Критериальные параметры технологии вытяжек цилиндрических изделий

Критериальные параметры технологии вытяжек цилиндрических изделий

Создание надежных методов расчета элементов систем точного машиностроения и проектирования технологии их изготовления является актуальной научно-технической проблемой. Современное машиностроение предъявляет высокие требования к технологическим процессам. Важную роль в составе сложных технологий машиностроения занимают операции обработки давлением, которые в значительной степени определяют технологию и эксплуатационные характеристики готовых изделий.

Проблема оптимального проектирования интенсивных технологических процессов обработки давлением изделий с заданными свойствами связана с трудностью определения технологии и её критериальных параметров, удовлетворяющих одновременно многим требованиям: минимальному расходу материалов и энергоресурсов, предельно короткому технологическому пути обработки при эффективном использовании пластических свойств обрабатываемых материалов, обеспечению заданной точности и свойств изделий, надежной стойкости рабочего инструмента. Могут быть поставлены условия, связанные с организацией автоматизированного производства, что существенно влияет на технологию и её критериальные параметры.

1. Основные принципы технологии автоматизированных производств

деформация вытяжка утонение силовой Технология автоматизированного производства (АП) должна основываться на высокоэффективных и высокопроизводительных методах обработки деталей и сборки изделий. Технологический опыт машиностроения показывает, что на всех этапах разрабатываемой технологии надо закладывать прогрессивные решения (возможное приближение конфигурации и размеров заготовки к готовой детали, обеспечение высоких эксплуатационных характеристик готовых изделий, высокая надежность работы оборудования и стойкость рабочего инструмента и т. д.).

При проектировании технологических процессов АП особое значение приобретают вопросы комплексности и оптимизации технологии в целом.

Комплексность технологии заключается в том, что она должна соответствовать многим требованиям; минимальному расходу материалов и энергоресурсов, обеспечению заданных точности и свойств изделий, надежной работы оборудования, средств автоматизации, оснастки и инструмента.

Принцип оптимальности технологии АП заключается в том, что она должна соответствовать комплексу критериальных технологических параметров, описывающих степень совершенства технологии. К критериальным параметрам АП следует отнести:

— параметры качества изделий (связанных с их эксплуатационными характеристиками);

— количество операций технологического процесса;

— параметры надежности работы оборудования, средств автоматизации, оснастки и инструмента;

— технико-экономические показатели AП. Критериальные параметры рассматриваются как целевые функции, по которым производится оптимизация технологии АП на стадиях ее проектирования, отладки и внедрения, включая эксплуатационные испытания готовых изделий.

Многие технологические процессы автоматизированного производства изделий с высокими эксплуатационными характеристиками основываются на методах обработки металлов давлением (ОД). Операции (ОД) в структуре технологических процессов автоматизированного производства изделий почти полностью формируют их форму, размеры и задаваемые эксплуатационные характеристики.

Сложность проектирования технологических процессов автоматизированного производства на базе процессов (ОД) связана с трудностью проектирования технологии и её критериальных параметров, удовлетворяющих одновременно многим требованиям; минимальному расходу материалов и энергоресурсов; предельно короткому технологическому пути обработки при эффективном использовании пластических свойств обрабатываемых материалов; обеспечению заданных точности и свойств изделий; надёжности работы оборудования, средств автоматизации, оснастки, стойкости деформирующего инструмента, производительности.

Проектирование и оптимизация технологических процессов, оценка степени их совершенства производятся с помощью критериальных технологических параметров, к которым следует отнести:

— эксплуатационные характеристики готовых изделий (э₁, э₂, э₃. …, э_к);

— количество операций технологического процесса (n);

технологические усилия (P₁, P₂, P₃, …, P_m);

— локальные нагрузки на рабочий инструмент (p₁, p₂, р₃, …, p_а);

— термомеханические (Q_p) и физико-структурные (м_s) параметры процессов обработки;

— параметры надёжности работы оборудования (К_н^(об)) и средств автоматизации (К_н^(авт));

— стойкость рабочего инструмента (Тс ^(инст)).

На значения критериальных параметров наложены ограничения, связанные с техническими условиями на готовую продукцию, свойствами обрабатываемых материалов, кинематическими и динамическими характеристиками оборудования и систем автоматизации, прочностью рабочего инструмента, формой, размерами и сохранение устойчивости заготовок и полуфабрикатов в процессе обработки и т. д., т. е.

, ,

, ,

, (1)

где, ,, …, — предельно-допустимые значения критериальных технологических параметров. Введем безразмерные характеристики ?₁= э_k/[э_k]_max, ?₂ = n/[n]_max, ?₃ = Р_m/[P_m]_max, …

Тогда система критериальных неравенств (1) принимает следующий вид:

a₁? ?₁? 1, a₂? ?₂? 1, …, ?_r? 1

?_r+1? 1, …, a₁^*? ?_1, a^*_l+1? ?_l+1, …, (2)

где, , …;, , …;, , …,

условные верхнеграничные значения величин, ,…

Первая часть критериальных параметров (j =1, 2,…, r-1) имеет как максимальные, так и минимальные предельно-допустимые значения, вторая (j = r, r+1,…, r-1) — верхне-граничное значение 1, а третья (j =1, l +1,…) — нижне-граничные значения. Условные верхне-граничные значения величин ,… устанавливаются на основе систематизированных опытных и производственных данных.

Введем в рассмотрение n — мерное фазовое пространство с координатами ?_j (j =1, 2,…, n), где n — число критериальных параметров. Допустимые значения характеристик ?_j образуют в фазовом пространстве технологических параметров область, ограниченную кусочно гладкой гиперповерхностью ?_j *?_j = 1 (j = 1, 2,…, 1−1) и гиперплоскостями ?₁ =a₁, ?₂ =a₂,…, ?_r-1 = a_r-1, ?₁ =a₁^*, ?_l+1 =a^*_l+1, …, ?_n = a_n^*. Таким образом, возможные варианты технологического процесса изображаются точками в области n-мерного фазового пространства технологических параметров.

2. Критериальные параметры вытяжки с утонением стенки анизотропного упрочняющегося материала

2.1 Силовые режимы и предельные степени деформации

Анализ результатов полученных в результате установления влияния технологических параметров процесса вытяжки с утонением, стенки и свойств материала на удельное усилие показал, что удельное усилие увеличивается с ростом степени деформации и коэффициента трения на инструменте, уменьшением характеристики анизотропии материала (рисунок 1).

Рисунок 1 — Зависимость удельного усилия от степени деформации В чистом виде влияние характеристики анизотропии усилие процесса показано на рисунке 2, а. Исследование проводилось при вытяжке с утонением в матрице с углом = 15°, коэффициентах трения на матрице и на пуансоне и фиксированных степенях деформации. Удельное усилие увеличивается с уменьшением характеристики анизотропии.

Рисунок 2 — Зависимость удельного усилия вытяжки от а) характеристики анизотропии; б) коэффициента трения;

в) угла матрицы; и степени деформации Из анализа графиков (рисунок 2, б) следует, что напряжение растет с увеличением коэффициента трения; причем при малых деформации его влияние более существенно. Исследования проведены при вытяжке с утонением в матрице с углом конусности °, характеристика анизотропии, коэффициенты трения изменялись в пределах, степени деформации выбирались

Влияние угла ската матрицы на удельное усилие при вытяжке с утонением анизотропного материала с характеристикой анизотропии при коэффициентах трения на матрице и пуансоне и изменяющимися степенями деформаций в пределах показано на рисунке 3, в. Из графиков видно, что угол, который обеспечивает минимум усилия при этих степенях деформации и фиксированной характеристике анизотропии, лежит в пределах °. Величина удельного усилия существенно зависит также от коэффициентов трения на пуансоне и матрице (рисунок 3). Чем больше коэффициент трения на пуансоне по сравнению с коэффициентом на матрице, тем значительнее разгружается стенка изделия при в больше степени деформации. Полученная информация позволяет решить вопрос о предельных степенях деформации, т. е. таких, при которых среднее напряжение в стенке изделия достигает величины .

Рисунок 3 — Зависимость удельного усилия вытяжки от степени деформации Анализ графиков (рисунок 3) показывает, что при одновременном росте коэффициента трения на матрице и пуансоне предельная степень деформации значительно уменьшается (кривые 4, 5, 6). Если же коэффициент трения на матрице остается постоянным, а на пуансоне возрастает, то можно достичь значительно больших степеней деформации (кривые 1, 2, 3).

При вытяжке с утонением материала с отрицательной характеристикой анизотропии при прочих равных условиях могут быть достигнуты большие степени деформации, а при вытяжке материалов с положительной характеристикой анизотропии меньшие степени деформации по сравнению с изотропным материалом. В целях достижения больших степеней деформаций необходимо стремиться к уменьшению коэффициента трения матрицей и материалом, и увеличению коэффициента трения пуансоном и материалом, при этом угол матрицы выбирать в пределах 15…25°.

2.2 Основные предположения и соотношения

Рассматривается процесс вытяжки с утонением стенки при установившемся течении начально — анизотропного, анизотропно упрочняющегося материла через коническую матрицу с углом конусности и коэффициентом утонения. Здесь и — толщина заготовки и полуфабриката соответственно.

В качестве осей координат принимаем главные оси анизотропии, одна из которых совпадает с условно главным направлением осевого напряжения (с образующей пуансона).

Предполагается, что процесс вытяжки с утонением стенки протекает в условиях плоской деформации. На контактных границах реализуется закон трения Кулона.

Величины осевого и контактного напряжений в очаге пластической деформации определяются путем совместного решения приближенного уравнения равновесия для элемента очага пластической деформации (рисунок 4, а).

(3)

и приближенного условия текучести

(4)

где С — характеристика анизотропии в условиях плоской деформации, которая связана с параметрами анизотропии F, G, H, M выражением

(5)

где; и — коэффициенты на контактных поверхностях пуансона и матрицы; - сопротивление пластической деформации при сдвиге в плоскости; - угол между первым условно главным напряжением и осью анизотропии .

Рисунок 4 — Схема процесса вытяжки с утонением стенки:

а) напряженное состояние; б) кинематика течения материала

2.3 Силовые параметры процесса

Силовые параметры процесса вытяжки с утонением стенки исследовались в зависимости от величины степени, угла конусности матрицы ° и условий трения на инструменте.

Находились относительные величины осевого напряжения в стенке и относительные величины удельного усилия процесса

Введены следующие обозначения: диаметр изделия по срединной поверхности; - условный предел текучести на сдвиг в плоскости .

На рисунке 6 приведены зависимости изменения от угла конусности матрицы для сплава АМг2М при

Рисунок 5 — Изменение от угла конусности матрицы для сплава АМг2М при

На этих графиках сплошными линиями показаны относительные величины удельного усилия, вычисленные по четырехпараметрической модели анизотропного упрочнения, штриховыми — по однопараметрической модэли, штрих-пунктирной — по модели изотропного упрочнения. Анализ графиков и результатов расчета показывает, что с увеличением степени деформации относительные величины удельного усилия и осевого напряжения возрастают. Интенсивность роста тем выше, чем больше степень деформации.

С увеличением угла конусности матрицы величина осевого напряжения резко возрастает.

Выявлено существование оптимальных углов конусности матрицы по величине относительного удельного усилия, которые находятся диапазоне °. Величина резко падает с увеличением оптимальных значений угла конусности матрицы, с дальнейшим ростом интенсивность возрастания относительного усилия становится более плавным. Величина оптимальных углов конусности матрицы с ростом степеней деформации смещается в сторону больших углов.

Таким образом, анализ процесса вытяжки с утонением стенки материала с анизотропным упрочнением показал, что в ряде случаев этот фактор оказывает существенное влияние на силовые режимы обработки.

2.4 Предельные степени деформации при вытяжке с утонением

Предельные степени деформации при вытяжке с утонением стенки существенно зависят от условий трения на инструменте, геометрии инструмента, механических свойств материала. На эти величины оказывают существенное влияние характеристики анизотропии заготовки и способность материала к упрочнению.

Изменение условий трения на контактной поверхности пуансона существенно влияет на предельный коэффициент утонения. С увеличением коэффициента трения на пуансоне снижается предельное значение коэффициента утонения. Этот эффект проявляется больше на малых углах конусности матрицы. При больших значениях углов матрицы увеличение коэффициента трения на пуансоне в 3 раза по сравнению с коэффициентом, а матрице не приводит к существенному изменению предельного коэффициента утонения.

Таким образом, учет анизотропного упрочнения материала в ряде случаев может существенно влиять на величины предельных коэффициентов утонения процесса вытяжки с утонением стенки.

3. Условие пластичности

Упругое равновесие тела возможно при различных соотношениях и величинах нагрузок. Пластическое же равновесие возможно только при вполне определенных нагрузках. Так, можно считать, что при линейном растяжении признаки пластической деформации появятся тогда, когда нагрузка вызовет напряжение, равное пределу текучести.

Если по мере увеличения деформации происходит упрочнение материала, то для дальнейшего развития пластической деформации необходимо увеличивать напряжение. Величина его определяется кривой упрочнения (кривой истинных напряжений). Если упрочнение отсутствует, то при линейном растяжении пластическая деформация происходит при постоянном напряжении.

Тело, материал которого является несжимаемым и неупрочняющимся, называется идеально пластичным.

Необходимо знать, какими условиями определяется переход в пластическое состояние и дальнейшее поддержание его при любом виде напряженного состояния. Эти условия можно выявить только на основании экспериментальных исследований.

Вместе с тем можно уверенно предположить, что переход любой элементарной частицы тела в пластическое состояние обусловливается каким-то соотношением между напряжениями, с одной стороны, и его механическими свойствами при данных температурно-скоростных условиях — с другой.

Существует несколько гипотез, определяющих условие перехода напряженного тела (точки) от упругого состояния к пластическому, сокращенно «условие пластичности».

Наиболее обоснованным является условие пластичности, выдвинутое М. Губером (1914 г.) и Р. Мизесом (1913 г.). Это условие можно сформулировать следующим образом.

Любая элементарная частица металлического тела переходит из упругого в пластическое состояние, когда интенсивность напряжений достигает величины, равной напряжению текучести при линейном пластически напряженном состоянии, соответствующему температурно-скоростным условиям деформирования и степени деформации. Короче можно сказать так: при пластическом состоянии интенсивность напряжений постоянно равна напряжению текучести Кроме того, следует учитывать, что под напряжением текучести следует подразумевать не условное, а истинное напряжение при линейном пластически напряженном состоянии.

Отсюда следуют две другие формулировки условия пластичности.

1. При пластической деформации сумма квадратов разностей главных нормальных напряжений есть величина определенная, равная удвоенному квадрату напряжения текучести.

2. При пластической деформации сумма квадратов главных касательных напряжений есть величина определенная, равная половине квадрата напряжения текучести.

Заключение

Вытяжка с утонением стенки находит широкое применение при изготовлении глубоких цилиндрических сосудов, толщина стенки которых значительно меньше толщины дна. Эта операция может быть использована также с целью получения высоких прочностных характеристик материала стенок и управления ими за счет деформационного упрочнения. Изделия, изготовляемые вытяжкой с утонением, имеют более высокую точность, чем при вытяжке, однако число операций в технологическом процессе, основанном на вытяжке с утонением, остается значительным.

Интенсификация процесса вытяжки может быть достигнута методом комбинированной вытяжки, которая характеризуется одновременным существенным изменением диаметра и толщины вытягиваемой заготовки.

Наибольший эффект от комбинированной вытяжки можно получить, если конструкция изделия учитывает особенности и возможности этой операции, т. е. является технологичной. Под технологичностью понимается такое сочетание элементов конструкции детали, которое обеспечивает её наиболее экономичное изготовление и высокое качество.

Список использованных источников

1 Комплексные задачи теории пластичности / Н. Д. Тутышкин, А. Е. Гвоздев, В. И. Трегубов, Ю. В. Полтавец [и др.]; под ред. Н. Д. Тутышкина, А. Е. Гвоздева. — Тула, ТулГУ, 2001. — 377 с.

2 Колмогоров В. Л. Механика обработки металлов давлением: учебник для вузов / В. Л. Колмлгоров. — М.: Металлургия, 1986. — 688 с.

3 Малов А. Н. Технология холодной штамповки / А. Н. Малов. — М.: Машиностроение, 1969. — 568 с.

4 Сторожев М. В., Попов Е. А. Теория обработки металлов давлением /n М.: Машиностроение, 1977. — 423 с.

5 Яковлев С. П. Обработка давлением анизотропных материалов / С. П. Яковлев, С. С. Яковлев, В. А. Андрейченко. — Кишинев: Квант, n1997. — 326 с.