Исследование и совершенствование процессов пульсирующей глубокой вытяжки листовых деталей тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Министерство общего и профессионального образования РФ Пермский Государственный Технический Университет

Исследование и совершенствование процессов пульсирующей глубокой вытяжки листовых деталей

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.06 «Динамика и прочность машин, приборов и аппаратуры»

На правах рукописи

Шальнев Александр Егорович

Пермь, 1998

Содержание

Введение.......................................................................................................................................................2

Глава 1. Сущность, теоретические основы и пути интенсификации глубокой вытяжки полых листовых деталей.....6

1.1. Сущность и основные направления интенсификации процесса вытяжки...........................................6

1.2. Приемы дробления очага пластического деформирования во фланцах заготовки...........................20

1.3. Последовательное деформирование участков фланца заготовки при глубокой вытяжке................25

1.4. Поэтапное деформирование участков фланца заготовки при вытяжке.............................................27

1.5. Комбинированное деформирование фланца при вытяжке.................................................................29

1.6. Последовательно-поочередное деформирование участков фланца заготовки при глубокой вытяжкеЗО

1.7. Преднамеренное гофрирование и разглаживание фланца заготовки при вытяжке..........................31

1.8. Пульсирующая вытяжка с чередованием деформирования кольцевых участков фланца заготовки32 Выводы по главе 1......................................................................................................................................35

Глава II. Теоретический анализ пульсирующей вытяжки с чередованием деформирования кольцевых участков фланца заготовки..........................................................................................................................................................36

2.1. Сущность пульсирующей вытяжки....................................................................................................36

2.2. Теоретические основы пластического деформирования периферийной части фланца заготовки ...38

2.2.1. Определение напряжений пластического деформирования в периферийной части заготовки................38

2.2.2..Оценка значения напряжений от трения ох при пульсирующей вытяжке...............................................42

2.2.3. Определение сопротивления изгибу стг штампуемого металла...............................................................43

2.2.4. Определение предельного напряжения в стенке вытягиваемого изделия..................................................44

2.2.5. Определение временного сопротивления штампуемого материала Ов (в) с учетом дополнительного

упрочнения............................................................................................................................................................45

2.2.6. Установление технологических возможностей и особенностей первого этапа пульсирующей вытяжки. 50

2.3. Теоретические основы пластического деформирования центральной части фланца заготовки......54 "

Выводы по главе II.....................................................................................................................................62

Глава III. Экспериментальные исследования пульсирующей вытяжки с чередованием деформирования кольцевых участков фланца заготовки...........................................................................................................................................63

3.1. Определение механических свойств штампуемого металла..............................................................63

3.1.1. Экспериментальное построение кривых упрочнения.................................................................................65

3.1.2. Определение временного сопротивления ав (е) предварительно упрочненного металла......................68

3.1.3. Построение зависимости ой (б) на основе методики математического планирования эксперимента.... 69

3.2. Эксперименты по определению силовых параметров процесса........................................................75

3.2.1. Установление напряжений штамповки и изгиба 1-го и 2-го переходов вытяжки......................................75

3.2.2. Эксперименты по определению изгибных напряжений при протягивании ленты через фильеру............80

Выводы по главе III....................................................................................................................................84

Глава IV. Применение пульсирующей вытяжки в зубопротезной технике.................................................................85

4.1. Технология изготовления металлических коронок из сплава титана пульсирующей вытяжкой.....85

4.2. Изготовление металлических зубных коронок пульсирующей вытяжкой. Сущность процесса......87

4.2.1. Особенности процесса пульсирующей вытяжки........................................................................................88

4.2.2. Осуществление пульсирующей вытяжки на микропрессе..........................................................................89

4.3. Вытяжка зубных коронок в штампе с колеблющимся прижимом.....................................................91

4.3.1. Вытяжка металлических зубных коронок эластичной матрицей...............................................................92

4.3.2. Способ реверсивной вытяжки коронок эластичной матрицей...................................................................93

Выводы по главе IV....................................................................................................................................95

Выводы по работе.........................................................................................................................................................96

Литература....................................................................................................................................................................98

Введение

Для научно-технического процесса на современном этапе развития науки и техники характерно усложнение конструкций машин и их комплексов, что, в свою очередь, предопределяет увеличение трудоемкости изготовления, себестоимости и сроков освоения новых изделий.

С помощью операций листовой штамповки многие высокоразвитые страны

выпускают до 80% общего количества продукции машиностроения, и одной из важных

проблем машиностроительного производства является экономичное и

высокопроизводительное получение качественных тонкостенных деталей. В этом

отношении характерны следующие данные: листовой штамповкой в самолетостроении

изготавливается до 60-70% от общего количества деталей, в ракетостроении - 80-90%, в

автотранспорте - до 50%, в приборостроении - до 85-90% [1,2].

Широкому применению процессов листовой штамповки способствует их достаточно высокая степень совершенства, которая может быть оценена совокупностью следующих технико-экономических показателей:

• высокой точностью и хорошим качеством штампуемых деталей;

• высоким уровнем производительности труда и низкой себестоимостью производства новых изделий;

• приспосабливаемостью к различным масштабам производства при сохранении высоких технико-экономических показателей;

• возможностью изготовления деталей с наиболее высоким коэффициентом использования металла;

• возможностью получения полых изделий из листа с минимальной металлоемкостью; Операции листовой штамповки могут быть разделены на две группы: разделительные и формоизменяющие.

Разделительные операции характеризуются отделением одной части заготовки от другой и завершаются разрушением материала (вырубка, пробивка, отрезка, зачистка и т.п.)

Формоизменяющие операции (гибка, вытяжка, обжим, отбортовка и т.п.) характеризуются тем, что заготовка получает пластические деформации и деформирование не должно завершаться разрушением.

В ряде работ [3,4] показано, что среди формоизменяющих операций глубокая вытяжка является одним из наиболее эффективных средств для получения высококачественных заготовок под механическую обработку. Это определяет большой интерес, который всегда проявляется к этому виду обработки металлов давлением.

Однако единичный и мелкосерийный характер производства, в условиях которого находится значительная часть предприятий машиностроения, накладывает определенные ограничения на традиционные процессы вытяжки. Так, если в условиях серийного и массового производства в абсолютном большинстве случаев экономически оправдано

получение полых деталей за несколько вытяжных операций, то при обширной номенклатуре и небольшой годовой программе многооперационный процесс вытяжки, требующий для изготовления на одну деталь несколько вытяжных штампов и сопровождающийся целым рядом вспомогательных операций (отжиг, травление, промывка, нанесение и удаление смазок и т.д.), становится растянутым во времени, малоудобным и дорогостоящим.

Для многих производств (в частности, производства летательных аппаратов) характерны следующие особенности:

• большая номенклатура одновременно изготавливаемых изделий;

• малые масштабы выпуска однотипных изделий;

• относительно частая смена объектов производства;

• сжатые сроки подготовки производства и освоение новых или модернизированных изделий.

Наиболее радикальным путем преодоления трудностей, обусловленных возможностями современного производства и отмеченными особенностями, является его интенсификация на основе изыскания, разработки и внедрения новых технологических процессов и оборудования, обеспечивающих предельное сокращение времени и затрат труда как на превращение заготовок в законченное изделие или полуфабрикат, так и на подготовку вытяжного производства листовых деталей.

Однако находящийся на вооружении современного машиностроения комплекс методов и средств листовой штамповки вообще и глубокой вытяжки в особенности не отвечает во многих случаях современным требованиям промышленности.

В связи с этим возникает необходимость в обосновании и разработке основных направлений интенсификации глубокой вытяжки с разработкой комплекса новых методов и средств глубокой вытяжки, теоретическим обоснованием и проверкой экспериментом их силовых и технологических параметров в лабораторных и производственных условиях.

Процесс штамповки предназначен для получения полых деталей из плоской листовой заготовки. Возможное формоизменение при вытяжке фланцевой части заготовки ограничено ее разрушением в том месте, где действуют наибольшие по величине растягивающее напряжения. При рассмотрении технологических возможностей операции вытяжки необходим учет факторов, влияющих на величину допустимого формоизменения, оценка их значимости.

Штамповка - вытяжка представляет собой процесс сложного нагружения при непрерывно меняющимся виде напряженно-деформированного состояния.

Анализ напряженно-деформированного состояния позволяет правильно рассчитать технологический процесс вытяжки, правильно выбрать размеры заготовок вытягиваемых изделий и рациональные элементы рабочих частей штамповой оснастки, а также определить основные направления интенсификации глубокой вытяжки.

Для расширения области применения вытяжных работ в условиях малосерийного производства необходимо изыскивать новые технологические процессы, обеспечивающие сокращение количества вытяжных и сопутствующих им вспомогательных операций.

В настоящее время теоретически и экспериментально изучаются следующие принципиально новые технологии листовой штамповки [5]:

• штамповка-вытяжка листовых деталей пластичным металлом;

• глубокая вытяжка гидроэластичной матрицей с подвижным прижимом,

• гидромеханическая вытяжка листовых деталей;

• гидростатическая сверхглубокая вытяжка из листового металла;

• глубокая вытяжка с кольцевым гофрированием и разглаживанием фланца заготовки;

• пульсирующая глубокая вытяжка тонкостенных деталей из листового металла;

• вытяжка с колеблющимся и качающимся прижимом;

• глубокая вытяжка листовых деталей из профилированных по толщине заготовок;

• малоотходная технология вытяжных работ.

Среди рассмотренных процессов определенный интерес представляют процессы вытяжки, основанные на дроблении очага пластического деформирования фланца заготовки.

Известный процесс пульсирующей вытяжки с преднамеренным радиальным гофрированием и разглаживанием фланца заготовки позволяет расширить номенклатуру листовых деталей, изготовляемых глубокой вытяжкой.

Однако широкому применению этого прогрессивного процесса вытяжки

препятствует, во-первых, то, что он рационален лишь при штамповке особо тонкостенных £

деталей (— <0.02, где - исходная толщина заготовки, ¿1 - диаметр пуансона) и, во-^

вторых, то, что для его осуществления требуются достаточно мощные специальные гидропрессы, у которых усилие на прижиме примерно в 10 раз больше, чем в обычных гидропрессах [6].

Пульсирующая вытяжка с чередованием деформирования кольцевых участков фланца заготовки, являющаяся предметом исследования в настоящей работе, способствует дальнейшему расширению возможностей вытяжного производства листовых деталей за счет того, что этим процессом обеспечивается изготовление листовых деталей с £

— > 0.02, а также за счет того, что его осуществления требуется гидропрессы меньшей с/

мощности, чем для пульсирующей вытяжки с радиальным гофрированием [7].

В настоящей работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований нового процесса глубокой вытяжки: с учетом увеличения несущей способности штампуемого материала в зоне раздела периферийного и центрального очагов деформирования и с учетом взаимодействия последних при создании давлений подпора в центральной зоне фланца заготовки в процессе вытяжки.

. В первой главе кратко изложены сущность, теоретические основы и пути интенсификации глубокой вытяжки полых листовых деталей, приведен обзор и анализ способов глубокой вытяжки, основанных на дроблении очага пластического деформирования и последовантельно-чередующемся деформировании отдельных участков фланца заготовки.

Во второй главе на основании методов механики деформируемого твердого тела проведен теоретический анализ пульсирующей вытяжки с чередованием деформирования кольцевых участков фланца заготовки в периферийной и центральной зонах с учетом увеличения несущей способности штампуемого металла в зоне раздела последних и с учетом взаимодействия их при создании давлений подпора в центральной зоне фланца заготовки в процессе вытяжки.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям пульсирующей вытяжки с чередованием деформирования кольцевых участков фланца заготовки, определению области применения и освоению нового процесса в лабораторных условиях.

Наконец, в четвертой и последней главе обсуждается применение пульсирующей вытяжки в зубопротезной технике для изготовления металлических зубных коронок.

В заключении работы проведены общие выводы и список цитированной литературы.

В приложении имеются акты внедрения результатов работы на предприятиях г.

Перми.

Таким образом, в работе решаются следующие основные задачи:

1. Дан анализ различных способов глубокой вытяжки.

2. Обоснованы преимущества метода пульсирующей вытяжки с чередованием деформирования кольцевых участков фланца заготовки.

3. Построена приближенная математическая модель, позволяющая рассчитывать усилия и напряжения в прессе пульсирующей вытяжки с чередованием деформирования кольцевых участков фланца заготовки.

4. Проведено экспериментальное исследование данного процесса.

5. Описано применение пульсирующей вытяжки в зубопротезной технике, применимое и к аналогичным процессам.

Глава 1. Сущность, теоретические основы и пути интенсификации глубокой вытяжки полых листовых деталей

1.1. Сущность и основные направления интенсификации процесса вытяжки

Процесс глубокой вытяжки полых листовых деталей весьма подробно изложен в работах

Ниже с учетом этих работ изложены сущность и теоретические основы первого перехода вытяжки цилиндрической детали из плоской заготовки в инструментальном вытяжном штампе. Схема процесса приведена на рис. 1.

Заготовка 1, установленная на матрицу 2 и прижатая к ней усилием Рпр со стороны прижимного кольца 3, под действием усилия штамповки Рш пуансона 4 вытягивается в зазор между матрицей 2 и пуансоном 4.

Обычно зазор между матрицей и пуансоном при вытяжке без преднамеренного утонения материала несколько превышает значения исходной толщины заготовки Яц. Пластическое деформирование фланцевой части заготовки сопровождается сокращением диаметра /30 до текущего диаметра О (Л0 > I) > с/), в результате чего получается

цилиндрическая деталь либо с фланцем, либо отштампованная «на провал».

Возникающие при вытяжке напряжения штамповки а (под этим термином в литературе по теории штамповки понимают радиальные растягивающие напряжения в

[8-25].

пр.

Рисунок 1.

наиболее опасном сечении) в цилиндрической части вытягиваемого изделия обусловливаются сопротивлением фланца заготовки пластическому деформированию (аД трением заготовки о рабочие поверхности формообразующего инструмента (сгт), сопротивлением изгибу фланца заготовки относительно вытяжной кромки матрицы радиусом гм и последующего спрямления его (аг), а также радиальным подпором в точке (<?), т.е.

а = о1+ах+ог-д. (1.1)

При исследовании напряженно-деформированного состояния заготовки при осесимметричном деформировании очаг деформации в большинстве случаев может быть разделен на участки, в каждом из которых кривизна срединной поверхности в меридиональных сечениях постоянна [25].

Перемещение элементов загот