Важными задачами, стоящими перед современным машиностроением, являются создание и производство конкурентоспособной продукции. В связи с этим перед машиностроительной промышленностью стоят актуальные задачиразработка новых и совершенствование существующих технологических процессов, обеспечивающих повышение требований к качеству изделий при снижении себестоимости и трудоемкости их производства, экономии материальных и энергетических ресурсов. При этом особую актуальность приобретают новые подходы к технологии изготовления изделий, направленные на изыскание резервов применяемых способов обработки, установление оптимальных режимов проведения технологических процессов. Значительное место среди новых направлений совершенствования действующих технологических процессов занимает обработка металлов давлением (ОМД), являющаяся высокоэффективным способом изготовления, и в частности, комбинированные виды вытяжки, которые позволяют получать более качественные тонкостенные цилиндрические изделия.
Создание усовершенствованных технологических процессов изготовления цилиндрических тонкостенных изделий требуемого качества с минимальными сроками освоения выпуска продукции требует использования современных методов подготовки производства и более детального анализа свойств обрабатываемых материалов. К этим свойствам относятся явления, связанные с пластической неоднородностью и повреждаемостью деформируемого материала. Разработка новых технологий ставит перед теорией ОМД задачи, требующие применения более совершенных математических моделей, описывающих процессы деформирования материалов, использование многошаговых принципов принятия решения с элементами визуализации. Однако такой подход еще не нашел достаточно широкого применения в ОМД для анализа технологических операций. Поэтому актуальной является задача, состоящая в разработке теоретически обоснованных режимов пластического деформирования, полученных с использованием точных методов расчета и современных достижений вычислительной техники, обеспечивающих заданное качество и сокращение сроков подготовки производства новых изделий.
Цель работы. Повышение эффективности изготовления цилиндрических деталей комбинированной вытяжкой на основе установления теоретически обоснованных режимов пластического деформирования с использованием точных методов расчета и современных достижений вычислительной техники, позволяющих обеспечивать заданное качество и сокращать сроки подготовки производства новых изделий.
Для достижения указанной цели, в работе поставлены, и решены следующие задачи исследований.
1. Сформулировать основные уравнения и соотношения объемного пластического течения, позволяющие с привлечением метода конечного элемента учитывать неоднородность, кинематические, деформационные, силовые характеристики и деформационную повреждаемость в процессах комбинированной вытяжки.
2. Провести теоретический расчет процессов первой и последующих операций комбинированной вытяжки цилиндрических деталей с определением силовых режимов и анализом напряженно-деформированного состояния и повреждаемости.
3. Установить зависимости влияния технологических параметров: степени деформации, коэффициентов вытяжки и утонения, угла конусности матрицы, коэффициентов трения инструмента на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояние заготовки, силовые режимы.
4. Адаптировать пакет прикладных программ ОЕРСЖМ-ЗО для расчета процессов комбинированной вытяжки цилиндрических деталей в условиях объемной деформации с применением многошагового процесса принятия решения.
5. Разработать рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления цилиндрических деталей и рабочего инструмента для его реализации, обеспечивающие заданное качество изделий путем уменьшения деформационной повреждаемости.
Объект исследования. Технологические процессы комбинированной вытяжки.
Предмет исследования. Первая и последующие операции комбинированной вытяжки цилиндрических деталей.
Методы исследования. Исследование процессов комбинированной вытяжки цилиндрических деталей выполнено с использованием основных положений теории пластичности с учетом пластической неоднородности материала и деформационной повреждаемости. Моделирование процесса осуществлено методом конечных элементов на базе прикладной программы БЕРСЖМ-ЗО. Предельные возможности формоизменения исследуемых процессов деформирования оценивались по величине напряжений в очаге пластической деформации и критерию разрушения материала, связанному с накоплением деформационной повреждаемости. При разработке рекомендаций использованы современные положения технологии вытяжных операций.
Автор защищает:
— определяющие уравнения и соотношения для анализа процесса комбинированной вытяжки цилиндрических деталей в условиях объемного напряженного и деформированного состояний;
— результаты теоретических исследований первого и последующих процессов комбинированной вытяжки цилиндрических деталей с учетом пластической неоднородности и повреждаемости деформируемого материала;
— установленные зависимости влияния технологических параметров на напряженное и деформированное состояния заготовки, повреждаемость материала и предельные возможности деформирования;
— адаптированные пакеты прикладных программ для ЭВМ по расчету первого и последующих процессов комбинированной вытяжки цилиндрических деталей;
— рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления цилиндрических цельнотянутых деталей с использованием процессов комбинированной вытяжки.
Научная новизна: установление закономерностей изменения кинетики течения материала, напряженного и деформированного состояния, пластической неоднородности материала от технологических параметров первого и последующих процессов комбинированной вытяжки цилиндрических деталей при объемном деформировании.
Практическая ценность работы. На основе выполненных исследований разработаны рекомендации и пакет адаптированных прикладных программ по расчету технологических параметров первой и последующих операций комбинированной вытяжки цилиндрических деталей, обеспечивающих интенсификацию технологических процессов, заданное качество и сокращение сроков подготовки производства новых изделий.
Реализация работы. Отдельные результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе при подготовке специалистов и магистров по специальности 170 104 «Высокоэнергетические устройства автоматических систем» и включены в разделы лекционных курсов «Технологическая механика», «Современные методы подготовки производства», а также применяются в научно-исследовательской работе студентов при выполнении курсовых и дипломных проектов.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов» (г. Тула, 2009, 2012 гг.) на ежегодных магистерских научно-технических конференциях Тульского государственного университета (г. Тула, 2009, 2010 гг.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2010;2012 гг.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, входящих в Перечень рецензируемых научных журналов ВАК.
Структура и объем диссертации
.
Диссертационная работа состоит из введения и четырех разделов, заключения, списка использованных источников из 108 наименований, 3 приложений и включает 112 страниц машинописного текста, содержит 45 рисунков и 4 таблицы. Общий объем — 137 страниц.
4.5. Основные результаты и выводы.
1. Разработана усовершенствованная методика проектирования технологии изготовления цельнотянутой банки инструмента из цилиндрических заготовок на базе операций комбинированной вытяжки. Новизной методики является прогнозирование прочностных свойств материала готовых изделий на основе анализа напряженно-деформированного состояния материала и деформационной повреждаемости, позволяющие получать качественную структуру материала, необходимую для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств.
2. На основе предложенной методики разработан технологический процесс изготовления цельнотянутой банки комбинированной вытяжкой из алюминиевого сплава марок АМц-3.
3. Технико-экономическая эффективность предлагаемого технологического процесса обеспечивается простотой реализации данного способа, так как предлагаемая технология изготовления не требует высокоточного и мощного оборудования для обеспечения требуемой разностенности, как на операции обратного выдавливания и дает возможность повышением прочности изделия за счет упрочнения и уменьшения повреждаемости со =0,55, сокращением сроков, подготовки производства в 1,4 раза.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертационной работе решена актуальная научная задача, имеющая важное значение для различных отраслей машиностроения и состоящая в повышении эффективности изготовления цилиндрических деталей комбинированной вытяжкой на основе выбора теоретически обоснованных режимов пластического деформирования, полученных с использованием точных методов расчета и современных достижений вычислительной техники, обеспечивающих заданное качество и сокращение сроков подготовки производства новых изделий.
В процессе проведенного изучения и моделирования комбинированной вытяжки цилиндрических деталей получены следующие основные результаты, и сделаны выводы.
1. Сформулированы определяющие соотношения для анализа пластического формоизменения цилиндрических деталей комбинированной вытяжкой из жесткопластического, несжимаемого, изотропного материала в условиях объемного пластического течения, позволяющие определять кинематику течения материала, силовые режимы, напряженное и деформированное состояния, деформационную повреждаемость.
2. Выполнен теоретический расчет первого и последующих процессов комбинированной вытяжки цилиндрических деталей с определением силовых режимов и анализом напряжено-деформированного состояния, деформационной повреждаемости путем решения трехмерной задачи с визуализацией схем процессов и исследованием кинетики полученных значений в виде графиков.
3. Моделирование процесса комбинированной вытяжки позволило установить влияние технологических параметров, степени деформации вытяжки, коэффициентов вытяжки и утонения, угла конусности матрицы, коэффициентов трения на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния заготовки и силовые режимы. Показано, что первую операцию комбинированной вытяжки из плоской заготовки алюминиевого сплава АМц-3 возможно проводить при степени вытяжки /// = 0,6 с коэффициентами вытяжки md-0,6 и утонения ms= 0,67, дальнейшее увеличение степени деформации приводит к разрушению полуфабриката. Оптимальным и являются коэффициенты трения на матрице juM =0,03 и пуансоне //" = 0,06 и угол конусности матрицы, а = 12.15°, дающие минимальные значения напряжений и деформации. Последующие операции комбинированной вытяжки из полой заготовки алюминиевого сплава АМц-3 возможно проводить при степени вытяжки i// =0,6 с коэф-. фициентами вытяжки /",=0,8 и утонения ms= 0,5, дальнейшее увеличение приводит к разрушению полуфабриката. Оптимальным и являются коэффициенты трения на матрице и пуансоне //1(= 0,03, //" = 0,06 и угол конусности матрицы, а = 15°, дающие минимальные значения напряжений и деформаций.
4. Проведена оценка повреждаемости деформируемого материала микро-дефейтами. Учёт. пластической повреждаемости вносит заметную поправку в расчёт операционных степеней деформаций, дает возможность их увеличения до 12.16%.
5. На основе предложенного метода решения статических задач-составлены соответствующие схемы алгоритмов, и адаптирован программный комплекс DEFORM-3D для расчета технологических процессов комбинированной вытяжки, протекающих в условиях объемной деформации, с использованием многошагового процесса принятия решения. Использование пакета прикладных программ дает возможность уменьшить время проведения технологических расчетов, обеспечивает наглядность результатов, и позволяет сократить сроки освоения выпуска продукции.
6. Разработаны рекомендации по проектированию технологических процессов изготовдения цилиндрических деталей и рабочего инструмента для его реализации. Спроектирован технологический процесс изготовления цельнотянутой банки комбинированной вытяжкой. Технико-экономическая эффективность предлагаемого технологического процесса обеспечивается простотой реализации данного способа, так как предлагаемая технология изготовления не требует высокоточного мощного оборудования, как на операции обратного выдавливания, и дает возможность повысить прочность изделий за счет упрочнения и уменьшения повреждаемости со =0,55, сокращает срок подготовки производства в 1,4 раза.
