Наукова новизна
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
„КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”
УДК 621.73; 621.777
Калюжний Володимир Леонідович
ПРОГНОЗУВАННЯ ТА ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЯКОСТІ ВИРОБІВ В ПРОЦЕСАХ ХОЛОДНОГО ОБ’ЄМНОГО ШТАМПУВАННЯ
Спеціальність 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
КИВ – 2007
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України.
Науковий консультант - 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 Данченко Валентин Миколайович, Національна металургійна академія України, завідувач кафедри обробки металів тиском, м. Дніпропетровськ
- доктор технічних наук, професор Євстратов Віталій Олексійович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри обробки металів тиском, м. Харків
- доктор технічних наук, с.н.с Скрябін Семен Олександрович,
генеральний директор науково-виробничого центру ”Ухналь”, м. Київ
Захист відбудеться “10” грудня 2007р. 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".
03056, м. Київ, проспект Перемоги 37.
Автореферат розісланий “9” листопада 2007 р.
Вчений секретар спеціалізовано вченої ради,
доктор технічних наук, професор Боронко О.О.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Сучасний розвиток техніки в Україні та за рубежем зв’язаний з удосконаленням існуючих, розробкою та впровадженням нових технологій, які забезпечують збереження матеріальних, трудових, енергетичних та екологічних ресурсів. В металообробній промисловості ресурсозаощадження забезпечується широким впровадженням методів холодного об’ємного штампування (ХОШ), таких як пресування, видавлювання та висаджування. Вказані процеси дозволяють підвищити механічні властивості здеформованого металу, отримувати напівфабрикати і вироби з великою точністю, продуктивністю та економити метал. Можливість надавати сприятливої для роботи виробів макроструктури та деформаційного зміцнення дозволяють в багатьох випадках замінити дорогі марки металу на більш дешеві без зміни службових властивостей виробів і виключити подальшу термічну обробку. Однак прогнозування геометричної форми і точності виробів, властивостей здеформованого ХОШ металу на стадії проектування технологій в теперішній час базується на спрощених аналітичних залежностях і вимагає доопрацювання параметрів технології експериментальним шляхом. Для отримання виробів з заданими властивостями і визначення параметрів технології використовується виробничий досвід і необхідне проведення трудомістких, ресурсозатратних експериментів.
В теперішній час виробництво ставить також задачі розширення марок сталей, в тому числі важкодеформівних і малопластичних, для виготовлення високоточних виробів методами ХОШ, а тому виникає необхідність створення більш сприятливих для пластичності режимів деформування за рахунок відповідних механічних схем деформації і збільшення гідростатичного тиску в осередку деформації, зокрема, за рахунок деформування з протитиском. Для вказаних процесів не вирішено ряд задач, пов’язаних з визначенням параметрів протитиску та їх вплив на силові режими, напружено-деформований стан та технологічну пластичність при холодній формозміні металу. Вибір величини протитиску базується на експериментальних даних, потребує узагальнення і комплексної оцінки з урахуванням впливу на силові режими деформування та гідростатичний тиск в осередку деформації при холодному формоутворенні.
Необхідність швидкого і ефективного впровадження в виробництво процесів отримання виробів необхідної форми і точності, з прогнозованими властивостями та заданими властивостями методами ХОШ вимагає підвищення точності і надійності визначення параметрів технологічних процесів на етапі їх проектування. Оперативне визначення вказаних параметрів моделюванням технологічних процесів комп’ютерними методами забезпечує необхідні умови створення конкурентоспроможного виробництва, відродження промислового потенціалу України. Тому тема дисертації, спрямована на розв’язок важливої науково-технічної задачі, і є актуальною.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась на кафедрі механіки пластичності матеріалів та ресурсозберігаючих процесів НТУУ ”КПІ”. Виконання роботи було пов’язано: з Постановою ДКНТ СРСР №555 від 30.10.88 по темі 0.72.06.05.06Т “ Разработать и внедрить малоотходную технологию и оснастку для холодного формообразования изделий сложной формы с заданными физико-механическими свойствами в условиях высоких гидростатических давлений”; згідно з пріоритетним напрямком розвитку науки і техніки ”Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” (Постанова Верховної Ради України №27057-Х1 від 16.10.92) та тематикою координаційних планів науково-дослідних робіт з пріоритетних напрямків науки і техніки по розділу “Високоефективні технологічні процеси в машинобудуванні”. Робота також відповідає пріоритетному напрямку розвитку науки і техніки „Новітні технології ї ресурсозберігаючі технології в енергетиці і промисловості” 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, а також ряду госпдоговірних тем, де автор був керівником.
Мета та задачі досліджень. Метою роботи є розробка єдиного методологічного підходу в визначенні розрахунковим шляхом комплексного впливу конструктивних, технологічних та фізико-механічних параметрів ХОШ на отримання виробів необхідної форми, точності з прогнозованими та забезпеченими властивостями, а також створення та впровадження на цій основі ресурсозберігаючих процесів.
Для досягнення поставленої мети були сформульовані наступні задачі:
1. На базі чисельного методу скінчених елементів та досягнень теорії деформуємості розробити підходи аналізу формозміни металу ХОШ шляхом моделювання для визначення комплексного впливу конструктивних, технологічних та фізико-механічних параметрів на отримання виробів необхідної форми, точності з прогнозованими та забезпеченими властивостями здеформованого металу.
2. Створити математичні моделі процесів формоутворення металу ХОШ, які максимально відображають реальні умови деформування, дозволяють виявити розвиток напружено-деформованого стану в заготовці, визначити гідростатичний тиск в осередку деформації і його вплив на силові режими, пластичність металу, геометричну форму та властивості виробів після формозміни. Провести тестування моделей на існуючих та отриманих експериментальних даних.
3.
Провести моделювання закономірностей течії металу ХОШ при різних схемах навантаження на прикладах холодного видавлювання порожнистих виробів, пресування, висаджування. Виявити вплив конструктивних, технологічних та фізико-механічних параметрів на геометричну форму виробів та властивості здеформованого металу. Показати можливості отримувати вироби необхідної форми і точності, з прогнозованими та забезпеченими властивостями. Виконати експериментальні дослідження вказаних процесів, порівняти результати з даними розрахунків і відомими результатами з літератури.
4.
Виконати розрахунковий і експериментальний аналіз процесів холодного видавлювання виробів із малопластичних металів з прикладанням протитиску. Визначити мінімальну величину протитиску, яка необхідна для створення гідростатичного тиску в осередку деформації, що забезпечує формозміну ХОШ без руйнування, та встановити його вплив на силові режими, геометрію і властивості виробів в процесах видавлювання суцільних виробів та порожнин.
5.
На основі виконаних досліджень створити програмне забезпечення для системи автоматизованого визначення раціональних конструктивних, технологічних та фізико-механічних параметрів процесів холодного видавлювання виробів необхідної форми з прогнозованими та заданими властивостями без проведення трудомістких і затратних експериментів.
6.
Впровадити у виробництво ресурсозберігаючі процеси та конструкторсько-технологічні розробки на основі одержаних рішень перелічених задач.
Об’єкт досліджень. Процеси формозміни ХОШ: пресування, видавлювання та висаджування з супутнім та додатковим гідростатичним тиском в осередку деформації при деформуванні заготовок.
Предмет досліджень. Конструктивні, технологічні та фізико-механічні параметри процесів пресування, видавлювання та висаджування традиційних і в умовах підвищеного гідростатичного тиску в осередку деформації, їх комплексний вплив на силові режими, питомі зусилля, закономірності холодного формозмінення металів ХОШ та якість виробів, отриманих вказаними процесами.
Методи досліджень. Теоретичний аналіз деформування металів на неусталеній, перехідній та усталеній стадіях і до отримання кінцевого виробу шляхом моделювання виконаний методом скінчених елементів (МСЕ). Експериментальні дослідження проводилися в виробничих і лабораторних умовах з використанням універсального і спеціалізованого обладнання, застосуванням спеціально виготовленого оснащення на натурних зразках та моделях. Фізико-механічні властивості здеформованого металу визначали по ГОСТ 1479. Вироби кріплення підлягали випробуванням по ГОСТ 1759.
Наукова новизна. Наукову новизну мають перелічені нижче результати теоретичних і експериментальних досліджень.
1.
Запропоновано на базі методу скінчених елементів (МСЕ) підходи моделювання формозміни пластичних та малопластичних металів холодним об’ємним штампуванням, які, з урахуванням основних конструктивних, технологічних та фізико-механічних параметрів, включають визначення розвитку малих та великих пружно-пластичних деформацій, виявлення впливу виникаючого гідростатичного тиску в осередку деформації на пластичність та корегування його для підтримання формозміни без руйнування, дають можливість прогнозувати та забезпечувати якість виробів, що є підґрунтям для створення ресурсозберігаючих процесів, спрямованих на реалізацію переваг холодного об'ємного штампування.
2.
Створені, на основі запропонованих підходів, математичні моделі процесів холодного пресування, видавлювання та висаджування вісесиметричних виробів, які дають змогу комплексно оцінити вплив конструктивних, технологічних та фізико-механічних параметрів на процеси формоутворення і визначення оптимальних та раціональних параметрів, необхідних для отримання виробів з прогнозованою та забезпеченою якістю.
3.
Удосконалено теорію пресування вісесиметричних заготовок через конічну матрицю в напрямку визначення параметрів процесів для отримання виробів необхідної форми, точності з прогнозованою та забезпеченою якістю при раціональних силових режимах та питомих зусиллях без проведення трудомістких експериментів. Запропоновано спосіб формоутворення некруглих профілів пресуванням з роздачею, який забезпечує зменшення загальних, питомих зусиль та отримання сприятливої для роботи виробів макроструктури.
4.
Дістав подальший розвиток аналіз закономірностей формозміни металу в процесах холодного видавлювання стаканів плоским, конусним, плоско-конусним, сферичним пуансонами в напрямку отримання виробів необхідної форми, точності з прогнозованою та забезпеченою якістю. Запропоновані межі оптимального та раціонального використання процесів по силовим режимам і деформування без руйнування.
5.
Вперше при формозміні холодним об’ємним штампуванням малопластичних металів при диференційованому протитиску, який діє на вільну від навантаження інструментом поверхню металу, визначена мінімальна величина протитиску, яка забезпечує гідростатичний тиск в осередку деформації, необхідний для деформування без руйнування та зменшення силових режимів.
6.
Вперше сформульована і вирішена розрахунковим шляхом задача висаджування заготовок деталей кріплення заданого класу міцності: визначені конструктивні і технологічні параметри, які забезпечують необхідний розподіл напружено-деформованого стану в напівфабрикатах по переходах і за рахунок холодної пластичної деформації досягнуто необхідних властивостей здеформованого металу, що дозволило виключити подальшу термічну обробку.
Достовірність основних наукових положень і висновків Достовірність і обґрунтованість результатів дисертаційної роботи забезпечується строгим використанням сучасних положень теорій пластичності та руйнування при холодній пластичній деформації; створеними пакетами прикладних програм для проведення чисельних експериментів; узгодженням одержаних у роботі розв’язків та оцінок із відомими з літератури та отриманими раніше експериментальними даними; прийнятною якісно-кількісною відповідністю результатів теоретичних досліджень та натурних випробувань при створенні процесів ХОШ.
Практичне значення отриманих результатів
1. Підходи для визначення конструктивних, технологічних та фізико-механічних параметрів формозміни ХОШ, отримані результати шляхом моделювання та програмне забезпечення для виявлення оптимальних і раціональних параметрів впроваджені у виробництво і можуть бути використані для удосконалення існуючих і створення нових ресурсозберігаючих процесів отримання виробів з прогнозованими та забезпеченими властивостями із пластичних та
малопластичних металів методами ХОШ.
2. Розроблені нові процеси ХОШ ряду виробів, які впроваджені або використані на ряді підприємств: Хмельницькому заводі ковальсько-пресового устаткування “Пригма-Прес”. Акт використання від 31.12.2000 р.; на НПО “Славутич” м. Київ. Акт впровадження від 30. 06.2000 р.; в НДІ Хімпродукт м. Шостка. Акт впровадження від 20.06.2002 р.; на ВАТ " Київський завод "Радар". Акт від 03.12 2003; на ДП “ Завод ім. Малишева” м. Харків. Акт від 03.02.2003 р.; на автомобільному заводі м.Тегеран (Іран). Довідка про передачу розробок від 17.03 2003 р.; на Банкнотно-монетному дворі Національного банку України, м. Київ. Акт про прийняття для застосування на виробництві від 15.04.2003 р.; на АО "ГК МГ", Київ. Акт впровадження від 01.06.2003 р.; на ВАТ „УВТК”м.Бориспіль. Акт впровадження від 02.07.2006 р.;
3. Результати експериментів, створені процеси формоутворення виробів методами ХОШ, підходи на базі МСЕ, математичні моделі і програмне забезпечення лягли в основу поставлених автором навчальних курсів “Технологія холодного об’ємного штампування” та “Чисельні методи вирішення прикладних задач обробки металів тиском”, а також використовуються при виконанні лабораторних і курсових робіт по вказаним дисциплінам, у дослідницьких роботах, роботах магістрів і аспірантів на кафедрі механіки пластичності матеріалів та ресурсозберігаючих процесів НТУУ ”КПІ”. Акт про використання в навчальному процесі від 30.12.2002 р.
Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації повідомлялись і обговорювались на: Всесоюзній конференції “Гидростатическая обработка материалов”. Донецьк, 1985; науково-технічній конференції в м. Барнаулі, 1985; науково-технічній конференції “Интенсификация малоотходной технологии кузнечно-штамповочного производства”. Челябинск, 1985; зональній науково-технічній конференції “Автоматизация процессов обработки металлов давлением”. Пенза, 1986; зональній науково-технічній конференції “Экономичность технологических процессов и оборудования в кузнечно-штамповочном производстве”. Пенза, 1987; Міжнародній конференції МАРИВД. Київ, 1987; Міжнародній конференції: International Conference on advanced Technology and Machinery in Metal Forming. 22-24.October. 1992. Wuchan, Cina; Міжнародному науково-технічному Симпозіумі “Наукоемкие технологии и проблемы их внедрения на машиностроительных и металлургических предприятиях Дальнего востока”. Комсомольск-на- Амуре. 1994; Міжнародній науково-технічній конференції „Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва”. Київ, НТУУ „КПІ”, 1998; Всеукраїнських науково-технічних конференціях „Перспективні технології та обладнання обробки тиском в машинобудуванні та металургії”. Краматорськ, 2000,2001 р.; 6-й Міжнародній науково технічній конференції “Пластична деформація металів”. Дніпропетровськ, 2002 р; Міжнародних науково-технічних конференціях ”Новые наукоемкие технологии, оборудование и оснастка для обработки материалов давлением”, Краматорськ, 2002, 2003, 2004 р.; 2, 3, 4, 5, 6 і 7 -й Міжнародних конференціях “Прогрессивная техника и технология”. Севастополь, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006 р. .
Особистий внесок здобувача. У дисертації не використані ідеї співробітників, що сприяли виконанню роботи. При проведенні досліджень, результати яких опубліковані в співавторстві, автором дисертації здійснені розробка теоретичних положень, алгоритмів і програм, розрахунки та аналіз процесів холодної деформації металів з використанням методів комп’ютерного моделювання, планування, аналіз і узагальнення результатів експериментальних досліджень, розробка процесів ХОШ і впровадження результатів у виробництво.
Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 54 друкованих працях, з яких 30 – надруковано у фахових виданнях, 9 – авторські свідоцтва, 15 – інші видання та тези науково-технічних конференцій.
Структура дисертації. Робота складається з вступу, восьми розділів і висновків. Вона викладена на 267 сторінках, містить таблиць - 14, рисунків - 157, список літературних джерел з 236 найменувань, додатків 3 .
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовується актуальність проблеми досліджень, сформульовано мету роботи та шляхи її досягнення, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана характеристика наукової новизни та практичного значення отриманих результатів, а також їх впровадження.
У першому розділі проведено аналіз літературних джерел для визначення основних параметрів, які впливають на формозміну металу в процесах ХОШ. Всі параметри поділяються на три групи: конструктивні - геометрична форма пуансонів, матриць, виштовхувачів; технологічні - форма заготовки, ступінь деформації, наявність неусталеної течії металу, локальний характер осередку деформації, тип змащення, швидкість деформування, примусове зміщення інструмента, дія протитиску, розвантаження здеформованого металу; фізико-механічні - пружні властивості матеріалу заготовки, діаграма істинних напружень та діаграма пластичності металу, що деформується. Показано, що конструктивні, технологічні та фізико-механічні параметри обумовлюють схему напруженого стану і гідростатичний тиск в осередку деформації, які в свою чергу є визначальними для зусилля деформування, питомих зусиль на оснащенні та технологічної пластичності металу. Силові режими та технологічна пластичність дають можливість отримати кінцеву геометрію виробу за один перехід. Зроблено висновок, що кінцева геометрія виробу, розміри осередку деформації, зміцнення та ступінь використання ресурсу пластичності разом з пружною деформацією здеформованого металу визначають якість виробів після ХОШ. Проведено аналіз теоретичних методів та показано їх можливості по врахуванню конструктивних, технологічних та фізико-механічних параметрів при теоретичному аналізі. Використання чисельних методів аналізу, таких як метод скінчених елементів (МСЕ) та метод граничних елементів (МГЕ), дозволяють враховувати названі параметри при комп’ютерному моделюванні. Проведено аналіз існуючих результатів комп’ютерного моделювання на базі МСЕ і МГЕ процесів холодного формоутворення виробів обробкою металів тиском. Основна увага в них приділялась визначенню силових режимів, питомих зусиль та напружено-деформованого стану по всьому об’ємі заготовки в основному на усталених стадіях процесів. Крім того установлено, що практично відсутні підходи по комплексному врахуванню конструктивних, технологічних та фізико-механічних параметрів для визначення якості виробів, що отримуються. Недостатньо існуючих результатів комп’ютерного моделювання для розробки технологій холодного формозмінення малопластичних металів зі збільшеним гідростатичним тиском в осередку деформації за рахунок накладання протитиску на вільну поверхню заготовки, що деформується. Аналіз літературних джерел по моделюванню з використанням розроблених і універсальних комерційних програм не вирішують проблеми визначення оптимальних і раціональних значень параметрів для отримання виробів необхідної форми, точності з прогнозованими та забезпеченими властивостями, як основної переваги процесів ХОШ. Виходячи із наведеного були сформульовані вищезазначені мета і задачі дослідження.
У другому розділі наведено обґрунтування можливості прогнозування та забезпечення якості виробів, отримуємих ХОШ, шляхом комп’ютерного моделювання. Оскільки зусилля деформування Pd питомі зусилля на оснащенні p , якість виробів Q є функціями конструктивних, технологічних і фізико-механічних параметрів, то для прогнозування якості виробів після ХОШ з можливістю подальшої заміни марки металу на більш дешеву необхідно вибрати такі, які забезпечують мінімальні силові режими. Для забезпечення якості виробів після ХОШ параметри підбираються такими, що силові режими повинні бути раціональними з точки зору стійкості деформуючого інструменту. Комплексний вплив перерахованої вище кількості параметрів на ХОШ виробів прогнозованої та заданої якості можливо оцінити тільки на базі створення математичних моделей процесів з використанням МСЕ. Розглянуті питання удосконалення підходів з використанням МСЕ для аналізу процесів ХОШ отримання виробів прогнозованої та забезпеченої якості. Сутність удосконалення полягає в наступному: а) необхідно комплексно враховувати вищезазначені конструктивні, технологічні і фізико-механічні параметри, що забезпечить створення математичних моделей, які будуть адекватні фізичним процесам, а також визначення параметрів для отримання виробу необхідної форми з прогнозованими властивостями при мінімальних силових режимах деформування та отримання виробу необхідної форми з заданими властивостями здеформованого металу при раціональних силових режимах;
б) теоретичний аналіз процесів необхідно починати з вихідного положення заготовки, що дозволить визначати розвиток пружно-пластичного напружено-деформованого стану по всьому об’єму заготовки та одержати фактичні розміри осередку деформації і геометрію кінцевого виробу з урахуванням пружної деформації, а також виявити розподіл напружень на всіх контактуючих поверхнях для розрахунків оснащення на міцність;
в) обов’язковим є визначення гідростатичного тиску в осередку деформації і його впливу на технологічну пластичність металу, що дає можливість створювати умови деформування без руйнування в традиційних процесах ХОШ та виявити необхідну величину протитиску на вільну від дії інструменту поверхню заготовки при холодному деформуванні малопластичних металів, причому величина протитиску повинна бути диференційованою - збільшуватись пропорційно зменшенню пластичності для її підвищення і забезпечення формозміни без руйнування при зменшених силових режимах.
Для визначення пружно-пластичного стану металу в МСЕ використовують в основному три ітераційні процедури: метод Ньютона-Рафсона, метод початкових деформацій і метод початкових напружень. В основу удосконалення підходів аналізу МСЕ процесів ХОШ було використано метод початкових напружень розроблений Зенкевичем О.К. і розвинутий для рішення фізично-нелінійних задач Морозовим Є.М. та Нікішковим Г.П., які відмічають справедливість методу для будь-яких залежностей між напруженнями і деформаціями, в тому числі для ідеально пластичного металу. Це дає можливість порівняння результатів розрахунків по питомим зусиллям з даними моделюванням формозміни металу на свинці. Крім того, наведений метод враховує розвантаження, що дає можливість отримати кінцеву форму і точність виробу після ХОШ.
В основу побудови на базі МСЕ математичних моделей формозміни ХОШ, в яких має місце пружно-пластичне деформування металу, розподілене на певну кількість кроків навантаження, для малих переміщень використаний принцип віртуальності робіт
,
де - компоненти тензора напружень і- компоненти тензора малих деформацій на кроці навантаження; - об’єм металу, що деформується; - зовнішнє навантаження ; - компоненти переміщень по відповідним координатах; - площа поверхні металу; - символ варіації.
Для великих переміщень і деформацій використовували наступну віртуальність робіт: ,
де - компоненти 2-го тензора напружень Піоли-Кірхгофа, - компоненти тензора деформацій Гріна-Лагранжа, - час деформування за певну кількість кроків навантаження, - приріст часу за один крок .
Такі підходи було реалізовано для аналізу вісесиметричних і плоских задач. Для дискретизації об’єму металу, що деформується, були використані восьмивузлові ізопараметричні скінчені елементи, які дозволяють описувати криволінійні поверхні заготовок та інструменту.
Показано врахування конструктивних, технологічних та фізико-механічних параметрів при моделюванні формозміни ХОШ за допомогою МСЕ. Процес деформування з вихідного положення заготовки розподіляли на певну кількість кроків навантаження. Крім врахування вказаних параметрів у вигляді кінематичних та статичних граничних умов і відповідних залежностей, необхідно виконувати перевизначення граничних умов після кожного кроку навантаження.
Конструктивні параметри. Геометрію пуансонів, матриць та виштовхувачів, які вважали абсолютно жорсткими, враховували шляхом наявністю, якщо інструмент рухомий, або відсутністю, якщо нерухомий, переміщень вузлів скінчених елементів в напрямках відповідних координатних вісей. На конічних поверхнях, а також на радіусах заокруглення деформуючого інструменту, які заміняли конічними поверхнями, задавали відповідні переміщення в напрямку, перпендикулярному вказаним поверхням.
Врахування технологічних параметрів. Довільну геометричну форму заготовки в вихідному положенні задавали координатами крайніх точок з наступним розподілом її на скінчені елементи. Ступінь деформації враховували шляхом спільного розміщення заготовки і деформуючого інструменту відповідних розмірів. Розрахунки формозміни ХОШ з вихідного положення заготовки дозволяли виявляти розвиток пружно–пластичного напружено-деформованого стану , виявляти неусталену стадію течії металу, а також встановити фактичні розміри локального осередку деформації. Тип змащення враховували шляхом завдання коефіцієнту тертя в залежності від того, яке змащення використовували. Вплив контактного тертя при течії металу на поверхнях інструменту, які співпадали з координатними вісями, та на конічних поверхнях на кожному кроці навантаження враховували визначенням дотичних напружень відповідно: ( де l=с,z;х,у) і ( де , - кут нахилу поверхні). При холодному видавлюванні стаканів дотичні напруження визначали по методиці В.О. Євстратова : , де - коефіцієнт суцільності шару змащення. Дотичні напруження прикладали в протилежному напрямку переміщенню вузлів скінчених елементів на контактуючих поверхнях.
При холодному видавлюванні виробів з малопластичних металів по схемах з диференційованим протитиском на вільну від навантаження поверхню заготовки (рис. 1), дію протитиску в розрахунках враховували в вигляді розподіленого навантаження на сторонах скінчених елементів на зазначеній поверхні. Величину приросту протитиску на кожному кроці навантаження визначали так: для схеми на рис. 1а (F7 – площа каналу 7, F5 - площа каналу 5) і для схеми на рис. 1б ( F4 - площа каналу 4), а – приріст зусилля
1-пуансон, 2-заготовка, 3-пуансон для видавлювання, 4-опора з ущільненням, 5 і 7 канали з рідиною, 6-плита, 8-отвори
а) видавлювання порожнин | 1-пуансон, 2-заготовка, 3-матриця, 4-канал з рідиною, 5-опора з ущільненням, 6-плита
б) пресування заготовок
Рис. 1. Схеми видавлювання з накладаням диференційованого протитиску
деформування на кроці навантаження. Діаметри каналів 7 (рис. 1а) і 4 (рис. 1б) визначали
в процесі моделювання, вони повинні забезпечити мінімальну величину протитиску для створення гідростатичного тиску в осередку деформації необхідної величини для деформування без руйнування. Причому величина протитиску згідно наведених схем поступово збільшується по мірі навантаження пропорційно зменшенню пластичності металу, що деформується. Формозміна ХОШ з протитиском в такому випадку відбувається при зменшених зусиллях деформування. Розвантаження здеформованого металу при використанні способу початкових напружень в МСЕ, як було зазначено у другому розділі, враховується автоматично.
Врахування фізико-механічних параметрів. Пружні властивості металу, що деформується, враховували модулем Юнга і коефіцієнтом Пуассона. Для врахування зміцнення металу при холодному формозміненні, діаграму істинних напружень апроксимували залежністю , де коефіцієнти k і n визначали по експериментальній діаграмі. Можливість руйнування металу при холодному формозміненні оцінювали по ступеню використання ресурсу пластичності, який визначали по В.А.Огороднікову: , з урахуванням впливу третього інваріанту тензора напружень на пластичність, де - інтенсивність деформацій,- показник схеми напруженого стану, - постійна, - гранична деформація. Для розрахунків експериментальну діаграму пластичності апроксимували залежністю Г.Д. Деля: , де значення і знаходили по вказаній діаграмі.
Третій розділ присвячений моделюванню процесів висаджування, зворотного видавлювання та пресування для тестування вибраних підходів аналізу МСЕ формозміни з визначенням впливу конструктивних, технологічних та фізико-механічних параметрів на зусилля деформування, розподіл питомих зусиль на оснащенні і кінцеву геометрію виробів.
Моделювання висаджування свинцевої заготовки.
Висаджуванню підлягала заготовка діаметром 40 мм і висотою 70 мм. Частина заготовки висотою 10 мм була встановлена в матриці. Заготовка була розподілена на скінчені елементи з розмірами по ширині і висоті 1,25 мм. Це дало можливість виділити з них скінчені елементи розмірами 5 х 5 мм, простежити їх деформацію і в подальшому порівняти з експериментальними дослідженнями висаджування свинцевої заготовки, з’єднаної з двох половин, на поверхнях яких була нанесена координатна сітка з розміром комірок 5 х 5 мм. Залежність зусилля від переміщення верхньої плити при висаджуванні, яка отримана моделюванням, та дані максимальних значень експериментального зусилля для ступенів деформації (е) 50 і 75 % показані на рис 2. Різниця в значеннях зусилля склала 6 кН. Моделюванням визначені геометричні форми заготовок після висаджування. На рис. 3 для висаджування з е =75% показана геометрична форма експериментальної здеформованої свинцевої заготовки та геометрична форма, яка отримана моделюванням, з нанесеними розмірами бокової поверхні заготовки після висаджування з експерименту. Розміри бокових поверхонь практично співпадають
Зворотне видавлювання стаканів із свинцевої заготовки.
Для визначення розподілу питомих зусиль на деформуючому інструменті та порівняння результатів розрахунків з експериментальними даними було проведено моделювання зворотного |
видавлювання стаканів пуансоном діаметром 70 мм з свинцевої заготовки діаметром 100 мм і висотою 90 мм. Розрахунковий аналіз починали з вихідних розмірів заготовки, а закінчували при наступних глибинах вдавлювання пуансона в заготовку: 10, 15, 20, 25 та 30 мм. Для прикладу, на рис. 4 показана половина розрахункової геометрії здеформованої заготовки при глибині вдавлювання пуансона в заготовку на 25 мм.
Рис. 2. Силові режими висаджування |
а) експеримент
б) теорія; - дані експерименту(розміри в міліметрах)Рис. 3. Експериментальна та розрахункова геометрія заготовки при висаджуванні з =75 % | Оцінку питомих зусиль на оснащенні проводили по розподілу відносних нормальних напружень на поверхнях заготовки, які контактують з деформуючим інструментом. Для розглянутих глибин вдавлювання пуансона моделюванням визначені відносні осьові (уz/у0,2) напруження в вузлах скінчених елементів на поверхні заготовки, яка контактує з виштовхувачем, та відносні радіальні напруження (ус/у0,2) в вузлах на поверхні контакту заготовки з боковою поверхнею матриці. Розподіли ус/у0,2 , були порівняні з експериментальними даними С.К. Іванова та О.О. Ганаго для всіх глибин вдавлювання пуансона в заготовку, а розподіли уz/у0,2 – для глибин вдавлювання на 25 та 30 мм. Порівняння результатів комп’ютерного моделювання та експериментів для глибини вдавлювання пуансона 30 мм показано на рис. 5. Розрахункові та експериментальні дані по розподілу уz/у0,2 відрізняються на величину 0,18 на краю поверхні заготовки, яка контактує з виштовхувачем. Результати моделювання по розподілу ус/у0,2 на поверхні заготовки з матрицею практично співпадають. |
Рис. 4. Геометрія здеформованої заготовки (розміри в міліметрах)
а) на виштовхувачі
б) на матриці | Рис. 5. Розподіл відносних напружень уz/у0,2 на виштовхувачі та ус/у0,2 на матриці
У четвертому розділі наводяться результати моделювання і експериментальних досліджень процесів пресування круглих заготовок з прогнозованою та забезпеченою якістю.
Процеси пресування заготовок необхідної форми з прогнозованими властивостями. Показано застосування моделювання для аналізу процесів пресування заготовок через конічну матрицю з різним ступенем деформації (е). Розрахунки проводили для пресування заготовок із сталі 45. Розміри заготовки: висота 40 мм, діаметр 40 мм. Кут конусу матриці б=40?. Процес моделювання закінчували при переході процесу пресування в усталену стадію. Силові режими та питомі зусилля при пресуванні з різним ступенем деформації показані на рис. 6. Залежність зусилля пресування від переміщення пуансону зображено на рис. 6а. Розподіл відносних радіальних напружень /0,2 по висоті контейнера (рис. 6б) для е = 20-40% має практично прямолінійний характер, а при е=50-60% максимум має місце на краю верхнього торця заготовки. Розподіл відносних осьових напружень z/0,2 на пуансоні показаний на рис. 6в. Вказані напруження мають мінімальне значення на вісі пуансону з поступовим збільшенням до краю. На рис. 6г для ступеня деформації е=20 % наведений розподіл відносних нормальних напружень n/0,2 на поверхні заготовки в конусі матриці. Розподіл має нерівномірний характер з найбільшим значенням ближче до виходу металу з конусу. Для інших ступенів деформації приведено максимальне значення вказаних напружень (рис. 6д).
На рис. 7 наведені показники, по яким можливо прогнозувати якість виробів, що
а) залежність зусилля пресуваня від переміщення пуансона |
б) розподіл с/0,2 по висоті контейнера
в) розподіл z/0,2 на пуансоні |
г) розподіл n/0,2 по висоті конуса матриці для =20 %д) залежність максимальних значеньn/0,2 на конусі матриці від ступеня деформації
Рис. 6. Силові режими та питомі зусилля при пресуванні з різним ступенем деформації
отримуються. Половина геометрії торця прутків після пресування з різними ступенями деформації показана на рис. 7а. Чим більший ступінь деформації, тим більше викривлення торця прутка. Практично співпали дані розрахунків по коефіцієнту зміцнення (і/0,2) здеформованого металу з експериментальними даними Л.В.Прозорова з співробітниками (рис. 7б). По розподілу і/0,2 в залежності від відносного радіуса прутка (/rп , rп- радіус пуансона ) можливо оцінити пропрацювання структури металу пластичною деформацією. Зростання ступеня деформації приводить до вирівнювання зміцнення шарів металу на вісі прутка та шарів біля зовнішньої поверхні. Рівномірне пропрацювання структури металу по ширині пресованого прутка має місце при е=40%. Пружна деформація прутка =((Dп-Dк)/ Dк)100 (Dп –діаметр прутка після виходу з калібруючого пояска матриці, Dк – діаметр калібруючого пояска) після пресування показана на рис. 7в. Для даної сталі ступінь використання ресурсу пластичності здеформованого металу в зовнішніх шарах прутка практично вичерпується при пресуванні е = 70 % (рис. 7г). При всіх розглянутих ступенях деформації більш інтенсивно зміцнюються зовнішні шари металу прутків після пресування.
а) геометрія торця виробу
б) коефіцієнт зміцнення здеформованого металу
в) пружна деформація прутка |
г) максимальний ступінь
використання ресурсу пластичності
Рис. 7. Якість виробів після пресування з різним ступенем деформації
Наведемо також результати комп'ютерного моделювання процесів пресування через конічну матрицю з різним кутом конуса. Розрахунки проведені для е=40 % та вихідної заготовки з розмірами і матеріалу, як в попередньому випадку. Половина кута конуса матриці (/2) була прийнята 10°, 15°, 20°, 25°, 30° та 35°. На рис. 8 зображені силові режими. Зусилля пресування на переході в усталену стадію (рис. 8а) збільшується з ростом кута конусу матриці з 800 кН при /2=10 до 1450 при /2=35. Зростають також максимальні відносні осьові напруження z/0,2 на пуансоні (рис. 8б) та максимальні відносні нормальні напруження на матриці (рис. 8в). Якість виробів наведена на рис. 9. Величина викривлення торця виробу при виході з калібруючого пояска матриці з /2=20 показана на рис. 9а, причому видно збільшення розміру прутка внаслідок
а) | б) |
в)
Рис. 8. Залежність максимального зусилля пресування (а) і максимальних відносних напружень
z/0,2 на пуансоні (б) та n/0,2 на конусі матриці (в) від кута конусу матриці
а) геометрія торця виробу при /2=20 (розміри в міліметрах) |
б) залежність коефіцієнта зміцнення
від кута матриці
в) пружна деформація прутка |
г) залежність максимального ступеня використання
ресурсу пластичності від кута конусу матриці
Рис. 9. Якість виробів при пресуванні з різним кутом конуса матриці
розвантаження. Викривлення торця прутка зростає із збільшенням кута конусу матриці. Коефіцієнт зміцнення здеформованого металу (і/0,2) на вісі прутка (рис. 9б) поступово збільшується: від 2,77 для /2=10 до 2,94 при /2=35. По ширині прутка вказаний коефіцієнт розподіляється рівномірно при /2=20 і /2=30. При пресуванні через матрицю з /2=35 отримана найбільша пружна деформація прутка (рис. 9г) та практично вичерпується ресурс
пластичності здеформованого металу зовнішніх шарів прутка.
Отримані результати дозволяють назначати оптимальні конструктивні, технологічні та фізико-механічні параметри для забезпечення мінімальних силових режимів і прогнозувати якість виробів після пресування.
Пресування виробів з заданою якістю. Розроблені підходи дозволяють шляхом математичного моделювання розраховувати раціональні конструктивні і технологічні параметри для отримання необхідних розмірів виробу та забезпечених механічних властивостей в здеформованому металі. На прикладі моделювання пресування круглих профілів діаметром 31 мм із сталі 45ХН2МФА-Ш, визначені ступінь деформації (е = 40,7 %) та кут матриці ( б=32є ), які забезпечили задане зміцнення здеформованого металу по ширині прутка. Результати розрахункового аналізу, а також проведених експериментальних досліджень наведені на рис. 10.
о
а) роподіл уі/у0,2 (розміри в міліметрах) |
б) розподіл коефіцієнту зміцнення | Експериментальні дослідження підтвердили розрахункові дані по силовим режимах (експериментальне значення зусилля –930 кН, теоретичне-910 кН). Розподіл коефіцієнта зміцнення по ширині прутка (рис. 10а) узгоджується з результатами механічних випробувань зразків, які були вирізані з пресованих прутків (рис. 10б) . Розрахункова геометрія торця та експериментальна показані на рис. 10в.
в) геометрія торця | Розробка способу видавлювання фасонних профілів при знижених силових режимах. Визначений при пресуванні круглих профілів розподіл відносних радіальних напружень на конічній поверхні матриці, які досягають максимальних значень в центральній частині поверхні, був основою
Рис. 10. Результати розрахунків та експериментальних досліджень пресування виробів з заданою якістю. | для розробки способу видавлювання фасонних профілів, наприклад, прямокутних і більш складної конфігурації. Сутність способу полягає в тому, що пресування профілів виконується з діаметра заготовки меншого чим максимальний розмір перетину профілю. Профіль формується за рахунок одночасної деформації заготовки по конічній частині матриці в осьовому та течії металу в
а) роз’ємна матриця |
б) видавлений профіль
Рис. 11. Роз’ємна матриця для пресування та пресований профіль
поперечному напрямках. На відміну від існуючих способів отримання профілів пресування по розробленому способу дає зниження зусиль пресування до 25 % в залежності від складності профілю. На рис. 11а наведена роз’ємна матриця, а на рис. 11б - видавлений прямокутний профіль на проміжній стадії видавлювання. Видавлювання виконується по схемі „заготовка за заготовкою” і отримані профілі мають інтенсивне пропрацювання структури пластичною деформацією.
У п’ятому розділі визначено комплекс конструктивних і технологічних параметрів при холодному видавлюванні стаканів пуансонами різної конфігурації для отримання виробів необхідної форми з прогнозованою та заданою якістю.
Моделювання видавлювання стаканів конусним пуансоном з різним ступенем деформації. Моделювання виконували на прикладі сталі 20 для наступних розмірів заготовки: діаметр 40 мм, висота 38 мм. Ступінь деформації е=10, 20, 30, 40. 50, 60, 70, та 80%. Кут конусу торця пуансону 166є. Результати моделювання по формозміні, силовим режимам і питомим зусиллям наведені на рис. 12. Приклад геометрії здеформованої заготовки наведений на рис.12а. Отримані залежності зусилля деформування від переміщення пуансону на неусталеній і переході в усталену стадіях процесу, максимальні значення зусиль показані на рис.12б. Розрахункові значення зусилля відрізняються на 50-60 кН з встановленими експериментальними даними. Максимальні значення відносних нормальних напружень на деформуючому інструменті приведені на рис.12в-д. Відносні осьові напруження на виштовхувачі та відносні радіальні напруження зростають зі збільшенням ступеня деформації. На пуансоні вказані напруження мають мінімальне значення при е=30%. Результати моделювання, по яких прогнозується якість виробів після видавлювання, наведені на рис. 13. На рис. 13а і 13б показані коефіцієнт зміцнення та ступінь використання ресурсу пластичності здеформованого металу на внутрішніх шарах, посередині та зовнішніх шарах стінки стаканів. При малих ступенях деформації коефіцієнт зміцнення внутрішніх шарів стінки стаканів відрізняється в 2 рази в порівнянні з зовнішніми шарами. Отримана геометрія торця стінки. Експериментальні значення коефіцієнта зміцнення здеформованого металу визначали механічними випробуваннями на розтяг зразків, які були вирізані із середини стінок стаканів. На рис. 13в наведені результати випробувань в порівнянні з розрахунковими даними для е=40, 50 і 60%.
а) здеформована заготовка (розміри в міліметрах) |
б) залежність максимального зусилля деформування від ступеня деформації |
в) максимальні відносні радіальні напруження на матриці
г) максимальні значення відносних
осьових напружень на виштовхувачі |
д) максимальні
відносні осьові напруження
на пуансоні
Рис. 12. Формозміна та силові режими при видавлюванні стаканів з різним ступенем деформації
Відносна товщина стінки |
Відносна товщина стінки
а) | б) | в)
Рис. 13. Якість виробів після видавлювання стаканів з різним ступенем деформації
Моделювання видавлювання стаканів плоским пуансоном з різним радіусом закруглення робочого
