МПа. На свободной

поверхности в нижней части выступа (желтая зона), служащей компенсатором при штамповке в закрытом штампе, напряжения меняют знак на противоположный и становятся растягивающими, линии уровня которых связаны со значением +169 МПа.

Для полноты анализа напряженного состояния металла заготовки смоделированы касательные напряжения (таблица 4.4), являющиеся неотъемлемой частью тензора напряжений, а при переходе металла в пластическое состояние НДС зависит только от девиатора, поскольку первый инвариант тензора напряжений становится равным 0. Кроме того, касательные напряжения необходимы для расчета интенсивности напряжений.

Таблица 4.4 Касательные напряжения тху

Вариант 1

Вариант 2

Следует отметить локальность действия касательных напряжений тху, сосредоточенных по контактным поверхностям с максимальным значением сжатия -29,6 МПа, переходящими во фланцевой части в растягивающие значением +31,2 МПа.

В таблице 4.5 собраны касательные напряжения туг по стадиям деформирования по двум вариантам моделей поковок фланца, которые отличаются неравномерностью. На начальной стадии деформирования уровень касательных напряжений туг изменяется от -60 МПа (линии уровня С) до +89,5 МПа (линии уровня Н).

Таблица 4.5 Касательные напряжения т

■уг

Вариант 1

Вариант 2

Касательные напряжения тгх показаны в таблице 4.6, которые в основном сосредоточены по контактным поверхностям с инструментом и не отличаются высокими значениями: от уровня В -91,7 МПа до уровня О +60,1 МПа на начальной стадии деформирования. При заполнении металлом штампа в конце выдавливания напряжения изменяются от уровня В -30,9 МПа до уровня О +59,5 МПа.

Таблица 4.6 Касательные напряжения тгх

Вариант 1

Вариант 2

Анализ полученных данных показывает, что на начальных стадиях процесса деформирования в поковке превалируют растягивающие нормальные напряжения. Зоны, в которых они действуют, окрашены желтым

цветом со значениями напряжений порядка 100.. .125 МПа. От пуансона и контрпуансона распространяются вглубь зоны нормальных сжимающих напряжений, которые изменяются в диапазоне от -12,5 МПа до +125 МПа. По мере движения пуансона, зоны сжатия охватывают всё больший объем металла, что приводит к смыканию зон сжатия, распространяющихся от верхнего пуансона и контрпуансона, что происходит при ходе 10,58 мм. На заключительном этапе деформирования во фланцевой части преобладают напряжения сжатия, которые в светлых зонах, окрашенных голубым цветом, изменяются в диапазоне от -428 МПа до -688 МПа, в более темных зонах синего цвета сжимающие напряжения имеют большие значения от -949 МПа до -1210 МПа. В области выступа в зоне течения со свободной поверхностью действуют растягивающие напряжения порядка +90 МПа.

Распределение интенсивности напряжений в металле показано в таблице 4.7 для двух моделей поковки (варианты 1 и 2). Эта скалярная величина является важным показателем, на котором основывается энергетическое условие пластичности Губера-Мизеса. Для обоих вариантов моделей поковки картины распределения интенсивности напряжений схожи. Зоны наибольших значений интенсивности напряжений распространяются от пуансона и контрпуансона вглубь поковки и на промежуточных стадиях деформирования расположены в средней части сечения.

Таблица 4.7 Интенсивность напряжений

Вариант 1

Вариант 2

Stress - Effective (M Pa)

Stress - Effective (MPa)

О

I ■

:

I

■

Продолжение таблицы 4.7 Интенсивность напряжений

Наибольшим значением интенсивности напряжения является величина 231 МПа, которой охвачены зоны, окрашенные красным цветом. На заключительной стадии деформирования зоны максимальной интенсивности напряжений распространяются практически на весь объем металла поковки.

Оценки максимального главного нормального напряжения приведены по стадиям деформирования в таблице 4.8.

Модель поковки по варианту 1. При ходе пуансона 25% эти напряжения от сжимающих уровня С -146 МПа переходят в растягивающие

уровня Е +88,1 МПа. При заполнении полости матрицы сжимающие напряжения возрастают до уровня О -625 МПа, уровень растягивающих напряжений уменьшается до уровня О +50 МПа в области выступа, где имеются свободные поверхности.

В начале деформирования по варианту 2 модели поковки уровень напряжений в разных зонах колеблется от линии уровня О +175 МПа, что определяют область растяжения в глубинных слоях сечения поковки до линии уровня Е -350 МПа на контактной поверхности, что характеризует область сжатия. Как показывает анализ напряженного состояния металла, картина максимальных главных нормальных напряжений по сечению поковки представляется неравномерной и на завершающей стадии деформирования с соответствующими значениями от линии уровня С -875 МПа до линии уровня О +175 МПа. При этом уровень растягивающих максимальных главных нормальных напряжений остается постоянным по стадиям деформирования, а те же сжимающие напряжения к концу хода пуансона увеличиваются на 525 МПа по абсолютной величине.

Таблица 4.8 Максимальное главное напряжение

Вариант 1

Вариант 2

Продолжение таблицы 4.8 Максимальное главное напряжение

Что касается среднего нормального напряжения аср (таблица 4.9), то при рассмотрении варианта 1 модели поковки, установлено, что на начальной стадии деформирования свободная боковая поверхность заготовки охвачена растягивающими напряжениями уровня F +62,5 МПа. Зона сжатия от верхнего пуансона и конрпуансона уровня Е -50 МПа распространяется вглубь заготовки. В конце деформирования в сечении поковки преобладают сжимающие напряжения от уровня F -87,5 МПа до уровня С -875 МПа в различных зонах поперечного сечения поковки.

Таблица 4.9 Среднее нормальное напряжение а(

ср

Вариант 1

Вариант 2

Продолжение таблицы 4.9 Среднее нормальное напряжение ос

4.2.2 Кинематические и деформационные параметры холодного