СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені Володимира Даля

Усатюк Дмитро Андрійович

УДК 621.961.2 + 621.984

Удосконалення процесу деформування

та розробка поковок підвищеної точності

з використанням методу скінчених елементів

Спеціальність 05.03.05 – процеси та машини обробки тиском

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Луганськ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Прикладне матеріалознавство” Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля
(СНУ ім. В. Даля) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор

Рябічева Людмила Олександрівна, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, м.Луганськ, завідувач кафедри “Прикладне матеріалознавство”.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор,

Бейгельзімер Яків Юхимович,

Донецький фізико-технічний інститут імені О.О. Галкіна Національної Академії Наук України, м. Донецьк, провідний науковий співробітник;

кандидат технічних наук,

Кухар Володимир Валентинович,

Приазовський державний технічний універститет Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь, доцент кафедри “Охорона праці та навколишнього середовища”

Провідна установа: | Донбаська державна машинобудівна академія, Міністерства освіти і науки України, м. Краматорськ, кафедра “Обробка металів тиском”.

Захист відбудеться 17 травня 2007 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 29.051.02 при Східноукраїнському національному університеті 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 4 квітня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 29.051.02, д.т.н., професор | _____________ | Ю.І. Гутько

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Гаряче штампування є одним з базових технологічних процесів при виготовленні широкої номенклатури поковок для виробів машинобудування. Подальше удосконалення технологій гарячого штампування спрямоване на максимальне наближення форм поковок до форм готових виробів, що забезпечує максимально можливу кількість поверхонь, що не обробляються, зниження витрати металу та трудомісткості наступної обробки на метал-орізальних верстатах.

Поліпшення якості поковок можна досягнути за рахунок підвищення їх точності. Геометрична точність поковок при гарячому штампуванні залежить від їх ступеню складності, режимів деформування, стійкості штампів та використовуваного обладнання. Одним з найбільш перспективних напрямків розвитку теорії і практики обробки металів тиском є розробка технологічних процесів, що реалізують штампування поковок підвищеної точності. Роботи в даному напрямку проводяться, починаючи з двадцятих років минулого сторіччя, але найбільш активного розвитку цей напрямок отримав за останні три десятиріччя, завдяки значному підвищенню продуктивності обчислювальної техніки та створенню спеціалізованого програмного забезпечення для моделювання та аналізу процесів обробки металів тиском.

Штампувальні молоти є широко використовуваним обладнанням завдяки їх універсальності. Це означає, що необхідні розробки технологій гарячого штампування для поковок підвищеної точності на штампувальних молотах, що принесе чималий економічний ефект та підвищить конкурентоспроможність вітчизняних підприємств в умовах глобалізації світової економіки. У зв’язку з цим актуальне удосконалення процесу деформування та розробка поковок підвищеної точності для гарячого штампування на молотах на основі аналізу напружено-деформованого стану.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності до держбюджетної теми ДН-26-06 “Наукові основи операцій обробки тиском з використанням комп’ютерного моделювання напружено-деформованого стану методом скінчених елементів” (№ держреєстрації 0106U000286). Здобувач приймав участь в якості виконавця.

Мета та задачі дослідження. Математичне моделювання та комп’ютерна візуалізація процесу деформування при гарячому штампуванні для підвищення точності, поліпшення якості вісесиметричних поковок та зменшення витрат металу.

У зв’язку з цим в роботі поставлені наступні задачі.

1. Розробити уточнену математичну модель пружно-пластичного матеріалу з термомеханічним зміцненням для аналізу напружено-деформованого стану поковок та штампів з урахуванням впливу температурно-швидкісних умов на механічні властивості матеріалів.

2. Розробити методику вирішення нестаціонарної нелінійної зв’язаної задачі термопластичності методом скінчених елементів, що базується на математичній моделі пружно-пластичного матеріалу з термомеханічним зміцненням.

3. Розробити методику оцінки стійкості пластичної рівноваги точок поковки з використанням параметрів напружено-деформованого стану для поліпшення якості поковок.

4. Розробити аналітичну залежність, що пов’язує геометричну точність з нерівномірністю напружено-деформованого стану поковки.

5. Розробити методику аналізу силового та теплового режимів роботи штампа, отримати залежність, що пов’язує стійкість штампа з режимами його роботи, а також характеристиками втомної міцності штампових сталей.

6. Розробити рекомендації щодо підвищення точності поковок і впровадити їх у виробництво.

Об'єкт дослідження: процеси гарячого штампування на молотах.

Предмет дослідження: процес деформування та геометрична точність поковок при різній нерівномірності напружено-деформованого стану і температурних полів поковок та штампів з урахуванням температурно-швидкісних умов.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження напружено-деформованого стану поковок і штампів базуються на положеннях динамічної деформаційної теорії пластичності та теорії теплопровідності. Вирішення задач виконано з використанням методу скінчених елементів та програми-вирішувача LS фірми Livermore Software Technology Corporation (LSTC).

Експериментальні дослідження деформованого стану виконані методом координатних сіток, а температурних полів – з використанням термопар.

Статистичну обробку результатів експериментів виконано згідно ГОСТ 8.207-76 з використанням прикладних програм STATISTIKA та Microsoft Excel.

Наукова новизна роботи.

1. Одержала подальший розвиток математична модель пружно-пластичного матеріалу з функцією термомеханічного зміцнення, що забезпечує визначення механічних властивостей матеріалів поковок та штампів в залежності від температурно-швидкісних умов.

2. Вперше для аналізу пластичної рівноваги точок поковки використаний метод функцій Ляпунова, що дозволяє встановити взаємозв'язок між температурно-швидкісними умовами та якістю поковки при гарячому штампуванні.

3. Встановлено, що при осаджуванні низьких заготовок на молоті зони деформацій зберігаються аж до моменту руйнування. Граничні ступені деформацій при осаджуванні низьких поковок менше, ніж для високих при однакових граничних умовах, тому що швидкості деформацій досягають величину 200-435 с-1.

4. Вперше одержана аналітична залежність, що пов'язує геометричну точність поковки з нерівномірністю напружено-деформованого стану і дозволяє підвищити точність штампування в остаточному ручаї.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблена методика підвищення геометричної точності поковок шляхом зменшення нерівномірності напружено-деформованого стану, яка рекомендується до застосування при розробці технологій гарячого штампування.

Рекомендована залежність для оцінки стійкості штампів на основі режиму роботи та втомної міцності штампових сталей.

Розроблені і впроваджені на ВАТ ККЗ “Центрокуз”, м. Кіровськ Луганської області, поковки підвищеної точності. Річна економія металу по кожному типорозміру поковок склала: “кільце лабіринтне” - 7,2 тонни, “обойма” - 2,9 тонни, “лабіринт від’ємний” - 9 тонн, “кришка” - 4 тонни та “колесо зубчасте” - 8 тонн. Економічний ефект за рік склав 122960 гривень.

Особистий внесок здобувача. Розроблена методика оцінки стійкості пластичної рівноваги точок поковки за методом функцій Ляпунова та аналітична залежність, що пов'язує геометричну точність поковки з нерівномірністю напружено-деформованого стану. Розроблені поковки підвищеної точності. Виконано експериментальні дослідження.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення і результати досліджень доповідалися і обговорювалися на наступних науково-технічних конференціях: на міжнародній конференції “Нові методи і засоби дослідження процесів і машин обробки тиском” (2005, м. Краматорськ, Донецька обл., Україна); на міжнародній конференції “МатІнформТех-2005” (2005, м. Маріуполь, Донецька обл., Україна); на міжнародній конференції “Пластична деформація металів” (2005, м. Дніпропетровськ, Україна); на міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні методи моделювання процесів обробки матеріалів тиском” (2006, м. Краматорськ, Донецька обл., Україна); на міжнародній науково-технічній конференції “Застосування теорії пластичності в сучасних технологіях обробки тиском і автотехнічних експертизах” (2006, м. Вінниця, Україна); на міжнародній науково-технічній конференції “MACHINES, TECHNOLOGIES, MATERIALS ‘06” (2006, м. Софія, Болгарія); на 9-й міжнародній конференції “Высокие давления-2006” (2006, м. Судак, АР Крим, Україна).

Публікації. Основні результати виконаних досліджень опубліковані в 12 друкованих роботах, в збірках наукових праць і журналах, що входять до переліку спеціалізованих видань ВАК України.

Структура й обсяг роботи. Робота складається з введення, шести розділів, висновків і додатків. Загальний обсяг роботи складає 210 сторінок, зокрема основного тексту 170 сторінок, 70 рисунків, 16 таблиць, 4 додатки і список використаних джерел з 115 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У введенні обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і завдання дослідження, оцінена наукова новизна отриманих результатів, їх практичне значення і основні положення, які виносяться на захист.

Перший розділ присвячений стану питання по розробці поковок підвищеної точності для гарячого штампування. У розділі представлений загальний аналіз стану питання і існуючих способів підвищення геометричної точності поковок. Розглянуті аналітичні і експериментальні методи дослідження напружено-деформованого стану при формозміні в остаточному ручаї, вплив температурно-швидкісних умов деформації на нерівномірність напружено-деформованого стану, феноменологічні критерії граничної деформації, режими роботи та види зносу штампів при штампуванні на молоті.

Дослідженню вказаних питань присвячені роботи багатьох дослідників, серед яких особливо виділяються праці Е.І. Бельського, В.К. Воронцова, А.Л. Воронцова, О.А. Ганаго, С.I. Губкіна, Г.Я. Гуна, В.І. Зюзіна, І.В. Климова, В.Л. Колмогорова, В.А. Огороднікова, Я.М. Охрименко, Р.І. Рея, М.В. Сторожева, Е.І. Семенова, Л.М. Соколова, І.Я. Тарновського, А.В.Третьякова, М.А. Тилкіна, Е.П. Унксова. Показано, що при багатосерійному та масовому виробництві можливості зниження витрати металу традиційними способами практично вичерпані, а при малій серійності виробництва впровадження точного штампування вимагає експериментального доопрацювання технологій та пов'язано з великими витратами. Для цих цілей найдоцільніше використання аналітичних методів, серед яких найбільш ефективним є метод скінчених елементів.

Другий розділ присвячений вибору напряму і методів досліджень поковок підвищеної точності для гарячого штампування на молотах.

Показана необхідність комплексних теоретичних і експериментальних досліджень операцій гарячого штампування на молоті, результати яких дозволяють створювати найбільш технологічні конструкції поковок та штампів.

Теоретичне дослідження операцій гарячого штампування на молотах полягає у вирішенні нестаціонарної нелінійної зв'язаної задачі термопластичності для системи “поковка-штамп” (рис. 1). Суть задачі полягає в тому, що при гарячому деформуванні механічні властивості матеріалу і процес формоутворення поковки залежать від температури, ступеня і швидкості деформації, які безперервно змінюються за нелінійними законами. Виходячи із завдань технологічних розрахунків, послідовність рішення зв'язаної задачі термопластичності методом скінчених елементів складається з наступних дій: постановка завдання, схема дискретизації, процедури обчислень і візуалізації результатів на ЕОМ. Для математичного опису матеріалів поковки і штампу застосована модель пружно-пластичного матеріалу з термомеханічним зміцненням. Визначальними рівняннями моделі є рівняння рівноваги, які характеризують пружну рівновагу точок штампу і пластичну рівновагу точок поковки, а також рівняння теплопровідності Фурьє і закон Стефана-Больцмана. У математичну модель разом з визначальними рівняннями входять також допоміжні рівняння, які визначають контактну взаємодію, сили тертя і умову постійності об'єму.

Рішення зв'язаної задачі термопластичності методом скінчених елементів полягає у мінімізації двох функціоналів, один з яких описує процеси формозміни, а інший - процеси теплопереносу. Для вирішення задачі використана програма-вирішувач LS-DYNA 970.

При аналізі напружено-деформованого стану і температурних полів штампів запропоновано використання пелюсткових діаграм в криволінійних координатах (рис. 2), які дають можливість виявити переважаючий вид зносу штампу.

Рис. 1. Схема системи “поковка-штамп”:

1 – поковка; 2 – верхня частина штампа;

3 – нижня частина штампа;

4 – падаючі частини молота; 5 – шабот |

Рис. 2. Пелюсткова діаграма

Статистичну обробку експериментальних даних виконано по ГОСТ 8.207-76 з використанням прикладних програм STATISTIKA та Microsoft Excel.

Третій розділ містить математичну модель нестаціонарної нелінійної зв'язаної задачі термопластичності для гарячого штампування.

Одержала подальший розвиток математична модель пружно-пластичного матеріалу, необхідна для опису механічних властивостей матеріалів поковок і штампів з урахуванням температурно-швидкісних умов. Перевагою моделі є функція термомеханічного зміцнення, що входить до визначальних рівнянь у вигляді:

, (1)

де - функція швидкісного зміцнення;

- функція температурного зміцнення;

- функція деформаційного зміцнення;

, - ступінь деформації та швидкість деформації;

- температура металу;

, , , , , - коефіцієнти апроксимації.

Зв'язок між напруженнями і деформаціями в моделі пружно-пластичного матеріалу заданий у вигляді:

, (2)

де - постійна Ляме при пластичній деформації;

- модуль об’ємного стискання;

- символ Кронекера;

, - модуль пружності та коефіцієнт Пуассона.

При розбитті об'ємів поковки і штампу використано вироджені восьми-вузлові лінійні скінчені елементи для зменшення об'ємів обчислень при виконанні умов збіжності методу скінчених елементів Для таких елементів запропоновані аналітичні залежності, що описують деформації та напруження:

, , (3)

де - матриця вузлових переміщень елементу ;

- матриця форми елементу;

- матриця податливостей;

- транспонований тензор деформацій.

Система алгебраїчних рівнянь методу скінчених елементів зберігає свій вигляд при переході від пружної деформації до пластичної, оскільки залежить від та .

Рішення нестаціонарної нелінійної зв'язаної задачі термопластичності для поковки та аналогічної задачі термопружності для штампу зводиться до мінімізації варіаційних функціоналів формозміни та теплопереносу. Функціонал формозміни враховує роботу деформації, сил тертя та сил інерції:

, (4)

де - інтенсивність напружень;

- інтенсивність швидкостей деформацій;

- питома вага деформованого матеріалу;

, - швидкість переміщення вузла на початку та в кінці кроку по часу;

- величина кроку по часу.

- площа поверхонь контакту;

- сила тертя на поверхні контакту;

- швидкість ковзання металу по поверхні ручаю.

Моделювання теплових процесів зводиться до мінімізації функціонала, що характеризує процеси теплопереносу та тепловий ефект пластичної деформації:

, (5)

де - приведений ступінь чорноти системи “поковка-штамп”;

= 5,67.10-8 (Вт/м2К4) - постійна Стефана-Больцмана.

- сумарний коефіцієнт теплопровідності;

- температура металу, К.

Варіаційні функціонали (4) і (5) обчислюються програмою-вирішувачем послідовно на кожному кроці розрахунку. В процесі пошуку рішення задачі програма послідовно уточнює величини вузлових переміщень, швидкостей і температур, що мінімізують функціонали (4) і (5) відповідно до граничних умов. Процес припиняється після досягнення заданої точності, яка визначається на основі суми квадратів відхилень вузлових величин на попередньому і наступному кроці розрахунку.

З метою зменшення кількості “небезпечних” елементів та спотворення скінчено-елементної сітки в процесі деформування застосовуємо перебудову сітки заготовки за методом незалежних змінних Лагранжа-Ейлера.

Дослідження стійкості пластичної рівноваги точок поковки за методом функцій Ляпунова дозволяє визначити граничний ступінь деформації матеріалу поковки з урахуванням температурно-швидкісних умов деформування, що характеризує можливість розрихлення металу. За умови збереження цілісності матеріалу рух кожної точки поковки описується функціоналом, що безперервно диференціюється по всіх шести компонентах:

. (6)

Дотримання цієї умови означає стійкий рух вказаної точки згідно закону деформування, тому функція Ляпунова є швидкістю зміни інтенсивності напружень в досліджуваній області:

. (7)

При побудові цільової функції, що пов'язує геометричну точність поковки з нерівномірністю напружено-деформованого стану, використані методи геометричного програмування. При цьому нами введено допущення, що функції, які описують стан металу поковки в “жорстких” зонах, є залежностями інтенсивності напружень від співвідношень розмірів поковки, функції розмірів поковки , та величин штампувальних уклонів та радіусів закруглень, функції форми поковки та :

, , , (8)

де , - порядкові номери “жорстких” зон та поверхонь поковки;

- інтенсивність напружень у “жорсткій” зоні ;

, - розміри першої та другої поверхонь, що примикають до зони ;

- залежність найбільшої інтенсивності напружень на утворюючій

поверхні від величини штампувального уклону ;

, - величина та порядковий номер радіуса закруглення;

- залежність інтенсивності напружень в місцях радіусів закруглення.

Функції (8) складають функцію геометричної точності поковки:

, (9)

де , , - число “жорстких” зон, штампувальних уклонів і радіусів закруглень.

Функція (9) пов’язує геометричну точність поковки з нерівномірністю напружено-деформованого стану, дозволяючи обирати поєднання штампувальних уклонів і радіусів закруглень, що забезпечує найбільш оптимальний розподіл напружень і деформацій на поверхнях та всередині поковки.

Висока швидкість деформування на молотах призводить до імовірнісного характеру розподілу напружень на поверхнях ручаю і розвитку малоциклової втомленості сталей, що робить визначальний вплив на стійкість штампів при високих температурах. Найбільша інтенсивність деформацій на поверхнях ручаю повною мірою відображає тепловий та силовий режими роботи штампу і визначається в результаті вирішення нестаціонарної нелінійної зв'язаної задачі термопружності, тому залежність для стійкості штампу має вигляд:

. (10)

де - відносне звуження штампової сталі;

- межа витривалості штампової сталі;

- кількість ударів молота.

Введення функції (1) в математичну модель пружно-пластичного матеріалу дозволяє визначати параметри напружено-деформованого стану поковок та штампів з урахуванням впливу температурно-швидкісних умов на механічні властивості матеріалів, а також пояснити збереження працездатності молотових штампів, що спостерігалося Б.Ф Трахтенбергом, С.А. Довнаром та Е.І. Бельським при локальних перегрівах поверхонь ручаїв до температур 850-9500С.

У четвертому розділі представлене скінчено-елементне моделювання напружено-деформованого стану при гарячому осаджуванні.

Досліджено напружено-деформований стан при різних ступенях деформації. При ступені деформації встановлено, що пружні хвилі, які розповсюджуються в поковці, є однією з причин підвищеної нерівномірності напружено-деформованого стану, яка призводить до нерівномірного зміцнення металу. Це є причиною збереження зон деформації аж до  % та порушення вертикальної симетрії напружено-деформованого стану поковки. В результаті дії пружних хвиль на поверхнях торців осаджуваної поковки при  спостерігається утворення двох прогинань, глибина яких залежить від енергії удару , площі поверхні контакту інструмента з поковкою та висоти поковки . З умови постійності об’єму поковки , швидкості звука та питомої ваги поковки визначені: об’ємна питома вага енергії пружної хвилі , енергія пружної хвилі , число коливань за час технологічної операції та сумарна енергія хвиль :

, , , . (11)

де - частота коливань;

- початкова швидкість деформування;

- радіус поковки;

- ступінь деформації під впливом пружних хвиль.

Сумарна енергія пружних хвиль, що виникають в поковці, висота якої менше діаметру (), складає від 10% до 40% енергії удару молота. Якщо , то хвилі в поковці не вносять помітний внеску у втрати енергії, що підтверджене розрахунками по теорії коливань і хвиль.

Для визначення граничного ступеня деформації та механізму розрихлення металу з урахуванням температурно-швидкісних умов деформування виконано аналіз напружено-деформованого стану низьких і високих поковок для та у характерних перетинах поковки (рис. 3). Досягнувши граничних ступенів деформації течія металу припиняється і утворюються “жорсткі” зони, в яких при незначному збільшенні інтенсивності деформацій, інтенсивність напружень значно збільшується, що призводить до порушення пластичної рівноваги. Тому при зближенні двох і більше “жорстких” зон (рис. 3) між ними можливе розрихлення металу, якому передує втрата пластичної рівноваги, підтверджена по методу функцій Ляпунова (рис. 4). При збільшенні коефіцієнта тертя з 0,1 до 0,4, граничний ступінь деформації при осаджуванні низьких поковок зменшився з 60% до 40%, а високих з 67% до 45%. У низьких поковок руйнуванню передує розрихлення металу в осередку деформації в області між верхньою зоною гальмування і проміжною зоною, звідки тріщина, що розвивається, виходить до верхнього торця поковки.

Рис. 3. Розташування зон деформації поковки: А-А, Б-Б, Z-Z – перетини поковки:

I - зони гальмування, II - осередок деформації, III - проміжна зона: 1, 2, 3, 4 - критичні зони |

Рис. . Стійкість пластичної рівноваги у критичних зонах 1, 3, 4

Застосування уточненої моделі пружно-пластичного матеріалу з термомеханічним зміцненням дозволило встановити наявність максимумів інтенсивності напружень 100-170 МПа на всій поверхні розділу осередку деформації із зонами гальмування та проміжною зоною, області найбільш вірогідного розрихлення металу усередині поковки, а також послідовність розвитку тріщини, місця виходу її на поверхню: у високих поковок - в області екватора, а у низьких - на кромці верхнього торця. Результати визначення граничного ступеня деформації методом функцій Ляпунова співпадають з результатами, отриманими згідно феноменологічного критерію Огороднікова В.А.

П’ятий розділ присвячений підвищенню геометричної точності вісесиметричних поковок при гарячому штампуванні в остаточному ручаї, для зменшення витрати металу і поліпшення якості поковок. Поставлена задача розглянута на прикладі поковки “кришка” другого ступеня складності. Креслення поковки та позначення поверхонь, радіусів закруглень і “жорстких” зон приведені на рис. 5. Матеріал поковки - сталь 45Х ГОСТ 4543-71.

а б

Рис. 5. Поковка деталі “кришка”: а – ескіз; б – скінчено-елементна модель системи “поковка-штамп”: I, II, III – зони концентрації напружень: - - номери поверхонь зі штампувальними уклонами: - - номери радіусів закруглень

При рішенні нестаціонарної нелінійної зв'язаної задачі термопластичності для системи “поковка-штамп (рис.  б) нами досліджена нерівномірність напружено-деформованого стану. Дослідження базової поковки показало, що “жорсткі” зони не закрили доступ металу в порожнини ручаю, мінімальна висота осередку деформації знаходиться в межах 4-8 мм, а ресурс пластичності металу достатній для підвищення геометричної точності поковки.

В результаті мінімізації функції (9) підвищено геометричну точність поковки і зменшено нерівномірність напружено-деформованого стану поковки і штампу. Встановлено, що внаслідок підвищення точності поковки, висота осередку деформації зменшилася в 4 рази, але його розміри достатні для заповнення кутів ручаю.

Дослідження температурних полів поковки показало, що підстужування металу після підвищення точності штампування менш виражено завдяки зменшенню нерівномірності напружено-деформованого стану, що виразилося зменшенням сумарного коефіцієнта теплопровідності. Тому температура металу виходить за нижню межу температурного інтервалу штампування 7500С тільки на облойному містку. Збереження стійкості пластичної рівноваги у всьому об'ємі поковки підтверджене оцінкою за методом функцій Ляпунова. Аналіз теплового та силового режимів роботи штампу поковки підвищеної точності показав, що локальні перегріви вище точки Ас1 на поверхнях ручаю не спостерігаються, а переважаючим видом зношення є стирання. Адекватність математичної моделі підтверджено перевіркою по критерію Фішера,  ,82, рівень значущості  ,05. Для параметрів напружено-деформованого стану  ,85 (), а при визначенні температурних полів,  ,65 (). Перевірка гіпотези відтворюваності результатів експериментів виконано по критерію Кохрена, . Відповідно до умов експериментів  ,516, рівень значущості = 0,05. При визначенні напружено-деформованого стану = 0,356, а температурних полів  ,485, тобто експерименти відтворювані. Відносна погрішність визначення напружено-деформованого стану та температурних полів склала 7-11%.

Впровадження поковки “кришка” підвищеної точності дозволило скоротити витрату металу на 0,8 кг з розрахунку на одну поковку або 4 тонни в рік.

В шостому розділі представлена розробка поковок підвищеної точності для умов серійного виробництва. Розробка виконана на прикладі поковок “кільце лабіринтне” і “обойма”.

Дослідження конфігурації осередку деформації (рис. 6) з використанням функції геометричної точності (9) дозволило підвищити геометричну точність поковок і зменшити нерівномірність напружено-деформованого стану. При цьому висота осередку деформації залишилася достатньою для заповнення ручаю. Контроль розмірів поковок показав відповідність результатів штампування вимогам креслень і даним розрахунків. При візуальному та ультразвуковому контролі поковок поверхневі та внутрішні дефекти не виявлено.

Рис. 6. Конфігурація осередку деформації при штампуванні поковок підвищеної точності: а - кільце лабіринтне; б - обойма.

Рис. 7. Поковки підвищеної точності: а - кільце лабіринтне; б - обойма

Економія металу для поковок склала: “кільце лабіринтне” - 7,2 тони на рік, “обойма” - 2,9 тон на рік.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У дисертації представлено нове рішення науково-технічної задачі підвищення точності гарячого штампування на молотах для зменшення витрати металу і поліпшення якості поковок шляхом удосконалення процесу деформування та розробки вісесиметричних поковок підвищеної точності з використанням методу скінчених елементів.

1. Отримання поковок підвищеної точності дозволяє зменшити витрату металу і значно збільшити продуктивність праці. Впровадження точного штампування на молотах традиційними способами пов'язано з великими витратами, що стримує її застосування.

2. Одержала подальший розвиток математична модель нестаціонарного нелінійного зв'язаного завдання термопластичності для дослідження операцій гарячого штампування на молотах, що базується на моделі пружно-пластичного матеріалу з термомеханічним зміцненням і аналітичних залежностях для напружень та деформацій. Це дозволяє визначати параметри напружено-деформованого стану та показники міцності металу поковки з урахуванням температурно-швидкісних умов.

3. Розроблена методика підвищення геометричної точності поковок для гарячого штампування на молотах шляхом дослідження напружено-деформованого стану і температурних полів поковок і штампів, яка полягає у зведенні будь-якої операція гарячого штампування до моделі системи “поковка-штамп”, в рамках якої методом скінчених елементів вирішується нестаціонарна нелінійна зв'язана задача термопластичності.

4. Досліджено напружено-деформований стан при осаджуванні низьких та високих заготовок. Встановлено, що підвищена нерівномірність напружено-деформованого стану пов'язана з розповсюдженням в тілі поковки слабких ударних хвиль і високими швидкостями деформації - 200-435 с-1 для низьких поковок та 50-90 с-1 для високих. Це призводить до нерівномірного термомеханічного зміцнення металу і є причиною збереження зон деформації до ступеня деформації 50%. Показано, що хвильові процеси найбільш істотно впливають на енергетичну ефективність молоту при осаджуванні низьких поковок з , коли енергія хвиль в поковці складає від 10% до 40% енергії удару молота. Методом функцій Ляпунова встановлено порушення пластичної рівноваги і визначені граничні ступені деформації з урахуванням температурно-швидкісних умов деформації. Збільшення коефіцієнта тертя з 0,1 до 0,4 призвело до зменшення граничного ступеня деформації при осаджуванні низьких заготовок з 60% до 40%, а при осаджуванні високих – з 67% до 45%. Досліджено розвиток тріщини і місце її виходу на поверхню для високих поковок в області екватора і для низьких - на верхній кромці торця. Встановлена наявність максимумів інтенсивності напружень від 100 до 170 МПа на всій поверхні розділу осередку деформації з іншими зонами деформації, що пов'язане з нерівномірним термомеханічним зміцненням металу при осаджуванні як низьких, так і високих заготовок. При збільшенні висоти поковки в чотири рази швидкості деформації зменшилися з 200-435 с-1 до 50-90 с-1, тобто в 4-5 разів.

5. Розроблена аналітична залежність геометричної точності поковки з нерівномірністю напружено-деформованого стану при штампуванні в остаточному ручаї. Досліджено формозміну в остаточному ручаї при штампуванні поковок другого ступеня складності на молотах. Досліджено конфігурацію і розміри осередку деформації і нерівномірність напружено-деформованого стану та температурних полів при штампуванні поковок другого ступеню складності на молотах. Інтенсивність напружень в різних зонах поковки під впливом температурно-швидкісних умов змінюється від 60 до 150 МПа, межа текучості від 20 до 140 МПа, а межа міцності від 140 до 220 МПа, внаслідок чого в місцях концентрації напруги утворюються “жорсткі” зони. Використання функції геометричної точності дозволило підвищити точність штампування в остаточному ручаї за рахунок зменшення нерівномірності напружено-деформованого стану поковок без порушення пластичної рівноваги, що підтверджене оцінкою по методу функцій Ляпунова. В результаті підвищенні точності досліджених поковок висота осередку деформації зменшилася в чотири рази, залишившись достатньою для заповнення ручаю штампу.

6. Рекомендована залежність для визначення стійкості штампів на основі режиму роботи штампу та втомної міцності штампових сталей, виражену через межу витривалості і усереднене базове число циклів до руйнування. Це дозволило виявити переважаючий вид зносу для кожної поверхні ручаю і усунути локальні перегріви вище точки Ас1. При дослідженні штампів встановлено, що в процесі штампування найбільш важкий тепловий режим у нижньої частини штампу, а силовий режим - у верхньої внаслідок особливостей режимів деформування на молотах. При штампуванні поковок підвищеної точності температури на поверхнях ручаїв змінюються від 4500С до 6000С, досягаючи максимумів 700 0С на поверхнях радіусів закруглень. Інтенсивності напружень в штампах змінюються від 350 до 800 МПа, досягаючи максимуму 1100 МПа на поверхнях облойного містка.

7. Адекватність математичної моделі підтверджено перевіркою по критерію Фішера, а гіпотезу відтворюваності експериментів - оцінкою по критерію Кохрена. Відносна погрішність визначення напружено-деформованого стану і температурних полів склала 7-11%.

8. Розроблені поковки “кільце лабіринтне”, “обойма”, “лабіринт від’ємний”, “кришка” та “колесо зубчате” підвищеної точності впроваджені у виробництво на підприємстві ВАТ ККЗ “Центрокуз”, м. Кіровськ Луганської області. Річна економія металу по кожному типорозміру поковок склала: “кільце лабіринтне” - 7,2 тонни, “обойма” - 2,9 тонни, “лабіринт від’ємний” - 9 тонн, “кришка” - 4 тонни і “колесо зубчате” 8 тонн. Економічний ефект за рік склав 122960 гривень. Розроблені рекомендації по конструюванню і впровадженню поковок підвищеної точності на виробництві.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ праць за темою дисертації

1. Рябичева Л.А., Усатюк Д.А. Математическое моделирование свободной осадки медной заготовки методом конечных элементов // Металлы и литье Украины. - 2004, №11. - C. 35-38.

2. Рябичева Л.А., Усатюк Д.А. Исследование влияния штамповочных уклонов на упругую деформацию штампа методом конечных элементов // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: Тематик. зб. наук.пр. - Краматорськ: ДДМА, 2005. - C. 214-219.

3. Рябичева Л.А., Усатюк Д.А. Конечно-элементное моделирование открытой штамповки тел вращения // Сучасні проблеми металургії. Наукові вісті. - 2005. - Т.8. C. 520-523.

4. Рябичева Л.А., Усатюк Д.А. Особенности компьютерного моделирования технологических процессов обработки металлов давлением методом конечных элементов // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту. 2005, №10.- C. 178-184.

5. Рябичева Л.А., Усатюк Д.А. Исследование стойкости штампов методом конечных элементов // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском у машинобудуванні: Зб.наук.пр. Луганськ, 2005. - C. 31-36.

6. Рябічева Л.О., Усатюк Д.А. Вплив слабих ударних хвиль на енергосилові параметри гарячого штампування на молоті // Наукові нотатки ЛДТУ. - 2006. Вип. . C. 331-339.

7. Рябичева Л.А., Усатюк Д.А. Применение метода термомеханических коэффициентов к анализу напряженно-деформированного состояния при горячей осадке Вісн. Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. - 2006, №6). Ч.1. - C. 45-49.

8. Рябічева Л.О., Усатюк Д.А. Застосування методу скінчених елементів для рішення зв’язаної задачі термопластичності // Вісник ДДМА.- 2006.- №3. C.141-147.

9. Ryabicheva L.A., Usatyuk D.A. Using of finite element method and Lyapunov’s functions for investigation of hot forging // MTM’06 International Industrial Conference Proceedings, 2006. Sofia, Bulgaria. P. 67-70.

10. Рябичева Л.А., Усатюк Д.А. Компьютерное моделирование потери устойчивости при осадке // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. Краматорськ, 2006. - C. .

11. Рябічева Л.О., Усатюк Д.А. Застосування функції термомеханічного зміцнення при визначенні параметрів напружено-деформованого стану поковок та штампів методом скінчених елементів // Наукові нотатки ЛДТУ. - 2006. Вип. 19. - C. 352-358.

12. Рябичева Л.А., Усатюк Д.А. Повышение геометрической точности осесимметричных поковок с использованием метода функций Ляпунова // Физика и техника высоких давлений, Т.17, № 1, 2007, C. 147-154.

Особистий внесок здобувача в опублікованих у співавторстві роботах:

[1], [2], [3], [4] – виконано розрахунок параметрів напружено-деформованого стану, розроблено методику оптимізації штампувальних уклонів;

[5], [6], [7], [8] – рекомендовано залежність для оцінки стійкості штампів, проаналізовано вплив хвильових процесів та температурно-швидкісних умов на нерівномірність напружено-деформованого стану поковки;

[9], [10], [11], [12] – розроблено функцію термомеханічного зміцнення, методику визначення граничного ступеню деформації з використанням функцій Ляпунова та аналітичну залежність геометричної точності поковки від нерівномірності напружено-деформованого стану.

АнотацІя

Усатюк Д.А. Удосконалення процесу деформування та розробка поковок підвищеної точності з використанням методу скінчених елементів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском. Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2007.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково-технічної задачі підвищення точності гарячого штампування для зменшення витрат металу та поліпшення якості поковок шляхом удосконалення процесу деформування та розробки поковок підвищеної точності з використанням методу скінчених елементів.

В дисертації дослідження напружено-деформованого стану при гарячому штампуванні зведено до нестаціонарної нелінійної зв’язаної задачі термопластичності для вирішення якої розроблено математичну модель пружно-пластичного матеріалу з функцією термомеханічного зміцнення та розроблена методика, згідно до якої напружено-деформований стан поковок та штампів визначається з урахуванням механічних властивостей матеріалу, що змінюються під впливом температурно-швидкісних умов. Для підвищення геометричної точності поковок отримано аналітичну залежність геометричної точності від нерівномірності напружено-деформованого стану поковки при гарячому штампуванні. Розроблена методика оцінки стійкості пластичної рівноваги точок поковки з використанням параметрів напружено-деформованого стану, що дозволяє оцінити якість поковок на стадії проектування технологічного процесу. Рекомендовано залежність для визначення стійкості штампів на основі режиму роботи та втомної міцності штампових сталей. Розроблені поковки впроваджені у виробництво у ВАТ ККЗ “Центрокуз” з економічним ефектом 122960 гривень на рік.

Ключові слова: гаряче штампування, штампувальний молот, напружено-деформований стан, метод скінчених елементів, термомеханічне зміцнення, модель пружно-пластичного матеріалу, нестаціонарна нелінійна зв’язана задача термопластичності, функція геометричної точності, стійкість штампу, функція Ляпунова.

АННОТАЦИЯ

Усатюк Д.А. Совершенствование процесса деформирования и разработка поковок повышенной точности с использованием метода конечных элементов. - 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, 2007.

Диссертационная работа посвящена решению научно-технической задачи повышения точности горячей штамповки на молотах для уменьшения расхода металла и улучшения качества поковок путем совершенствования процесса деформирования и разработки поковок повышенной точности с использованием метода конечных элементов.

В диссертации исследование напряженно-деформированного состояния при горячей штамповке сведено к нестационарной нелинейной связанной задаче термопластичности, для решения которой методом конечных элементов разработана математическая модель упруго-пластического материала с функцией термомеханического упрочнения разработана и методика определения напряженно-деформированного состояния поковок и штампов с учетом температурно-скоростных условий. Получена аналитическая зависимость геометрической точности поковки от неравномерности напряженно-деформированного состояния при горячей штамповке в окончательном ручье. Разработана методика оценки устойчивости пластического равновесия точек поковки на основе параметров напряженно-деформированного состояния, которая позволяет оценить качество поковок на стадии проектирования технологического процесса. Исследована трансформация очага деформации, связанная с повышением геометрической точности поковок. Рекомендована зависимость для оценки стойкости штампов на основе режима работы и усталостной прочности штамповых сталей. Разработанные поковки повышенной точности внедрены в производство на ОАО ККЗ “Центрокуз”. Годовая экономия металла по каждому типоразмеру поковок составила: “кольцо лабиринтное” - 7,2 тонны, “обойма” - 2,9 тонны, “лабиринт отъемный” - 9 тонн, “крышка” - 4 тонны и “колесо зубчатое” 8 тонн. Экономический эффект за год составил 122960 гривен.

Ключевые слова: горячая штамповка, штамповочный молот, напряженно-деформированное состояние, метод конечных элементов, термомеханическое упрочнение, модель упруго-пластического материала, нестационарная нелинейная связанная задача термопластичности, функция геометрической точности, стойкость штампа, функция Ляпунова.

ABSTRACT

Usatyuk D.A. Improvement of deforming process and development of forged pieces with enhanced precision by using the finite element method. - The manuscript.

The dissertation as the manuscript on competition of a scientific degree of Cand.on a speciality 05.03.05 - processes and machines of processing by pressure. East-Ukrainian Volodymir Dal National University, Lugansk, 2007.

The dissertation is devoted to solving of scientific and technical task of enhancement accuracy of hot forging for contracting metal withdrawal and enhancement quality of forged pieces by improvement of deforming process and development of forged pieces with enhanced precision by using the finite element method.

In this dissertation investigation of stress-strain conditions at hot forging is reduced to non-stationary nonlinear coupled thermal-structural problem. For solving of this problem by the finite element method a mathematical model of elastic-plastic material with function of thermo-mechanical hardening and technique were developed where stress-strain conditions of billets and dies determined with taking into account temperature-strain rate conditions. For increasing geometrical precision of forged pieces the functional dependence of geometrical precision from a non-uniformity of stress-strain condition at hot forging was developed. The technique for evaluation of stability of plastic equilibrium of forged piece points with using of stress-strain condition parameters allows evaluation of forged pieces quality at the technology development stage. The dependence of the durability of die from thermal and force condition and fatigue strength of die steel was recommended. The developed forged pieces with enhanced precision were implemented to manufacturing at the JSC KKZ “Centrokuz” with economical effect of 122960per year.

Key words: hot forging, die-forging hammer, finite element method, stress-strain condition, function of thermo-mechanical hardening, elastic-plastic material model, non-stationary nonlinear coupled thermal-structural problem, function of geometrical precision, elastic wave, durability of die, Lyapunov’s function.

Автореферат

Удосконалення процесу деформування

та розробка поковок підвищеної точності

з використанням методу скінчених елементів

Усатюк Дмитро Андрійович

Підписано до друку 02.04.07 Формат 60х84 1/16. Папір офсетний.

Гарнітура Times. Друк офсетний. Умов. друк. арк. 1,0 тираж 100 прим.

Видавн. № . Зам. № .

Видавництво

Східноукраїнського національного університету

імені Володимира Даля

91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20 а

Дільниця оперативної поліграфії

Східноукраїнського національного університету

імені Володимира Даля

91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20 а

Адреса видавництва: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20 а

Телефон: 8 (0642) 41-34-12. Факс: 8 (0642) 41-31-60

E-mail: uni@snu.edu.ua http://www.snu.edu.ua