СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені Володимира Даля

Сергієнко Оксана Вікторівна

УДК 621.983

УДОСКОНАЛеННЯ ПРОЦЕСІВ КОМБІНОВАНОго ВИТЯгування

ПОРОЖНистих ЦИЛІНДРІВ З ЛИСТОВИХ ЗАГОТовок НА ОСНОВІ

МАТЕМАТИЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ

Спеціальність 05.03.05 – Процеси і машини обробки тиском

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Луганськ – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Дорошко Володимир Іванович,
Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля (Луганськ), професор кафедри "Обладнання для обробки металів тиском"

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Алієв Іграмотдін Серажутдінович,
Донбаська машинобудівна академія (Краматорськ),
завідувач кафедри "Обробка металів тиском"

кандидат технічних наук, доцент
Майоров Геннадій Іванович,
Донбаський гірничо-металургійний інститут (Алчевськ),

доцент кафедри обробки металів тиском

Провідна установа: Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться " 24 " 10 2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 29.051.02 Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20 а

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20 а

Автореферат розісланий " 23 " 09 2002 року.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 29.051.02

кандидат технічних наук, доцент _______________________ Гутько Ю.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Найважливішим завданням машинобудування в сучасних умовах є забезпечення конкурентноспроможності продукції, що випускається, а це обумовлює різке підвищення вимог до якості й експлуатаційних властивостей виробів при зниженні собівартості їхнього виробництва. Успішному вирішенню цього питання в значній мірі сприяє застосування високоефективних технологій і підвищення якості їхнього проектування, що реалізує економію матеріальних, трудових ресурсів та енергозбереження.

У різних галузях промисловості, таких як машинобудування, приладобудування, точна індустрія, виробництво деталей боєприпасів для стрілецької й артилерійської зброї й ін., знаходять поширення застосування глибоких порожнистих циліндричних деталей, що виготовляються з листового матеріалу різними способами витягування: витягування без стоншення, витягування зі стоншенням стінки і комбіноване витягування. Останнє є найбільш ефективним для виготовлення деталей із глибокою порожниною. Воно представляє формозміну з одночасним зменшенням діаметра заготовки і товщини стінки. Комбіноване витягування дозволяє виготовляти вироби з підвищеною точністю діаметральних розмірів, більш зміцненою стінкою, досягати великих ступенів деформації в порівнянні з витягуванням без стоншення і зі стоншенням стінки, що дає можливість інтенсифікувати процес за рахунок скорочення числа штампувальних операцій.

Проектування технологічних процесів витягування порожнистих деталей здебільшого засновано на застосуванні емпіричних граничних коефіцієнтів формозміни з довідних матеріалів, а також результатів теоретичних досліджень, у яких не повною мірою враховують ряд практично важливих параметрів процесу. Це породжує помилки при проектуванні технологічних процесів, а в ряді випадків приводить до необхідності експериментальної доробки технологій, що подовжує терміни підготовки виробництва.

Виходячи з викладеного, удосконалення процесів комбінованого витягування порожнистих циліндрів з листових заготовок є актуальним науковим завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках держбюджетної науково-дослідної роботи ГН-14-00 (№ держ. реєстрації 0100U006293) кафедри “Обладнання для обробки металів тиском” СНУ “Методи оптимізації технічних рішень у технологіях штампування та штучного охолодження при зварюванні з примусовим тепловідводом”, БМ-5-99 “Розробка теоретичних основ формозміни і методів проектування ресурсозберігаючих технологій точного штампування”.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є підвищення техніко-економічних показників процесів комбінованого витягування порожнистих циліндрів на основі розвитку математичних моделей для їх різноманітного автоматизованого проектування. Для досягнення поставленої мети в роботі були поставлені і вирішені наступні задачі:

§

§

§

§

§

§

Об'єкт дослідження – процеси витягування порожнистих циліндричних деталей з листової заготовки, шляхи їхньої інтенсифікації.

Предмет дослідження – методи розрахунку формозміни при комбінованому витягуванні порожнистих циліндрів і математичні моделі для їх багатоваріантного комп'ютерного проектування.

Методи дослідження. У роботі використаний метод дослідження, що включає теоретичний аналіз і експериментальну перевірку отриманих результатів.

В основу теоретичних досліджень покладено основні положення механіки суцільних середовищ, теорії пластичності, метод спільного розв’язку рівнянь рівноваги і пластичності та метод балансу робіт з чисельною реалізацією аналітичних рішень на етапах виконання операцій. Експериментальні методи включали фізичне моделювання, тензометрію для визначення зусиль і метод координатної сітки для визначення деформацій. Для оцінки точності вимірів і адекватності математичних моделей використовувалися методи математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

-

-

-

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено рекомендації з удосконалення проектування технології штампування порожнистих циліндрів з листових заготовок комбінованим витягуванням та витягуванням зі стоншенням стінки.

На основі отриманих математичних моделей складено алгоритми, за якими розроблені компоненти САПР технологічних процесів штампування порожнистих циліндрів з листових заготовок з використанням комбінованого витягування та витягування зі стоншенням стінки, що забезпечують багатоваріантне комп'ютерне проектування операцій і вибір найкращих параметрів технології.

Рекомендації з проектування технологічних процесів штампування порожнистих циліндрів з листових заготовок, математичні моделі використані при проектуванні технологічного процесу комбінованого витягування циліндрів приводу засувки УФ-13005-050-А для підприємства ТОВ “ТЕКО”, м. Луганськ.

Матеріали роботи використовуються в навчальному процесі СНУ імені Володимира Даля на кафедрі “Обладнання для обробки металів тиском” при вивченні дисциплін “САПР технологічних процесів” та “Технологія холодного штампування”, а також при виконанні студентами курсових, дипломних проектів і магістерських робіт.

Особистий внесок здобувача складається з наступного: удосконалення математичної моделі розрахунку напруг, зусиль і граничних деформацій при витягуванні зі стоншенням стінки; розробка й обґрунтування стадій процесу комбінованого витягування; розробка аналітичного рішення для напружено-деформованого стану металу в елементах заготовки при комбінованому витягуванні порожнистих циліндрів; розробка чисельних математичних моделей для різних реалізацій комбінованого витягування порожнистих циліндрів; проведення розрахункових експериментів і аналіз їхніх результатів; розробка методик і участь у проведенні експериментальних досліджень; аналіз і узагальнення результатів проведених у дисертації теоретичних і експериментальних досліджень; участь у розробці рекомендацій із проектування технологій штампування порожнистих циліндрів з комбінованим витягуванням і впровадження їх у виробництво.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи повідомлені й обговорені на щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу та наукових співробітників Східноукраїнського національного університету, м. Луганськ, 1999 – 2002 р.; на Міжнародних науково-технічних конференціях “Перспективні технології та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії”, м. Краматорськ, 23 – 26 квітня 2001р. та 23 – 26 квітня 2002 р.; “Застосування теорії пластичності в сучасних технологіях обробки тиском”, м. Вінниця, 31 травня – 2 червня 2001 р.; на науково-технічній конференції “Проблеми створення нових машин і технологій”, м. Луганськ, 5 червня 2001 р.

Публікації. Основний зміст дисертації викладено у 7 наукових статтях у фахових збірниках наукових праць, 1 – тезі доповіді.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків та додатків. Повний обсяг роботи – 155 сторінок. Робота містить 31 рисунок, 9 таблиць, список використаних джерел з 105 найменувань і 2 додатки, що у сукупності займають 30 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведено загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовані мета та задачі дослідження, визначено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі наведено аналіз сучасного стану теорії і технології витягування, витягування зі стоншенням стінки та комбінованого витягування циліндричних напівфабрикатів з листового матеріалу.

Показано, що, поряд з розробкою нових способів деформування, удосконалення методів теоретичного аналізу і комп'ютерне математичне моделювання є ефективними шляхами інтенсифікації процесів витягування, котрі забезпечують результат без капітальних витрат на обладнання й оснащення, а також значно прискорюють підготовку виробництва.

Значний вклад у розвиток теорії витягування без стоншення і зі стоншенням стінки та їхнє застосування в промисловості внесли Ю.О.Аверкієв, О.Ю.Аверкієв, С.І.Вдовін, С.І.Губкін, В.Д.Головльов, В.О.Євстратов, В.О.Жарков, Г.Закс, О.М.Малов, І.А.Норіцин, А.Г.Овчинніков, Є.О.Попов, В.І.Стеблюк, Л.А.Шофман, Р.Хілл, С.П.Яковлєв та ін.

Питання теорії і технології комбінованого витягування розглянуті в роботах У.Баудера, С.А.Валієва, Г.Закса, Е.Зібеля, І.П.Обозова, В.Селліна, С.С.Яковлєва та інших. Рекомендації щодо виготовлення порожнистих циліндричних виробів з ізотропного матеріалу комбінованим витягуванням найбільш повно відбиті в роботах С.А.Валієва.

Однак ряд важливих питань, пов'язаних з проектуванням технологічних процесів комбінованим витягуванням циліндричних виробів і відшуканням раціональних умов ведення цих процесів, не вирішений. Розрахунок параметрів технології витягування здійснюється без урахування дійсних значень товщини і напруги плинності матеріалу на вході у вогнище деформації стоншення і реального зміцнення в самому вогнищі деформації стоншення.

На підставі аналітичного огляду встановлено, що для удосконалення складних немонотонних процесів комбінованого витягування необхідне створення сучасних математичних моделей формозміни, що дозволяють враховувати вплив зазначених параметрів і оперативно виконувати різноманітні технологічні розрахунки.

В другому розділі обґрунтовано вибір напрямку удосконалення і методики теоретичних і експериментальних досліджень процесів комбінованого витягування порожнистих циліндричних деталей з листових матеріалів.

Як напрямок удосконалення процесів витягування обрано створення методики багатоваріантного комп'ютерного проектування операцій штампування порожнистих циліндрів, в основу якої покладено математичні моделі для поетапного та поелементного моделювання напружено-деформованого стану металу деформуємої заготовки, що враховує основні технологічні й експлуатаційні особливості деталей, що штампуються, а також впливу різних факторів, котрі визначають багатоманітність можливих варіантів технології.

Для теоретичного аналізу обрано метод спільного розв’язку рівнянь рівноваги і пластичності та метод балансу робіт.

В основу експериментальних досліджень покладено методи тензометрії для виміру деформуючих зусиль, метод координатної сітки для визначення деформованого стану і метод виміру твердості для визначення міцнісних властивостей деталей.

Третій розділ присвячений теоретичному аналізу напружено-деформованого стану (НДС) металу при витягуванні зі стоншенням стінки. Отримано уточнений аналітичний розв’язок задачі обчислення компонентів НДС, що дозволяє враховувати перемінну товщину стінки і механічні властивості металу заготовки, а також зміну властивостей у процесі деформації стоншення за рахунок зміцнення.

Математичне моделювання будується на основі розбивки процесу на велику кількість етапів і завдання малого переміщення ходу пуансона. Для кожного етапу деформування за дійсним значенням товщини стінки та властивостей розраховуються компоненти НДС та необхідні параметри операції.

У теоретичному аналізі НДС розглядається загальний випадок витягування через конічну матрицю, що враховує всі характерні елементи силового впливу на деформуємий метал. У вогнищі деформації поряд зі стоншенням стінки відбувається деформація зсуву на верхній і нижній його границях. На верхній границі вогнища деформації діє осьова нормальна напруга , створювана за рахунок протинатягу в результаті деформації заготовки на площині фланця і радіусній кромці матриці та (або) тертя на поверхні пуансона в проміжку між матрицями при витягуванні через кілька матриць.

Вважається, що плин металу радіальний, і метал у вогнищі деформації знаходиться в умовах плоского деформованого стану. Складові радіальної напруги від пластичної деформації стоншення і зсув на границях вогнища деформації визначені відповідно інженерним методом та методом балансу робіт. При цьому зміцнення металу у вогнищі деформації враховується з використанням закону у виді

, (1)

де E і m – коефіцієнти, постійні за довжиною вогнища деформації, обчислюються з використанням кривої зміцнення

; . (2)

Тут , A, n – коефіцієнти апроксимації кривої зміцнення; і - сумарні ступені деформації на етапах обробки; ; і – товщини стінки до та після деформації.

Підсумовуючи й одержано вираз для розтягуючої напруги на виході з матриці

. (3)

де ; і - коефіцієнти тертя на поверхнях матриці і пуансона; - кут схилу матриці.

Повне зусилля витягування визначається сумою двох складових:

, (4)

де Р1 – тягнуче зусилля; - зусилля, перенесене пуансоном через наявність тертя між пуансоном та заготовкою.

, (5)

де .

Граничний ступінь деформації за міцністю стінки заготовки знаходиться з умови, що , де - напруга плинності металу на виході з матриці

. (6)

Аналіз результатів розрахунку показав, що напруга на виході з матриці і зусилля витягування, обчислені за отриманими формулами (3) і (5) з урахуванням реального зміцнення металу, на 6 – 8 % менше, ніж за формулами інших авторів, що враховують зміцнення прийняттям у розрахунок середнього значення напруги плинності матеріалу у вогнищі деформації.

Підтверджено істотний вплив співвідношення коефіцієнтів тертя на поверхнях матриці і пуансона на характер залежностей , . Якщо , то криві мають екстремум при визначеному куті матриці, значення якого багато авторів вважають оптимальним. При характер зазначених залежностей якісно змінюється. Зі зменшенням має місце монотонне зниження і ріст тим сильніше, чим більше різниця між і . Для таких умов витягування варто вважати раціональними кути схилу матриці мінімально можливі, при яких забезпечується задовільна стійкість інструмента та не відбувається спотворення форми дна напівфабрикату.

Для послідовного й одночасного витягування через кілька матриць отримано формули для і з використанням виразів (3) і (5) підставкою в них відповідних значень та доданням у (4) відповідних , що представляють результат тертя заготовки по пуансону в проміжку між матрицями. Для одночасного витягування представляє розтягальну напругу на виході з попередньої матриці.

Аналіз одержаних формул показав, що застосування послідовного й одночасного витягування через кілька матриць підвищує сумарний граничний ступінь деформації за рахунок корисної дії сил тертя на поверхні пуансона в проміжках між матрицями чи вище матриці при послідовному витягуванні. Ефект підвищення штампування залежить від співвідношення між і та . При одночасному витягуванні він знижується зі зменшенням і зі збільшенням . При визначених значеннях цих параметрів зазначений ефект може бути негативним.

Перевірка виведених формул для зусиль виконувалася шляхом порівняння розрахункових значень з експериментальними даними, отриманими І.П.Ренне; розбіжність розрахункових значень для кутів схилу матриці не перевищує 9,4 %.

Виконаний теоретичний аналіз витягування зі стоншенням відноситься до процесів деформації, за яких у вогнище деформації надходить заготовка з перемінною товщиною стінки та механічних властивостей, що обумовлює розгляд їх як нестаціонарних. У цьому випадку методика математичного моделювання будується на основі розбивки процесу на велике число етапів, і завдання малого збільшення ходу пуансона для кожного етапу деформування за дійсним значенням товщини стінки та властивостей розраховуються компоненти НДС і визначається можливість руйнування. Якщо руйнування можливе, то у вихідні дані вносяться змінені параметри, котрі полегшують процес, і моделювання продовжується до одержання умов витягування без руйнування.

У четвертому розділі проведено теоретичний аналіз напружено-деформованого стану металу в процесі комбінованого витягування порожнистих циліндрів з листової заготовки в радіальній матриці на першому і наступних переходах через одну та дві матриці. При цьому була розроблена математична модель процесу деформування, що дозволяє врахувати зміну товщини і механічних властивостей в елементах деформуємої заготовки.

Аналіз і математичне моделювання нестаціонарного процесу комбінованого витягування виконано із представленням формозміни у виді послідовних етапів із заданим малим збільшенням ходу пуансона, що дозволило врахувати реальний характер зміни граничних умов.

У першому переході комбінованого витягування виділяється чотири стадії. На першій стадії деформується кільцева непритиснута частина заготовки шляхом просторового вигину з розтяганням металу навколо кромок пуансона і матриці, при цьому частково втягується і деформується фланець. В другій стадії деформується фланець і відбувається втягування металу в зазор між пуансоном і матрицею, а також оформлення вогнища деформації стоншення. Третя стадія представляє усталений процес комбінованого витягування, що включає деформацію фланця й стоншення утягненої в матрицю частини заготовки. На четвертій стадії втягується і деформується крайова частина заготовки без притиску, що потім стоншується. Розрахункова схема комбінованого витягування наведена на рис. 1.

Аналіз деформування кільцевої непритиснутої частини заготовки і фланця виконано з використанням методики, запропонованої В.А.Жарковим. Для кожної стадії визначається за умовою сталості об’єму площа , що на j – тім етапі повинна бути утягнена з фланця з урахуванням зміни товщини. За величиною обчислюється вектор збільшення переміщення часток заготовки на внутрішньому контурі фланця радіусом за виразом .

Рис. 1. Схема комбінованого витягування

Радіальну та тангенціальну напруги у фланці в полярній системі координат визначено за залежностями, отриманими В.В.Соколовським, котрі задовольняють умові пластичності Мізеса

; , (7)

де ; - шукана функція; - напруга плинності матеріалу.

Підстановка (7) у диференціальне рівняння рівноваги для осесиметричної деформації в умовах плоского деформованого стану і наступне інтегрування дає вираз

, (8)

який розв’язується методом ітерацій.

Далі в рівняння зв'язку напруг та приросту деформацій підставлено (7), і приріст деформацій у виді

; . (9)

Інтегрування отриманого диференціального рівняння з використанням граничної умови: при , дає вираз для приросту переміщення в будь-якій точці фланця

, (10)

де i – номер кільцевого контуру фланця.

Визначивши за (10) після кожного етапу витягування, знаходиться новий радіус i-того контуру фланця

. (11)

Збільшення деформацій і обчислюються за формулами (9) і (10), а величину приросту деформації , зв'язану зі зміною товщини заготовки, визначають з умови нестисливості . Накопичені деформації точки фланця на j-тім етапі визначають за виразом , а товщину заготовки в цій точці знаходять за величиною накопиченої деформації

. (12)

Для оцінки зміцнення використовується крива зміцнення у виді , де - відносна деформація, виражена у відсотках ; A і n – постійні.

Отримано формули для розтягуючої напруги у небезпечному перерізі в першій стадії (на границі контакту заготовки з пуансоном) і на верхній границі вогнища деформації стоншення для другої і третьої стадій. У них враховано вплив вигину на округлених кромках матриці і пуансона, впливу тертя від дії притиску та на радіусній кромці матриці здійснений за роботами Є.О.Попова та Л.А.Шофмана

; (13)

, (14)

де - радіальна розтягуюча напруга на внутрішньому контурі фланця, що обчислюється за (7); - радіальна розтягуюча напруга, викликана силами тертя в результаті притиску фланця заготовки; - товщини заготовки і напруги плинності матеріалу в перетинах, що проходять через точки В, М та N; - коефіцієнт тертя на поверхні округленої кромки матриці; та - кути охоплення заготовкою округленої кромки матриці.

На четвертій стадії розтягуюча напруга на верхній границі вогнища деформації стоншення плавно зменшується від величини наприкінці третьої стадії до нуля, майже за лінійною залежністю. Отримано формули для обчислення , деформацій та напруг плинності металу заготовки на четвертій стадії.

Розтягуюча напруга на виході з матриці та зусилля комбінованого витягування для другої і третьої стадій обчислюються за формулами (3) і (5) з підстановкою в них значень за (14), а для четвертої стадії обчислене як напруга, що монотонно знижуюється до нуля від початку четвертої стадії – до кінця процесу. При цьому у виразах (3) та (5) представляє кут нахилу твірної умовної конічної поверхні, що заміняє тороідальну контактну поверхню матриці.

Умова витягування без руйнування визначається показником завантаження операції , де - розтягуюча напруга у небезпечному перерізі (перетин, що проходить через точку М для першої стадії і перетин на виході з матриці для інших стадій; - напруга плинності металу в небезпечному перерізі на даному етапі витягування.

Виконано аналіз комбінованого витягування через дві матриці. Вираз для розтягуючої напруги на виході з другої матриці отримано з використанням (3) з підстановкою в нього в якості значення розтягуючої напруги комбінованого витягування на виході з першої матриці. Зусилля витягування через дві матриці визначено аналогічно (5), але як сума трьох складових , де - тягнуче зусилля; - зусилля, перенесене пуансоном у зв'язку з наявністю тертя між пуансоном і заготовкою у вогнищах деформації стоншення першої і другої матриць; - те ж, що і, але в проміжку між матрицями.

Зусилля витягування для першої стадії обчислюється за виразом

. (15)

Розглянуто процес деформування комбінованим витягуванням на наступному переході в радіусній матриці порожньої циліндричної заготовки зі стоншенною стінкою, отриманою комбінованим витягуванням. Для цього випадку задача по визначенню НДС матеріалу зводиться до розглянутого вище розв’язку для першої операції витягування з порожньої заготовки з тією відмінністю, що на зовнішньому контурі плоского фланця прикладено додаткову розтягуючу напругу від вигину і випрямлення стінки циліндричної частини напівфабрикату при його переході на площину матриці, що знайдена за роботами Є.О.Попова. На наступному переході комбінованого витягування найбільш напруженими є етапи деформування донної частини заготовки, що має первісну товщину. Тому максимум розтягуючої напруги на виході з матриці, зусилля і показника завантаження операції мають місце на цих початкових етапах витягування.

На основі отриманих теоретичних рішень для НДС металу при комбінованому витягуванні розроблено алгоритм чисельного математичного моделювання операцій витягування порожнистих циліндрів із плоскої та порожнистої заготовки через одну та дві матриці.

Методика чисельного математичного моделювання полягає в наступному: весь процес формозміни розбивається на велику кількість етапів і задається мале збільшення ходу пуансона; з урахуванням НДС та зміни товщини заготовки розраховують об’єм матеріалу, що на даному етапі повинен бути втягнутий із фланця; визначають приріст переміщень часток заготовки на контурах кінцевої безлічі елементарних кілець, на які попередньо розбивається фланець рівновіддаленими круговими перетинами; обчислюють компоненти НДС заготовки у фланці на контурах елементарних кілець, на радіусній кромці матриці та у вогнищі деформації стоншення і необхідні параметри процесу з урахуванням зміцнення, зміни товщини, сил тертя; визначають можливість руйнування заготовки на кожному етапі; розраховують нові змінені радіуси контурів, не утягнених у матрицю елементарних кілець фланця; задають наступне збільшення ходу пуансона, і всі описані стадії моделювання повторюють до моменту виходу краю виробу з зазору між пуансоном і матрицею.

Якщо на якомусь етапі витяжки , то можливе руйнування заготовки. Тоді у вихідні дані вносяться змінені параметри виконання операції, які полегшують процес деформування або застосовується витягування через дві матриці. Якщо ці зміни не дають необхідного зниження , то проектується багатоопераційний процес.

Алгоритм і складена на його основі комп'ютерна програма передбачає можливість виводу результатів у виді графіків зміни параметрів НДС металу заготовки, зусилля та за ходом пуансона, що істотно полегшує вибір напрямку зміни вихідних даних для синтезування варіантів технології і вибір раціонального процесу.

Виконано обчислювальні експерименти з визначення параметрів НДС заготовки, зусиль, показника завантаження операції і граничних деформацій, які показали, що розподіл розрахункових напруг і деформацій у фланці на першому переході витягування відповідає відомим розподілам з теорії листового штампування. Значення радіуса нейтральної окружності у фланці отримано рівним , що відповідає теоретичному значенню , визначеному з використанням умови пластичності Мізеса.

Аналіз розрахункових розподілів для різних можливих граничних умов деформування, обумовлених сполученням коефіцієнта витяжки і коефіцієнта стоншення показав, що тільки дані розподіли можуть бути критеріями для встановлення характеру можливого руйнування та моменту його виникнення.

Показано, що при комбінованому витягуванні руйнування заготовки може мати місце в будь-який момент формозміни, починаючи з моменту формування вогнища деформації стоншення і закінчуючи четвертою стадією. При цьому зі збільшенням деформації стоншення місце руйнування зміщається від придонної частини стінки до відкритого торця циліндра.

За даними обчислювальних експериментів отримано залежність граничного коефіцієнта стоншення від коефіцієнта витягування для комбінованого витягування заготовок з відносною товщиною . Залежність апроксимована квадратичним поліномом . Вона може бути використана для призначення і для побудови технології в першому наближенні.

У п'ятому розділі приводяться результати експериментальних досліджень деформованого стану, зусиль і механічних властивостей виробів при комбінованому витягуванні. Експерименти проводилися з використанням спеціальної виготовленої установки, призначеної для дослідження процесів витягування, що монтувалася на гідравлічному пресі простої дії зусиллям 630 кН.

Вихідні заготовки діаметром 194 мм виготовлялися з холоднокатаної сталі 08кп номінальною товщиною 1,0 мм. Внутрішній діаметр штампованої деталі 92,3 мм, товщина стінки 0,6 мм. Радіуси скруглення кромки матриці 10 мм, пуансона 5 мм. Зусилля притиску приймалося рівним 3,6 кН. Механічні властивості металу після комбінованого витягування вивчалися на зразках, вирізаних зі стінки деталей дослідної партії циліндрів, відштампованих комбінованим витягуванням з листової сталі 35 товщиною 8 мм. Як технологічне змащення використовували обмилене цинко-фосфатне покриття поверхні заготовки.

Аналіз результатів дослідження показав достатній ступінь адекватності отриманих математичних моделей НДС металу заготовки при чисельній їхній реалізації. Максимальні відхилення результатів експериментальних і теоретичних досліджень у розглянутих випадках становили: для зусилля деформування + 12, – 7 %; для деформацій у трьох взаємно перпендикулярних напрямках і інтенсивності деформації стінки не більш + 9, –10 %; для товщини стінки витягнутого виробу + 11, - 5 %; для значень напруги плинності металу стінки + 10, - 8 %.

У шостому розділі на підставі проведених теоретичних, експериментальних досліджень і моделювання комбінованого витягування, а також з огляду на досвід підприємств з використання процесів витягування, розроблено рекомендації з проектування технологічних процесів штампування порожнистих циліндрів на основі комбінованого витягування. Рекомендації містять основні відомості про порядок розробки раціональних технологічних процесів з використанням розроблених математичних моделей.

Проектування технології передбачає спочатку розрахунок її параметрів у першому наближенні, що включає побудову переходів на основі рекомендацій довідкової літератури з граничного деформування, а потім математичне моделювання операцій з визначенням параметрів НДС заготовки і показника завантаження їх на етапах витягування, варіювання параметрів технології з урахуванням отриманих у роботі результатів та вибір найкращого варіанта. Приводиться узагальнена методика розрахунку технологічних параметрів на основі даних довідкової літератури з побудовою рівнонавантажених витяжних переходів.

Результати досліджень, методика, алгоритм і програма поетапного і поелементного математичного моделювання і рекомендації з проектування технології були використані для розробки нового технологічного процесу штампування циліндрів приводу засувки УФ-13005-050-А із листової сталі 35. Штампування дослідної партії циліндрів і їхнє випробування на підприємстві ТОВ “ТЕКО”, м. Луганськ, показали ефективність нової технології, що дає можливість досягати зниження витрат на матеріал до 15 %, обумовлене заміною трубної заготовки на листову; зменшення трудомісткості виготовлення до 20 %, підвищення якості і товарного виду виробу в зв'язку з реалізацією суцільноштампованої конструкції циліндра з дном.

ВИСНОВКИ

1. Показано, що ефективним шляхом пошуку раціональних режимів деформації операцій нестаціонарного процесу комбінованого витягування, є створення методики багатоваріантного комп'ютерного проектування, в основу якого покладено поетапне і заелементне моделювання напружено-деформованого стану металу, що враховує технологічні й експлуатаційні особливості деталей, що штампуються, а також вплив різних факторів, що визначають різноманіття можливих варіантів технології.

2. Удосконалено аналітичне розв’язання задачі розрахунку напруг і граничних деформацій при витягуванні зі стоншенням стінки з урахуванням зміцнення металу у виді наростаючої зміни властивостей по мірі руху часток від входу до виходу з вогнища деформації для процесів витягування через одну і кілька матриць послідовно й одночасно. Отримано формули для розрахунку напруг і деформуючого зусилля, що дають уточнені убік зниження на 6 – 8 % значення напруг і зусиль у порівнянні з рішенням, що враховує деформаційне зміцнення прийняттям середнього по вогнищу деформації напруги плинності.

3. Отримано аналітичний розв’язок для напружено-деформованого стану металу при комбінованому витягуванні порожнистих циліндрів з листового матеріалу для першої і наступної операцій витягування через одну та дві матриці з урахуванням зміни товщини і зміцнення металу в елементах заготовки на етапах деформування.

4. На основі отриманих теоретичних розв’язків для НДС металу заготовки розроблено алгоритм чисельного математичного моделювання процесу комбінованого витягування, що передбачає обчислення напруг, деформацій у вогнищі деформації, напруги плинності металу в елементах заготовки деформівного зусилля і встановлення можливості руйнування на етапах витягування.

5. Чисельна реалізація отриманих математичних моделей дозволила досліджувати можливі граничні стани процесів комбінованого витягування. У результаті обчислювальних експериментів показано, що максимум показника завантаження операції і відповідно руйнування заготовки може мати місце в будь-який момент формозміни, починаючи з моменту початку формування вогнища деформації стоншення і кінчаючи четвертою стадією при стоншенні крайової частини заготовки. Місце можливого руйнування визначається співвідношенням деформацій зменшення діаметра заготовки та стоншення; зі збільшенням деформації стоншення місце руйнування зміщається від придонної частини стінки до відкритого торця циліндра.

6. Зіставлення результатів теоретичних розрахунків і експериментальних досліджень зусиль і деформацій та механічних властивостей виробів підтвердило вірогідність отриманих математичних моделей, що свідчить про можливість їхнього використання для розв’язку задач проектування технологічних процесів і як базу знань у САПР технологій штампування порожнистих циліндрів з листових заготовок.

7. Розроблено рекомендації з проектування раціональних технологічних процесів штампування порожнистих циліндрів з листових заготовок комбінованим витягуванням, що передбачає спочатку розрахунок технології в першому наближенні, котре включає побудову рівнонавантажених переходів на основі рекомендацій довідкової літератури за граничним деформуванням, а потім математичне моделювання операцій з визначенням НДС заготовки і показника завантаження їх на етапах витягування з варіюванням параметрів технології, а також вибір найкращого варіанта.

8. Результати роботи у виді методик і програмних засобів використані в навчальному процесі при вивченні дисциплін “САПР технологічних процесів” та “Технологія холодного штампування”, а також при проектуванні дослідного технологічного процесу штампування циліндра привода засувки УФ-13005-050-А. Застосування нової технології забезпечує підвищення техніко-економічних показників при виготовленні циліндрів: зниження витрат на матеріали до 15% і зменшення трудомісткості виготовлення на 20%.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

[1] – Автору належить розробка математичної моделі розрахунку напруг, зусиль і граничних деформацій з урахуванням зміцнення.

[2] – Автору належить розробка конструкції інструмента для комбінованого витягування порожнистих циліндрів.

[3] – Автору належить розробка й обґрунтування стадій комбінованого витягування і виведення рівнянь математичної моделі.

[4] – Автору належить розробка методики розрахунку параметрів рівнонавантаженого процесу витягування.

[5] – Автору належить виведення рівнянь моделі комбінованого витягування через дві матриці.

[6] – Автору належить виведення рівнянь моделі для наступних переходів комбінованого витягування.

[7] – Автору належить виведення рівнянь моделі для витягування зі стоншенням стінки через кілька матриць.

АНОТАЦІЯ

Сергієнко О.В. Удосконалення процесів комбінованого витягування порожнистих циліндрів з листових заготовок на основі математичного моделювання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 – Процеси і машини обробки тиском. – Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2002 р.

Дисертація присвячена розвитку нових шляхів удосконалення технологічних процесів комбінованого витягування на основі створення математичних моделей для їх багатоваріантного автоматизованого проектування.

Удосконалено аналітичний розв’язок задачі розрахунку напруг і граничних деформацій при витягуванні зі стоншенням стінки через одну і кілька матриць послідовно й одночасно з урахуванням зміцнення металу в процесі деформації. Отримано аналітичний розв’язок для напружено-деформованого стану металу на першій і наступній операціях комбінованого витягування через одну та дві матриці, що враховує зміну товщини та зміцнення металу. Розроблено алгоритм чисельного математичного моделювання процесу комбінованого витягування, що передбачає обчислення напруг, деформацій, напруги плинності матеріалу в елементах заготовки, деформуючого зусилля і встановлення можливості руйнування на етапах витягування. Результати роботи у виді методик і програмних засобів використані при проектуванні технології штампування циліндра привода засувки, що дозволило зменшити витрати на матеріал до 15 % і знизити трудомісткість виготовлення на 20 %.

Ключові слова: порожній циліндр, листова заготовка, комбіноване витягування, технологія, математичне моделювання, напруга, деформація, руйнування, багатоваріантне проектування, удосконалення.

аНнотация

Сергиенко О.В. Совершенствование процессов комбинированной вытяжки полых цилиндров из листовых заготовок на основе математического моделирования. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 – Процессы и машины обработки давлением. – Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, 2002 г.

Диссертация посвящена развитию новых путей совершенствования технологических процессов комбинированной вытяжки на основе создания математических моделей для их многовариантного автоматизированного проектирования.

Усовершенствовано аналитическое решение задачи расчета напряжений и предельных деформаций при вытяжке с утонением стенки с учетом упрочнения металла в виде нарастающего изменения свойств по мере движения частиц от входа к выходу из очага деформации для процессов вытяжки через одну и несколько матриц последовательно и одновременно.

Получено аналитическое решение для напряженно-деформированного состояния металла при комбинированной вытяжке полых цилиндров из листового материала для первой и последующих операций вытяжки через одну и две матрицы с учетом изменения толщины и упрочнения металла в элементах заготовки на этапах деформирования. Получены формулы для расчёта напряжений и деформирующего усилия, которые дают уточнённые в сторону снижения на 6 – 8 % значения напряжений и усилий по сравнению с решением, учитывающим деформационное упрочнение принятием среднего по очагу деформации напряжения текучести.

На основе полученных теоретических решений для НДС металла заготовки разработан алгоритм численного математического моделирования процесса комбинированной вытяжки, предусматривающий вычисление напряжений, деформаций в очаге деформации, напряжения текучести металла в элементах заготовки, деформирующего усилия и установление возможности разрушения на этапах вытяжки.

Численная реализация полученных математических моделей позволила исследовать возможные предельные состояния процессов комбинированной вытяжки. В результате вычислительных экспериментов показано, что максимум показателя загрузки операции и соответственно разрушение заготовки может иметь место в любой момент формоизменения, начиная с момента начала формирования очага деформации утонения и кончая четвертой стадией при утонении краевой части заготовки. Положение места возможного разрушения определяется соотношением деформаций уменьшения диаметра заготовки и утонения; с увеличением деформации утонения место разрушения смещается от придонной части стенки к открытому торцу цилиндра.

Сопоставление результатов теоретических расчетов и экспериментальных исследований усилий, деформаций и механических свойств изделий подтвердило достоверность полученных математических моделей, что свидетельствует о возможности их