НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАНИ

"КИВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

УДК 621.983

Калюжний Олександр Володимирович

УДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСІВ ВИТЯГУВАННЯ ВИРОБІВ ЗІ ЗМІННОЮ ТОВЩИНОЮ СТІНОК І ДНА З ПРОФІЛЬНИХ ЗАГОТОВОК

Спеціальність 05.03.05 –

процеси та машини обробки тиском

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КИВ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Стеблюк Володимир Іванович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри механіки пластичності матеріалів та ресурсозберігаючих процесів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Драгобецький Володимир В'ячеславович, Кременчуцький державний політехнічний університет, завідувач кафедри технології машинобудування, м. Кременчук.

кандидат технічних наук, доцент

Левченко Володимир Миколайович, Національний технічний університет „Харківський політехнічний інститут”, доцент кафедри обробки металів тиском, м. Харків.

Провідна установа: - Державне підприємство „Завод ім. В.О. Малишева” Міністерства промислової політики України, м. Харків.

Захист відбудеться “_23 ” квітня 2007 р. о 15 годин на засіданні спеціалізовано вченої ради Д26.002.01 Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут", за адресою 03056, м. Київ, проспект Перемоги 37, корп. №1, ауд. №166.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут" за адресою:

03056, м. Київ, проспект Перемоги 37.

Автореферат розісланий “16” березня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізовано вченої ради,

доктор технічних наук, професор Боронко О.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми: Удосконалення та розробка нових ресурсозберігаючих технологій в промисловості України на сьогодні в значній мірі визначаються скороченням термінів та затрат на підготовку виробництва. Зокрема, в машинобудівній та приладобудівній галузях, це стосується виготовлення порожнистих виробів спеціального призначення методами витягування з листового матеріалу. З цієї точки зору, перспективним способом є витягування з попередньо зпрофільованої заготовки в порівнянні з традиційними методами витягуванням без потоншення, з потоншенням та комбінованим із заготовок сталої товщини. Сутність вказаного способу полягає у наданні пластичним деформуванням певного профілю вихідній заготовці, що створює запас міцності в небезпечному перерізі та необхідні фізико-механічні властивості виробів і, в результаті, передумови скорочення кількості переходів.

Визначення геометричних параметрів попереднього профілювання заготовок, що забезпечують вказані переваги, на сьогодні, базується на спрощених аналітичних залежностях, які не враховують позаконтактну деформацію, неконтрольоване потоншення в небезпечному перерізі в процесі витягування і не гарантують необхідні фізико-механічні властивості отриманих порожнистих виробів. Тому геометричні параметри попередньо зпрофільованих заготовок уточнюються в ході відлагодження технологічного процесу, що викликає зростання термінів та вартості підготовки виробництва.

В роботі вирішена актуальна науково-практична задача удосконалення процесів витягування виробів зі змінною товщиною стінок і дна з профільних заготовок.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з пріоритетним напрямком розвитку науки і техніки ”Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” (Постанова Верховної Ради України №27057-Х1 від 16.10.92, а також в рамках держбюджетних тем №ДР 0103U000316 „Наукове та конструкторсько-технологічне забезпечення виробництва балонів скрапленого газу для вантажних автомобілів та автобусів, що відповідають міжнародним стандартам” та №ДР 0106U002485 „Виготовлення методом пластичної деформації прецизійних трубчастих виробів із спеціальним профілем внутрішньої поверхні”, виконавцем яких був автор.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності процесів витягування виробів зі змінною товщиною стінок і дна шляхом визначення геометричних параметрів попередньо зпрофільованої заготовки з урахуванням позаконтактної деформації та умов забезпечення необхідних фізико-механічних властивостей отриманих виробів, а також створення на цій основі технології та оснащення.

Для досягнення поставленої мети в роботі поставлені наступні задачі:

1. Розробити методику теоретичних досліджень попереднього профілювання заготовок та витягування з них методом скінчених елементів з урахуванням впливу конструктивних і технологічних параметрів.

2. Провести теоретичні дослідження по визначенню напружено-деформованого стану (НДС) та енерго-силових параметрів (ЕСП) профілювання заготовок для наступного витягування методами холодного пластичного деформування.

3. Провести теоретичні дослідження по визначенню НДС та ЕСП процесів витягування з профільних заготовок із різних матеріалів.

4. Провести теоретичні дослідження по визначенню НДС та ЕСП процесів витягування з потоншенням виробів із профільних заготовок різних матеріалів.

5. Провести експериментальні дослідження по профілюванню заготовок для витягування виробів з різними конструктивними параметрами і порівняти результати теоретичних досліджень з експериментальними даними.

6. На базі результатів теоретичних та експериментальних досліджень розробити технологію і спроектувати штампове оснащення для виготовлення виробів спеціального призначення.

7. Створити САПР процесів витягування з урахуванням технологічної спадковості після попереднього профілювання заготовок.

Об’єкт досліджень: процеси попереднього профілювання вихідних заготовок та витягування з них вісесиметричних порожнистих виробів.

Предмет досліджень: напружено-деформований стан осередків деформації в процесах попереднього профілювання заготовок та наступного витягування з потоншенням порожнистих виробів зі складним профілем стінок і дна, з урахуванням позаконтактного потоншення заготовки в зоні небезпечного перетину.

Методи досліджень: для аналізу процесів деформування металів на неусталеній і перехідній стадіях використаний метод скінчених елементів (МСЕ). В експериментальних дослідженнях використовували методи виміру твердості, дослідження макроструктури та мікроструктури.

Наукова новизна:

1. Отримали подальший розвиток математичні моделі процесів холодного формоутворення заготовок складної форми та наступного витягування з них виробів зі змінною товщиною стінок і дна, що дозволило проводити розрахунковий аналіз параметрів напружено-деформованого стану на всіх стадіях процесу та прогнозувати вплив конструктивних, технологічних та фізико-механічних факторів на геометрію виробів та властивості здеформованого металу.

2. Вперше методами чисельного аналізу визначені параметри силових режимів при формозміненні та напружено-деформованого стану по всьому об'єму заготовки в процесах витягування виробів зі змінною товщиною стінок і дна із профільних заготовок.

3. Вперше виявлений вплив радіуса заокруглення пуансону на неконтрольоване потоншення при витягуванні виробів зі змінною товщиною стінок і дна, що дозволило врахувати це потоншення та скорегувати профіль заготовки при подальшому витягуванні.

4. Математичним моделюванням процесу потоншення вперше визначені силові режими та НДС заготовки при потоншенні з одночасним обтискуванням виробу по поверхні пуансону циліндричної і конічної форми

Достовірність основних наукових положень і висновків забезпечується адекватністю математичної постановки задачі її фізичній сутності, відповідності отриманих теоретичних результатів експериментальним даним.

Практичне значення отриманих результатів:

1. Розроблені рекомендації по удосконаленню геометрії заготовки складної форми для компенсування потоншення при подальшому витягуванні виробів зі змінною товщиною стінок і дна.

2. На основі математичних моделей, створених на базі методу скінчених елементів, розроблені САПР для визначення параметрів технологічних процесів попереднього профілювання заготовок, переходів подальшого витягування та наступного потоншення виробів необхідної форми та заданими властивостями здеформованого металу.

3. Результати досліджень використані при створенні технологічних процесів виготовлення гільз на державному НДІ хімічних продуктів м. Шостка, процесу витягування деталі типу „стакан” з титанового сплаву на підприємстві ТОВ „НВК „ЮВІТ-ХХІ”, м.Київ та процесу витягування сталевих піддонів на Жулянському машинобудівному заводі, м.Київ.

4. Результати дисертаційної роботи використані в навчальному процесі кафедри механіки пластичності матеріалів та ресурсозберігаючих процесів НТУУ „КПІ” в курсах „Технологія холодного об'ємного штампування”, „Чисельні методи аналізу процесів обробки металів тиском”, „Інтенсифікація листового штампування”.

Апробація результатів дисертації: Матеріали дисертації повідомлені і обговорені на: Міжнародній науково-технічній конференції “Новые наукоемкие технологии, оборудование и оснастка для обработки материалов давлением”, Краматорськ, 2005, 2006; 4, 5 і 6-й Міжнародних конференціях “Прогрессивная техника и технология”, Севастополь, 2003,2004,2005; 6 та 7 –й Міжнародній науково технічній конференції “Пластична деформація металів”, Дніпропетровськ, 2002, 2005.

Особистий внесок здобувача: При проведенні досліджень, результати яких опубліковані в співавторстві, автором дисертації здійснені розробка математичних моделей холодного видавлювання профільних заготовок [2, 3], витягування та наступного потоншення [1, 4, алгоритмів [5], розрахунки та аналіз процесів холодної деформації металів з використанням методів комп’ютерного моделювання [6, 7], аналіз і узагальнення результатів теоретичних та експериментальних досліджень, розробка технології та оснащення і впровадження результатів у виробництво. У дисертації не використані ідеї співробітників, що сприяли виконанню роботи

Публікації: Матеріали дисертації опубліковані в 7 статтях у фахових виданнях, що відповідають переліку ВАК України.

Структура дисертації: Робота складається з вступу, 5 розділів, висновків та додатків. Вона викладена на 163 сторінках, містить таблиць - 3, рисунків - 55, список літературних джерел зі 188 найменувань, додатків – 13 на 27 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладено загальну характеристику роботи, обґрунтування актуальності теми дисертації, наведено мету та задачі дослідження, наукову новизну і практичні значення отриманих результатів.

У першому розділі викладено аналіз літературних джерел з аналізу напружено-деформованого стану в осередку деформації та в небезпечному перетині при витягуванні вісесиметричних виробів із листових матеріалів (дослідженнями процесів витягування в колишньому СРСР займались С.І. Губкін, І.А. Норіцин, Є.А. Попов, Г.А. Смірнов-Аляєв, В.П. Романовський, Л.А. Шофман, Є.І. Ісаченков, М.Н. Горбунов, І.П. Ренне, С.А. Валієв, Д.А. Вайнтрауб, М.Д. Томленов, Е.С. Сизов, В.І. Казаченок, С.П.Яковлєв, В.О.Євстратов, В.М. Левченко, за кордоном – Г. Закс, Е. Зібель та інші.), відомих методів виготовлення виробів спеціального призначення, методів удосконалення технологічних процесів витягування порожнистих виробів та відомих теоретичних і експериментальних досліджень витягування із попередньо зпрофільованих заготовок (результати досліджень викладені в роботах В.І. Стеблюка, М.В. Орлюка, Н.П. Агеєва, Г.А. Даниліна, В.П. Огороднікова ).

На основі аналізу літературних даних зроблено висновок, що для виготовлення виробів зі складним профілем стінок і дна перспективним є метод витягування з попередньо зпрофільованої заготовки. Для вказаного метода недостатньо відомих даних для визначення раціональної форми та розмірів профільної заготовки, оскільки в них не враховується неконтрольована деформація в позаконтактній зоні. Профіль заготовки, одержаний на основі спрощених модельних рішень, потребує уточнення при відлагодженні процесу витягування.

Наведений аналіз дітературних джерел по використанню метода скінчених елементів для аналізу процесів обробки металів тиском. Показана ефективність методу при визначенні НДС та силових режимів деформування, однак мало приділено уваги виявленню властивостей здеформованого металу. Зроблено висновок про необхідність створення математичних моделей процесів профілювання заготовки, процесів витягування та подальшого потоншення, які враховують технологічні, конструктивні та фізико-механічні фактори та удосконалення технологічних процесів витягування на їх основі.

У другому розділі визначені фактори, врахування яких необхідне для обґрунтування параметрів технологічних процесів формозмінюючих операцій листового штампування та створення їх математичних моделей (рис. 1). Врахування в повному обсязі вищенаведених конструктивних, технологічних та фізико-механічних факторів у всьому об'ємі заготовки можливе лише при використанні методів математичного моделювання чисельними методами.

Викладені основні положення визначення пружно-пластичних напружень і деформацій методом скінчених елементів в процесах обробки металів тиском. В основу побудови математичної моделі профілювання заготовок холодним видавлюванням на базі МСЕ покладено варіаційний принцип при використанні наступного балансу робіт : , де - компоненти тензора напружень; - компоненти тензора малих деформацій; - об’єм металу, що деформується; - поверхневе навантаження; - компоненти переміщень; - символ варіації , - поверхня металу, де діє навантаження. Для процесів профілювання холодним видавлюванням, розподілених на певну кількість кроків навантаження, основне рівняння МСЕ використовували в приростах , де [K]- матриця жорсткості, {}- прирости переміщень, {F}- прирости зусиль. Рівняння вирішували способом початкових напружень з використанням методик визначення кінцевих приростів напружень, які викладені в роботах О.К. Зенкевича, Г.К., Наяка, Є.М. Морозова, Г.П. Нікішкова.

Для моделювання процесів витягування з великими переміщеннями МСЕ використовували принцип віртуальності робіт:

, де - компоненти 2-го тензора Піоли-Кірхгофа, - компоненти тензора деформацій Гріна-Лагранжа, t- проміжок часу. В формулюванні МСЕ маємо: , де [Kn]- нелінійна матриця жорсткості. Такі підходи було реалізовано для моделювання вісесиметричних задач обробки металів тиском МСЕ з використанням пакету прикладних програм, створеному на кафедрі механіки пластичності матеріалів та ресурсозберігаючих процесів НТУУ “КПІ” при участі автора. При дискретизації об’єму металу, що деформується, були використані восьмивузлові ізопараметричні скінчені елементи.

Рис. 2. Розрахункова схема першого переходу витягування (1 – пуансон, 2 – заготовка, 3 – матриця)Технологічна спадковість після профілювання заготовок холодним видавлюванням, при подальшому витягуванні та потоншенні по переходах враховувалась заданням нових граничних умов та врахуванням деформаційного зміцнення і використаного ресурсу пластичності.

Врахування граничних умов приведемо на прикладі процесу витягування. Розрахункова схема показана на рис. 2 (вихідне положення перед витягуванням). Врахування конструктивних параметрів: поверхні пуансону та матриці, які вважали абсолютно жорстким, моделювали шляхом наявності або відсутності переміщень вузлів скінчених елементів в напрямках відповідних координатних вісей. На конічних поверхнях та на радіусах заокруглення інструменту, які заміняли певною кількістю конічних поверхонь, також задавали переміщення в напрямку, перпендикулярному вказаним поверхням. Технологічні параметри враховували наступним чином: оскільки процес моделюється з вихідного положення, то це дає можливість визначати НДС по всьому об'ємі заготовки; умови на контактній поверхні задавали шляхом завдання коефіцієнта тертя в залежності від змащення, що дає можливість визначати дотичні напруження на контактних поверхнях в залежності від нормальних напружень. Необхідні коефіцієнти формозмінення, потоншення визначалися кресленням виробу. Вказані допустимі коефіцієнти виявляли до моменту руйнування по критерію В.А. Огороднікова. Технологічна спадковість після першого переходу формоутворення визначалась в такій послідовності: після отримання моделюванням кінцевої форми заготовки чи напівфабрикату при подальшому формоутворенні вихідними даними були розподіл НДС по об’ємі, зміцнення здеформованого металу та ступінь використання ресурсу пластичності; моделювання подальшого формоутворення починали з завдання нових граничних умов, які описують операцію формоутворення або наступний перехід. Врахування фізико-механічних параметрів при моделюванні: діаграму руйнування, для визначення ступеня використання ресурсу пластичності по критерію В.А. Огороднікова, апроксимували формулою Г.Д. Деля; діаграму істинних напружень залежністю ; пружні властивості металу задавали модулем Юнга та коефіцієнтом Пуассона.

В третьому розділі викладено розрахунковий аналіз попереднього профілювання заготовок для подальшого витягування деталей з лінійною та нелінійною зміною товщини стінок і дна.

На рис. 3 показана розрахункова схема профілювання холодним видавлюванням заготовки з лінійною зміною товщини стінок і дна сталевої гільзи калібру 12.7 мм із сталі 11ЮА (1 – пуансон, 2 – заготовка, 3 – матриця). В силу симетрії розглядали половину заготовки. Сітка розбиття на скінчені елементи вихідної заготовки показана на рис. 4. Результати розрахунків наведені на рис 5-

Рис 4. Сітка розбиття на скінчені елементи вихідної заготовки.(вісі с, z - мм)

Рис. 3. Розрахункова схема профілювання. | Рис. 5. Сітка розбиття на скінчені елементи здеформованої заготовки.(вісі с, z - мм)

Рис. 6. Залежність зусилля деформування від переміщення матриці. | Рис. 7. Розподіл ступеня використання ресурсу пластичності .(вісі с, z - мм)

7. Здеформована сітка скінчених елементів наведена на рис. 5. На рис.6 показана залежність зусилля деформування від переміщення матриці hm. Зусилля, максимальне значення якого зафіксовано по контрольному манометру, становило 3450 КН, що відповідає розрахунковому. Як видно із рис. 7, максимальна ступінь використання ресурсу пластичності досягає =0,930,95, тому руйнування не спостерігається. На рис. 8 показана розрахункова схема профілювання холодним видавлюванням заготовки з не лінійною зміною товщини стінок і дна піддону сталевої гільзи калібру 152 мм (1 – пуансон, 2– заготовка, 3 – матриця). Сітка розбиття на скінчені елементи вихідної заготовки показана на рис. 9. Результати розрахунків наведені на рис 10, 11. Максимальне значення зусилля в кінці видавлювання склало 14,01 МН. Експериментальне значення зусилля 13.03 МН, було отримане на пресі ПО443 зусиллям 20 МН. Різниця складає 7%.

В четвертому розділі наведено результати моделювання процесів витягування деталей зі складним профілем стінок і дна з попередньо зпрофільованої заготовки з урахуванням неконтрольованого потоншення в зоні небезпечного перетину. На рис. 12 наведено розрахункову схему процесу витягування заготовки сталевого піддону гільзи калібру 152мм (1 – пуансон, 2 – заготовка, 3 – рухома матриця). Моделювання проводили до набуття заготовкою розмірів, заданих кресленням. Переміщення пуансону – 16 мм.

Рис. 9. Заготовка у вихідному стані (вісі с, z - мм) | Рис. 8. Розрахункова схема першого переходу (1 – пуансон, 2 – заготовка, 3 – матриця) | Рис. 10. Здеформована заготовка (вісі с, z - мм)

Рис. 11. Залежність зусилля деформування від переміщення пуансону

На рис. 13 показана сітка розбиття на скінченні елементи деталі після витягування. На рис. 14 наведений розподіл ступеня використання ресурсу пластичності ш по об'єму деталі. Також отримано розподіл всіх компонент напружень та деформацій, а також інтенсивності напружень і інтенсивності деформацій. На рис. 15 наведена залежність зусилля деформування від переміщення матриці. Максимальне розрахункове зусилля деформування – 535 кН. В результаті проведених експериментів максимальне зусилля склало 508.2 кН. Похибка розрахунків становить 5%.

Рис. 12. Розрахункова схема другого переходу | Рис. 13. Сітка розбиття на скінченні елементи деталі після витягування (вісі с, z - мм) | Рис. 14. Розподіл коефіцієнту використання ресурсу пластичності ш (вісі с, z - мм)

Рис. 15. Залежність зусилля деформування від переміщення матриці

Рис. 16. Заготовка у вихідному стані. (вісі с, z - мм) | Рис. 17. Здеформована заготовка. (вісі с, z - мм) | Рис. 18. Залежність зусилля витягування від переміщення пуансону.

Також, в четвертому розділі наведено результати моделювання процесів витягування та подальшого потоншення заготовок різного діаметру. На рис. 16-18 показано результати розрахунків процесу витягування з попередньо зпрофільованої заготовки гільзи калібру 12.7 мм. Згідно технологічного процесу, наступною операцією є потоншення стінки виробу: на першому переході – з 4,5 мм до 2,8 мм, на другому – з 2,8 мм до 1,98 мм з одночасним зменшенням внутрішнього діаметру з 21 мм до 19,5 мм. На рис. 20-21 наведено сітку розбиття заготовки на скінченні елементи після першого та другого переходу потоншення відповідно. Необхідно відмітити, що отримана розрахунковим шляхом форма заготовок повністю співпадає з формою заготовок, отриманих в результаті експериментів, наведених в роботах В.І. Стеблюка і М.В. Орлюка Розрахункове зусилля процесів потоншення різниться від практичних в межах, прийнятних для інженерних розрахунків.

Рис. 22. Залежність зусилля деформування від переміщення пуансону першого переходу потоншення.

Рис. 20. Заготовка після першого переходу потоншення.(вісі с,z-мм)Рис. 21. Заготовка після другого переходу потоншення. (вісі с, z - мм) | Рис. 23. Залежність зусилля деформування від переміщення пуансону другого переходу потоншення.

Далі розглянуто моделювання процесу витягування заготовки типу „стакан” зі сплаву ВТ-1-0. В ході розрахунків постала задача виключення потоншення заготовки в небезпечному перерізі – місці переходу від донної частини до стінки виробу. Це потоншення має суттєвий вплив на технологічні властивості заготовки при подальшому формоутворенні. Для запобігання утворенню потоншення було запропоновано на стадії моделювання визначити його величину в небезпечному перерізі і компенсувати за рахунок перепрофілювання заготовки. Для вирішення поставленої задачі було розроблено наступний алгоритм визначення і компенсації потоншення в небезпечному перерізі: Етап 1: моделювання процесу витягування з вихідної заготовки. На кожному кроці навантаження переміщення складало 0,05 мм. Процес моделювання проводили до набуття заготовкою заданої форми. Моделювання проводили для різних радіусів матриці та різних профілях заготовки. Розрахунковим шляхом визначено, що оптимальним радіусом матриці для отримання деталі за один перехід є радіус 40 мм, кут нахилу = 45°. Сітка розбиття на скінчені елементи профілю вихідної заготовки наведена на рис.24а (варто звернути увагу на обведений профіль вихідної заготовки та відповідну ділянку потоншення деталі в небезпечному перерізі (рис. 24б)).

а) |

а)

б) |

б)

Рис. 24. Сітка розбиття на скінчені елементи. а) вихідна заготовка, б) здеформована заготовка (вісі с, z - мм) | Рис. 25. Сітка розбиття на скінчені елементи

а) перепрофільованої заготовки,

б) здеформованої перепрофільованої заготовки (вісі с, z - мм)

Етап 2: по отриманій деталі після витягування (рис. 24б) програмно визначається ділянка потоншення в небезпечному перерізі, а також величина потоншення. Таким чином, пакет прикладних програм був доповнений рядом процедур, побудованих на базі векторного аналізу. Ці процедури дають змогу по закінченні моделювання процесу витягування знайти ділянку потоншення і обчислити саме величину потоншення для вузлів скінчених елементів в небезпечному перерізі.

Етап 3: проводиться корегування профілю (перепрофілювання) вихідної заготовки на величину потоншення, яке визначене на другому етапі розрахунків. Перепрофільована заготовка наведена на рис. 25а.

Етап 4: проведення повторного моделювання процесу витягування. На четвертому етапі моделювання проводиться аналогічно тому, яке наведено на першому етапі. Але в якості заготовки приймається перепрофільована заготовка(рис. 25а).

Етап 5: вивід результатів математичного моделювання методом скінчених елементів процесу витягування деталі типу „стакан” з профільної заготовки з компенсацією потоншення в небезпечному перерізі. На рис. 25б наведена сітка розбиття на скінчені елементи здеформованої перепрофільованої заготовки. Як видно з порівняння рис. 24б та рис. 25б потоншення в небезпечному перерізі відсутнє.

Таким чином, на стадії програмованого проектування було визначено ділянку потоншення в небезпечному перерізі та величину потоншення, яке потім було компенсоване за рахунок перепрофілювання вихідної заготовки.

Рис. 26. Заготовка | Рис. 27. Деталь | Експериментальні дослідження витягування деталей з профільних титанових заготовок проводились в лабораторії кафедри МПМ та РП ММІ НТУУ „КПІ”. Експериментальний штамп встановлювали на пресі ПД-476. Вихідну заготовку змащували мастилом ШС-2. Зусилля витягування фіксували по контрольному манометру. Максимальне зусилля витягування склало 1100 кН. Вихідна заготовка наведена на рис. 26. Отримана деталь наведена на рис. 27. Необхідно відмітити, що зусилля деформування та форма деталі, які були отримані експериментальним шляхом співпадають з теоретичними розрахунками, враховуючи позаконтактні ділянки осередку деформації

Також, у четвертому розділі наведено порівняльний аналіз розрахункових результатів з результатами досліджень макроструктури, мікроструктури та мікротвердості заготовок, отриманих експериментальним шляхом. Так наприклад, на зразку піддону гільзи калібру 152мм було виділено зони з малою (0.11), середньою (0.5) та великою (0.88) інтенсивністю деформацій еі відповідно до розподілу еі, отриманому розрахунковим шляхом. Заміри показали збільшення мікротвердості відповідно 1.05 HV, 1.438HV, 1.88HV, що свідчить про адекватність даних, отриманих в результаті розрахунків.

П'ятий розділ присвячений удосконаленню та розробці ресурсозберігаючих технологій виготовлення деталей зі складним профілем стінок і дна та конструюванню штампового оснащення. На основі виконаних теоретичних розрахунків та експериментальних робіт розроблені технологічні процеси та оснащення для: виготовлення сталевого піддону гільзи калібру 152 мм та виготовлення деталі типу „стакан” з титанового сплаву ВТ-1-0.

Результати роботи та висновки.

1. Проведений аналіз літературних джерел з існуючими технологіями виготовлення сталевих порожнистих виробів спеціального призначення. Показано, що існуючі технології трудомісткі, енергоємні, мають значну собівартість. Технологічні параметри визначають, в основному, на базі спрощених аналітичних залежностей, що не задовольняє сучасним вимогам до точності розрахунку НДС, енерго-силових параметрів при виготовленні виробів складної геометричної форми та скорочення витрат і термінів підготовки виробництва.

2. Розроблена методика визначення ЕСП і пружно-пластичного НДС в процесах холодного формування шляхом математичного моделювання таких процесів на базі сучасного чисельного метода скінчених елементів. Моделі враховують всі фактори, що впливають на холодне формозмінення металу: зокрема те, що не весь об’єм заготовки знаходиться в стані пластичності; пружні властивості металу і зміцнення; складну геометрію заготовки і деформуючого інструмента; тертя на контактуючих поверхнях; ступінь використання ресурсу пластичності; можливе розвантаження після пластичного деформування.

3. Проведено тестування методики і математичної моделі на її базі на процесі профілювання холодним видавлюванням заготовок із сталі 11ЮА малого діаметру для наступного витягування порожнистих виробів. Силові режими і геометрія виробу, отримані розрахунковим шляхом, співпали з результатами експериментальних даних.

4. Створена розрахункова схема та математична модель профілювання заготовки для наступного витягування порожнистих виробів зі складним профілем стінок і дна. Проведений розрахунковий аналіз з допомогою моделі дозволив визначити раціональні ЕСП та НДС для отримання необхідної геометрії напівфабрикату для другого переходу. Визначені зусилля деформування, питомі зусилля на деформуючому інструменті, геометрія деформуючого інструменту, ступінь використання ресурсу пластичності здеформованого металу.

5. Розроблена розрахункова схема та математична модель першого та наступних переходів витягування порожнистих виробів зі складним профілем стінок і дна. Проведений розрахунковий аналіз з допомогою моделі дозволив визначити оптимальні ЕСП та НДС для отримання необхідної геометрії напівфабрикату з урахуванням технологічної спадковості для кожного наступного переходу. Визначені зусилля деформування, питомі зусилля на деформуючому інструменті, геометрія деформуючого інструменту, ступінь використання ресурсу пластичності здеформованого металу.

6. Розроблена розрахункова схема та математична модель першого та наступних переходів потоншення порожнистих виробів зі складним профілем стінок і дна. Проведений розрахунковий аналіз з допомогою моделі дозволив визначити раціональні ЕСП, НДС та ступінь використання ресурсу пластичності здеформованого металу для отримання необхідної геометрії напівфабрикату для кожного наступного переходу. Встановлено вплив кута нахилу матриці на зусилля потоншення та властивості здеформованого металу. Мінімальне зусилля процесу потоншення забезпечується при куті 26°, максимальне значення та рівномірність зміцнення по ширині стінки виробу отримано при куті 32°.

7. По результатам математичного моделювання спроектовані конструкції штампового оснащення для переходів отримання порожнистого виробу необхідної геометрії.

8. Розроблена технологія на отримання порожнистого виробу спеціального призначення.

9. За допомогою розробленої методики та математичної моделі було проведено розрахунок процесу отримання порожнистого виробу із титанового сплаву ВТ-1-0. Спроектовано штампове оснащення, проведені експериментальні дослідження, результати яких співпадають з результатами розрахунків.

10. Розроблено технологію виготовлення порожнистого виробу з титанового сплаву з компенсуванням потоншення в небезпечному перерізі при витягуванні наданням заготовці відповідної форми попереднім профілюванням. Розроблена методика дозволяє на стадії розрахунків визначити розміри небезпечного перерізу, величину потоншення в небезпечному перерізі, а також компенсувати потоншення за рахунок перепрофілювання заготовки.

11. Порівняння результатів розрахунків з експериментальними даними свідчить про можливість використання розроблених методів та математичних моделей при розв'язку задач проектування технологічних процесів та як частину САПР технологій профілювання та витягування.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. В.І. Стеблюк, В.Л.Калюжний, О.В. Калюжний. Математичне моделювання процесу витягування з профільованої заготовки. //Вестник НТУУ КПИ. Машиностроение, вып.45.–Київ.–2004. –С. 30-33.

Здобувачем розроблена математична модель процесу витягування та проведені теоретичні розрахунки.

2. Стеблюк В.І., Калюжний В.Л., Калюжний О.В. Математичне моделювання попереднього профілювання заготовок для витяжки виробів спеціального призначення. //Технологические системы, №3(14). –Киев.– 2002. –С. 50-53.

Здобувачем розроблена математична модель процесу попереднього профілювання заготовок та проведені теоретичні розрахунки.

3. Стеблюк В.І., Калюжний В.Л., Орлюк М.В., Калюжний О.В. Розрахунковий аналіз холодного видавлювання заготовок для витяжки. // Металлургическая и горнорудная промышленность. №8-9, 2002. C.462-467.

Здобувачем виконано теоретичні розрахунки процесу попереднього профілювання заготовок.

4. Стеблюк В.І., Калюжний О.В. Визначення потоншення та запобігання його утворення в небезпечному перерізі при витягуванні з профільної заготовки. // Сучасні проблеми металургії//. Наукові вісті. Том 8. Пластична деформація металів . Дніпропетровськ: „Системні технології”, 2005. С. 496-498.

Здобувачем розроблені алгоритм визначення та компенсування потоншення в небезпечному перерізі, математичну модель процесу витягування з компенсацією потоншення та проведені теоретичні розрахунки.

5. Стеблюк В.І., Калюжний О.В. Аналіз процесів холодного об'ємного та листового штампування методом скінчених елементів. //Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії та машинобудуванні. // Тематичний збірник наукових праць. Краматорськ 2005. С.311-319.

Здобувачем запропонована послідовність вирішення задач листового штампування методом скінчених елементів. Проведено тестування на прикладі осаджування свинцевих заготовок.

6. Стеблюк В.І., Калюжний О.В. Математичне моделювання процесу витягування. // Вестник двигателестроения. №3 2005. С.131-135.

Здобувачем розроблена математична модель процесу витягування деталей різних розмірів та проведені теоретичні розрахунки.

7. Стеблюк В.І., Калюжний О.В. Визначення технологічних параметрів профілювання заготовок та витягування з них виробів шляхом математичного моделювання. //Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії та машинобудуванні. // Тематичний збірник наукових праць. Краматорськ 2006. С.323-327.

Здобувачем запропоновані математичні моделі процесів профілювання заготовок та наступного витягування з них виробів з урахуванням технологічної спадковості.

АНОТАЦІЯ

Калюжний О.В. Удосконалення процесів витягування виробів зі змінною товщиною стінок і дна з профільних заготовок. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - Процеси і машини обробки тиском. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2007 р.

Дисертація присвячена удосконаленню процесів витягування виробів зі змінною товщиною стінок і дна з профільних заготовок шляхом математичного моделювання.

Подальший розвиток процесів витягування пов'язаний з науковим обґрунтуванням та розробкою нових ресурсозберігаючих технологічних процесів, що забезпечують суттєве зменшення витрат на підготовку виробництва, підвищення продуктивності та якості отриманих виробів.

Проведено аналіз існуючих технологічних процесів витягування виробів зі змінною товщиною стінок і дна, більшість з яких базується на традиційних операціях витягування та витягування з потоншенням. Встановлено, що одним із пріоритетних напрямків удосконалення таких технологічних процесів є використання профільних заготовок.

На основі методу скінчених елементів отримали подальший розвиток математичні моделі процесів холодного формоутворення заготовок складної форми та наступного витягування з них виробів зі змінною товщиною стінок і дна, які дозволяють проводити розрахунковий аналіз параметрів напружено-деформованого стану на всіх стадіях процесу та прогнозувати вплив конструктивних, технологічних та фізико-механічних факторів на геометрію виробів та властивості здеформованого металу.

Методами чисельного аналізу визначені параметри напружено-деформованого стану по всьому об'єму заготовки та силових режимів при:

· формозміненні в процесах витягування виробів зі змінною товщиною стінок і дна із профільних заготовок.

· витягуванні виробів зі змінною товщиною стінок і дна, що дозволило скорегувати профіль заготовки та врахувати при подальшому витягуванні.

· потоншенні з одночасним обтискуванням виробу по поверхні пуансону циліндричної і конічної форми.

Розроблені рекомендації по удосконаленню геометрії заготовки складної форми для компенсування потоншення при подальшому витягуванні виробів зі змінною товщиною стінок і дна. На основі математичних моделей, створених на базі методу скінчених елементів, розроблені САПР для визначення параметрів технологічних процесів попереднього профілювання заготовок, переходів подальшого витягування та наступного потоншення виробів необхідної форми та заданими властивостями здеформованого металу. Результати теоретичних та експериментальних досліджень використані при створенні технологічних процесів виготовлення сталевої гільзи та піддону, а також процесу витягування деталі типу „стакан” з титанового сплаву.

Ключові слова: витягування, потоншення, математична модель, профільна заготовка, напружено-деформований стан.

АННОТАЦИЯ

Калюжный А.В. Усовершенствование процессов вытяжки изделий с переменной толщиной стенок и дна из профильных заготовок. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - процессы и машины обработки давлением. - Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2007 г.

Диссертация посвящена усовершенствованию процессов вытяжки изделий с переменной толщиной стенок и дна из профильных заготовок путем математического моделирования.

Дальнейшее развитие процессов вытяжки связано с научным обоснованием и разработкой новых ресурсосберегающих технологических процессов, которые обеспечивают существенное уменьшение затрат на подготовку производства, повышение производительности и качества полученных изделий. Проведен анализ существующих технологических процессов вытяжки изделий с переменной толщиной стенок и дна, большинство из которых базируется на традиционных операциях вытяжки и вытяжки с утонением.

Установлено, что одним из приоритетных направлений усовершенствования таких технологических процессов есть использование профильных заготовок.

На основе метода конечных элементов получили дальнейшее развитие математические модели процессов холодного формообразования заготовок сложной формы и последующей вытяжки из них изделий с переменной толщиной стенок и дна.

Методами численного анализа определены параметры силовых режимов и напряженно-деформированного состояния по всему объему заготовки при формоизменении в процессах вытяжки изделий с переменной толщиной стенок и дна из профильных заготовок.
На основе теоретического анализа выявлено влияние радиуса закругления пуансона на неконтролируемое утонение при вытяжке изделий с переменной толщиной стенок и дна, которое позволило учесть это утонение и скорректировать профиль заготовки при дальнейшем вытягивании. Также, впервые определены силовые режимы и НДС заготовки при утонении с одновременным обжатием изделия по поверхности пуансона цилиндрической и конической формы.

Разработаны рекомендации по усовершенствованию геометрии заготовки сложной формы. На основе математических моделей, созданных на базе метода конечных элементов, разработаны САПР для определения параметров технологических процессов предварительного профилирования заготовок, переходов последующей вытяжки и дальнейшего утонения изделий необходимой формы и заданными свойствами сдеформированного металла. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при создании технологических процессов изготовления стальной гильзы и поддона, а также процесса вытяжки детали типа „стакан” из титанового сплава.

Ключевые слова: вытяжка, утонение, математическая модель, профильная заготовка, напряженно-деформированное состояние.

ABSTRACT

Kalyuzhny A.V. Development of a drawing processes of details with variable thickness of walls and the bottom from profiledd blanks. - the Manuscript.

The thesis on searching science degree of PhD on the profession 05.03.05 - processes and equipment of elastic forming. - National Technical University of Ukraine "Kiev Polytechnic Institute ", Kiev, 2007

The thesis is devoted to development of processes of a drawing of products with variable thickness of walls and the bottom from profiled blanks by mathematical modelling.

The further development of the drawing processes is connected with a scientific analysis and development of new economic technological processes which provide essential saving cost of manufacture, increase productivity and quality of the details. Was carried out the analysis of existing technological processes of drawing details with variable walls thickness and bottom. The majority of existing technological processes are based on traditional operations of drawing and drawing with stretching.

It is found that one of the priory directions of technological processes is the use of profiled blank.

On the base of the finite elements method obtained the further development of mathematical models for cold deforming processes of complex shape blanks and the subsequent drawing details with variable walls thickness and the bottom from them.

Parameters of loading regimes and the stress-strain state (SSS) are determined in drawing processes of details with variable walls thickness and the bottom from profiled blanks by methods of a numerical analysis.

On the base of theoretical analysis was revealed the effect of the punch radius on uncontrollable stretching at a drawing of details with variable walls thickness and the bottom. It allowed to consider this stretching and to correct a profiled blank for the further drawing. Also, for the first time, loading regimes and the SSS was determined at drawing processes with a simultaneous compressing of the blank by surface of the punch with cylindrical or conic shape.

Recommendations on improvement of geometry of the complex shape blanks are developed. On the base of mathematical models are developed CAD for calculations parameters of technological processes of roll forming of blanks; drawing operations; stretching details of the necessary shape and properties of the deformed metal.

Results of researches were used at creation of technological processes of manufacture of a steel barrel, the bottom and drawing process of the titanic detail.

Keywords: a drawing, stretching, mathematical model, the profiled blank, the stress-strain state.