Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 6
1.1. Совершенствование методов проектирования технологических процессов обработки давлением 6
1.2. Методы анализа и модели технологических операций раздачи и обжима 10
1.3. Групповой метод, как модель унификации технологических процессов изготовления полых поковок 15
1.4. Модели классификации и системы кодирования формы деталей 17
1.5. Анализ альтернатив технологии, основанный на дроблении деформаций и использовании унифицированных заготовок 28
1.6. Особенности создания систем искусственного интеллекта 33
1.6.1. Модели и методы теории распознавания образов 36
1.6.2. Общая постановка и методы решения задач распознавания образов 42
1.6.3. Меры сходства и критерии классификации 45
1.7. Задачи исследования 48
2. Иерархическая структура математических моделей процесса штамповки полых конических деталей 50
3. Математическая модель управления распределением деталей по технологическим группам 58
3.1. Теоретические положения метода потенциальных функций 58
3.1.1. Выбор типа потенциальной функции 61
3.1.2. Самообучающийся алгоритм группирования полых конических деталей 64
3.2. Процесс принятия решений при группировании деталей 76
4. Компьютерное моделирование пластического течения металла при операциях раздачи и обжима 82
4.1. Обоснование выбора инструментария 82
4.2. Анализ напряженно-деформированного состояния при раздаче и обжиме 84
4.3. Управление конструктивно-технологическими параметрами для устранения брака 102
4.4. Моделирование перемещений и алгоритм определения высоты исходной заготовки при обжиме 104
5. Экспериментальные модели процессов обжима и раздачи стальных труб 114
5.1. Методика проведения экспериментов 114
5.2. Определение взаимосвязи технологических параметров с помощью аналитических и экспериментальных моделей 121
Общие выводы 138
Список литературы 140
Приложение 153
- Модели классификации и системы кодирования формы деталей
- Самообучающийся алгоритм группирования полых конических деталей
- Анализ напряженно-деформированного состояния при раздаче и обжиме
- Определение взаимосвязи технологических параметров с помощью аналитических и экспериментальных моделей
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие научного подхода к решению задач обработки металлов давлением и обобщение накопленного практического опыта являются предпосылками создания эффективных технических решений, направленных на интенсификацию штамповочного производства. В настоящее время наряду с развитием методов решения определенных технических задач все большее внимание уделяется проблемам методологии и логики проектирования. Дальнейшее совершенствование методов автоматизированного проектирования связано с расширением использования системного подхода при решении и технологических задач. Для принятия решения на основе системного анализа предусмотрено проведение декомпозиции сложной проблемы на более простые компоненты.
Специфика процессов штамповки обусловила необходимость разработки и применения эффективных математических моделей в этой области металлообработки.
В связи с ускоренными темпами развития нефтяной, газовой, химической промышленности, а также жилищного строительства, возросли потребности в деталях арматуростроения, в том числе конических переходах различных диаметров для соединения трубопроводов.
Из возможных видов заготовок для деталей арматуростроения наиболее перспективными являются горячекатаные трубы различных диаметров с различной толщиной стенок.
Совершенствование существующих и разработка новых технологических процессов обработки металлов давлением, таких как раздача и обжим, для производства конических деталей на основе глубокой теоретической проработки вопросов напряженно-деформированного состояния очага деформации, влияния анизотропии на параметры процессов раздачи и обжима, предельного формообразования заготовок с построением соответствующих математических моделей является актуальной задачей.
Работа выполнена в соответствии с научно-технической программой Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008гг.)».
Цель работы. Обеспечение эффективности технологии штамповки полых конических поковок в условиях мелкосерийного производства за счет унификации исходных заготовок и сменного штампового инструмента.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи исследований:
на основе системного подхода разработать структуру информационных моделей, позволяющих на базе качественного и количественного анализа управлять технологическими параметрами процессов пластического деформирования полых конических поковок на этапах их технологической подготовки;
- разработать методику классификации и группирования полых конических деталей для увеличения эффективности их изготовления за счет повышения серийности и унификации исходных заготовок;
- создать математическую модель и алгоритм реализации процессов
группирования, основанных на методах теории распознавания образов;
- разработать эффективные критерии принятия решений при
автоматизации процесса группирования деталей;
- на базе компьютерного моделирования провести анализ напряженно-
деформированного состояния заготовок и выявить технологические
параметры, ограничивающие применение операций раздачи и обжима;
используя разработанные математические модели, теоретические положения и результаты экспериментального моделирования, спроектировать групповые технологические процессы изготовления полых конических деталей заданной номенклатуры;
полученные модели, результаты и рекомендации использовать в учебном процессе и в промышленном производстве.
Методы исследования. Декомпозиция информационных моделей управления технологическими параметрами выполнена с привлечением методов системного анализа. Методы искусственного интеллекта легли в основу моделей и алгоритмов автоматизации группирования деталей. Анализ напряженно-деформированного состояния заготовки выполнен с помощью конечно-элементных моделей и решения замкнутой системы уравнений механики на основе методов теории вязкопластического течения Леви -Мизеса методом минимизации функционала мощности внешних и внутренних сил и дифференциальных уравнений теплопроводности Фурье при задании достоверных начальных и граничных условий. Предельные возможности формоизменения оценивались по максимальной величине меридионального и тангенциального напряжений. Оценка изменения относительной толщины заготовки проводилась согласно основным соотношениям деформационной теории пластичности.
При проведении экспериментальных исследований использованы современная испытательная машина EU100 и регистрирующая аппаратура.
Автор защищает:
разработанные математические модели управления технологическими параметрами процессов пластического деформирования, применяемые на последовательных этапах проектирования;
методику классификации, самообучающийся алгоритм группирования осесимметричных деталей и критерии принятия решения при создании оптимального количества технологических групп;
установленные закономерности влияния технологических параметров и анизотропии механических свойств на предельные возможности деформирования;
- программное обеспечение, позволяющее установить оптимальные
соотношения размеров исходных заготовок и поковок на основе анализа
напряженно-деформированного состояния очага деформации трубной
заготовки.
Научная новизна:
- в разработке структуры математических моделей и установлении их
взаимосвязей при автоматизации проектирования технологических процессов штамповки полых конических поковок;
в реализации самообучающегося алгоритма и критериев оптимального распределения известной номенклатуры деталей по технологически однородным группам;
- в предложенном программном обеспечении, позволяющим на основе
расчетов установить связи размеров заготовок, при разной форме
образующей поковок, с кинематически возможными перемещениями;
- в установлении адекватности математических моделей реальным
технологическим процессам обжима и раздачи трубных заготовок.
Достоверность результатов основывается на корректности постановки задач исследований, обоснованным использованием допущений и ограничений, привлечением известных, хорошо зарекомендовавших себя математических методов и подтверждена согласованием результатов теоретических изысканий с данными экспериментов, а также практическим использованием разработанных технологических процессов в промышленности.
Практическая значимость работы состоит в создании на базе
разработанных информационных моделей групповых процессов и
инструментов, повышающих эффективность применения
высокопроизводительных штамповочных операций в условиях мелкосерийного производства, что позволяет изготавливать конические переходы с разными геометрическими соотношениями без разрушения металла, т.е. повысить устойчивость технологических процессов формообразования, а также уменьшить число штампового инструмента и технологических переходов.
Реализация работы. Технологические процессы приняты к внедрению в ОАО «Научно-производственная фирма по внедрению научных и инженерно-технических инноваций» (ВНИТИ) г. Санкт-Петербург. Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлениям 150400 «Технологические машины и оборудование» и 150900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств», инженеров, обучающихся по специальности 150201.65 «Машины и технология обработки металлов давлением» и включены в разделы лекционных курсов «Теория обработки металлов давлением», «Конструирование и изготовление штамповой оснастки для обработки металлов давлением», а также использованы в научно-исследовательской работе студентов при выполнении курсовых и дипломных проектов и магистерских диссертаций.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на международных научно-технических конференциях «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов» (г. Санкт-Петербург: СПбГПУ, 2007 г.); «Прогрессивные технологии и оборудование при обработке материалов давлением» (г. Ульяновск: УлГТУ, 2007 г.), а также на постоянно действующем научно-техническом семинаре
кафедры «Системы пластического деформирования» ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» (Москва, 2008 г.).
Публикации. Результаты проведенных исследований отражены в 2 статьях, опубликованных в рецензируемых изданиях, внесенных в Перечень ВАК, ив 3-х материалах международных и региональных научно-технических конференций.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору А.Э. Артесу за оказанную помощь при выполнении экспериментов и критические замечания.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованных источников из 137 наименований, приложения и включает 152 страницы машинописного текста, содержит 54 рисунка и 11 таблиц. Общий объем - 186 страниц.
Модели классификации и системы кодирования формы деталей
При разработке групповых технологических процессов необходим анализ, позволяющий выявить вполне определенные типы деталей. Этот вопрос может быть успешно решен при наличии соответствующей классификации деталей, разработанной на основе передового отечественного и зарубежного опыта. Классификация деталей дает возможность повысить качество работ по унификации и нормализации самих деталей и их конструктивных элементов; повысить технологичность деталей; создать базу для проведения унификации технологических процессов; автоматизировать разработку групповых технологических процессов; увеличить серийность производства и обеспечить оптимальную загрузку кузнечно-штамповочного оборудования.
Идея типизации технологических процессов на основе классификации деталей принадлежит А.П.Соколовскому [55], который предложил в каждом конкретном классе деталей выделять следующие уровни иерархии: подклассы, группы и типы.
Решению вопросов классификации во многом способствовал ряд ныне действующих систем: «Единая система конструкторской документации» (ЕСКД); «Единая система технологической документации» (ЕСТД); «Единая система технологической подготовки производства» (ЕСТГШ), также «Единая система документооборота» (ЕСД).
Последовательность разработки типовых технологических процессов изложена в ГОСТ 14.303-73 ЕСТПП «Правила разработки и применения типовых технологических процессов», а основные этапы проектирования групповых технологических процессов регламентированы ГОСТ 14.316-75 «Правила разработки групповых технологических процессов».
Принципиальное их различие в соответствии с ГОСТ в том, что типовой процесс отличается узкой специализацией всех звеньев технологии, рассчитанной на изготовление одной типовой детали, тогда как другой стандарт указывает на целесообразность создания комплексной детали, включающей все конструктивные элементы деталей, входящих в конкретную группу.
Работы по классификации деталей привели к созданию двух классификаторов: конструкторского и технологического. Конструкторский классификатор позволяет разделить детали на классы и типы с присвоением каждому из них своего вполне определенного номера, который отражает лишь основные конструктивные признаки.
Анализ литературных источников показал, что условно выделяют три уровня подробности описания деталей:
- классификация и кодирование на основе использования высших классификационных группировок классификатора промышленной и сельскохозяйственной продукции (ВКГ ОКП) [70];
- классификация и кодирование с более подробной информацией о конструктивно-технологических признаках не только детали, но и ее отдельных элементов;
- классификация и кодирование, обеспечивающее полное описание детали, позволяющее воспроизвести ее чертеж.
На первом этапе классификации путем экспертных оценок отбираются те детали, которые могут быть получены методами пластического деформирования. Классификационная характеристика назначается по ВКГ ОКП. В ней указаны только способ изготовления, вид металла и масса, а именно:
1. Вид продукции - первые три разряда (например, 412 — кованые и штампованные поковки).
2. Вид сплавов - четвертый разряд (черные или цветные).
3. Вид кузнечньгх заготовок - пятый разряд (горячие штампованные поковки из проката, поковки из слитков, штамповки днищ, штамповки объемные холодные).
4. Масса кованых и штампованных поковок — шестой разряд. Например, шифром 412153 обозначаются поковки из черных сплавов, полученных холодной штамповкой, с массой в интервале от 0,63 до 1,6 кг.
Технологический классификатор деталей [71] построен как продолжение классификации деталей по конструктивным признакам -классы 40 и 50 ВКГ ОКП, он представляет собой системы наименований и кодов технологических характеристик деталей и используется при подготовке производства для разработки групповых технологических процессов с учетом возможностей использования вычислительной техники. С разработкой этого классификатора создана единая система конструкторско-технологического кодирования деталей, которая обеспечивает условия для решения задач технологической подготовки производства, имеющих большое значение для унификации процессов и выбора оптимальных структур организационно-производственных подразделений при многономенклатурном единичном, мелкосерийном и серийном производствах.
Технологический шифр детали состоит из 14 знаков и включает в себя две части:
- шифр классификационных группировок ее основных признаков -постоянная часть;
- шифр классификационных группировок признаков, применительно к виду детали.
В качестве основных признаков технологического классификатора деталей рассматриваются:
- размерная характеристика (3 разряда);
- группа материала (2 разряда);
- вид детали по технологическому процессу (1 разряд).
При решении конкретных технологических задач целесообразно применять локальные классификаторы и кодирование, обеспечивающие наиболее простые, наименее трудоемкие и с меньшим числом ошибок приемы разделения деталей на группы. Такие системы широко используются при автоматизированном проектировании технологических процессов.
В работе [72] для классификации принята следующая система. Кованые и штампованные поковки характеризуются по исходному материалу и разделены на шесть групп сложности в зависимости от их конфигурации, определяющей технологические особенности. Каждая группа сложности включает девять подгрупп и каждая подгруппа имеет девять групп серийности, последние приняты по ВКГ ОКП с учетом их массы. При этом использована схема классификации групп сложности, предложенная А.Н.Брюхановым [73] и А.В.Ребельским [74]. Данная классификация применима при отборе деталей, которые экономически целесообразно изготавливать горячей объемной штамповкой, которые по своим конструктивно-технологическим признакам могут быть отнесены в одну из шести групп сложности. Недостатком такого подхода является его ограниченное применение только для процессов горячей объемной штамповки.
Краматорским научно-исследовательским и проектно технологическим институтом машиностроения (НИИПТМАШ) была разработана система проектирования технологического процесса горячей штамповки мелкосерийных поковок (СПТМ ШМТ). Система основана на классификации и унификации поковок и их элементов, типизации технологических процессов и унификации технологической оснастки. Путем классификации вся совокупность разнообразных поковок приведена к системе, которая позволяет: оперировать каждой поковкой, как элементом единой системы; увидеть конструктивное сходство и различие между поковками; вскрывать общие закономерности, присущие всей совокупности поковок и отдельным их группам [75].
Математическая модель D — Х\х1 )Y\y, )Z{zu )Q{qv) в графическом виде представляется {in х jv)-матрицей, каждый элемент т = f{x,y,z,q) которой является конструктивно-технологической разновидностью поковок. К основным признакам отнесены конструктивный тип поковок (X); габариты поковок (Y); сходство поковок по элементам наружных (Z) и внутренних поверхностей или форме стержня (О).
Поскольку классификация по всей номенклатуре представляется нерациональной даже при использовании ЭВМ, приведена выборочная классификация.
Самообучающийся алгоритм группирования полых конических деталей
При решении задач группирования деталей необходимо по появляющимся в процессе обучения образам деталей без информации о том, какой группе каждый образ принадлежит, провести объединение этих образов в изолированные, достаточно удаленные друг от друга группы. Рациональное количество таких групп распознающая система должна определить в процессе самообучения.
Исходным набором признаков обладает геометрическая форма, которая характеризует деталь независимо от ее функционального назначения и часто материала. Информация о линейных размерах осевых сечений и их отдельных элементах, а также об относительных размерах деталей является наиболее существенной. Так как наиболее полно геометрическую форму осесимметричных деталей отражают их осевые сечения, то следовательно, в набор признаков для группирования подобных деталей прежде всего должны войти детерминированные характеристики осевых сечений.
Так как формируемая группа предполагает единство технологического процесса изготовления входящих в нее деталей и формообразующего инструмента, то образ каждой детали в классе формировался на основе тех признаков, которые принимают участие в проектировании технологии. При геометрическом подобии деталей конкретного класса такими признаками являются конструктивно-технологические признаки деталей и вычисляемые по ним значения объема, периметра и площади осевого сечения детали, а также другие параметры, участвующие в проектировании технологического процесса штамповки.
Для совместного использования различных признаков, в частности, имеющих разную размерность целесообразным является их преобразование в безразмерные нормированные величины. Существуют различные способы нормирования признаков. В настоящей работе использовано преобразование [112], уравнивающее масштабы и диапазоны измерения признаков, а также приводящие все векторы образов к единому началу отсчета:
Если при этом преобразовании окажется, что по некоторым признакам среднеквадратичное отклонение равно нулю, то такие признаки исключаются из дальнейшего рассмотрения при группировании. Они удаляются из набора, а размерность гиперпространства понижается на число неинформативных признаков.
Переход от конкретных деталей к их образам в признаковом пространстве осуществляется с помощью набора конструктивно-технологических признаков (табл. 3.1) :
D - максимальный диаметр детали, мм;
d — минимальный диаметр детали, мм;
L - максимальная длина детали, мм;
S - толщина стенки со стороны большего диаметра детали, мм;
S/ - толщина стенки со стороны меньшего диаметра детали, мм;
1о - длины цилиндрических участков детали, мм;
К — коэффициент раздачи-обжима;
а — угол конусности образующей детали, град;
q — серийность, тыс. шт.
Предварительная обработка полученного признакового пространства заключающаяся в определении информативности признаков путем их нормирования при совместном использовании, и проведенный численный эксперимент показали, что в конкретном случае для группирования вошедших в класс деталей не информативными являются признаки с номерами 4, 5, 6, т.к. среднеквадратичное отклонение равно 0, либо близко к этому значению.
Серийность, не являющаяся геометрической характеристикой, не входит в число признаков на этапе группирования, а используется для расчетов критериев качества объединения. Рассчитываемый объем деталей включен в набор признаков.
В основу распределения осесимметричных деталей конкретного класса по однородным, в геометрическом смысле, группам положен алгоритм распознавания образов с самообучением, основанный на методе потенциальных функций [103]. Известны модификации алгоритма для решения конкретных задач производства [113].
Если источником потенциала служат группы образов у, и щ то создаваемый в точках Xs и Xq средний потенциал характеризует степень удаления рассматриваемых образов от групп сої и щ.
В соответствии с алгоритмом в качестве потенциальной используется функция K(XS, Xq) второго типа (3.9). Согласно рекомендациям [114] постоянный коэффициент, показывающий скорость убывания потенциальной функции а =1/128.
Мера близости внутри одноэлементной группы принимается равной единице. После формального группирования для деталей сформированной группы ведется проектирование комплексной поковки, конфигурация которой формируется совмещением осевых сечений деталей, входящих в группу.
В силу симметрии кодированию подвергается половина осевого сечения, которая характеризуется точками излома контура (узловыми токами), каждая из которых представляется двумя координатами (X,Y), которые фактически представляют собой значения радиуса и высоты. Для обеспечения замкнутости контура сечения, координаты последней узловой точки повторяют. Перед совмещением детали ранжируются в порядке убывания значений их объемов. Контур, соответствующий детали с максимальным объемом, формируется как неподвижный. Смещенный контур кодируется по сечению следующей детали группы с добавлением к координате У всех узловых точек некоторой величины AY, изменяющейся на заданный шаг смещения. Обход точек сечения для поиска результирующего контура, соответствующего данному положению сечений деталей относительно друг друга, начинается с точек основного контура, характеризующегося минимальным значением координаты Г первых точек.
Наиболее трудно формализуемым этапом совмещения осевых сечений, является принятие решения о том, какой контур использовать в качестве основного, непосредственно участвующего в формировании контура поковки, на очередном этапе обхода сечений. Задача усложняется многовариантностью встречающихся ситуаций при совмещении произвольных контуров. Она успешно решена с использованием аналитической геометрии и векторного анализа [109]. Результирующим принимается контур при относительном положении сечений соответствующим минимальному объему полуфабриката /-ой группы.
Эффективность группового метода зависит от правильности распределения деталей по группам. При большой номенклатуре группируемых деталей имеется возможность выбора варианта их отнесения к определенной группе. Рациональный вариант группирования деталей должен подтверждаться определенным значением количественного критерия, в качестве которого может быть использована интегральная оценка, включающая в себя комплекс затрат (в условных относительных единицах) на штамповую оснастку и ту часть основных материалов, которая при необходимости удаляется с помощью обработки резанием при изготовлении конкретных деталей. Эти виды затрат в наибольшей степени изменяются в зависимости от колебаний количества типоразмеров поковок и их серийности. Стоимость материала готовой детали постоянна при всех видах обработки и может не учитываться.
Анализ напряженно-деформированного состояния при раздаче и обжиме
Поскольку все изготавливаемые конические переходы имеют подобную геометрию, ограничимся рассмотрением технологического процесса для поковки перехода №11 (см. табл. 3.1), реализуемого за два последовательных перехода: обжим с последующей раздачей.
Обжим предназначен для получения меньшего диаметра конической поковки. С помощью раздачи диаметр трубной заготовки увеличивается до требуемого значения. Операция обжима реализуется по упрощенной схеме, при которой деформируется лишь часть заготовки на половину ее высоты, т.е. до линии раздела течения. Заготовка нагружается плоским пуансоном, а недеформируемая часть заготовки не имеет подпора ни с внешней, ни с внутренней стороны стенки.
В качестве исходных данных использованы механические характеристики трубной заготовки из конструкционной стали 45, принятые в соответствии с рекомендациями [120], и которые представлены в табл. 4.1. Диаметральный размер трубной заготовки 076x6, длина L=80 мм. Оборудование выбирается из базы данных и нашем случае это пресс с гидравлическим приводом и соответствующей скоростью перемещения ползуна. Температурные условия соответствуют холодной пластической деформации при 20С. Для снижения коэффициента трения до величины ц=0,05 из базы данных выбиралась технологическая смазка, обеспечивающая принятые условия трения на контактных поверхностях: масляная суспензия графита.
Величина сопротивления деформированию в области, охваченной пластической деформацией, по стадиям моделирования представлена на рис. 4.1 -4.3. На начальной стадии процесса обжима рис. 4.1 в локальной области на кромке соприкосновения заготовки с матрицей наблюдается высокое значение cs=1002 МПа. Затем процесс течения входит в стационарную стадию, сопротивление деформированию стабилизируется не превышает значений в интервале as=977,9...981,5 МПа. Осевые и радиальные напряжения являются сжимающими, что иллюстрируется схемой на рис. 4.4.
Изменение величины накопленной деформации по стадиям моделирования представлено на рис. 4.5 — 4.7. На первом этапе в самом начале процесса деформации отсутствуют, поэтому накопленная деформация также равна 0. По мере перемещения заготовки относительно конической матрицы накопленная деформация растет от значений 0,56 до 0,97 на конечной стадии обжима, когда диаметр поковки достигает необходимой величины 045. Коэффициент обжима при этом Ko(j=l,69 близок к критическим значениям. Следует отметить, что толщина заготовки в зоне обжима увеличивается, достигая максимального значения на кромке.
Модель позволяет определить и другие параметры, характеризующие процесс течения металла заготовки: скорости перемещений узловых точек по осям X и Y, интенсивность скоростей деформаций, изменение температуры в очаге деформации и температурное поле заготовки в целом. Протокол расчета и перечисленные параметры в виде рис. Ш — П12 приведены в приложении.
Второй этап моделирования позволил рассчитать параметры операции раздачи уже имеющегося полуфабриката до диаметра 089 мм. При этом значение коэффициента раздачи Кр— 1,17, что значительно меньше, чем на операции обжима. Это объясняется менее благоприятными условиями раздачи, т.к. она сопровождается растягивающими осевыми и радиальными напряжениями. Напряженное состояние заготовки при раздаче показано на схеме рис. 4.8. Изменение величины сопротивления деформированию иллюстрируют рис. 4.9-4.11. Причем вся предыстория деформирования на операции обжима программой сохраняется. В начале раздачи в локальной зоне контакта кромочной части заготовки с матрицей os=996 МПа, по мере перемещения пуансона процесс стабилизируется и os не значительно уменьшается, оставаясь в пределах значений 850...880 МПа. На рис. 4.12 — 4.14 показано изменение величины накопленной деформации в фиксированные моменты процесса деформирования. Значение стабильно в начальной и промежуточных стадиях Б=0,1 и только на последней стадии раздачи увеличивается на кромке до є=0,7. При этом заготовка приобретает необходимую форму и размеры. Следует отметить, что толщина заготовки по высоте в зоне раздачи уменьшается и достигает минимального значения на кромке. Изменение других параметров моделирования (скорости перемещения по осям X и Y; интенсивность скоростей деформации и распределение температур) приведены в приложении на рис. П13 - П24.
Определение взаимосвязи технологических параметров с помощью аналитических и экспериментальных моделей
В качестве примера рассмотрим переходы №01 и №03, коэффициенты обжима для которых составляют К=\,59 и К=2,Ъ6 соответственно. Попытки изготовить их за одну операцию обжима заканчивались потерей устойчивости заготовки на завершающей стадии обжима. Схема потери устойчивости представлена на рис. 5.5,а и поковка перехода №03 с образованием волны на рис. 5.5,6, которая полностью согласуется с результатами компьютерного моделирования.
Дальнейшее деформирование приводило к искажению формы поковки, как в случае перехода №03 или к образованию кольцевого заусенца (рис. 5.5,в) по торцу поковки перехода №01, что является недопустимым по действующему стандарту. Потеря устойчивости свободной части заготовки объясняется ее напряженно-деформированным состоянием (см. рис. 4.4), когда меридиональные напряжения ар на участке передачи технологической силы превышали предел текучести ат для относительной толщины S(/D=0,086 [128].
Для уменьшения коэффициента обжима, например для перехода №01, до значения К=1,53 в зоне интенсивной деформации на заготовке выполнялась коническая фаска точением на токарном станке до толщины краевой зоны 2,5+0,1 мм, тот же прием был использован для заготовки перехода №11 (рис. 5.6).
Эксперименты подтвердили, что ни на одной предварительно обработанной заготовке при обжиме за один переход потеря устойчивости не наблюдалась, а толщина поковки со стороны обработанной краевой части увеличивалась до 3 мм.
При коэффициентах К 1,6, как правило, переходы изготавливали за 3 операции: обжим, раздача и калибрующий обжим. Исключение составляет переход № 06 (57x5 - 32x3) с #=1,79. Обжим с 057 на 032, стал возможным без потери устойчивости благодаря снижению коэффициента обжима тем же приемом - за счет уменьшения толщины трубной заготовки.
Переход №03 изготавливали комбинированием операций обжима до размера 045x3-32x3, раздачи до размера 057x3-32x3 и обжима - 057x3-25x3.
Обжим исходной заготовки с промежуточным размером 076x6 и длиной 80 мм (рис. 5.1,а) применительно к технологическому процессу штамповки перехода № 11 (89x6 — 45x3) проводился на гидравлическом прессе до упора установленного в штампе между верхней и нижней плитой (на схеме не показан).
В связи с приложением продольной силы к заготовке и с увеличением ее поперечного сечения, в зоне пластической деформации возникают внутренние напряжения: меридиональное сжимающее ар и окружное растягивающее ag. Сжимающее напряжение ар изменяется вдоль образующей деформируемого участка от 0 в точках краевой зоны до максимума в зоне перехода к недеформированной части заготовки. В начале деформирования происходит упругое сжатие заготовки, это длится до тех пор, пока проекция элементарных сил раздачи на перпендикуляр к оси симметрии не окажется достаточной для начала пластической деформации. В момент начала пластической деформации наблюдается стабилизация силы раздачи, объясняемое тем, что при увеличении диаметра краевой части уменьшается сила, необходимая для создания изгибающего момента, образующего участок свободного изгиба. По мере увеличения объема очага пластической деформации и длины контактной поверхности заготовки с пуансоном наблюдается интенсивное увеличение силы деформирования (рис. 5.8, б) вплоть до момента, когда край заготовки не подойдет к границе между, конической и цилиндрической частями пуансона. После этого краевая часть заготовки теряет контакт с конической поверхностью пуансона, а диаметр края заготовки продолжает увеличивается. Не смотря на наличие у пуансона цилиндрической части, верхняя краевая часть поковки остается конической из-за ограниченной длины цилиндрического участка, на котором меридиональные сжимающие напряжения Ор недостаточны для создания зоны изгиба.
При раздаче зона пластической деформации находится там, где происходит увеличение диаметра деформируемой заготовки. Схема деформированного состояния зоны пластической деформации объемная (см. рис. 4.8): в окружном направлении происходит растяжение кольцевых элементов заготовки, в меридиональном — сжатие, в радиальном направлении, перпендикулярном образующей - также сжатие.
Так как внешняя поверхность заготовки свободна от напряжений при раздаче, а удельная сила, передаваемая пуансоном, мала по сравнению с пределом текучести, можно считать, что схема напряженного состояния — плоская, сжато-растянутая. Очаг деформации состоит из двух участков: участка свободного изгиба на входе в очаг деформации и конического участка контактного деформирования. Протяженность контактного участка намного больше длины участка свободного изгиба.
Рис. 5.9 иллюстрирует расчетное изменение толщины стенки в зависимости от К. При обжиме, в связи с уменьшением диаметра кольцевых элементов в зоне пластической деформации, толщина стенки поковки увеличивается, при раздаче, в связи с увеличением диаметров кольцевых элементов - толщина стенки уменьшается. Из анализа схемы напряженно-деформированного состояния при раздаче можно сделать вывод, что внешняя поверхность заготовки свободна от напряжений, а контактные нормальные напряжения значительно меньше напряжения текучести, и их влияние на утонение стенки незначительно.
Предельное формоизменение при раздаче ограничено потерей устойчивости заготовки, вид которой зависит от относительной толщины стенки заготовки и механических характеристик ее металла, способа закрепления заготовки в штампе и формы пуансона.
Формоизменение заготовки оценивается коэффициентом раздачи (5.1). Увеличение диаметра заготовки, допустимое за один переход при раздаче со сжатием, ограничивается разрушением участка заготовки, получившего наибольшую деформацию (краевая часть заготовки) или потерей устойчивости недеформируемой ее части.
Экспериментальные исследования показали, что при степенях деформации 0,65...0,75 из-за анизотропии механических свойств металла, упрочнения в зоне реза при разделении на штучные заготовки, упрочнения в результате деформации, неравномерности слоя смазки на кромке деформируемого участка поковки при раздаче может возникнуть шейка в одном или нескольких местах. При величине окружных растягивающих напряжений превышающих предел прочности а& ое появляется трещина. Из справочной литературы [134] известно, что на возможность появления брака влияет соотношение геометрических параметров заготовки и поковки. При относительной толщине стенки заготовки S(/D 0,02...0,4 на кромке может появиться шейка за счет локализации зоны интенсивной деформации, а затем перерасти в трещину. В нашем случае s /D=0,079 попадает в указанный интервал и, значит, существует вероятность разрушения. Так же на возможность разрушения оказывает влияние коэффициент трения /л. При хорошем смазывании, а значит малых значениях коэффициента трения ju=0,05...0,10, локализация деформаций в виде шейки может наступить раньше предельного увеличения диаметра краевой части. Объясняется это тем, что с увеличением коэффициента трения затрудняется тангенциальное смещение заготовки, возникающее при образовании шейки, и тангенциальные силы трения затрудняют локализацию деформаций и принудительно выравнивают распределение деформаций в тангенциальном направлении. Однако чрезмерное увеличение коэффициента трения может оказывать вредное влияние, т.к. оно приводит к увеличению силы деформирования и возможности потери устойчивости недеформированной части заготовки. Также способствует увеличению нормальных контактных напряжений, а, следовательно, и к появлению налипания металла заготовки на поверхность пуансона, что приводит к появлению продольных царапин на внутренней стороне штампуемого изделия.
