close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

9777.Технологические процессы обработки металлов давлением с локальным нагружением заготовки.

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
, _
-_
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В. А. Голенкое, С. Ю. Радченко
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
с локальным нагружением
заготовки
I
Москва "Машиностроение" 1997
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ь2>«Л*
ББК 34.623
Г60
УДК 621.735.3.001.63.001.5.002
Г60
Голенков В. А., Радченко С. Ю.
Технологические процессы обработки металлов давле­
нием с локальным нагружением заготовки. М.: Маши­
ностроение, 1997, 226 с: ил.
ISBN 5-217-02873-^
В книге изложены основы моделирования, расчета и проектиро­
вания технологических процессов обработки металлов давлением с
локальным нагружением заготовки. Приводится описание пакета
прикладных программ "ШТАМП", разработанного на базе метода ко­
нечных элементов. Описываются результаты расчета некоторых
технологических процессов, приводятся данные по разработке новых
технологий получения осесимметричных деталей и результаты их
практической апробации.
Книга может быть полезна студентам, аспирантам, научным и
инженерно-техническим работникам, занимающимся проблемами
теории и технологии обработки металлов давлением.
2704030000
Г
Безобъявл.
ББК 32.965
038(01)-97
ISBN 5-217-02873^
© В. А. Голенков, С. Ю. Радченко, 1997 г.
© ОрелГТУ, 1997 г.
© Издательство "Машиностроение", 1997 г.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Перед отечественным машиностроением стоит задача раз­
работки принципиально новых технологий и оборудования, кон­
курентоспособных на мировом рынке,, позволяющих получать
изделия высокого качества при наименьших затратах на их про­
изводство.
Одним из наиболее эффективных направлений получения
сложных изделий являются методы локального деформирования,
такие, как свободная ковка, вальцовка, поперечно-клиновая про­
катка, обкатка деталей из труб и листовых материалов, накатка
зубьев, ротационное выдавливание, сферодвижная штамповка,
торцевая раскатка, непрерывно-последовательная высадка и др.
Вследствие локальности деформирования на порядок снижается
технологическая сила совершения операции, что обеспечивает
значительное снижение металлоемкости оборудования, повыше­
ние стойкости инструмента, увеличивается коэффициент исполь­
зования металла.
Принципиально новым развитием этих методов является
технология с комплексным локальным нагружением заготовки,
получившая название "валковая штамповка", сочетающая в еди­
ном процессе операции объемной штамповки и локальное де­
формирование неприводными роликами или приводными валка­
ми. Новый способ деформирования позволяет получать с высо­
кой точностью и качеством изготовления при технологической
силе на порядок меньшей, чем для традиционных методов объ­
емной штамповки детали: сплошные и полые; сверхтонкостен­
ные и толстостенные; малых размеров, применяемые в приборо­
строении, и крупные для машиностроительной или авиационной
промышленности; круглые и некруглые в плане; с огранкой или
зубьями.
Комплексное нагружение очага деформации локальной пе­
риодической силой с одновременным воздействием через посто-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4
Введение
янно фиксируемую зону позволяет получить новый технический
эффект, недостижимый другими методами деформирования.
Важным условием понимания новых процессов является
установление и исследование взаимосвязи параметров, их влия­
ния на процесс деформирования и конечный результат формоиз­
менения заготовки. Качество изготовления деталей, производи­
тельность и стабил! Hoci ь или устойчивость технологических
процессов валковой штамповки зависят от правильного выбора
технологических и конструктивных параметров, т.е. заданный
эффект возможен только при оптимальном режиме деформиро­
вания, зависящем от соотношения, прежде всего, скорости пере­
мещения инструмента в осевом направлении и скорости относи­
тельного вращения, величин обжатия, геометрических парамет­
ров валков и формы детали, направления взаимного перемещения
инструмента в осевом, радиальном и тангенциальном направле­
ниях и температуры заготовки. Существующие методики расчета
локальных методов деформирования, а также методики расчета
традиционных методов объемной штамповки с фиксированной
зоной приложения деформирующей силы (прессование, выдав­
ливание, высадка и др.) не позволяют с достаточной степенью
точности произвести расчет процессов валковой штамповки.
Авторы выражают благодарность сотрудникам проблем­
ных лабораторий прогрессивных методов бесстружковой обра­
ботки материалов и математического моделирования технологи­
ческих процессов кафедры "Автоматизированные процессы и
машины пластической обработки материалов" Орловского госу­
дарственного технического университета: старшим научным со­
трудникам Гукову Э. А., Дорофееву О. В., Тюкову В. М., веду­
щим инженерам Филиной А. В., Фроленковой Л. Ю. и аспиран­
там Капырину К. И. и Москвитину С. А. за помощь при подго­
товке материалов данной книги.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ГЛАВА 1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ Л
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ
1.1. Классификация осесимметричных деталей
В различных отраслях промышленности - от приборостро­
ения до тяжелого машиностроения - применяется большое коли­
чество круглых в плане (осесимметричных) полых и сплошных
деталей. Всю номенклатуру таких деталей по масштабному фак­
тору и сложности формы можно условно разделить на следую­
щие группы:
1. Детали малого размера (с максимальным диаметром до
30 мм) сложной ступенчатой формы, преимущественно приборо­
строительного назначения. Основные материалы - черные и
цветные металлы и сплавы. Детали условно можно разбить на
подгруппы в зависимости от формы (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Подгруппы деталей малого размера:
а - сплошные со ступенчатой наружной поверхностью; б - со
ступенчатой полостью или отверстием; в - типа "стержень с
головкой" (поршни, плунжеры, клапаны и т. д.); г - с тонкой
стенкой; д - типа "диск", "крышка"
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6
Глава 1. Существующие технологии и оборудование для изготовления
осесимметричных деталей
Для данной группы деталей актуальной является задача по­
вышения производительности производства (по крайней мере, по
сравнению с токарной обработкой) и коэффициента использова­
ния материала.
2. Изделия переменного сечения (ИПС) большого диаметра
(200-400 мм и более), сравнительно простой формы, имеющие
мелкие и средние годовые партии изготовления. Здесь важным
является снижение в 5... 10 раз операционной силы, так как при­
менение известных технологий (высадки на ГКМ, прессования)
невозможно ввиду ограниченных характеристик промышленного
оборудования. Одним из представителей такого класса изделий
является труба-заготовка лонжерона лопасти вертолета МИ-26,
чертеж комлевой части после обработки резанием представлен на
рис. 1.2.
Рис. 1.2. Комлевая часть лонжерона лопасти верто­
лета после обработки резанием
3. Детали среднего диаметра (30...200 мм). Возможности
совершенствования технологии изготовления такой группы дета­
лей зависят от конкретных условий и задач производства (про-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 1 Существующие технологии и оборудование для изготовления
осесимметричных деталей
7
граммы выпуска, сложности, материала) и могут быть заимство­
ваны из решений 1 и 2 подгруппы в различных сочетаниях.
4. Детали, имеющие некруглые в плане сечения (шести­
гранник, квадрат и др.), прежде всего крепежные изделия, напри­
мер, болты (рис. 1.3). Так как такие детали изготавливают массо­
выми или крупными сериями, то на первый план выходят про­
блемы существенного повышения производительности, стойко­
сти инструмента, снижения трудоемкости изготовления оборудо­
вания и инструмента.
в)
ЯХХ1
1
^щшШшх^
г)
в
Рис. 1.3. Некоторые детали, имеющие некруглые в
плане сечения:
а - болт с шестигранной головкой; б - заклепка с квадратным
подголовком; в - штуцер; г - пробка
1.2. Технология и оборудование для изготовления
приборостроительных деталей
Применение осесимметричных деталей со ступенчатой на­
ружной и внутренней поверхностью, имеющих высокую стенку
стакана, наружную или внутреннею резьбу, обусловлено наибо­
лее рациональным распределением нагрузочных напряжений в
них при минимальной материалоемкости.
Большое значение при выборе варианта изготовления име­
ют точность детали, программа выпуска, сложность, геометриче­
ские размеры заготовки и детали, состав применяемых материа­
лов, возможности имеющегося оборудования, степень научной
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8
Глава 1. Существующие технологии и оборудование для изготовления
осесимметричных деталей
обоснованности, разработки и экспериментальной проверки вы­
бранного технологического процесса. Выбор технологии зависит
во многом от требований, предъявляемых к конечному изделию,
особенностям его эксплуатации.
Технология изготовления осесимметричных деталей вклю­
чает процессы обработки резанием и обработки давлением.
При высоком качестве основным недостатком обработки
резанием является низкий коэффициент использования материала
(0,2...0,6) и низкая производительность.
Применением обработки металлов давлением (ОМД) дос­
тигается деформационное упрочнение, отсутствие надрезов,
улучшение макроструктуры, увеличение коэффициента исполь­
зования металла до 0,8 и более. Известны следующие основные
способы ОМД [ 1 - 3 ] :
- ковка и штамповка на молотах и гидравлических прессах;
- горячая штамповка на кривошипных горячештамповочных прессах (КГШП) и горизонтально-ковочных машинах
(ГКМ);
- холодная объемная штамповка;
- поперечно-клиновая и поперечно-винтовая прокатка.
Ковкой [4, 5] можно получать высококачественные круп­
ные заготовки под последующую обработку. Ковка является од­
ним из наиболее экономичных способов получения высококаче­
ственных заготовок в единичном производстве и единственно
возможным способом получения заготовок большой массы.
Однако, для изготовления деталей приборостроительной
номенклатуры (малой массы) ковка практически не применяется
вследствие невысокой геометрической точности получаемых из­
делий; что требует значительных доводочных операций и повы­
шенного расхода металла, а также сравнительно низкой произво­
дительности.
Широкое распространение горячей штамповки [6, 7] обу­
славливается ее преимуществами перед ковкой, а именно:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 1 Существующие технологии и оборудование для изготовления
осесимметричных деталей
9
- более высокой производительностью;
- штампованные поковки имеют значительно меньшие при­
пуски и допуски, вследствие чего уменьшается расход металла.
К недостаткам горячей объемной штамповки следует отне­
сти приложение больших, чем при ковке, сил деформирования,
так как при штамповке одновременно деформируется вся поков­
ка, а течение металла затрудняется сопротивлением стенок по­
лости штампа.
Кроме того, при нагреве заготовки, особенно малого раз­
мера, поверхностные явления (окалинообразование, обезуглеро­
живание, выгорание) приводят к существенному снижению каче­
ства получаемых поковок и необходимости последующей обра­
ботки резанием.
Таким образом, наиболее рациональной для получения вы­
деленного класса деталей является холодная объемная штампов­
ка [8 - 11]. Холодная объемная штамповка на холодновысадочных автоматах, роторных и роторно-конвейерных линиях успеш­
но применяется для выпуска широкой номенклатуры стандарти­
зованных деталей (крепеж, гильзы и т. д.), однако, в мелкосерий­
ном производстве применение такого оборудования не всегда
экономически целесообразно из-за высокой трудоемкости изго­
товления инструмента и большой длительности переналадки
оборудования. Кроме того, на оборудовании данного класса
трудно получать детали со сложной ступенчатой формой боковой
поверхности, а также детали с высокой тонкой стенкой стакана
(для изготовления которых применяется обратное выдавливание)
вследствие весьма значительных сил деформирования и низкой
стойкости инструмента.
Расширение области применения холодной объемной
штамповки может быть достигнуто улучшением эксплуатацион­
ных свойств и усложнением формы штампуемых деталей. Значи­
тельным резервом технологии изготовления ступенчатых по на­
ружной и внутренней поверхности осесимметричных деталей
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10
Глава 1. Существующие технологии и оборудование для изготовления
осесимметричных деталей
является сочетание холодной объемной штамповки с другими
видами холодного деформирования - специальными видами об­
работки с локальным нагружением, в частности, поперечноклиновая и поперечно-винтовая прокатка, раскатка.
В процессе поперечно-клиновой прокатки [12] заготовку
деформируют парой клиновых инструментов," которые по мере
движения перемещают очаг деформации вдоль оси заготовки в
соответствии с углом наклона деформирующих клиньев. Заго­
товка при этом вращается под действием инструмента вокруг
своей продольной оси, расположенной перпендикулярно движе­
нию клиньев. В результате обжатия и раскатывания металла на­
клонными гранями инструмента происходит уменьшение диа­
метра деформируемого участка заготовки и увеличение ее длины.
Поперечно-клиновой прокаткой можно получать изделия типа
ступенчатых валов с разнообразной формой поверхностей, с про­
дольными и поперечными канавками, с резкими и плавными пе­
реходами между ступенями. Размеры обрабатываемых изделий
ограничиваются возможностями оборудования и, как правило, не
превышают 100 мм по диаметру и 800 мм по длине при обработ­
ке штучных заготовок.
Процесс поперечно-клиновой прокатки позволяет получать
точные заготовки с припуском под шлифовку либо с окончатель­
ными размерами. Так, для диаметров до 30 мм допуск может со­
ставлять ± 0,1 мм, а для диаметров до 100 мм - ± 0,4 мм.
Однако обеспечение такой точности связано с высокими и
зачастую невыполнимыми требованиями к инструменту, техно­
логии и оборудованию. Поэтому заготовки, получаемые клино­
вой прокаткой, как правило, обрабатывают резанием с примене­
нием обточки по наружным поверхностям.
Недостатком является также невозможность получения от­
верстий в деталях. Кроме того, из-за наличия холостого хода
плоского клинового инструмента процесс прокатки имеет мень­
шую производительность по сравнению с прокаткой по другим
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 1. Существующие технологии и оборудование для изготовления
осесимметричных деталей
11
схемам, а ограниченность хода деформирующих клиньев сужает
технологические возможности процесса.
При поперечно-винтовой прокатке [13 - 15] происходит
последовательное обжатие различных участков длинной прутко­
вой заготовки, перемещающейся в винтовых калибрах. В резуль­
тате образуется периодический круглый профиль. Помимо фа­
сонных периодических профилей, шаров и цилиндрических заго­
товок, поперечно-винтовой прокаткой изготавливают кольцевые
и втулочные изделия, профилированные по наружному диаметру
трубы. Кольцевые и втулочные изделия получают из прутковых
заготовок, предварительно прошиваемых на прошивном стане. В
результате прокатки могут быть получены штучные изделия.
Однако, на получаемых деталях могут возникнуть различ­
ные дефекты: в первую очередь, торцовая утяжина и осевая рых­
лость, а также поперечные и продольные закаты, спиралевидные
гребешки.
Кроме того, недостатком данного способа получения по­
лых ступенчатых деталей является то, что применение оборудо­
вания нескольких наименований удорожает и удлиняет техноло­
гический процесс, а также повышает стоимость проектирования
и изготовления рабочих калибров валков.
При холодной торцовой раскатке [16] деформирование осу­
ществляют вращающимся пуансоном, причем ось его вращения
расположена под некоторым углом к оси вращения заготовки.
Особенности формоизменения заготовок при раскатке, воз­
можность потери устойчивости заготовки и предельная деформа­
ция материала, которая может быть достигнута в условиях ло­
кального деформирования, ограничивают технологические воз­
можности холодной торцовой раскатки при изготовлении дета­
лей с фланцами. Недостатком способа также является необхо­
димость использования трубной заготовки для изготовления по­
лых деталей.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.2
Глава 1. Существующие технологии и оборудование для изготовления
осесимметричных деталей
Изготовление осесимметричных полых ступенчатых изде­
лий сопряжено с трудоемкими технологическими процессами,
для которых характерен ряд следующих недостатков: большие
силы деформирования и, как следствие, большие габариты и
мощность оборудования, большой расход металла, низкая стой­
кость инструмента, длинный технологический цикл, высокая се­
бестоимость получаемых изделий.
Общим недостатком описанных выше методов является
также невозможность получения деталей с отверстием одновре­
менно с формированием ступенчатой боковой поверхности.
Задача разработки принципиально новых технологий и
оборудования, конкурентоспособных на мировом рынке, позво­
ляющих получать изделия высокого качества при наименьших
затратах на их производство, является актуальной.
1.3. Анализ конструкций изделий переменного
сечения и основных способов их получения
В общем случае под изделиями переменного сечения
(ИПС) понимают круглые в плане детали (или заготовки деталей)
с переменной вдоль оси площадью поперечного сечения или
толщиной стенки. Используются такие изделия в различных от­
раслях промышленности, как правило, это элементы несущих
конструкций, форма и размеры которых должны удовлетворять
условно максимальной функциональной прочности при мини­
мальной материалоемкости. Частным случаем ИПС являются из­
делия с местными утолщениями.
Местные утолщения на ИПС служат различным целям [ 17]
и используются как:
- компенсаторы ослабления изделия в механических или
сварных соединениях;
- конструктивные элементы для местного усиления;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 1. Существующие технологии и оборудование для изготовления
осесимметричных деталей
13
- конструктивные элементы для увеличения поверхности
контакта в трущихся парах, а также в местах неразъемных соеди­
нений.
В отдельных случаях к ИПС предъявляются дополнитель­
ные требования [18] по выносливости, износостойкости, надеж­
ности и гарантированному ресурсу работы.
Наиболее широко в промышленности применяются ИПС в
виде трубчатых изделий [19], которые можно условно разделить
на ряд типов:
- с переменным диаметром при постоянной толщине стенки;
- с переменной толщиной стенки при постоянном наруж­
ном диаметре;
- с переменными диаметром и толщиной стенки;
- с постоянным внутренним диаметром и утолщением в
концевой (комлевой) или серединной части.
К последней группе ИПС относится такое изделие, как лон­
жерон - несущий элемент лопасти вертолета МИ-26, одним из
промежуточных переделов из более чем 200 технологических опе­
раций при изготовлении которого является получение заготовки,
представляющей собой горячекатанную трубу 0 273x24 мм из
стали 40ХН2МАШ длиной 6-6,5 м с утолщением в комлевой части
диаметром 335 мм на длине не менее 250 мм.
Очевидно, что изготовление таких деталей методами обра­
ботки резанием является неприемлемым из-за высокого отхода
металла в стружку и получения структуры металла с перерезан­
ными волокнами [17].
Применение центробежного литья или литья по выплав­
ляемым моделям также невозможно из-за невысоких механиче­
ских характеристик получаемого изделия из-за несплошностей,
флуктуации и нарушения строго регламентированного химиче­
ского состава, что недопустимо для таких ответственных дета­
лей, как лонжероны.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
14
Глава 1. Существующие технологии и оборудование для изготовления
осесимметричных деталей
Таким образом, единственно возможными для получения
подобных изделий являются методы обработки давлением.
Поперечная, поперечно-клиновая и поперечно-винтовая
прокатка на трехвалковых или пилигримовых станах применяет­
ся достаточно широко [12 - 15]. При этом утолщением является
непрокатанная часть заготовки. Однако, при такой обработке
структура металла в утолщении остается непроработанной.
Прессование [17, 20 - 23] заключается в выдавливании час­
ти заготовки через матрицу с последующим обратным извлече­
нием изделия. Прессование (выдавливание) обеспечивает, по
сравнению с другими процессами, улучшение структуры и меха­
нических свойств металла, однако, получение прессованием из­
делий с наружным диаметром свыше 250 мм при 3^1-кратном
утолщении стенки в настоящее время представляет собой прак­
тически неразрешимую задачу ввиду значительных сил дефор­
мирования.
Ротационная обработка [24 - 27], редуцирование [28] и не­
которые другие виды обработки [19, 29 - 31] также являются не­
применимыми по тем же причинам, что и прессование.
Наиболее распространенными и эффективными способами
получения утолщений на длинноосных заготовках являются про­
цессы высадки концевой части с целью набора металла в комель
[6]. Такие процессы можно классифицировать по способу нагре­
ва участка, подвергаемого деформации, на три категории.
К первой категории относятся процессы, при которых на­
грев производится вне зоны деформации и заготовка в нагретом
состоянии подается в полость штампа. Операции этой категории
выполняются на горизонтальных гидравлических прессах [32 34] или горизонтально-ковочных машинах (ГКМ) [35, 36] и пре­
дусматривают высадку в штампах за несколько переходов. Одна­
ко, подобная технология эффективна лишь для штамповки изде­
лий с наружным диаметром 50-150 мм, а для высадки утолщения
на заготовке лонжерона из трубы диаметром 273x24 мм на на-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 1. Существующие технологии и оборудование для изготовления
осесимметричных деталей
15
ружный диаметр 350-360 мм при длине утолщения 250-300 мм
необходима 4-5-переходная технология с промежуточными на­
гревами [6], что для легированной стали 40ХН2МАШ ведет к
ухудшению микроструктуры и нарушению стабильности химсо­
става [37]. Кроме того, доказано [38 - 40], что независимо от
схемы и маршрута высадки на ГКМ сначала происходит пласти­
ческий изгиб стенок заготовки с образованием складок, которые
впоследствии заштамповываются, образуя перегибы волокна.
Исследования влияния волокнистости [41 - 4 3 ] на качество изде­
лий не дают однозначной оценки, однако традиционно считается,
что перегибы волокна отрицательно сказываются на таких меха­
нических характеристиках материала, как выносливость, ударная
вязкость и пластичность.
Высадка в штампах на гидропрессах по своим технологи­
ческим характеристикам отличается от высадки на ГКМ меньшей
скоростью перемещения деформирующего инструмента, следо­
вательно, сохраняет все недостатки, присущие высадке на ГКМ,
что также не позволяет использовать это оборудование для полу­
чения заготовки лонжерона винта вертолета.
Ко второй категории процессов относятся некоторые виды
обработки на машинах с нетрадиционными схемами выполнения
[44 - 7 1 ] . Анализ каждого из этих устройств позволяет сделать
общий вывод: ни одна из предложенных конструкций не позво­
ляет получать нужное изделие с заданными параметрами качест­
ва и производительности.
Наконец, наиболее перспективной для получения заготовок
лонжеронов является третья категория процессов, основанная на
машинах непрерывно-последовательного действия, например,
электровысадочных [72, 73]. Процессы, происходящие в заготов­
ках при электровысадке, изучены достаточно хорошо, в работах
[74, 75] исследовано напряженно-деформированное состояние
металла в условиях электроконтактного нагрева, разработаны!
основы технологии и оборудование для ее реализации. Однако,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
16
Глава 1. Существующие технологии и оборудование для изготовления
осесимметричных деталей
описанное в литературе оборудование [76] позволяет получать
утолщение весьма ограниченной длины на трубах с максималь­
ным диаметром не более 100 мм. Внедрение электровысадочной
технологии для получения утолщений большой длины с наруж­
ным диаметром до 360 мм требует разработки соответствующих
технологий и оборудования.
Наиболее перспективными и активно развивающимися в
последние годы являются процессы ОМД, основанные на полу­
чении изделий с применением методов локального воздействия
инструмента на материал. Общей отличительной особенностью
этих способов является то, что в каждый момент формоизмене­
ние заготовки происходит не во всем объеме, а в одной или не­
скольких локальных зонах, перемещающихся с течением време­
ни по объему изделия. Классическими технологиями такого вида
можно считать кузнечные операции протяжки и раскатки, а так­
же появившуюся сравнительно недавно технологию непрерывнопоследовательной высадки с индукционным нагревом зоны пла­
стической деформации [77, 78]. При этом деформирование утол­
щения производится не сразу на всей подготовленной длине
трубной заготовки, а постепенно, путем последовательного набо­
ра утолщения, при котором происходит непрерывное пластиче­
ское течение металла исходной трубной заготовки через нагре­
тую до ковочной температуры зону деформации в утолщение.
Величина степени деформации и, следовательно, коэффициента
утолщения стенки зависит от соотношения скорости входа ме­
талла в пластическую зону и скорости выхода из нее. Так, при
встречном направлении движения (рис. 1.4) коэффициент высад­
ки определяется отношением скоростей осаживающей траверсы
\тр и скорости нагревающего устройства (индуктора) vu. Кроме
встречнонаправленной, применяется также однонаправленная
схема высадки, которая, однако, обладает существенным недос­
татком, т. к. требует значительно большего хода подвижных час­
тей пресса при получении утолщения этой же длины.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава I Существующие технологии и оборудование для изготовления
осесимметричных деталей
17
Рис. 1.4. Схема непрерывно-последовательной высад­
ки труб с нагревом ТВЧ и встречным движением оса­
живающей траверсы и индуктора:
1 - упор; 2 - заготовка; 3 - оправка; 4 - индуктор; 5 - осаживающая
траверса; vu - скорость стола индуктора; vmp - скорость осаживаю­
щей траверсы; Рж - сила высадки
Непрерывно-последовательный способ высадки ИПС имеет
ряд преимуществ:
- возможность высадки "длинного" утолщения, когда дли­
на лимитируется лишь возможностями оборудования [7];
- возможность получения утолщения с коэффициентом вы­
садки до 3,5-4;
- возможность формообразования утолщения без потери
устойчивости зоны деформации, т. е. получение макроструктуры
без зажимов и перегибов волокна.
Непрерывно-последовательная высадка с нагревом ТВЧ
требует значительно меньших операционных сил, что позволяет
получать комли на трубах диаметром до 400 мм, а при переходе
на более низкую частоту - и с большим диаметром, т. к. согласно
[79] глубина проникновения тока при нагреве ТВЧ определяется
по эмпирической зависимости:
2 ' 2659
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
18
Глава 1. Существующие технологии и оборудование для изготовления
осесимметричных деталей
д = бооД/7,
0-1)
где Л - глубина проникновения тока в сталь при индукци­
онном нагреве;/- рабочая частота тока в Гц.
Первые разработки по технологии [80] и оборудованию
[81] непрерывно-последовательной высадки относятся к концу
50-х годов, в те же годы их автор В. Я. Мильгевский провел ряд
экспериментов и разработал некоторые эмпирические рекомен­
дации по выбору параметров индуктора и назначению энерго­
силовых параметров процесса [77, 78], Однако, на протяжении
длительного времени непрерывно-последовательный метод вы­
садки труб с нагревом ТВЧ не получал широкого распростране­
ния и, в первую очередь, из-за отсутствия удовлетворительного
теоретического исследования процессов, протекающих при вы­
садке, и обоснования выбора технологических параметров сило­
вого и нагревательного оборудования.
Процессу непрерывно-последовательной высадки труб с
нагревом ТВЧ посвящено весьма ограниченное число работ,
большая часть из них посвящена опытной обработке и промыш­
ленному внедрению разработанной технологии применительно к
конкретным изделиям [77, 78].
Первые теоретические работы, посвященные анализу про­
цессов, протекающих при непрерывно-последовательной высад­
ке, выявили нестационарность пластического течения металла в
зоне деформации, вызванную значительными перепадами темпе­
ратуры, а, следовательно, и пластических свойств металла вдоль
очага деформации [17, 82]. Именно этим явлением объясняется
механизм пластического течения металла в утолщенную комле­
вую часть при постепенном увеличении толщины стенки в зоне
деформации в условиях неограниченного инструментом переме­
щения материала. Таким образом, геометрия свободной поверх­
ности очага деформации при высадке трубной заготовки зависит
от распределения пластических свойств по очагу деформации.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 1. Существующие технологии и оборудование для изготовления
осесимметричных деталей
19
Задача о распределении сопротивления деформированию
при подсадке тонкостенных труб впервые решена М. Н. Горбуно­
вым [83] из условия линейного напряженного состояния, плоской
деформации и линейного изменения толщины стенки по очагу
деформации.
Однако, столь значительные допущения и упрощения не
позволяют рассчитывать на получение достаточно точного ре­
зультата и могут быть применены для выявления усредненных
характеристик. В более поздних работах [17, 84] методика опре­
деления закона изменения сопротивления деформированию бази­
руется на решении исходной системы дифференциальных урав­
нений равновесия совместно с некоторыми дополнительными
условиями (условием пластичности, уравнениями связи и т. д.).
Однако, при решении автором были приняты основные допуще­
ния теории листовой штамповки, что нельзя считать приемлемым
для описания процесса непрерывно-последовательной высадки,
т. к. она существенно отличается по способу внесения тепловой
энергии в зону деформации.
Наибольший интерес представляет собой ряд работ, вы­
полненных под руководством В. Я. Осадчего. Так, в работе [85]
проанализирована технология назначения наборных переходов
при высадке труб, в работе [86] намечены и обоснованы пути ин­
тенсификации процесса, а в работах [87 - 89] предложены спосо­
бы ее осуществления. В работе В. В. Светкина [82] аналитически
и экспериментально исследуются условия непрерывнопоследовательной высадки труб широкого сортамента (от диа­
метра 180 до диаметра 273 мм), предложены, обоснованы и экс­
периментально подтверждены закономерности распределения
показателя сопротивления деформированию вдоль зоны пласти­
ческой деформации. Однако, результаты проведенных исследо­
ваний дают удовлетворительное совпадение с эксперименталь­
ными данными лишь для стационарного течения металла, т. к. не
учитывают ряд важных факторов, таких, как изменение темпера-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
20
Глава 1. Существующие технологии и оборудование для изготовления
осесимметричных деталей
турно-скоростных условий высадки на начальной стадии процес­
са. А именно начальная стадия, как будет показано ниже, и за­
кладывает основы всех последующих искажений равномерного
течения операции. Но, несмотря на несовершенство и неодно­
значность результатов, работу [82] можно считать первым серь­
езным шагом в математическом моделировании процесса непре­
рывно-последовательной высадки ИПС.
В дальнейшем был опубликован ряд работ [89, 90], в кото­
рых анализировался начальный (неустановившийся) этап высад­
ки с применением вариационных методов математического ана­
лиза [2, 91]. Однако, несмотря на современность подхода и при­
влечение сильного математического аппарата, ряд вынужденных
допущений не позволил получить однозначного вывода о меха­
низме возникновения и роста радиальных гофров на получаемом
утолщении, которые и являются на практике основным фактором
брака изделия.
1.4. Анализ оборудования для высадки
Как уже было установлено ранее, основными видами обо­
рудования для высадки являются горизонтально-ковочные ма­
шины и горизонтальные гидравлические прессы.
Однако, применение ГКМ для высадки труб-заготовок
лонжеронов, кроме рассмотренных выше недостатков техноло­
гии, невозможно и по причинам другого характера. Расчетная
сила при высадке таких изделий составляет 35—40 МН и требует
4-5 переходной технологии изготовления [6]. Отечественной
промышленностью же освоен выпуск ГКМ с максимальным уси­
лением 3150 кН (ГКМ-3150), механизм переноса которой обес­
печивает обслуживание лишь трех штампов. Таким образом, ис­
пользование ГКМ для производства заготовок лонжеронов не­
возможно.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 1. Существующие технологии и оборудование для изготовления
осесимметричных деталей
21
Для реализации процесса непрерывно-последовательной
высадки наиболее целесообразным является применение гори­
зонтальных гидравлических прессов колонного типа, где нажим­
ная (осаживающая) траверса установлена с возможностью пере­
мещения между передней и задней станинами по колоннам, т. к.
такая конструкция позволяет легко вписать в нее вспомогатель­
ную траверсу с устройством нагрева.
Именно такую конструкцию имел применяемый на ЧТПЗ
для высадки заготовок лонжеронов специализированный гидро­
пресс (непрерывно-высадочная машина, НВМ) усилием 3000 кН
(рис. 1.5), разработанный Краматорским НИИПТМАШем
(НИИПТМАШ-300).
Рис. 1.5. Общий вид НВМ НИИПТМАШ-300
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 1 Существующие технологии и оборудование для изготовления
осесимметричных деталей
22
Технические характеристики НВМ НИИПТМАШ-300 при­
ведены в таблице 1, движение осаживающей траверсы и индук­
тора - встречное.
1.1. Технологические характеристики непрерывновысадочной машины НИИПТМАШ-300
Параметр
Значение
Сила, кН: номинальная
максимальная
Максимальный ход, мм:
осаживающей траверсы
стола индуктора
Максимальный наружный диаметр изделия, мм
Толщина стенки изделия, мм
Максимальная мощность индуктора, кВт
Рабочая частота индуктора, Гц.
3000
4200
650
650
400
20...50
200
2500
Однако при получении необходимых размеров утолщения
из трубной заготовки 0 273x24 мм из стали 40ХН2МАШ встре­
тились значительные трудности, вызванные рядом причин:
- относительная тонкостенность заготовки ( S/d = 0,09);
- необходимость более чем 3-кратной степени деформации
с учетом припусков на обработку резанием.
Полученные таким образом утолщения имели значительные
искажения по наружной и внутренней поверхностям в виде коль­
цевых гофров и зажимов. После обточки на номинальный диаметр
имели "черноты" по внутренней и наружной поверхностям. По­
этому Краматорским НИИПТМАШем, как разработчиком техно­
логии, была вынужденно предложена двухлереходная технология
высадки, при которой высадка производилась (согласно ТУ 14158-25-76): на первом переходе - на размер 310x42,5 мм; на вто­
ром переходе - на размер 380x77,5 мм (см. рис. 1.6).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
*ч
Глава !. Существующие технологии и оборудование для изготовления
осесимметричных деталей
23
Рис. 1.6. Двухпереходная технология высадки трубзаготовок лонжеронов:
а - заготовка: труба 0 273x24 мм; б - первый переход: утолщение
0 310x42,5 мм, длина 610 мм, коэффициент высадки 0,95; в - вто­
рой переход: утолщение 0 380x77,5 мм, длина 315 мм, коэффици­
ент высадки 1,15
Двухпереходная технология является весьма нетехноло­
гичной по ряду причин:
- более чем 2-кратное снижение производительности обо­
рудования за счет увеличения длины технологической цепочки, а
также затрат на переналадку при смене перехода;
- необходимость изготовления дополнительного инструмен­
та (оправки) и оборудования (индуктор) для каждого перехода;
- двукратный нагрев заготовки в процессе высадки, что
вдвое увеличивает вероятность перегрева и пережога металла,
которые могут отрицательно сказываться на качестве столь от­
ветственного изделия, как лонжерон.
По мере роста программы выпуска лонжеронов и исчерпа­
ния резервов производительности НВМ "НИИПТМАШ-ЗОО" встал
вопрос о разработке и изготовлении нового оборудования для вы­
садки. Было принято решение остановиться на варианте НВМ, раз-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
24
Глава 1. Существующие технологии и оборудование для изготовления
осесимметричных деталей
работанной Липецким Стальпроектом. Данная конструкция ЦВМ
имеет ряд существенных недостатков:
- нерациональная схема с однонаправленным движением
осаживающей траверсы и стола индуктора, что вдвое увеличива­
ет ход подвижных частей пресса и, как следствие, увеличивает
вероятность брака;
- применение одного силового гидроцилиндра большого
диаметра (800 мм) приводит к значительным неконтролируемым
колебаниям осаживающей траверсы вследствие упругих дефор­
маций рабочей жидкости, и как следствие, к искажению стацио­
нарности процесса высадки;
- конструкция "цилиндр в цилиндре" значительно ослож­
няет обслуживание и ремонт пресса;
- применена устаревшая, уже в то время отрицательно про­
явившая себя жесткая система синхронизации перемещения оса­
живающей траверсы и стола индуктора посредством подбора
зубчатых колес для установления заданного коэффициента вы­
садки.
1.5. Традиционные методы расчета процессов
обработки металлов давлением
Научную базу расчета процессов обработки металлов дав­
лением составляют теория пластичности и ее приложения. Тео­
ретический расчет конкретного процесса сводится к составлению
системы уравнений, описывающих процесс, и ее решению. Воз­
можность получения аналитического решения распространяется
лишь на простые описания идеализированных процессов. Резуль­
таты такого решения, если трактовать их как расчетные значения
параметров реального процесса, часто оказываются далекими от
действительности - более далекими, чем значения тех же пара­
метров, вычисленные с помощью эмпирических и табличных за­
висимостей. Попытки аналитического решения уравнений, опи-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 1. Существующие технологии и оборудование для изготовления
осесимметричных деталей
25
сывающих сложные процессы, неизбежно приводят к необходи­
мости введения серьезных допущений, снижающих достовер­
ность результатов. Естественно, не во всех случаях нужно отка­
зываться от приближенных методов в пользу более точных [92,
93]. Часто простые решения дают вполне приемлемые для прак­
тики результаты [94].
Математическое моделирование процессов обработки ме­
таллов давлением основано на задачах, когда предположения ли­
нейной теории упругости несправедливы и для описания процес­
сов формоизменения должны быть применены более сложные
нелинейные модели.
В теории пластичности существуют два основных подхода
к построению моделей. Первый - деформационная теория и вто­
рой - теория пластического течения [95]. На основании опытных
проверок можно сделать вывод о том, что в случае простого нагружения обе эти теории практически совпадают. Результаты
экспериментального изучения сложного нагружения лучше со­
гласуются с теорией пластического течения, чем с теорией малых
упруго-пластических деформаций [92]. Теория пластического
течения (ТПТ) базируется на условиях пластичности, упрочнения
и ассоциированном законе течения и позволяет при пошаговом
анализе фиксировать момент перехода отдельных частей тела из
упругого состояния в пластическое и наоборот.
Широкие возможности вычислительной техники стимули­
ровали разработку математических формулировок инженерных
задач и методов их решения, специально ориентированных на
применение компьютеров. В частности, были созданы матричные
методы решения. Особенно важной в прикладном отношении
стала разработка метода конечных элементов, впервые позво­
лившего проводить практические расчеты весьма сложных кон­
струкций.
Решение задач с помощью матричных методов и метода
конечных элементов сводится в конечном итоге к выполнению
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
26
Глава 1. Существующие технологии и оборудование для изготовления
осесимметричных деталей
определенных действий над матрицами. Постановка задачи, ха­
рактер и сложность рассчитываемых объектов определяют раз­
нообразие матричных операций, порядок и свойства матриц.
Функциональная полнота матричного программного обес­
печения существенно зависит от сложности и многообразия ал­
горитмов предметной области. Так, например, алгоритмы мат­
ричного метода сил (и МКЭ в варианте метода сил) заметно
сложнее и специфичнее алгоритмов метода перемещений, кото­
рые требуют соответственно меньшей номенклатуры операций;
матричный смешанный метод может приводить к неположитель­
но определенным матрицам, что несколько усложняет решение
систем уравнений и алгебраической проблемы собственных зна­
чений и т. д.
В настоящее время в механике твердого деформируемого
тела, строительной механике и в машиностроении применяются:
конечно-элементный метод перемещений и его обобщенный ана­
лог - суперэлементный метод перемещений; конечно-элемент­
ный метод сил и его обобщенный аналог - суперэлементный ме­
тод сил; конечно-элементный смешанный метод; суперэлемент­
ный смешанный метод; гибридный метод.
Наиболее проста численная реализация конечно-элемент­
ного метода перемещений [96, 97]. Все другие варианты метода
конечных элементов по сравнению с ним намного сложнее. Так в
гибридном методе [98] необходимо более сложным образом
формировать матрицы жесткости (из-за задания внутри элемента
равновесного поля напряжений), а в алгоритме суперэлементного
метода сил [98, 99, 100] необходимо определить силы от единич­
ных лишних неизвестных, учитывать вырезы, производить упру­
гое сочленение суперэлементов и т. п. В случае использования
суперэлементного смешанного метода [98] требуется более раз­
витое программное обеспечение, так как применяются одновре­
менно и метод сил, и метод перемещений.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 1. Существующие технологии и оборудование для изготовления
осесимметричных деталей
27
Для тех инженерных расчетов, в которых используются
матричные формулировки вне метода конечных элементов, чаще
всего нужно формировать матрицы специального вида, а также
выполнять разнообразные операции линейной алгебры при мат­
рицах произвольного размера и структуры.
При математическом моделировании процессов ОМД часто
используются общие постановки упруго-пластических задач и их
численная реализация для оценки точности получаемых прибли­
женных решений. В частности, в работе Кузнецова С. А. [101]
разработан так называемый энергетический метод (в лагранжевых координатах) решения упруго-пластических задач. Для
"обозримости" решения введен ряд упрощений. Температурные
колебания не учитывались. Достаточно приближенные решения
подтверждены экспериментами. Для оценки точности результа­
тов по энергетической модели в работе использован метод ко­
нечных элементов в упруго-пластической постановке на основе
уравнений Прандтля-Рейсса.
В настоящее время, при современном развитиии ЭВМ, це­
лесообразнее численную реализацию общих постановок исполь­
зовать в виде пакета прикладных программ (ППП), удобных для
исследования разработанных процессов ОМД.
В работах Гуна Г. Я., Биба Н. В., Садыхова О. Б. и др. [102
- 104] разработан пакет прикладных программ ФОРМ-2Д. Для
горячей штамповки решаются совместно уравнение теплопро­
водности и уравнения теории пластичности (жестко-пластическая
модель). Для моделирования нестационарного течения металла
используется алгоритм, сводящий решение нестационарной зада­
чи к последовательному решению задач для мгновенных состоя­
ний скоростей и напряжений в фиксированные моменты времени,
разделенные достаточно малыми шагами. Задача решается мето­
дом конечных элементов в плоском и осесимметричном вариан­
тах. В некоторых случаях учитывается лишь объемная упругая
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
28
Глава 1. Существующие технологии и оборудование для изготовления
осесимметрнчных деталей
сжимаемость материала, сдвиговые упругие деформации счита­
ются равными нулю.
Основные гипотезы и упрощения, использованные при раз­
работке алгоритмов и программ конечноэлементного ядра системы
ФОРМ-2Д, не позволяют использовать ее (из-за жестко-плас­
тической модели) в общем случае сложного нагружения с образо­
ванием и развитием как зон пластичности, так и зон упругости,
особенно в процессах, связанных с периодической разгрузкой.
Наиболее удачным инструментом математического модели­
рования процессов ОМД являются в настоящее время пакеты при­
кладных программ для персональных ЭВМ (ПЭВМ). Они позво­
ляют проводить сложные многовариантные расчеты в простом
диалоговом режиме, не вдаваясь в "математические тонкости".
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ
ДАВЛЕНИЕМ
2.1. Математическая постановка задач обработки
металлов давлением
Моделирование изменений напряженно-деформированного
состояния заготовки в процессе обработки может быть проведено
на персональном компьютере (ПК) при помощи пакета приклад­
ных программ (ППП) "ШТАМП" [105], реализующего анализ
упруго-пластических моделей методом конечных элементов
(МКЭ).
Перевод элементов в пластическое состояние реализован в
ППП "ШТАМП" различными способами. Два наиболее извест­
ных из них - это способ Ямада [106] и способ Маркала [92].
Ограничения на размер решаемых задач в ППП "ШТАМП"
того же порядка, что и в известных пакетах прикладных про­
грамм по методу конечных элементов для ПЭВМ: MSC/pal,
CAEFrame, CAEpipe, Finite/GP, Images 2D, Images 3D, SAP 86,
Supersap.
Система определяющих уравнений в приращениях напря­
жений day и деформаций dzy в теории пластического течения
(ТПТ) имеет вид [92, 93, 107]
daiJJ+dF,=0,
day = 2G dz,, +
vds.,5,
••kk^ij
L ' ( 2 " 2v )
(2.1)
•V*A*7'
(2-2)
где StJ = atJ - об,., — компоненты девиатора тензора напря­
жений;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
30
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
<т = о „ 6 „ / 3 ;
3GV
(2.3)
3GJ
а = «/35^.5^. / 2 - интенсивность напряжений; G = £ / (2(l + vn - мо­
дуль сдвига; v - коэффициент Пуассона; Н -de I dzp - модуль уп­
рочнения или тангенс угла наклона кривой а = ер ; Б - интенсивность
деформаций ( s p - пластических); при со = 0-для упругих зон (2.2)
является законом Гука; со = 1 - для пластических зон.
Система (2.1) - (2.2), записанная для изотермического слу­
чая, нелинейна, время t рассматривается как известный параметр.
Учет температурных воздействий Т добавляет к (2.1) - (2.2)
уравнение
pcm^
= div(XgradT) + W ,
(2.5)
и приводит выражение в квадратных скобках (2.2) к виду:
dE
"
,"fe»-°0+vXr-r.)s"
l-2v
*
где к - коэффициент теплопроводности; ст - удельная теп­
лоемкость; W— мощность источников тепла; р - плотность мате­
риала, а - коэффициент линейного теплового расширения.
Предполагается, что накопленная пластическая деформа­
ция при активном нагружении для любых напряженных состоя­
ний определяется одной и той же функцией текучести:
/(а,?) = а - А - Яр + DJ ,
(2.6)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
31
где А, В, С, D - некоторые определенные величины, зави­
сящие от Т, скоростей и деформации или других доминирующих
факторов, причем 0<С<1, D>0.
Функция текучести f характеризует переход материала из
упругого состояния в пластическое. В частности, при/<0 матери­
ал деформируется по упругому закону, при/=0 наступает состоя­
ние текучести. Принято, что состояние />0 не может быть реали­
зовано.
Значение Н при этом
da
I—
\ с -'
p
H = - ^ = BC{e + D\
.
(2.7)
Переход из пластического состояния в упругое характери­
зует величина d\:
db = Sjkv(alP .
(2.8)
dt, < 0 ,
(2.9)
Если
то материал считается вновь перешедшим в упругое состояние.
Накопленное значение интенсивности напряжений становится
новым значением текущего предела текучести.
Постановка граничных условий в упруго-пластических за­
дачах имеет свои особенности по сравнению с упругими.
Для типичных случаев обработки металлов давлением гра­
ничные пошаговые приращения перемещений Dx, Dy складываются
для пластических элементов из приращений перемещений ин­
струмента dx (dy) и перемещений относительно инструмента х ( у).
Ах (Ау) - определяется на каждом шаге из решения систем
уравнений с учетом (2.2):
(2.10)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
32
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
ИЛИ
U-0 •
(2И)
где U - вектор перемещений; ц - коэффициент трения; т касательное напряжение на граничном контуре; а„ - нормальное
напряжение на граничном контуре; п - нормаль к контуру инст­
румента.
Вторые уравнения систем (2.10) и (2.11) учитывают эффекты
пластического скольжения инструмента относительно заготовки и
"выпучивания" материала заготовки за счет несжимаемости.
Еще одна особенность связана с корректным выявлением
остаточных напряжений и деформаций. После снятия нагрузки,
задаваемой нередко перемещениями инструмента, силовые гра­
ничные условия должны формулироваться в виде накопленных
до этого момента нагрузок, но с обратным знаком.
2.2. Решение задач упруго-пластического
деформирования методом конечных элементов
Традиционно решение такого типа задач распадается на
два этапа. Сначала рассчитывается температурное поле при соот­
ветствующих граничных условиях, а затем по рассчитанному
температурному полю последовательно определяются перемеще­
ния, деформации и напряжения в элементах и конструкции (в
произвольно выбранных точках) в целом на каждом шаге.
2.2.1. Расчет температурных полей
Рассмотрим дискретную модель как произвольную компо­
зицию конечных элементов. Внешние тепловые воздействия на
модель обеспечиваются сосредоточенными источниками тепла
мощностью W, произвольным образом меняющимися во времени.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 2.. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
33
Одна из основных операций, выполняемых при исследова­
нии температурных полей, - вычисление матриц теплопроводно­
сти и теплоемкости, а также вектора "тепловых сил" для конеч­
ных элементов, с использованием которых осуществляется фор­
мирование системы алгебраических уравнений (задача стацио­
нарной теплопроводности), либо системы обыкновенных диффе­
ренциальных уравнений (задача нестационарной теплопроводно­
сти). Указанные матрицы получают в результате ансамблирования соответствующих элементных матриц, определяемых при
последовательном рассмотрении каждого отдельного конечного
элемента [108, 109]
Матрица теплопроводности отдельного конечного элемен­
та имеет вид
W= Л*'Г№К+ М^ГКИ'
(2Л2)
где \NS\ - матрица функций формы; [51 - матрица, полу­
чаемая путем дифференцирования \Ы1 по х, у и z; s - порядко­
вый номер конечного элемента; Vs - объем элемента.
Матрица теплоемкости
[Cs]= \cnp[Ns]T[Ns}iV ,
(2.13)
V
вектор "тепловых сил"
F, = -§N$WdV+
V
\[Ns]Tq„dS- \aJ\Ns]TdS ,
12
(2.14)
I,
где £i , S2 - граничные поверхности, на которых осуществ­
ляется теплообмен с окружающей средой.
Объединение всех конечных элементов в конструкцию при­
водит к системе обыкновенных дифференциальных уравнений [110]
3 - 2559
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
34
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
[C]ZL + [R]T+F = 0,
(2.15)
где [С], [R], F - соответственно матрицы теплоемкости, теп­
лопроводности и вектор "тепловых сил" для конструкции; Г - вектор
узловых температур.
Наличие в i-м узле источника теплоты заданной мощности
Qi учитывают добавлением величины Qi к элементу вектора F,
соответствующего /-му узлу. Система (2.15) должна удовлетво­
рять начальным условиям задачи.
Системы вида (2.15) решаются различными методами. При
этом применение центрально-разностной схемы приводит к ре­
куррентным соотношениям
[A]TJ+1=DJ+I,
(2.16)
гдер] = [*]+ £[С];
Решение системы (2.16) с учетом граничных условий по­
зволяет получить значения температур 7}+i в момент времени
tj + At по известным найденным на предыдущем шаге по времени
значениям температур Т, мощности узловых источников теплоты
Q(tj + Л//2) и обусловленной конвективным теплообменом части
вектора F.
Сведение системы (2.15) к виду
f = /('.*).
С217)
позволяет применить метод Кутта-Мерсона, при котором реше­
ние в точке tj+Ы выражается через решение в точке {, по формуле
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
35
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
T(t + At) = T(t) + (Kl+4K2+...+K5)/2
где
,
(2.18)
Kx=-Atf[uT{t)\;
t + -At,T(t) + Kx
t + ±bt,T{t) + ±(K,+K2)
K<=-W
•t + lb.TQ + fa+lK,)
*5=j*>/ t + At, T(t) + -(K,
- 3K, + 4K4)
Заметим, что применение последнего метода значительно
усложняет вычислительную процедуру, т. к. требует пяти пере­
ходов к вычислению правых частей.
2.2.2. Расчет перемещений, деформаций и
напряжений
Система разрешающих уравнений МКЭ для определения
перемещений du имеет вид (2.19) и решается итерационным ме­
тодом Ньютона:
[K]{du} = {dp} + {h},
(2.19)
где {dp} - вектор приращения нагрузки; {И} - термический
вектор; [К] - полная матрица жесткости, полученная при ансамблировании матриц жесткости отдельных элементов:
M-VWМатрица жесткости конечного элемента
(2.20)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
36
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
\[Bs]T[DslBs}iV
[Kf =
^[DPS\BS\1V
- для упругих элементов
(2.21)
• для пластических элементов
где [Ds], [DPS] - матрицы связи между деформациями и
напряжениями.
Компоненты [DP£ в отличие от компонентов [Ds] зависят
от текущего уровня деформаций и напряжений модели, которые
меняются в процессе нагружения.
Заметим, что вектор {р} определяется непосредственно из
входных данных, а значения компонентов вектора {А} вычисля­
ются по рассчитанному температурному полю на основании сле­
дующих формул
W-JWM^l dV ,
(2.22)
индекс ^ означает принадлежность к отдельному конечному эле­
менту.
2.3. Алгоритмы оценки точности
2.3.1. Оценка точности получаемых результатов
Вопрос о погрешности приближенного решения является
одним из центральных при использовании численных методов, в
частности МКЭ. Существующие априорные оценки носят общий
характер и не учитывают специфики решаемой задачи. Для прак­
тики наиболее приемлемы апостериорные оценки.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
37
Укажем два подхода к получению апостериорных оценок
погрешности. Первый основан на методе двойственности, когда
на одной и той же конечно-элементной сетке решаются две раз­
личные задачи, что позволяет, сравнивая результаты расчетов,
получить апостериорную оценку погрешности [111]. При втором
подходе необходимо провести расчеты на различных сетках
(разреженной и более густой). Сравнение результатов позволяет
оценить погрешность приближенного решения [105].
Метод двойственности, являясь значительно более трудо­
емким, однако, позволяет гарантированно оценить отклонение
приближенного решения от точного. Второй подход, широко
применимый на практике, дает достаточно приближенную по­
грешность решения. Он может быть использован в случае полной
уверенности в существовании точного решения, хорошо описы­
ваемого приближенным.
2.3.2. Апостериорные оценки на основе метода
двойственности
Суть метода двойственности состоит в следующем. Экс­
тремальной задаче минимизации некоторого функционала ста­
вится в соответствие двойственная ей задача максимизации. Со­
вместное решение этих двух задач позволяет найти двусторонние
приближения к точной нижней грани исходного функционала.
Пользуясь различными энергетическими неравенствами, можно
получить оценки самих решений и их дифференциальных харак­
теристик.
Двойственная задача сложнее исходной, так как возникает
необходимость разрешения дифференциальных связей, сопутст­
вующих ей. В [112] показано, как преодолеть возникающие труд­
ности и построить двойственные функционалы для различных
краевых задач.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
38
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
Пусть А - положительно определенный оператор в гиль­
бертовом пространстве Н, и пусть задача
Au = f ,
(2.23)
где /еН, решается приближенно МКЭ при определенных
краевых условиях.
Пусть ип - л-е приближение (и - число узлов МКЭ) точного
решения и0.
Тогда имеет место оценка [112]
к-и01^\\/-Аи„\\н.
(2.24)
Здесь норма |uj| определяется исходным пространством Н,
у - некоторая положительная константа.
Однако, оценка (2.24) может оказаться либо слишком гру­
бой, так как, вообще говоря, ||/-Лм я | не стремится к нулю с
ростом п, либо вообще не иметь смысла. Поэтому избирают дру­
гой, более тонкий способ получения апостериорных оценок по­
грешностей. Известно, что
^Hk-«J-klf>
(2-25)
где J0 - функционал, задача минимизации которого
^W-^T+inf
<2-26)
совпадает с исходной краевой. Из (2.25) следует
|К-и0|Г=^Ы--/„(»0)-
(2-27)
Значение точной нижней грани функционала f(u) неиз­
вестно. Однако, если известно какое-либо число J0, не превосхо-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
39
дящее ее, то из (2.27) получим оценку отклонения и„ от и0 в энер­
гетическом пространстве
h-"ol^P°(u„)-J0 .
(2.28)
Константа у может быть любым приближением снизу к
первому собственному значению оператора Л.
Эффективный алгоритм получения последовательности чи­
сел, стремящихся к inf •/"("„) снизу, изложен в [105]. Для этого
используется теория двойственных экстремальных задач. Задачу
(2.27) назовем прямой, а задачу максимизации двойственного
функционала J0(u) - двойственной, которая запишется в виде:
Л(и)^г->*ир •
(2-29)
Таким образом, получим
inf ./°(w„) = sup J0(u) ,
и для оценки и-го приближения и„ достаточно определить и-е
приближение и и воспользоваться вилкой \J°(un)-J0(u).
Отме­
тим, что |«я - м0|| -> 0 при л-»со и оценка (2.28) в отличие от
(2.24), распространяется на обобщенные решения.
2.3.2.1. Построение двойственных функционалов
Рассмотрим последовательно построение двойственных
функционалов J0 для 1-3 краевых и смешанной краевой задач для
уравнения эллиптического в некоторой области С1ек типа
Lu + cu = f,
(2.30)
где L - линейный дифференциальный оператор; с — const.
Примем, что
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
40
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
д (
L = -—
дх
д
д^
д(
д
д
22
""аГ^Г^Г"**" ^'
1..
«11
a., i
*12
(2 31)
'
(2.32)
Будем считать матрицу А симметричной и в области Q
выполненным условие эллиптичности:
цД2<(4,^Ц,Г ,
1еВ?;12=
(Щ; ц0 и ц, - const > 0 .
(2-33)
(2.34)
Задача Дирихле для уравнения стационарной теплопровод­
ности
Аи= Lu + cu = f ; (х,у) е й ; и = 0; (х,у) eQ.
Вариационная для МКЭ формулировка
J"{u)—U€H > inf , где функционал J" {и) имеет вид
J'(u)= jJ(^V M ,Vu) + cM-2M/lto .
(2.35)
задачи
(2.36)
Эквивалентную задаче (2.35) задачу (2.26) назовем прямой
задачей Р, а задачу (2.36) максимизации двойственного функцио­
нала J о - двойственной D
где £ - вектор функции £ = (А.,ц), для которой существует
п
Опуская доказательство, которое можно найти в [112], за­
пишем Л(^)
в ви
Де
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
41
J.(t) = ~ f[($. А'1 ,£,) + (/ + divtf IсЪп =
= -|[б,Л 2 +26 12 Хц + 6 2 2 ц 2 +(/ + ^ + ^ ) 2 / с р П ,
(2.38)
где функции 6# - элементы матрицы В = А'1, обратной
матрице коэффициентов а*,,
В=
К К
1
detflaJV-a 2 ,
(2.39)
а„ У
Таким образом,
шГУв(и) = вирУв(§)
(2-40)
И для оценки л-го приближения и достаточно определить
и-е приближение \п и воспользоваться "вилкой" / ° ( и „ ) - . / 0 к ) .
Численный эксперимент показал, что во многих случаях решение
двойственной задачи определения градиента дает более быстрое
приближение, чем прямой и в этом смысле является предпочти­
тельнее прямой.
Для задачи с граничными условиями 2-го рода
Au = Lu + cu = f; (х,у)еС1; ^
= 0; (х,у)едП,
(2.41)
где и - нормаль 3Q, и определяется МКЭ
J" —-• > inf, где J° - имеет тот же вид, что и (2.37).
как
Функционал У 0 к)вида (2.38) является двойственным к
о
—
функционалу J при выполнении условия ортогональности £, v:
l4,o] = >.cos(u,jt) + n.cos(u,j;) = 0 .
(2.42)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
42
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
Иначе, и для второй краевой задачи inf J°(u) - sup./ 0 K), a
точность его приближенного решения оценивается той же "вил­
кой", что и первой.
Рассмотрим третью краевую задачу
ди
Lu + cu = f ; (х,у) € Q • — + aw = 0; (х,у) е 6Q ; a = const. (2.43)
Эквивалентная
(2.43)
вариационная
имеет
Г (и) = ШАЧЩ VW) + си2 - 2uf\iQ + jau2ddQ.
п
вид
(2.44)
an
Задача [112] Jo
-^
> sup,
у0р) = -|Г(Л-^^)+(/+^) 2 /сЪа- J(i,u)2/ou/aa , (2.45)
«L
-I
an
является двойственной, соответствующей третьей краевой задаче.
Обобщим результаты на случай смешанной краевой задачи
для стационарного уравнения теплопроводности (2.30).
Пусть на участке 9С2, границы области Q заданы условия
первого рода, на 9Q2 - второго, на 9Q3 - третьего,
dn = dCl1\Jdn2\JdCl3 ;
(2.46)
участки границы попарно не пересекаются.
Функционал прямой задачи Р
j°(u) = l\(AVu, VM) + си2 - 2uf\lQ. + Jaw2<fc =
n
= j\auul
an,
+ 2anu*uy + a22ul + c " 2 - 2uf\fo + jau2ds.
(2.47)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
43
Следуя результатам, приведенным выше, легко получить,
что функционал двойственной задачи
Щ
= - j f e A'%) + ( / + divl)21cldO-
\(l,vj
Icu#Q3
(2.48)
и на части границы дС12 должны выполняться условия (2.43).
Следует отметить, что использование метода построения
двойственных задач при с = 0 и, как следствие, при отсутствии
слагаемого си в функционале J° приводит к двойственным за­
дачам для J0 с условием - divt, = / в О н а вектор-функцию £,. Ука­
занное обстоятельство затрудняет автоматизацию решения и обу­
словливает необходимость разработки различных программ для с^О
и с > с0 > 0.
Одновременное решение двух экстремальных задач (пря­
мой и двойственной) позволяет оценивать погрешность найден­
ного приближенного решения и„ в энергетической норме. Для
смешанной задачи неравенство принимает вид
Ы(АЧ(и„-и0),У(и„-и0))
+ с(и„-и0)уП+
ja(u„-u0fdQV
[.о
an,
<^J"{un)-J0^n)
<
J
,
(2.49)
где \п - приближенное решение задачи D.
При с > с0 > 0 из (2.49) следует средняя квадратическая по­
грешность
l\(un-u0)2dn<-j=pa(un)-J0(l„)
Для нестационарных задач двойственный к
.
(2.50)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
44
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
J°(u)= J
(^VU,VM) + ( — + C)U2 - 2 M / ( —+
/ ] rfQ +
+ jau2ddn,
(2.51)
функционал имеет вид
<Ю
- jfcu) 2 /ou#Q 3 .
(2.52)
Здесь и, v решения на^'-м и (/-1)-м слоях по времени соот­
ветственно при дискретизации по / нестационарного уравнения
1 а
Lu + cu +
= f;(x,y)eCl
0<t<T.
(2.53)
Прямая и двойственная задачи решаются с оценкой (2.50)
на каждом временном слое.
Все изложенное распространяется без изменения на трех­
мерные задачи.
2.3.3. Апостериорные оценки на основе расчетов на
сетках разной плотности
Область определения может быть представлена в следую­
щем виде [113]:
F(0) - F(h) = <xhk+o(hl),0<k<\,
(2.54)
где h - параметр дискретизации; F(0) - точное решение;
F{h) - численное решение; а - не зависящая от А функция; к теоретический порядок точности численного метода.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
45
В многомерном случае разложение (2.54) справедливо для
геометрически подобных сеток [113]. Используя два решения на
сетках ht и hM = А, / а,. , а, > 1, можно из системы уравнений
F(o)-F,*ah?
;
F(0)-FM*ati+l
;
(2.55)
F,=F(h);
оценить погрешность
(2.56)
Щ-
с. — 1
Приближенная оценка погрешности по формуле (2.56) на­
зывается правилом Рунге [113]. Известны и другие апостериор­
ные оценки погрешности, зависящие от самого приближенного
решения [113]. Все эти оценки являются асимптотическими, т. е.
справедливы при достаточно малых h.
Заметим, что записав (2.56) в виде
R, = FM+AR,*F(0),
(2.57)
получаем простейшую экстраполяционную формулу Ричардсона,
широко используемую для уточнения численных решений [81].
Предположим, что нам известны решения на двух редких
сетках h, и А,+1. Записав приближенные равенства (2.54) для сеток
//,-t-i > hj, получим
Щ-рм.,
F(0)-F,
(2.58)
hj
Используя (2.56), находим
А^
(h
UJ
^
*F(0)-Flt
(2.59)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
46
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
позволяющее по двум решениям на груоых сетках оценить по­
грешность решения на некоторой густой сетке. При А,- = /?,+ь по­
лученная оценка погрешности совпадает с правилом Рунге (2.56).
Если теоретический порядок точности к в разложении(2.54)
неизвестен, то по трем решениям из системы уравнений
F(0)-^_,*aA/4 ;
F(o)-F,«ah*'
;
F(0)-F„,*ah?;i
(2.60)
;
можно, определив эффективный порядок точности х, [113], оце­
нить погрешность
F(0)-Fl+l*Z±p£
= 6A,
(2.61)
.
(2.62)
и уточнить решение по формуле
A,=Fi+]+AA,*F(0)
Для оценки погрешности на некоторой густой сетке анало­
гично (2.59) получаем выражение
(
s^ = ЬА.
АЛ
KJ
*F(0)-F,.
(2.63)
Вычисляя F, на последовательности сгущающихся геомет­
рически подобных сеток, получаем сходящиеся к F(O) последо­
вательности R, и А,. Считая, что х, монотонно сходится к к, пока­
жем, что экстраполяционные формулы (2.59) и (2.63) дают дву­
сторонние оценки погрешности F{0) - F,.
Обозначим через х и А полученные из системы уравнений
(2.60) для hi, A,+i , h,.\ значения эффективного порядка точности и
уточненного решения, а через R - уточненное по Ричардсону ре­
шение для А/+1 и hj.\. Тогда справедливы равенства
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
R- F„>
R -F,
47
(2.64)
Л- -F,+l
A-F,
U
Пусть значения х-, сходятся к к снизу, т. е. Rt сходится к
F{0) с той же стороны, что и F,, а А, - с противоположной. Оче­
видно
A-F
F(0)-F
R-F
(2.65)
Поэтому из (2.64) следует
F ( O ) - ^
F(0)-F, ~
;
xt<x<z<k
(2.66)
или
F(0)-F,=(F(O)-FM)\
КО
(2.67)
Так как
\&R\<\F(0)-F»\<^\;3-<\
к
(2.68)
из (2.67) находим
\S^\<\F(0)-F\<\Z^
(2.69)
причем границы неравенств сужаются при уменьшении А.
Если значения х, сходятся к к сверху, то знаки в неравенст­
вах (2.69) меняются на противоположные.
Таким образом, ef и zf дают двусторонние оценки по­
грешности F(0)-Fj при монотонной сходимости Xj к к. Из (2.59) и
(2.63) получаем также экстраполяционные формулы, позволяю-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
48
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
щие оценить с двух сторон шаг густой сетки, необходимой для
нахождения решения с заданной абсолютной погрешностью Е:
K=hM
г
(2.70)
( г V
Введя целое число разбиений дискретной модели
Nt = L / h t ,
(2.71)
где L - характерный линейный размер из (2.70) получим
*?=*»№
N"=Nj^k
(2.72)
s
Погрешность сеточного решения в некоторых точках об­
ласти определения может быть представлена в следующем виде
[113]:
2.4. Построения сетки конечных элементов
Автоматическое построение сетки применяется для реше­
ния задач методом конечных элементов с целью упрощения под­
готовки и проверки входных данных.
Почти половина, а то и больше половины общего числа
времени и стоимости вычислений тратится на формирование и
проверку входных данных. Таким образом,если пользователь
сможет общаться с машиной лучшим, более быстрым и безоши­
бочным способом, будет достигнута существенная экономия тру­
да и средств. Кроме того, автоматизация позволяет уменьшить
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
|
49
ошибки операторов, обеспечить регулярность сетки, облегчить
использование других типов элементов, упростить параметриче­
ские исследования.
В обзоре [105] даны краткие описания некоторых методов
построения сетки, применявшихся в разное время для самых раз­
ных задач.
Каждую из приведенных схем автоматической подготовки
данных применяют обычно к конкретному виду геометрии. Поэтому в настоящее время используют так много схем. Не сущест­
вует "одной наилучшей" схемы, которая отвечала бы запросам
всех исследователей.
Желательно иметь "библиотеку" схем, из которых можно
было бы выбрать наилучший для данной задачи, метод.
В ППП "ШТАМП" в качестве основного способа автомати­
зации триангуляции используется основанный на идее отображе­
ния сложной физической области на простую вычислительную в
виде прямоугольника или квадрата с помощью функций [114]:
x = fl(br\),'y
= f1(Z>,4),-l4i,r\Zl
.
(2.73)
Ясно, что построение сетки в квадратной области (£,,п)
весьма просто.
Такой подход дает широкие возможности, однако требует
решения задачи автоматизации процесса построения соответст­
вующих преобразований координат, которые в общем случае эк­
вивалентны по трудоемкости исходным задачам описания облас­
тей и построения сетки.
Начнем с весьма общей задачи, в которой требуется ото­
бразить область А сложной формы (рис. 2.1, а) на стандартный
квадрат (£,,т\) (рис. 2.1, б). Априори принимается некоторое со­
глашение о соответствии между граничными точками А и гра­
ничными точками В, т. е. каждой точке Р на границе А ставится в
соответствие единственный образ Р на границе В. В частности,
образы угловых узлов задаются так, как показано на рисунке.
4-2559
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
50'
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
<?з
т—"К"
3
р'
} Л 2
х
©
0
а)
$
б)
Рис. 2.1. Отображение рассматриваемой области
Искомое отображение устанавливает взаимно-однозначное
соответствие между точками на границах в плоскости (£,л) и
граничными точками фактической области А в плоскости (х,у).
На рис. 2.2 в перспективе изображены плоскость (£,л) и измене­
ние х вдоль границы. Чтобы найти полное отображение, нужно
построить гладкую поверхность, натянутую на эти краевые зна­
чения.
Рис. 2.2. Изменение х вдоль границы в перемен­
ных (£,л)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
51
Состав процесса построения такой поверхности графически
показан на рис. 2.3 и состоит из четырех этапов.
1. Нахождение функции, осуществляющей линейную ин­
терполяцию по г) между значениями х, заданными на прямых
Т1=±1.
2. Нахождение функции, осуществляющей линейную ин­
терполяцию по £, между значениями х, заданными на прямых
$=±1.
3. Сложение этих двух функций, дающее однозначно опре­
деленную непрерывную функцию, граничные значения которой
отличаются от требуемых на линейную функцию.
4. Вычитание из полученной суммы функции стандартной
билинейной интерполяции для точных угловых значений.
Рис. 2.3. Построение функции отображения с помо­
щью процесса линейного составления
В результате этого процесса получается гладкая кривая
fi(^,rj) из (2.78), определяющая координату х в любой точке
плоскости (£,т|).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
52
Глава 2 Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
Мы не приводим никаких аналитических выражений для
осуществляющих это отображение функций, поскольку выкладки
тривиальны, если хорошо понят сам принцип построения.
Аналогичная интерполяция для координаты у приводит к
функции/2(^,т|) из (2.78), что и заканчивает построение отобра­
жения.
Такой процесс может быть обобщен на случай использова­
ния интерполяции многочленами высших степеней. Например,
если помимо выполнения краевых условий требуется, чтобы ка­
кое-либо конкретное множество точек (х,у) принадлежало неко­
торым прообразам прямых, параллельных осям координат в
плоскости (^,г|), то использованную выше линейную интерполя­
цию следует заменить квадратичной интерполяцией.
Эта процедура в принципе позволяет отобразить область
произвольной формы (возможно, разбитую на подобласти или
элементы произвольного вида) на квадрат (или на семейство
квадратов). Чтобы получить такое отображение, необходимо с
помощью соответствующих функций, описывающих поведение
координат х и у на прямых ^=±1, г)=±1, определить внешние гра­
ницы и границы между элементами. Этот процесс весьма полезен
при отображении односвязной области сложной формы на квад­
рат, где решения могут быть получены с помощью глобальных
функций или - в случае необходимости - подразбиения на регу­
лярные элементы стандартного типа. В действительности ото­
бражение такого рода позволяет использовать и конечноразностную процедуру в простой регулярной области плоскости
(4,п). С помощью этой процедуры удается устранить основные
недостатки конечно-разностного метода, поскольку задачу в об­
ласти сложной формы можно решить непосредственным приме­
нением конечно-разностного метода к соответствующим образом
преобразованному дифференциальному уравнению на получаю­
щемся квадрате в плоскости (^,г)).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 2 Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
53
2.5. Основные особенности численного решения
задач ОМД
Соотношения (2.1) и (2.2) справедливы для бесконечно ма­
лых изменений, входящих в них величин. Применение МКЭ
предполагает проведение расчетов для конечных приращений в
конечном числе точек. Соотношение (2.9) и критерий перехода
из упругого состояния в пластическое
/(а,^)>0,
(2.74)
проверяются для единственной точки каждого конечного элемен­
та - его геометрического центра. Вопрос о состоянии (упругом
или пластическом) каждого конечного элемента решается от­
дельно. Изначально каждый конечный элемент считается упру­
гим. В процессе расчетов конечного элемента проверяется либо
выполнение критерия (2.9), если конечный элемент является на
текущем шаге пластическим, либо выполнение критерия (2.74)
для упругого конечного элемента. По результатам проверки вы­
ясняется, сохраняет ли конечный элемент текущее состояние,
либо на следующем шаге его следует считать перешедшим в дру­
гое (упругое или пластическое соответственно) состояние.
Рассмотрим произвольную расчетную точку Mi дискретной
модели, в которой проверяется выполнение критерия (2.74).
Пусть на i-l шаге в этой точке вычислены перемещение Uj_\, ин­
тенсивность деформации e*-i и интенсивность напряжения ovi, a
также их приращения Д ^ , Де*, Да, (рис. 2.4).
В начале шага значение функции текучести
/.^/(^-„Ё,-.)^,
(2.75),
что соответствует упругому состоянию точки Mi. Считая шаг уп­
ругим, подсчитываем напряжения в конце шага а, - Oi-i + До%.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
54
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
.
/
М
/=о
М
г
М\
едг
*м SEe
Б
Аё
i
»
Рис. 2.4. Схема перевода материальной точки в
пластическое состояние на графике зависимости
a-s
В этом случае
/;=/(*
(-1 + Д<Те,8/-1 + Д е ,
)>0,
(2.76)
что является недопустимым состоянием. Лишь часть приращения
является допустимой, обозначим ее 9:
f(a; + A a e , S i i +Л£е) = 0
fldi-i
(2.77)
• ) - '
В [109] предлагается выбирать приближения для в либо с
помощью линейной интерполяции
в,
л.,
f, -/-,
либо с помощью улучшенной оценки
(2.78)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
55
{а} Да»
где {а} - вектор производных функции текучести по на­
пряжениям. Очевидно, что при реализации вычислительной про­
цедуры на ЭВМ, не следует ограничиваться столь грубыми при­
ближениями.
Если функция / непрерывна и выполнены условия (2.75) и
(2.76), то, как известно, существует точное решение уравнения
(2.77), и получить его можно с минимальными вычислительными
затратами с любой степенью точности даже простейшими итера­
ционными методами. Разумеется, следует предусмотреть доста­
точно точное вычисление 9 из (2.78) с тем, чтобы не вносить до­
полнительную погрешность в вычислительную процедуру.
Рассмотрим текущий момент вычислений, когда часть ко­
нечных элементов уже перешла в пластическое состояние, а
часть еще находится в упругом. Для расчета развития пластиче­
ской области существуют различные способы. Два наиболее из­
вестных - это способ Ямада и способ Маркала [106, 115].
Суть способа Ямада состоит в следующем. При заданной
нагрузке делается пробный шаг и для всех рассчитываемых ма­
териальных точек, переходящих на этом шаге в пластическое со­
стояние, вычисляются значения 9j, j=l,2,...£. Определим 9:
9 = пип9 (
Пусть минимум достигается для точки с номером i, тогда
считаем только эту точку перешедшей в пластическое состояние
и шаг выполненным только с частью 9 нагрузки. Затем добавля­
ется оставшаяся часть нагрузки, и результаты обрабатываются
подобным же образом. Расчет заканчивается при исчерпании на­
грузки.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
56
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
Из-за нелинейности (в общем случае) процесса необходимо
использовать какую-либо процедуру контроля за правильностью
дробления нагрузки по шагам и достаточно точным установлени­
ем допустимой нагрузки, переводящей соответствующую мате­
риальную точку из упругого состояния в пластическое. Можно
поступить, например, следующим образом. После определения
величины 9 и установления недостаточной близости ее значения
к единице, проведенный шаг расчета считается пробным и по­
вторяется для всех прежних данных, но с измененной нагрузкой.
После единственного пробного шага возможно найдутся еще
точки, перешедшие в недопустимое состояние, однако, очевидно,
что достаточно конечного числа подобных шагов, чтобы подоб­
рать нагрузку, при которой (с некоторой степенью точности) все
элементы дискретной модели и связанные точки останутся в до­
пустимой зоне и продолжение расчетов будет корректным.
Реализация такой модификации метода Ямада требует вы­
яснения критерия окончания итераций для подбора подходящих
нагрузок на текущем шаге.
Для случая, когда функция текучести имеет вид
естественно считать пробную нагрузку подходящей, если обна­
ружено, что при ней либо не появляется новых пластических
элементов, либо материальная точка выходит на деформацион­
ную кривую, что обеспечивается выполнением соотношения
а
*
~as\
-<е ,
где б - заданная точность вычислений.
При таком подходе к реализации метода Ямада, один шаг
нагружения автоматически разбивается на несколько меньших
шагов, реализация которых обеспечивает выход материальных
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
57
точек на кривую деформирования материала с любой наперед
заданной степенью точности.
Предлагаемая процедура требует значительных вычисли­
тельных затрат (времени, памяти) для своей реализации, поэтому
возможно применение упрощенных процедур, основанных, на­
пример, на способе Маркала.
Применение описанной выше методики обеспечивает кор­
ректный перевод каждого конечного элемента в пластическое
состояние. Для пластических элементов должна быть выполнена
нелинейная зависимость между деформациями и напряжениями
(2.2).
Для плоского случая можно переписать (2.2) в виде
da = Dep(s,a)dE ,
где G = (px,oy,xv)
, г=
{гх,гу,уху)
1-v
l-2v
)e„(s,a) = 2G.
m
где m =
(2.79)
l-2v
l-2v
1-v
l-2v
0
0
V
-m
2
-rri
m
mx v
-mx.
mxr
— mx.
(2.80)
{ax-oy}l2
Поскольку начальные значения (2.6) известны, то для оп­
ределения а через е нужно решить задачу Коши. Для ее решения
используется трехмерный аналог метода Рунге-Кутта пятого по-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
58
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
рядка (как известно, методы Рунге-Кутта более высокого порядка
на практике не применимы):
Ao = (Kl+4Kt+...+Ki)/2
где
,
(2.81)
K^=-Dep(e,a)Az;
2
3
Ч
3
J
A , = | i ) v ( e + l A e , o + l(Jf 1 +A 2 ))Ae ;
Достаточно точное решение (2.79) важно для обеспечения
принадлежности материальных точек в пластической области
кривой деформирования. Обычно для решения (2.79) применяет­
ся метод Рунге-Кутта первого порядка:
Да = дДе,а)Де .
(2.82)
Учитывая разную точность методов (2.81) и (2.82), нетруд­
но предсказать искажение результатов, к которому приводит
применение (2.82).
МКЭ чаще всего реализуется на основе метода перемеще­
ний, поэтому вычисленные по (2.81) значения приращений на­
пряжений являются пробными, по которым вычисляются новые
значения приращений перемещений и деформаций.
Организованный таким образом итерационный процесс
продолжается до установления итераций. Полученные при этом
значения приращений перемещений, деформаций и напряжений-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
59
считаются окончательными на текущем шаге и служат для про­
должения расчета на следующем шаге.
При моделировании процессов обработки материалов дав­
лением нередко возникает необходимость в удовлетворении
сложных граничных условий.
Пусть при заданном нагружении необходимо обеспечить
выполнение принадлежности модели (с геометрической точки
зрения) некоторой допустимой области со. При моделировании
процессов обработки давлением границами со являются рабочие
поверхности формообразующих инструментов. Пусть граница
допустимой области представляет собой несколько фрагментов
Г, каждый из которых описывается в виде:
f(u) = 0 , С/еГ ,
г д е / - некоторая непрерывная функция, причем в допусти­
мой области в достаточно малой окрестности данного фрагмента
значение этой функции отрицательно, а в недопустимой области
- положительно.
Таким ^образом, для выполнения заданных ограничений
нужно следить за тем, чтобы для достаточно близких к фрагмен­
ту точек было выполнено соотношение /(£/) ^ 0 .
При вычислениях следует выполнить пробный шаг при
данном нагружении и определить A U. Если найдутся точки, для
которых (с некоторой степенью точности) одновременно выпол­
нены соотношения
/{и) = 0
(2.83)
и
f(U + AU)>0 ,
(2.84)
то необходимо повторить пробный шаг при прежних входных
данных, но с дополнительным ограничением движения соответ-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
60
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
ствующей точки по нормали к фрагменту Г. Пробные шаги по­
вторяются, пока имеются подобные точки. Когда будет обнару­
жено, что при данной нагрузке и всех дополнительно наложен­
ных ограничениях не существует точек, перемещающихся с гра­
ницы в недопустимую область, то следует перейти к поиску дру­
гих особенностей. Если найдутся точки, которые переходят в не­
допустимую область из допустимой области, т. е., одновременно
выполнены соотношения /(£/) < 0 и f{U + At/) > 0, то следует
приступить к серии пробных шагов для определения подходящей
части нагрузки, которая переводит точку из внутренней части
допустимой области на ее границу. Очевидно, что с формальной
точки зрения эта процедура совершенно аналогична той, которая
применялась для определения подходящей части нагрузки при
переводе точки из упругого состояния в пластическое. Различие
состоит в определении величин 9у. Естественно в качестве значе­
ния 97 выбрать отношение расстояния между точкой в исходном
состоянии и точкой пересечения вектора Л£/ с фрагментом гра­
ницы Г и длиной вектора AU.
Понятно, что один раз запрограммированная процедура,
описание которой приведено выше, может быть использована в
различных ситуациях, которые допускают соответствующую
формализацию. Применение процедуры будет отличаться лишь
выражением для/, определением величин 97 и смыслом дополни­
тельных действий, предпринимаемых при обнаружении сущест­
вования точек, для которых одновременно выполнены соотноше­
ния (2.83) и (2.84).
Граничные условия, используемые при решении задач рас­
чета напряженно-деформированного состояния деформируемого
твердого тела можно разделить на геометрические, которые от­
ражают заданные перемещения, и силовые, которые характери­
зуют внешние силы.
Для применения МКЭ необходимо, чтобы граничные усло­
вия решаемой задачи были аппроксимированы как условия в уз-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
61
лах конечно-элементной сетки (КЭС). Такая аппроксимация не
вызывает больших затруднений, если расположение узлов КЭС и
значения граничных условий (геометрических и силовых) из­
вестны до начала расчета.
Процессы обработки давлением обычно приводят к воз­
никновению больших смещений в материале заготовки [116,
117]. Расчет таких смещений производят пошагово. При пошаго­
вом расчете больших смещений граничные условия в узлах КЭС
(кроме закрепленных) для любого шага, кроме начального, не
могут быть в общем случае определены до начала расчета, т. к.,
начальное расположение узлов для любого шага продолжения
определяется только после расчета их конечного расположения
на предыдущем шаге. Не зная расположения узла КЭС, нельзя
правильно задать граничные условия для него. Следовательно,
если при пошаговом расчете больших смещений по МКЭ расчет­
ная программа выполняет расчет нескольких шагов подряд без
вмешательства препроцессора, то она сама должна обладать спо­
собностью задавать граничные условия в узлах КЭС, используя
для этого вычисленные значения координат узлов и некоторую
не зависящую от геометрии КЭС информацию, подготовленную
препроцессором до начала расчета.
При моделировании процессов обработки давлением в ка­
честве такой информации может быть использована информация
о геометрии рабочих поверхностей инструмента и оснастки, кон­
тактирующих с заготовкой в процессе ее обработки, и программа
обработки, содержащая информацию о последовательности и
величине рабочих ходов инструмента.
2.6. Анализ упруго-пластических моделей при
помощи пакетов прикладных программ
Наиболее удачным инструментом математического моде­
лирования процессов ОМД являются в настоящее время пакеты
прикладных программ (ППП) для персональных ЭВМ (ПЭВМ).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
62
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
Они позволяют проводить сложные многовариантные расчеты в
простом диалоговом режиме, не вдаваясь в "математические тон­
кости". При проведении с помощью ППП математических экспе­
риментов можно следить за процессом формоизменения на экра­
не дисплея, изменяя произвольным образом различные внешние
условия, внося по ходу расчета конструктивные дополнения с
целью получения наиболее оптимального результата.
Анализ упруго-пластических моделей при помощи ПГШ
МКЭ, типичным представителем которых является ППП
"ШТАМП" [111], обычно включает следующие этапы:
1) подготовка входных данных для ППП МКЭ;
2) расчет напряженно-деформированного состояния модели
при помощи программного обеспечения (ПО) МКЭ;
3) анализ полученных результатов.
ППП "ШТАМП" предусматривает возможность продолже­
ния анализа модели путем циклического повторения перечислен­
ных этапов при измененных значениях некоторых входных дан­
ных. Это позволяет моделировать процессы обработки металлов
давлением при сложных, изменяющихся в процессе обработки
граничных условиях.
2.6.1. Подготовка входных данных
Входные данные 111111 МКЭ - это информация об иссле­
дуемой модели, решаемой задаче и режимах работы ПО, пред­
ставленная в специальной форме, доступной для использования
некоторым конкретным 111111 МКЭ. Подготовка входных данных
является наиболее трудоемкой операцией при решении задач ме­
тодом конечных элементов. Для повышения эффективности ра­
боты пользователя при подготовке входных данных в состав
ППП МКЭ включаются специальные программные средства препроцессоры.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
63
Препроцессор ППП "ШТАМП" позволяет автоматизиро­
вать построение сетки конечных элементов для исследуемых мо­
делей, геометрия которых задана в форме чертежа системы авто­
матизированного проектирования AutoCAD фирмы Autodesk, Inc.
[118]. Изображение построенной сетки может быть получено при
помощи входящего в состав ППП "ШТАМП" графического
постпроцессора. Часть информации о решаемой задаче оформля­
ется в виде текстового файла описания на входном языке ППП
"ШТАМП". Если какие либо входные данные решаемой задачи
требуется задать в виде формул, то для подбора соответствую­
щих аналитических выражений может быть использована встро­
енная программа подготовки формул функций. Подготовленные
данные обрабатываются интерпретатором описания решаемой
задачи и контролируются визуально при помощи графического
постпроцессора.
Подготовка чертежа расчетной схемы в системе
AutoCAD. Чертеж модели подготавливается в графическом ре­
дакторе системы AutoCAD и сохраняется на магнитном диске в
виде файла обмена описаниями чертежей (файл с расширени­
ем .DXF). В дальнейшем, этот файл используется программой
генерации сетки конечных элементов. Вследствие того, что пере­
дача информации из системы геометрического моделирования в
111111 "ШТАМП" производится только посредством файлов фор­
мата DXF, для подготовки данных о геометрии модели может
быть использована не только система AutoCAD, но и другие гра­
фические системы, поддерживающие этот формат. Рассмотрим
последовательность действий пользователя при подготовке опи­
сания геометрии модели в системе AutoCAD.
Для запуска системы AutoCAD необходимо выбрать в
Главном меню ППП "ШТАМП" пункт "Геометрическое модели­
рование". На экране появится Главное меню системы AutoCAD.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ъ4
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
Модель конструкции, подлежащей анализу, вычерчивается
в редакторе чертежей системы AutoCAD в натуральную величи­
ну. Для плоских моделей и пространственных оболочек все по­
верхности исследуемой модели изображаются в виде примитивов
типа 3DMESH (3-СЕТЬ). Для того, чтобы препроцессор мог от­
личить эти примитивы от других, не несущих информации о гео­
метрии дискретизируемой области, примитивы 3DMESH, изо­
бражающие поверхности модели, включаются в составные при­
митивы - блоки с именами типа SURE номер, где "номер" - по­
рядковый номер поверхности дискретизируемой области. При­
митивы 3DMESH, входящие в эти блоки, в дальнейшем будут
использованы в качестве заготовок конечно-элементной сетки,
поэтому, изменяя густоту сетки в примитивах 3DMESH, можно
регулировать густоту сетки дискретной модели.
Если модель неоднородна, т.е. состоит из нескольких по­
добластей, отличающихся свойствами материала, толщиной или
типом конечных элементов, используемых при анализе, то чер­
теж модели представляет собой совокупность границ всех подоб­
ластей, образующих вместе область модели. Каждая подобласть
(даже если она единственная) должна быть представлена на чер­
теже отдельным блоком с именем типа БЕЬномер, где "номер" номер суперэлемента дискретной модели, соответствующего
данной подобласти. В состав блока БЕЬномер, изображающего
плоскую подобласть или пространственную оболочку, входит
только один блок SURFHOMep, изображающий единственную по­
верхность (плоскую или пространственную) данного суперэле­
мента. Если суперэлемент представляет сплошное объемное тело,
то в состав блока БЕЬномер включаются в определенном порядке
6 блоков типа SURFHOMep (каждый из этих 6-ти блоков изобра­
жает одну из поверхностей, на которую отображается соответст­
вующая грань параллелепипеда с шаблоном трехмерной сетки).
Готовый чертеж расчетной схемы сохраняется на магнит­
ном носителе в формате файла обмена описаниями чертежей
(DXF) командой DXFOUT (ЭКСПОРТА).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 2 Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
65
Генерация сетки конечных элементов. Построение сетки
конечных элементов производится входящей в состав ППП
"ШТАМП" программой генератора сетки MESH в' автоматиче­
ском режиме без вмешательства пользователя. Пользователь
должен лишь запустить программу MESH, выбрав из Главного
меню ППП "ШТАМП" пункт "Генератор сетки", и в ответ на за­
прос системы ввести имя DXF файла, содержащего чертеж рас­
четной схемы.
Получение изображения сетки. Чтобы провести описание
дискретной модели на входном языке, необходимо получить изо­
бражение модели с пронумерованными узлами и суперэлемента­
ми. Такое изображение может быть получено при помощи гра­
фического постпроцессора (программа SCREEN), который ини­
циируется при выборе из Главного меню пункта "Графическое
отображение дискретной модели".
При рассмотрении с помощью постпроцессора пространст­
венной модели, если это необходимо, изображение можно вра­
щать. Если необходимо более детально рассмотреть интересую­
щую часть графического изображения, можно воспользоваться
функциями масштабирования и панорамирования.
После получения графического изображения дискретной
модели можно просмотреть нумерацию узлов, суперэлементов и,
если это нужно, элементов. Номера этих компонентов дискрет­
ной модели появляются рядом с их изображениями на экране по­
сле выбора соответствующих пунктов меню.
Описание решаемой задачи на входном языке. После
получения с помощью программы графического постпроцессора
изображения сетки конечных элементов с пронумерованными
суперэлементами и узловыми точками можно приступить к опи­
санию решаемой задачи на входном языке ППП "ШТАМП".
Файл описания является обычным текстовым файлом в коде
S- 255?
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
66
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
ASCII и может быть подготовлен при помощи любого редактора
текстов, поддерживающего обработку ASCII файлов. В состав
файлового процессора 111111 "ШТАМП" входит полноэкранный
многооконный редактор текстов, содержащий средства, облег­
чающие создание описаний на входном языке. Редактор позволя­
ет получать справочную информацию об использовании входно­
го языка и вставлять в описание заготовки операторов, в которых
необходимо только задать значения параметров пользователя.
Полное описание операторов приведено в [105].
Структура описания. Файл описания решаемой задачи со­
стоит из последовательности описаний для всех суперэлементов
дискретной модели. В описание для каждого суперэлемента явно
или по умолчанию включается информация о номере описывае­
мого суперэлемента, типе решаемой задачи, координатах узло­
вых точек сетки и их соединениях в элементах, типе используе­
мых конечных элементов, свойствах материала, граничных и на­
чальных (для нестационарных задач) условиях, соединениях су­
перэлемента с другими суперэлементами, а также информация о
виде и объеме таблиц результатов расчета. Последовательность
описаний для всех суперэлементов модели заканчивается опера­
тором END. Описание решаемой задачи для дискретной модели,
содержащей несколько суперэлементов, имеет следующую
структуру:
описание решаемой задачи для суперэлемента номер I
описание решаемой задачи для суперэлемента номер J
описание решаемой задачи для суперэлемента номер N
END
Каждый оператор входного языка записывается в отдель­
ной строке, начиная с первой позиции. В строке может содер­
жаться не более одного оператора. Если оператор входного языка
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
67
имеет или может иметь строки продолжения, то в текст описания
после последней строки такого оператора вставляется пустая
строка. При интерпретации описания эта строка служит призна­
ком окончания последовательности строк продолжения много­
строчного оператора.
Использование комментариев. Текст описания задачи
может сопровождаться комментариями. Комментарии не оказыва­
ют влияния на работу 111111 "ШТАМП" и могут содержать любую
символьную информацию. Обычно комментарии содержат пояс­
нения, облегчающие понимание текста, или замечания, относя­
щиеся к решаемой задаче. Комментарии вводятся в текст описания
при помощи оператора С.
Q
**********************************************************
С
* Этот текст и окружающая его рамка являются примером ис-*
С
* пользования оператора комментария С.
п
*
**********************************************************
Описание решаемой задачи для каждого суперэлемента
дискретной модели производится в определенной последова­
тельности. Эта последовательность одинакова для всех супер­
элементов модели: 1) номер суперэлемента; 2) заголовок; 3) тип
задачи; 4) описание узловых точек; 5) описание конечных эле­
ментов.
Начало описания. Описание решаемой задачи для супер­
элемента должно начинаться с указания его номера. Номер су­
перэлемента вводится в текст описания при помощи оператора
SUPERELEMENT.
После указания номера суперэлемента в описание включа­
ется заголовок таблиц результатов расчета для этого суперэле­
мента. В качестве заголовка может использоваться любая строка
символов. Заголовок вводится в текст описания при помощи опе­
ратора TITLE.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
68
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
За оператором TITLE должен следовать оператор
FUNCTION. Оператор FUNCTION используется для указания
типа решаемой задачи. Каждому типу задач в ППП "ШТАМП"
присвоен определенный номер, например:
2 - упругая задача;
4 - упруго-пластическая задача.
Описание упруго-пластической задачи может начинаться
следующим образом:
Q
*********************************************
С
*
С
С
* Начало описания для суперэлемента номер 4 *
*
*
'
*
г
*********************************************
•
С
SUPERELEMENT 4
TITLE Результаты расчета НДС заготовки в процессе обработки
С
С Строка "Результаты расчета НДС заготовки в процессе обработС ки" является заголовком, который будет использован при
С оформлении таблиц результатов расчета для суперэлемента ноС мер 4.
FUNCTION 4
Описание узловых точек сетки. За оператором FUNCTION
в тексте должно располагаться описание узловых точек дискрет­
ной модели. Это описание содержит информацию о координатах
узловых точек сетки конечных элементов, о закреплениях иссле­
дуемой модели, о приложенных к ней механических нагрузках.
Координаты. Для указания координат узловых точек ис­
пользуется оператбр NODAL. Этот оператор позволяет задавать
координаты узловых точек в трехмерном пространстве непосред­
ственно в тексте описания или вычислять их по заданным поль­
зователем аналитическим выражениям, или использовать узло­
вые точки уже подготовленной ранее (например, при помощи
генератора MESH) сетки.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
69
Первые два способа могут быть использованы при описа­
нии моделей несложной формы без применения системы
AutoCAD и генератора сетки. Для удобства задания положения
узловых точек в этом случае оператор NODAL позволяет исполь­
зовать прямоугольную, цилиндрическую и сферическую системы
координат. При описании можно использовать локальные систе­
мы координат, задав их при помощи оператора LOCAL
COORDINATE SYSTEM. Полное описание операторов NODAL и
LOCAL COORDINATE SYSTEM приведено в [105].
Пример применения оператора NODAL для использования
в модели узловых точек сетки, подготовленной генератором
MESH:
Q
*********************************************
С
*
С
С
* Начало описания для суперэлемента номер 1 *
*
*
*
Q
*********************************************
С
SUPERELEMENT 1
TITLE НДС заготовки в процессе обработки
FUNCTION 4
NODAL 1,1.-1
С
С
Координаты узловых точек считываются из файла UZL.1, созданного, например, генератором сетки MESH.
Механические воздействия. Для решения задачи методом
конечных элементов механические воздействия на исследуемую
модель аппроксимируются как воздействия на узловые точки
дискретной модели. В простых случаях пользователь может сам
выполнить такую аппроксимацию и описать на входном языке
механические воздействия на узловые точки. Для моделирования
воздействия инструмента на заготовку в процессе обработки дав­
лением ППП "ШТАМП" позволяет пользователю описать только^
геометрию рабочих поверхностей инструмента и их перемеще­
ния, а перемещения узловых точек дискретной модели будут оп­
ределены программой SOLVER.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
70
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
Закрепления исследуемой модели в простых случаях могут
быть описаны указанием нулевых компонентов смещения или
вращения некоторых узловых точек дискретной модели при по­
мощи оператора ZERO.
Для описания механических нагрузок, действующих на ис­
следуемую модель, используется оператор FORCES. Этот опера­
тор позволяет задавать приложенные силы, моменты сил, пере­
мещения и вращения в узлах дискретной модели. Пример:
с
*********************************************
С
С
С
*
*
* Начало описания для суперэлемента номер 1 *
*
Q
*********************************************
С
SUPERELEMENT 1
TITLE Воздействие на модель сосредоточенной силы
FUNCTION 2
NODAL 1,1,-1
ZERO
X Т 1 10 19 28 37 46 55 64 73
Y T 1 0 6
С Запрещено изменение координаты X узлов с номерами
С 1, 10, 19, 28, 37, 46, 55, 64 и 73.
С Запрещено изменение координаты Y узлов с номерами
С 1, 2, 3, 4, 5, 6.
С
FORCES
F X 68 500
F Y 68 600
С
С
На узловую точку номер 68 действует сила, компоненты которой
Fx=500, Fy=600.
Если нагрузки в узлах дискретной модели вызваны воздей­
ствием некоторых абсолютно твердых тел (обрабатывающий ин­
струмент), то в описание задачи можно вместо описания нагрузок
в узлах включить описание геометрии и перемещений поверхно­
стей, воздействующих на модель. Для описания геометрии и пе-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
71
ремещений инструмента в плоском случае используется оператор
EXTERIOR. Пример:
с
*
С
С
* Начало описания для суперэлемента номер 1 *
*
*
*
Q
*********************************************
С
SUPERELEMENT 1
TITLE НДС заготовки в процессе обработки
FUNCTION 4
NODAL 1,1,-1
ZERO X Т 1 10 19 28 37 46 55 64 73
Y T 1 0 6
EXTERIOR 0.005, 0.0, -1.0
0.0 0.1, 0.1 0.05, 0.2 0.1
С
С
С
С
С
Рабочая поверхность инструмента
задана ломаной
линией
(плоский случай), вершины которой находятся в точках с координатами: (0.0, 0.1), (0.1, 0.05), (0.2, 0.1).
Инструмент совершает перемещение величиной 0.005 в направлении вектора, компоненты которого Vx=0.0, Vy=-1.0.
Описание конечных элементов. После определения узлов
дискретной модели и задания механических воздействий в текст
описания задачи необходимо ввести информацию о конечных
элементах.
Определение элемента производится путем указания в оп­
ределенном для каждого типа элементов порядке принадлежа­
щих элементу узловых точек сетки. Определению конечных эле­
ментов должно предшествовать описание свойств материала,
указание типа и геометрических характеристик используемых
элементов из библиотеки конечных элементов ППП "ШТАМП".
До определения балочных элементов с различными относительно
их осей V и W геометрическими характеристиками сечений необ­
ходимо указать ориентацию таких элементов.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
72
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
Свойства материала описывают при помощи оператора
MATERIAL. Параметры этого оператора задают механические
свойства материала.
Тип используемых элементов из библиотеки конечных эле­
ментов 111111 "ШТАМП" задается параметрами первой строки опе­
ратора ELEMENT. Геометрические характеристики балочных и
треугольных элеменгов указываются в строке продолжения этого
оператора. Для задания типа и геометрических характеристик ба­
лочных и треугольных элементов допускается использование опе­
раторов BEAM TYPE l, BEAM TYPE 2 и TRIANGULAR.
Ориентация балочных элементов при необходимости опи­
сывается при помощи операторов ANGULAR или VECTOR.
После описания свойств материала, типа, а при необходи­
мости и геометрических характеристик и ориентации элементов,
необходимо использовать оператор CONNECT для указания но­
меров узловых точек сетки, принадлежащих конечным элемен­
там. Этот оператор позволяет задавать номера узловых точек
элементов непосредственно в тексте описания или использовать
конечные элементы уже подготовленной ранее (например, при
помощи генератора MESH) сетки. Первый способ может быть
использован при описании моделей несложной формы без при­
менения системы AutoCAD и генератора сетки.
Пример применения оператора CONNECT для использова­
ния в модели конечных элементов сетки, подготовленной генера­
тором MESH:
г
************ ********************* ************
С
С
С
*
*
* Начало описания для суперэлемента номер 1 *
*
*
Q
*********************************************
С
SUPERELEMENT 1
TITLE НДС заготовки в процессе обработки
FUNCTION 4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
73
NODAL 1,1,-1
ZERO X Т 1 10 19 28 37 46 55 64 73
Y Т 1 0 6
EXTERIOR 0.005, 0.0, -1.0
0.0 0.1, 0.1 0.05, 0.2 0.1
MATERIAL 9.8Е10,3.6Е10,8.4ЕЗ,0.35,7.9Е7,0.1,0.5, 6.3Е8,0.5,1
ELEMENT 3, 0, 2
0.03
CONNECT
С
С
С
С
Информация о номерах узловых точек, принадлежащих конечным
элементам, считывается из файла ELE.1, созданного, например,
генератором сетки MESH.
Q
********************************************
С
С
С
*
*
* Конец описания для суперэлемента номер 1 *
*
*
Q
********************************************
С
С Если дискретная модель содержит другие суперэлементы, то
С здесь должен быть текст описания для них.
С
END
С
Q
******************
С
С
С
*
*
* Конец описания *
*
*
Q
******************
Подготовка формул функций. Для подготовки формул
функций, используемых для аналитического задания некоторых
видов граничных условий и других параметров решаемой задачи,
в состав ППП "ШТАМП" включена программа DEFUN. Про­
грамма активизируется выбором пункта Главного меню
"Подготовка формул". После подготовки формула заносится в
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
74
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
дисковый текстовый файл FRML. Ссылки из файла описания ре­
шаемой задачи на нужную формулу производятся по ее порядко­
вому номеру.
Программа DEFUN реализует следующие функции:
1) создание формул функций (при помощи таблицы фраг­
ментов формул функций):
2) редактирование формул;
3) вычисления по формулам функций: а) по единичным ар­
гументам, б) по группе аргументов (от min до max);
4) получение результатов вычислений: а) в табличной фор­
ме, б) в графической форме.
Интерпретация описания решаемой задачи. Программа
интерпретации описания решаемой задачи AMS инициируется из
Главного меню 111111 "ШТАМП". Диалог программы AMS начи­
нается с предложения следующего меню:
- построение упругой модели,
- построение упруго-пластической модели.
Выбор пользователем любого из предложенных пунктов
меню определяет для расчета в 111111 тип дискретной модели и
соответствующей процедуры ее анализа.
Затем пользователю предлагается ответить на вопрос о не­
обходимости создания в процессе работы программы AMS фай­
ла-листинга. При положительном ответе на этот вопрос в теку­
щем каталоге на диске создается текстовый файл MODEL.LST,
содержащий результаты интерпретации описания модели.
Последний запрос программы AMS пользователю таков:
- введите имя файла.
В ответ пользователь должен ввести имя заранее подготов­
ленного текстового файла, содержащего описание дискретной
модели на входном языке. 111111 ищет указанный пользователем
файл на диске и начинает последовательно извлекать из него и
интерпретировать операторы, составляющие описание модели.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
75
Извлеченная при интерпретации информация систематизируется
и записывается в служебные файлы на диске, которые могут быть
использованы другими программными компонентами ППП
"ШТАМП".
Визуальный контроль входных данных. После интер­
претации файла описания решаемой задачи можно проконтроли­
ровать заданные входными данными закрепления дискретной
модели и приложенные к ней нагрузки при помощи графического
постпроцессора SCREEN, активизируемого из Главного меню
ППП "ШТАМП".
Постпроцессор позволяет получить изображения схемы за­
крепления дискретной модели и схемы приложения нагрузок.
При необходимости эти схемы могут быть совмещены.
2.6.2. Расчет напряженно-деформированного
состояния
Программа МКЭ анализа SOLVER, запускаемая из Главно­
го меню 111111 "ШТАМП", решает заданную входными данными
задачу без вмешательства пользователя. После завершения рас­
четов производится постраничный вывод результатов на указан­
ное пользователем устройство.
2.6.3. Визуализация результатов расчета
При анализе результатов расчета можно воспользоваться вхо­
дящим в состав 111111 "ШТАМП" графическим постпроцессором
SCREEN для визуализации полей деформаций, напряжений, зон
пластичности для упруго-пластических задач, дефектных зон для
упругих задач.
Для анализа деформаций можно получить изображение де­
формированной модели с наложенным на него изображением
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
76
Глава 2. Разработка методики расчета технологических процессов
обработки давлением
недеформированной модели. Если перемещения малы, то на изо­
бражении деформированной модели их можно увеличить в же­
лаемое число раз.
Для анализа напряжений можно просмотреть изолинии сле­
дующих напряжений, компонентов напряжений и их комбинаций:
ах, ay, az - нормальные напряжения;
т
ху> iyz> Tzr> ^max ~ касательные и максимальное касательное
напряжения;
G[, о"2, аз - главные нормальные напряжения;
о" - гидростатическое давление;
Оу, - текущее значение предела текучести (для упругопластических задач);
стл - критерий предельного состояния (для упругих задач);
cjj - интенсивность напряжений.
Высоконапряженное состояние исследуемой модели может
привести к возникновению зон возможного разрушения материа­
ла (дефектных зон) для упругих моделей и к появлению зон пла­
стичности для упруго-пластических моделей. Существование зон
пластичности для упруго-пластических задач определяется на
основании критерия текучести, а существование дефектных зон
для упругих задач определяется на основании критерия разруше­
ния в зависимости от свойств материала и текущего напряженно­
го состояния. Постпроцессор ППП "ШТАМП" позволяет выде­
лить эти зоны на изображении дискретной модели.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА И
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И
ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ВЫСАДКИ С ОБКАТКОЙ
ТРУБНЫХ ИЗДЕЛИЙ
3.1. Современные тенденции развития
технологических процессов и оборудования
Одним из наиболее эффективных направлений изготовле­
ния сложных изделий в машиностроении и приборостроении яв­
ляются методы локального деформирования [24 - 2 7 , 119 - 127].
Вследствие локальности воздействия инструмента на заготовку
на порядок снижается технологическая сила совершения опера­
ции, что обеспечивает значительное снижение металлоемкости
оборудования, повышение стойкости инструмента, увеличение
коэффициента использования металла.
Принципиально новым развитием этих методов является
предложенная нами технология с комплексным локальным нагружением заготовки, получившая название "валковая штампов­
ка" [128, 129] и сочетающая в едином процессе операции объем­
ной штамповки и локальное деформирование неприводными ро­
ликами или приводными валками. Новый способ деформирова­
ния позволяет изготавливать круглые в плане сплошные и полые
детали, сверхтонкостенные и толстостенные изделия малых раз­
меров, применяемые в приборостроении, а также крупногабарит­
ные детали с высокой точностью и качеством изготовления при
технологической силе на порядок меньшей, чем для традицион­
ных методов объемной штамповки. Комплексное нагружение
очага деформации локальным периодическим воздействием с
одновременным воздействием через постоянно фиксируемую зо­
ну позволяет получить новый технический эффект, недостижи-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
78
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
мый другими методами деформирования. Валковая штамповка
способствует улучшению физико-механических свойств обраба­
тываемого металла, обеспечивает оптимальное расположение его
волокон, что повышает эксплуатационные свойства получаемых
деталей. Низкая стоимость оснастки, незначительное время под­
готовки производства, возможность быстрой переналадки на дру­
гой типоразмер детали, использование оборудования относи­
тельно небольшой мощности позволяет применять процесс вал­
ковой штамповки как в крупносерийном , так и в мелкосерийном
производстве.
За счет возможности концентрировать формоизменение за­
готовки на позиции выдавливания внутренней полости с одновре­
менным обкатыванием и последующей осадкой на данной позиции
величина пластического деформирования и смещенные объемы
металла на последующих позициях малы, как малы и необходимые
силы деформирования. Это позволяет на последующих операциях
вести доводку детали до требуемой формы и точности.
Таким образом, очевидные преимущества валковой штам­
повки делают ее весьма перспективной, в частности, и для полу­
чения заготовок лонжеронов лопастей вертолета. Для этого было
предложено установить на вспомогательной траверсе НВМ
НИИПТМАШ-300 обойму с роликами с возможностью осевого
перемещения вслед за индуктором, а длину рабочей части ролика
выполнить равной длине локализованной зоны пластической де­
формации металла в утолщении [130] (рис. 3.1). Кроме того, из
конструктивных соображений и с целью повышения качества
поверхности получаемых изделий было решено расположить оси
вращения роликов под углом к оси подачи заготовки [131, 132]
(рис. 3.2). Разработанное устройство легло в основу принципи­
альной схемы модернизации НВМ (рис. 3.3) с целью проведения
многофакторного эксперимента в промышленных условиях.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
Рис.
3.1.
Кинематическая
схема
НВМ
"НИИПТМАШ-300" с установленной роликовой
обоймой
Рис. 3.2. Схема непрерывно-последовательной
вы­
садки с обкаткой утолщения по наружному диамет­
ру с наклонными осями роликов:
1 -упор; 2-заготовка; 3-оправка; 4-индуктор; 5-осаживающая
траверса; 6 - ролик; v„ - скорость стола индуктора; Vp^, - скорость
подачи роликовой обоймы; v„p-скорость осаживающей траверсы;
Рж - сила высадки
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
80
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
Рис. 3.3. Общий вид НВМ после модернизации
Модернизированная НВМ (см. рис. 3.1) работает следую­
щим образом.
Заготовка 2 устанавливается на оправку 8, до упора 9. Роли­
ки 10 установлены при этом на номинальный диаметр утолщения.
В этом положении стол индуктора 4 с механизмом перемещения 11
отведен в крайнее левое положение; ролики находятся на поверх­
ности упора. После включения индукционного нагревателя 7 про­
исходит нагрев локализованного участка заготовки, расположен­
ного непосредственно у упора. При нагреве до определенной тем­
пературы, соответствующей интервалу ковочных температур для
данной стали, производится перемещение стола индуктора в осе­
вом направлении посредством силовых механизмов 1 и кинемати­
чески связанной с ними траверсы зажима трубы 3.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
81
Вращение обоймы 5 вокруг оси заготовки начинается с мо­
мента включения силовых механизмов и осуществляется от дви­
гателя через зубчатый редуктор 6 привода обоймы.
По мере получения утолщения рабочие органы перемеща­
ются навстречу друг другу. По достижении заданной длины
утолщения отключается механизм осевой силы, отводится в ис­
ходное положение механизм обкатки вместе с индуктором и про­
изводится извлечение готового изделия из зоны обработки. Затем
цикл повторяется.
В таблице 3.1 приведена техническая характеристика мо­
дернизированной НВМ.
Система синхронизации (слежения) НВМ заслуживает осо­
бого анализа, так как во всех опубликованных по проблеме не­
прерывно-последовательной высадки работах ей не уделяется
должного внимания. Система слежения служит для синхрониза­
ции скоростей перемещения осаживающей траверсы и стола ин­
дуктора, тем самым задавая степень деформации заготовки и,
соответственно, коэффициент высадки.
Первоначально на НВМ была выполнена традиционная
"жесткая" схема, основанная на механической передаче движе­
ния посредством системы зубчатых зацеплений, и установка за­
данного коэффициента высадки сводилась к подбору зубчатых
колес с необходимым передаточным отношением для монтажа в
"гитару" редуктора. Это усложняло переналадку и эксплуатацию
НВМ. Кроме того, требовалось изготовление специальной пары
колес для каждого конкретного случая, вдобавок такая система,
даже при наличии полного комплекта шестерен, обеспечивала
лишь дискретную регулировку передаточного отношения и, из-за
жесткой его заданное™, исключала оперативное вмешательство
в течение процесса.
Новая электронная система синхронизации, смонтированная на
НВМ, основывалась на принципе рассогласования пары сельсинов
(датчика и приемника). Она обеспечивала непрерывную установку
6 -2S59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
82
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
3.1. Технические данные модернизированной НВМ
Наименование параметра
Значение
До модер­ После
низации
Силы высадки, кН:
номинальная
3200
максимальная
4200
Давления в цилиндрах, МПа:
номинальные
27
максимальные
35
Установка нагрева ТВЧ:
мощность, кВт
250
частота, Гц
2500
Максимальный ход, мм:
осаживающей траверсы
650
стола индуктора
650
Сила на ролике, кН
Сила перемещения каретки, кН Частота вращ. обоймы, мин" Количество роликов
Мощность привода враще­
_
ния обоймы, кВт
Габаритные размеры, мм:
длина
5800
ширина
2795
высота
2460
Задание коэффициента высадки вручную
Коэффициент высадки
0,5 ...2
Масса машины, кг
46000
Длина деформируемой части
заготовки, мм
1100
Диаметр заготовки, мм
400
Примечание
3200
4500*
при новой ГС
27
40*
при новой ГС
250
2500
рекомендуемая
1000
650
650*
100
250
10
3
10*
максимальная
рассчитана
рассчитана
рассчитана
6500
3700
2500
*
с пульта
0,3 ... 3
65000
1100
400
максимальная
максимальный
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
83
коэффициента высадки, была значительно более проста в пере­
наладке (которая сводилась к установке необходимого значения
посредством вращения ручки потенциометра), удобна для опера­
тора, кроме того, на пульт управления выносилась дополнитель­
ная информация (например, скорость движения осаживающей
траверсы). Однако, сохраняемая жесткость синхронизации по­
зволяла производить высадку лишь по самому простому варианту
технологии - с постоянным во времени коэффициентом высадки.
Высадка опытных партий на модернизированний НВМ да­
ла обнадеживающие результаты, особенно на первом переходе
[90]. Однако, добиться получения стабильных результатов не
удалось, и технология не была доведена до промышленного вне­
дрения. Этому способствовало также и значительное усложнение
переналадки оборудования с перехода на переход, так как, кроме
замены индуктора и оправки, она включала в себя замену и регу­
лировку трех роликов в узле обкатки утолщения. Вообще, опыт­
ная высадка лонжеронов в роликовую матрицу, кроме безуслов­
ной перспективности метода, выявила ряд существенных недора­
боток в технологии и конструкции гидропресса, для устранения
которых необходимо было проведение углубленных исследова­
ний процессов, происходящих в зоне пластической деформации
при непрерывно-последовательной высадке, как "свободной",
так и в роликовую матрицу.
Особо следует выделить анализ нагревательного оборудова­
ния, применяемого при высадке. Частота тока генератора, установ­
ленная после модернизации, составляла 1000 Гц, что теоретически
должно обеспечивать равномерный прогрев стенки трубы толщи­
ной 24 мм. Однако, на практике наличие внутри трубы мощного
теплоотвода в виде массивной стальной оправки приводило к не­
равномерности нагрева по сечению трубы; внутренние слои метал­
ла, вздуваясь "фонариком", отходили от оправки, изменяя внут­
ренний диаметр трубы. Таким образом, целесообразно было бы
уменьшить частоту тока для "заглубления" очага нагрева и вырав­
нивания таким образом температуры по сечению заготовки.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
84
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
Индукционные нагреватели, первоначально разработанные
и изготовленные для непрерывно-последовательной высадки,
имели сложную конструкцию и представляли собой водоохлаждаемый медный виток треугольного сечения с защитным магнитопроводом, призванным сузить полосу нагрева во избежание
потери устойчивости металла в зоне пластической деформации.
Опытно-промышленные испытания, проведенные в усло­
виях Челябинского трубопрокатного завода на специально мо­
дернизированном оборудовании, показали, что недостаточно
глубоко проработанная теория способа не позволяет разработать
и применить оптимальный вариант технологии НПВ с обкаткой,
исключающий возникновение брака изделий. Таким образом, для
успешного освоения валковой штамповки необходимы более
глубокие исследования процесса, выявление полной картины на­
пряженно-деформированного состояния металла в зоне пластиче­
ской деформации и происходящих там процессов.
3.2. Экспериментальные исследования процесса
непрерывно-последовательной высадки
3.2.1. Методика исследования непрерывнопоследовательной высадки
3.2.1.1. Условия эксперимента
Все экспериментальные исследования процесса непрерыв­
но-последовательной высадки выполнены в промышленных ус­
ловиях на действующем оборудовании Челябинского трубопро­
катного завода. В качестве оборудования для исследования про­
цесса высадки использовалась модернизированная НВМ усилием
3000 кН НИИПТМАШ-300. Заготовкой для получения лонжеро­
на вертолета служит горячекатанная труба 0 273x24 мм длиной
6-6,5 м из стали 40ХН2МАШ, набор утолщения производится в 2
перехода в соответствии с ТУ 14-158-25-76.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
85
3.2.1.2 Методика экспериментальных исследований
температурно-скоростных параметров непрерывнопоследовательной высадки
Температурно-скоростной режим непрерывно-последо­
вательной высадки является определяющим для характера пла­
стического течения металла в зоне деформации и оказывает ре­
шающее влияние на стационарность течения процесса и искаже­
ние формы наружной поверхности получаемого утолщения.
Для фиксации температурного режима высадки наиболее
целесообразным признан оптический способ с применением ком­
плекта специализированного оборудования, включающего пиро­
метр ППТ-131, преобразователь РК-15А-2 и самописец. Пиро­
метр устанавливался на специальном штативе, укрепленном на
вспомогательной траверсе гидропресса с визировкой на точку,
расположенную непосредственно под индуктором.
Запись скорости вспомогательной траверсы осуществля­
лась с датчика скорости, имеющегося в системе синхронизации
пресса через специально изготовленный блок сопряжения, пред­
ставляющий собой систему шунтирующих реостатов, на самопи­
сец. Градуировка графика самописца производилась по показа­
ниям индикатора датчика скорости, установленного на пульте
управления системы синхронизации пресса.
Кроме записи изменения температуры в зоне деформации и
скорости движения вспомогательной траверсы (стола индуктора),
в экспериментах также фиксировались следующие параметры:
мощность, подводимая к индукционному нагревателю; частота
тока индуктора; давление в рабочем цилиндре; коэффициент вы­
садки; время высадки; диаметр исходной заготовки (наружный);
номинальный диаметр утолщения.
Максимальная скорость осаживающей траверсы при вы­
садке не превышает 10 мм/мин, визуально осаживающая траверса
и стол индуктора практически неподвижны, высадка одного пе­
рехода длится до 2 часов. Поэтому для уяснения динамики обра­
зования и развития гофров и складок на поверхности утолщения,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
86
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
динамики изменения ширины зоны нагрева и ее положения отно­
сительно плоскости индуктора, одновременно с регистрацией
скорости вспомогательной траверсы и температуры зоны пласти­
ческой деформации производилась синхронная киносъемка про­
цесса высадки кинокамерой "Красногорск-3" с частотой 1 кадр в
секунду.
Для определения динамики развития радиальных гофров и
положения зоны нагрева относительно плоскости индуктора ка­
меру устанавливали на общем штативе с пирометром и переме­
щали вместе с вспомогательной траверсой; для определения ди­
намики относительного перемещения осаживающей и вспомога­
тельной траверсы кинокамеру устанавливали на неподвижном
штативе.
Схема визировки пирометра и кинокамеры (в варианте ус­
тановки на общем штативе), а также блок-схема регистрирующей
и преобразующей аппаратуры приведены на рис. 3.4.
Рис. 3.4. Схема визировки и установки пирометра и
кинокамеры на общем штативе и блок-схема регист­
рирующей и преобразующей аппаратуры:
1 -деталь; 2 - индуктор; 3 -датчик скорости; 4-пирометр 11111-131;
5 - кинокамера; 6 - блок сопряжения; 7 - самописец; 8 - преобразо­
ватель РК-15А-2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
87
3.2.1.3. Методика обработки полученных
экспериментальных данных
При проведении каждого эксперимента фиксировался ряд
неизменяемых по ходу высадки параметров:
- мощность на индукторе и рабочая частота тока;
- давление в рабочем цилиндре;
- коэффициент высадки.
Эти параметры назначались перед проведением каждого
эксперимента и оставались неизменными при проведении необ­
ходимого для обоснованных статистических расчетов числа опы­
тов. Кроме того, в каждом эксперименте проводились контроль­
ные замеры диаметров и разностенности исходной заготовки и
фиксировалась длительность каждого эксперимента.
Полученные с самописцев диаграммы изменения скорости
вспомогательной траверсы и температуры металла под индукто­
ром масштабировались по показаниям соответствующих датчи­
ков (датчика температуры на преобразователе РК-15А-2 и дат­
чика скорости на пульте управления системы синхронизации
пресса) по характерным точкам (пикам и впадинам диаграмм и
по нулевым отметкам). Кроме того, фиксировался масштаб вре­
менной переменной (оси абсцисс) по установленной скорости
подачи бумаги под перо самописца.
После окончания процесса высадки и охлаждения полу­
ченного изделия по линии визировки пирометра снимали пласти­
линовый слепок с привязкой по замеренным характерным диа­
метрам (по вершинам гофров и впадин), а также производили
замеры внутреннего диаметра утолщения в местах наибольшего
отхода металла от оправки, если таковой наблюдался.
Дальнейшая обработка данных заключалась в перенесении
формы слепка на поле графика с проверкой и уточнением по кон­
трольным диаметрам и построении в единой проекционной связи
с оттиском приведенных по оси абсцисс (времени) к длине утол­
щения графиков изменения скорости вспомогательной траверсы
и температуры заготовки в зоне под индуктором.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
88
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
Киноматериалы, полученные в ходе эксперимента, обраба­
тывались, монтировались и впоследствии анализировались при
обычных скоростях просмотра (16 или 24 кадра в секунду).
3.2.2. Высадка первого перехода
Высадка первого перехода производилась по скорректиро­
ванной технологии, в соответствии с ТУ 14-158-25-76, принятой
на ЧТПЗ для изготовления труб-заготовок лонжеронов, со сле­
дующими параметрами:
- частота тока на индукторе, Гц
2500
- мощность на индукторе, кВт
100
- давление в рабочем цилиндре, МПа
23,0
- коэффициент высадки
0,95
- наружный диаметр исходной заготовки, мм
273
- номинальный наружный диаметр утолщения, мм
310
- скорость ленты самописцев, мм/час
720
Общее время высадки в среднем составляло 1 час 20 минут
(без учета предварительных операций). После окончания высад­
ки, удаления изделий с позиции обработки и остывания по линии
визировки пирометра с утолщений снимали слепки с привязкой
по характерным диаметрам (впадинам и вершинам гофров).
Во всех экспериментах отмечено, что поверхность утолще­
ния не имеет резких впадин и зажимов, однако величина наруж­
ного диаметра изменяется (колеблется) в пределах 15 мм вдоль
оси изделия, причем максимальные перепады наблюдаются в на­
чальной части комля и постепенно затухают к концу по мере ста­
билизации процесса высадки. Таким образом, наиболее интерес­
на для исследования именно начальная (нестационарная) стадия
процесса, так как именно на этой стадии закладываются предпо­
сылки для снижения качества изделия.
Слепок одного из утолщений (начальная стадия процесса),
полученного "свободной" высадкой на первом переходе, и при­
веденные к его длине графики изменения скорости вспомога-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
89
тельной траверсы и температуры очага деформации приведены
на рис. 3.5, общий вид утолщений показан на рис. 3.6.
О
20
40
60
80 100 120 140 160
Длина утолщения h, мм
Рис. 3.5. Слепок утолщения, полученного "свободной" вы­
садкой на первом переходе, и приведенные к его длине гра­
фики скорости вспомогательной траверсы и температуры
очага деформации
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
90
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
Рис. 3.6. Утолщения первого перехода, полученные
"свободной" непрерывно-последовательной высад­
кой
Согласно рис. 3.5, первому, наибольшему по перепаду диа­
метров гофру на комле изделия соответствуют пики графиков
скорости и температуры, последующим гофрам - меньшие по
величине экстремумы. Кроме того, наблюдается устойчивая тен­
денция незначительного повышения скорости высадки и анало­
гичное снижение температуры зоны нагрева.
Ускоренный (24 кадра в секунду) просмотр киноматериа­
лов позволил раскрыть динамику зарождения и развития ради­
альных гофров (первого и вторичных), которая заключается в
следующем.
Нагрев начальной зоны деформации осуществляется не­
подвижным индуктором, так как в это время высадка еще не на­
чалась. С течением времени зона нагрева расширяется симмет­
рично в обе стороны от плоскости индуктора (рис. 3.7 а) и после
достижения металлом температуры порядка 800 С начинается
перемещение осаживающей траверсы. При этом индуктор еще
I
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
v„=0
91
v„p=0
Рис. 3.7. Непрерывно-последовательная высадка с
жесткой системой синхронизации:
1 - заготовка; 2 - оправка; 3 - упор; 4 - кольцо; 5 - индуктор;
6-траверса; v„ - скорость стола индуктора (v»"0"- номи­
нальная); vmp - скорость осаживающей траверсы Ow""" - номи­
нальная); Рж - сила высадки
некоторое время остается неподвижным из-за определенного по­
рога срабатывания системы сельсинов и продолжает нагревать
начальную зону. Затем, после начала движения вспомогательной
траверсы, индуктор, перемещаясь, проходит над "входящей" зо­
ной нагрева, сообщая ей дополнительную энергию и тем самым
перегревая выше оптимальной температуры, сопротивление де-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
92
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
формации в этой зоне снижается, и скорость осаживающей тра­
версы резко нарастает, достигая пикового значения (рис. 3.7 б).
Так как перемещение стола индуктора жестко синхронизировано
с траверсой, индукционный нагреватель "проскакивает" вперед,
оставляя за собой "холодную" зону вследствие того, что его ско­
рость в данный момент выше расчетной при установленной
мощности нагрева, а радиальное течение металла продолжается в
первоначальной перегретой зоне, вызывая возникновение перво­
го радиального гофра. По мере остывания начальной зоны ско­
рость траверсы снижается ниже расчетной и индуктор начинает
греть вторичную зону, отделенную от начальной полосой недогретого металла, что обуславливает зарождение и развитие второ­
го гофра (рис. 3.7 в). Далее процесс повторяется в виде затухаю­
щих колебаний по длине утолщения, стабилизируясь оконча­
тельно в районе середины комля. В результате в перегретых зо­
нах наблюдается образование гофров, а в недогретых - впадин.
Такая динамика процесса образования гофров подтверждается
конфигурацией графиков скорости стола индуктора и температу­
ры зоны нагрева, имеющих характерные пики и впадины, соот­
ветствующие гофрам и впадинам на комле изделия.
В ходе экспериментов также была отмечена неравномер­
ность высоты гофров по периметру утолщения. Это объясняется
двумя причинами:
- во-первых, кольцевой разностенностью заготовки;
- во-вторых, неадекватными условиями нагрева различных
участков по периметру заготовки из-за того, что индуктор по
конструкции имеет четыре различные зоны: две зоны полувит­
ков, зону подвода энергии и зону разъема. Кроме того, ручная
регулировка положения индуктора и конвекционные процессы
также способствуют неравномерности нагрева по окружности
зоны деформации.
Таким образом, исследования "свободной" высадки на пер­
вом переходе по разработанной методике позволили раскрыть
динамику возникновения и развития гофров на комле изделия,
выявить причины их зарождения, которые закладываются на на-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
93
чальной (неустановившейся) стадии процесса, а также причины
неравномерности набора металла по периметру утолщения.
3.2.3. Высадка второго перехода
Параметры высадки второго перехода:
- частота тока индуктора, Гц
2500
- мощность на индукторе, кВт
110
- давление в рабочем цилиндре, МПа
27,5
- коэффициент высадки
1,15
- наружный диаметр заготовки, мм
310
- номинальный наружный диаметр утолщения, мм
380
- скорость ленты самописцев, мм/час
720
Примечания:
1. Высадка производилась с использованием гидроаккуму­
лятора.
2. В качестве исходных использовались заготовки, полу­
ченные в ходе исследования первого перехода, фактическая ве­
личина наружного диаметра колебалась в пределах 308...324 мм
по длине комля, причем наибольшие перепады наблюдались в
начальной части утолщения.
Слепок утолщения, полученного свободной высадкой на втором
переходе (начальная часть), и приведенные к его длине графики
скорости вспомогательной траверсы и температуры очага дефор­
мации приведены на рис. 3.8. Контрольные замеры показали, что
величина наружного диаметра утолщения (после остывания) ко­
леблется в пределах 370...400 мм по длине комля изделия, причем
наибольшие перепады имеют место в начальной зоне утолщения.
По сравнению с первым переходом, гофры более крутые, впади­
ны ярко выраженные вплоть до образования зажимов. Кроме то­
го, окончательной стабилизации процесса не произошло до окон­
чания высадки, и постепенно убывающие гофры наблюдаются по
всей длине комля. Общий вид одного из утолщений после второ­
го перехода высадки показан на рис. 3.9.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
94
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
400
390
360
_! I |
273
i
'
1
_J
1
j
;
_J
I
I
i
К
S
225
5
S
4
>*
3
л
н
и
2
о
о.
1
§
U
0
1200
U
о 1100
сЗ 1000
900
О.
U 800
В
2 700
S
- — J — ! — i —
"1
1 — i — j —
!
'
i
80
100 120 140 160
n=rzr±z
20
40
60
Длина утолщения h, мм
Рис. 3.8. Слепок утолщения, полученного .".свобод­
ной" высадкой на втором переходе (начальная
часть), и приведенные к его длине графики скоро­
сти вспомогательной траверсы и температуры оча­
га деформации
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
95
Рис. 3.9. Утолщение, полученное "свободной" непре­
рывно-последовательной высадкой (второй переход)
Анализ графиков и просмотр киноматериалов с ускорен­
ным воспроизведением показал, что явления, отмеченные при
высадке первого перехода (перегрев начальной зоны, "проскок"
индуктора над холодным участком, замедление скорости высадки
ниже расчетной и перегрев вторичной зоны и т. д.), наблюдались
при высадке второго перехода. Сдвиг по фазе графиков скорости
и температуры объясняется тем, что визировка пирометра осуще­
ствлялась на точку под индуктором, и при смещении последнего
с перегретого исходного гофра пирометр фиксировал температу­
ру недогретои впадины. Кроме того, наличие значительных отно­
сительных перепадов диаметра по длине исходной заготовки усу­
губляло интенсивность гофрообразования, т. к. начальная зона
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
96
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
нагрева на второй операции соответствовала первому (макси­
мальному) гофру первого перехода. Близость металла к индукто­
ру усиливала перегрев этого участка, а последующая впадина со­
ответствовала "холодному" участку после начала интенсивного
роста гофра в первой зоне. Интенсивное течение металла наблю­
далось в более прогретых из-за близости к индуктору исходных
гофрах. Таким образом, гофры на утолщении второго перехода в
основном повторяют конфигурацию комля первого перехода в
сжатом в осевом направлении виде, а нестационарность процесса
высадки накладывает на эту форму вторичные искажения в виде
хаотических складок небольшой (до 3...5 мм) величины.
В ходе высадки второго перехода также отмечено, что не­
стабильности процесса способствует наличие гидроаккумулятора
в гидросистеме пресса. В периоды подзарядки и разрядки акку­
мулятора наблюдались значительные перепады давления в сило­
вом цилиндре и, соответственно, колебания скорости осаживаю­
щей траверсы и стола индуктора ("пики" на графике скорости
вспомогательной траверсы, рис. 3.8).
Опыт высадки первого и второго переходов показал, что
стабилизация процесса возможна только при условии постоянст­
ва скорости осаживающей траверсы и стола индуктора. Однако
это условие недостижимо при существующей гидросхеме и сис­
теме синхронизации пресса, так как они рассчитаны на поддер­
жание постоянного давления в полости силового цилиндра, а не
скорости осаживающей траверсы.
3.2.4. Исследование высадки в роликовую матрицу
Наиболее перспективной представляется следующая тех­
нология получения труб-заготовок лонжеронов: "свободная" вы­
садка первого перехода и высадка второго перехода в роликовую
матрицу.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
97
Для реализации этой технологии изготовили несколько за­
готовок под высадку в роликах второго перехода по аналогичной
методике. Операции подготовки оборудования:
- установка оправки второго перехода;
- монтаж роликов в обойму;
- центрирование роликовой обоймы;
- установка номинального диаметра утолщения методом
регулировки положения роликов в обойме;
- установка регистрирующего оборудования;
- установка индуктора для высадки второго перехода.
Параметры высадки второго перехода в роликовую матрицу:
- частота тока индуктора, Гц
2500
- мощность на индукторе, кВт
160
- давление в рабочем цилиндре, МПа
27,5
- коэффициент высадки
0,81
- наружный диаметр исходной заготовки, мм
310
- номинальный диаметр утолщения, мм
355
- скорость ленты самописца, мм/час
120
- частота вращения роликовой обоймы, об/мин
10
- число роликов в обойме
3
Примечание:
1. Высадка производилась с использованием гидроаккуму­
лятора.
2. Перепад наружного диаметра исходной заготовки со­
ставлял 308...324 мм по длине комля, максимальный перепад
имел место в начальной зоне утолщения.
В процессе высадки в роликовую матрицу наблюдалась та­
кая же периодичность колебаний скорости осадки и температуры в
зоне нагрева, как и при "свободной" высадке, развитие и рост ра­
диальных гофров. Сравнительно небольшие (вторичные) складки
высотой до 5...7 мм полностью раскатывались роликами, однако
гофры большей величины (заложенные еще при высадке первого
перехода) полностью не раскатывались в роликовой матрице.
7 гьъ?
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
98
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
Кроме того, ввиду кольцевой разностенности заготовки и неравно­
мерности нагрева по периметру зоны деформации наблюдалось
переполнение очага деформации в одних зонах при одновремен­
ном недостатке металла в других. Избыточный объем раскатывал­
ся в "гребешок" (осевой гофр) с последующим образованием зака­
та, а в зонах недостатка металла образовывались провалы.
Общий вид одного из полученных утолщений (отделенного
от заготовки) показан на рис. 3.10.
Рис. 3.10. Утолщение, полученное высадкой в роли­
ковую матрицу (второй переход)
После окончания высадки из комлевых частей труб были
вырезаны темплеты, один из которых приведен на рис. 3.11.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
99
Рис. 3.11. Темплет утолщения, полученного высад­
кой в роликовую матрицу (второй переход)
На темплете хорошо видны зоны недобора металла и рас­
катанные "гребешки" (осевые гофры) толщиной 5-6 мм. Экспе­
риментальные данные показали, что процессы, происходящие в
зоне деформации при высадке с обкаткой, аналогичны
"свободной" высадке, однако обкатка утолщения вносит сущест­
венные коррективы. Существующая конструкция роликовой
обоймы с жесткой установкой роликов на диаметр утолщения в
совокупности с "жесткой" системой синхронизации неизбежно
приводит к периодическому переполнению очага деформации с
последующим закатом осевого гофра, так как в конструкции от­
сутствует компенсатор избытка металла, возникающего из разно­
стенности исходной заготовки. Кроме того, успешная реализация
предложенной схемы техпроцесса при имеющейся конструкции
узла обкатки требует индивидуального подбора коэффициента
высадки для каждой исходной заготовки на основе точных пред­
варительных замеров кольцевой и линейной разностенности, так
как даже незначительное его завышение приводит к накоплению
избытка металла в складке перед роликами по мере высадки, ко-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
100
Глава 3. Исследование процесса н совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
торая может привести в лучшем случае к образованию сущест­
венного заката, а в худшем - заклиниванию роликовой обоймы и
поломке оборудования, а в случае занижения коэффициента вы­
садки - к недобору металла и образованию провалов на поверх­
ности комля.
Анализ работы нагревательного оборудования показал, что
конструкция индукционного нагревателя для высадки в ролико­
вую матрицу несовершенна, так как отсутствие магнитопровода
приводит к нежелательному расширению зоны нагрева и воз­
можности потери устойчивости заготовки в очаге деформации, а
также к значительному паразитному рассеянию энергии, что на
40-50 % повышает расход энергии на нагрев ТВЧ.
Таким образом, для успешной реализации технологии не­
прерывно-последовательной высадки необходима разработка:
- новой конструкции индукторов;
- гибкой системы синхронизации;
- гибкой технологии высадки;
- принципиально новой конструкции узла обкатки (роли­
ковой матрицы).
3.2.5. Исследование структуры металла
утолщения при использовании обкатки
3.2.5.1. Методика исследования макро- и
микроструктуры металла утолщения
Основным выводом из работ В. В. Светкина и В. Я. Мильгевского является наличие различий в структуре при переходе от
верхних слоев к нижним, прилежащим к оправке, что существен­
но влияет на качество утолщения в целом. Учитывая большую
ответственность лонжерона, необходимо значительное качест­
венное улучшение макро- и микроструктуры материала, чего не­
возможно добиться при "свободной" высадке. Использование
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
101
обкатки должно способствовать стабилизации микроструктуры,
измельчению зерен, расположенных в поверхностных слоях.
Для исследования макроструктуры использовались про­
дольные темплеты, вырезанные из комлей труб, подвергнутых
высадке по маршруту "диаметр 273x24 мм -> диаметр 315x45
мм". Исследование макроструктуры производили на вырезанных
из продольных темплетов поперечных образцах.
Подготовка темплетов осуществлялась следующим обра­
зом. Из высаженного комля на станке анодно-механической рез­
ки вырезали полосы шириной 40-45 мм. Образцы фрезеровали с
обеих сторон и подвергали шлифовке и полировке. Ширина го­
тового темплета для исследования макроструктуры 15-20 мм,
микроструктуры 10-15 мм.
Для выявления макроструктуры производили травление
темплетов в 15% водном растворе персульфата аммония, приго­
товленном по методике [133]. Травление проводили в течение
60-70 мин. Для выявления микроструктуры производили травле­
ние образцов в 5% спиртовом растворе азотной кислоты. Микро­
структуры фотографировали послойно, начиная от верхнего слоя
и заканчивая слоем, прилежащим к оправке.
Испытания на твердость по Бринелю проведены на твердо­
мере ТШ. В качестве образцов использовали темплеты, исследо­
ванные на макроструктуру. Диаметр шарика 10 мм, сила 30 кН.
Микроструктуру изучали путем сравнения диаметра отпе­
чатка шарика с соответствующими табличными значениями,^
также путем сравнения фотографий слоев с требованиями ТУ на
данные изделия.
Исследователями процесса "свободной" непрерывно-по­
следовательной высадки [77, 78, 82] были установлены некото­
рые закономерности механических свойств металла утолщения.
Основные выводы их исследований:
- механические свойства металла высаженного комля (осо­
бенно предел текучести, ударная вязкость и относительно суже-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
102
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
ние) зависят от энерго-силовых параметров и деформационных
параметров процесса, т. е. при соответствующем выборе этих па­
раметров можно получить комлевую часть трубы с заданными
механическими свойствами;
- общий характер влияния энерго-силовых параметров на
механические свойства металла комля зависит от направления
рассматриваемого сечения;
- при увеличении степени деформации происходит сниже­
ние уровня механических свойств;
- наибольшее изменение уровня механических свойств за­
висит от удельной силы деформирования.
Таким образом, механические свойства утолщения можно
изменить в сторону улучшения путем силовой интенсификации.
Использование обкатки дает возможность активно воздейство­
вать на механические свойства и структуру металла в утолщении
[90].
3.2.5.2. Исследование макроструктуры
По разработанной методике произведены эксперименталь­
ные исследования по изучению структуры высаженных с обкат­
кой комлей изделий.
Результаты макроисследований высаженных с обкаткой
труб в сравнении с высаженными без обкатки показывают: при
обкатке макроструктура комля при формообразовании на всей
стадии процесса соответствует профилю наружной и внутренней
комлевой части высаженного участка. Характер волокнистости
следующий: в нижней части утолщения (прилегающей к оправке)
волокнистость слабая, зернистость крупная, размеры зерен и ха­
рактер волокнистости соответствуют характеристикам исходной
заготовки. В средней части образцов заметно изменение волок­
нистости: наблюдается слабая волокнистость, увеличивающаяся
по мере увеличения диаметра. Резкие отличия макроструктуры
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
103
образцов, полученных при обкатке и при "свободном" течении
металла, наблюдаются в верхней трети сечения образцов. У об­
разца, высаженного без обкатки, наблюдаюется значительное
увеличение волокнистости; размер зерен значительно больше,
чем в средней части образца. У образцов же, полученных при об­
катке, наоборот, волокнистость почти полностью исчезает, а раз­
мер зерна уменьшается. Это свидетельствует о значительном
улучшении структуры металла при использовании обкатки.
Особый интерес представляет рассмотрение участка, соот­
ветствующего началу деформации. Начальная стадия отличается
от основной прежде всего наличием:
1) максимального диаметра, после которого следует впадина;
2) глубокой внутренней складки, соответствующей этому
максимальному диаметру.
Сравнение начального участка, высаженного с обкаткой
образца, с только что приведенным показывает и доказывает, что
при обкатке начальная стадия не отличается от основной, внут­
ренней складки нет. Следовательно, участок металла, соответст­
вующий начальной стадии, может быть использован в изделии и
нет необходимости в его удалении.
Таким образом, следует признать, что макроструктура ме­
талла утолщения при использовании обкатки значительно улуч­
шается по сравнению с использованием "свободной" высадки.
3.2.5.3. Исследования микроструктуры
Фотографии микроструктуры (рис. 3.12 - 3.14) получены
на различных участках от наружной до внутренней поверхности
утолщения.
На основании исследования микроструктуры установлено
следующее: структура металла в основном сорбитовая, что соот­
ветствует требованиям ТУ. В верхней части, (рис. 3.12) структура
чисто сорбитовая примерно до 1/3 толщины стенки (что является
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
104
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
следствием обкатки). В средней части (рис. 3.13) имеются перлиты. В нижней части (рис. 3.14) включения пластинчатого перлита
более заметны, чем в средней.
Рис. 3.12. Микроструктура верхнего слоя при обкатке
Рис. 3.13. Микроструктура среднего слоя при обкатке
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
Рис. 3.14. Микроструктура нижнего слоя при обкатке
Рис. 3.15. Микроструктура металла исходной труб­
ной заготовки 0 273x24 мм из стали 40ХН2МАШ
1 О?
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
106
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
На границе нижней и средней частей наблюдается структу­
ра, близкая к видманштедтовой, усиливающаяся до 3 баллов на
границе, прилегающей к оправке. Сравнение структуры нижней
части утолщения и структуры металла заготовки, приведенное на
рис. 3.15, показывает ихадентичность.
Таким образом, микроструктура металла утолщения улуч­
шается при обкатке по сравнению со "свободной" высадкой.
3.2.6. Исследование механических свойств металла в
утолщении после обкатки
Экспериментальное исследование механических свойств
образцов, высаженных с обкаткой, подтвердило изложенные в
начале данного подраздела закономерности. Поэтому интересно
лишь исследование твердости металла.
Схема разметки приведена на рис. 3.16, а результаты испы­
таний в таблице 3.2.
Г~П
~Ъ
«6
^
«И ~ .15 .16
12
*
]
) «2
•4
«5
«7
I
.19 Л
-9 -11* . 1 3 -15* .17
«10
.14 ,15<i M8
Л
/
Рис. 3.16. Схема разметки образца при испытании
на твердость
Сравнение результатов экспериментов по определению
твердости с результатами, приведенными в [82] показывают сле­
дующее.
Глубина слоя, подвергнутого обкатке,"составляет примерно
1/3 толщины стенки, что подтверждается отличием в механиче­
ских характеристиках (твердости) этого слоя и более глубоких
слоев. Измельчение структуры, вызванное проработкой металла
при обкатке, в любом случае является желательным. Именно по­
верхностный слой при работе, например, лонжерона вертолета
испытывает наибольшие нагрузки, следовательно, измельчение
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
3.2. Твердость образцов, полученных непрерывнопоследовательной высадкой с обкаткой
Номер
точки Д и а м е т р отпечатка, Твердость Твердость
на рис. 3.16
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
11а
12
13
14
15
15а
мм
НВ
HRC
3,60
286
207
255
262
202
262
207
302
321
212
321
340
321
332
196
321
225
29
14
25
26
13
26
14
31
20
15
33
36
33
35
12
33
25
17
4,20
3,80
3,75
4,20
3,50
4,00
4,15
3,40
3,30
3,40
3,35
3,40
3,35
4,30
3,40
3,80
15-6
4,10
16
17
18
19
20
3,60
4,15
4,15
4,10
4,00
217
286
212
212
217
228
29
15
15
17
20
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
108
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
структуры вызывает улучшение характеристик прочности и по­
вышает критерии выносливости металла.
Таким образом, обкатка оказывает активное воздействие на
прочностные характеристики. Твердость поверхностного слоя
увеличивается одновременно с измельчением зерна. Это улучша­
ет механические характеристики изделия в целом.
3.2.7. Исследование влияния разностенности
исходной заготовки на качество утолщения
Высадка утолщений на трубах производится в две опера­
ции. Вначале - на диаметр 305-308 мм, затем, на второй опера­
ции - на диаметр 360-370 мм. С целью выявления характера раз­
новидностей были исследованы две партии труб по 20 труб в ка­
ждой партии. В результате выявлены основные виды разностен­
ности труб, представленные на рис. 3.17.
Рис 3.17. Характер разностенности труб-заготовок:
а - односторонняя разностенность (62 % всех обмеренных труб);
б - "кольцевая" разностенность (20 %); в - "винтообразная" раз­
ностенность (15 %); S\ - максимальная толщина стенки; Si - ми­
нимальная толщина стенки
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
109
Следует отметить, что тот или иной вид разностенности
обусловлен процессами, происходящими на стадии прокатки. В
связи с тем, что в партии труб, задаваемых под высадку, не про­
изводится отбор по признакам разностенности, влияние этого
фактора учесть практически невозможно.
В таблице 3.3 приведены данные по замеру толщины стен­
ки одной из труб.
3.3. Толщина стенки исходной заготовки 0273x24 мм
Номер
Номер точки
сечения
1
2
4
5
6
I
27,6 27,6 28
28,1
28,2
27,8 27,2 26,6
II
26,1 26,5 26,8 27,4
27,9
27,1 26,9 27,6
III
25,7 26,0 25,9 25,9
26,4
25,3 26,6 27,0
IV
24,6 25,0 25,3 24,5
25,2
24,3 25,5 26,6
V
23,7 24,8 24,8
VI
23,3
24,1 23,5 23,8 23,4
23,3
23,4
23,4 23,9 23,9
VII
24,8 24,8 23,9 23,9
24,7
23,9 23,8 23,8
VIII
27,0 26,7 27,3 27,0
26,9
26,6 26,4 26,2
3
**
7
8
** 23,4 24,5 24,8
* - наибольшая толщина стенки;
** - наименьшая толщина стенки.
Разница между наибольшей и наименьшей толщинами дос­
тигает 4,9 мм, хотя оба размера укладываются в нормы ТУ. Ха­
рактерным является то, что наибольшая и наименьшая толщины
наблюдаются в одном и том же поперечном сечении.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
110
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
Приведенный пример измерения толщины и разнотолщинности позволяет предположить, что наибольшая толщина стенки
утолщения будет получена в сечении I, а наименьшая - в сечении V.
Результаты измерения толщины стенки после высадки под­
тверждают это предположение: разнотолщинность после второй
операции для данной трубы составила + 20; -15 мм от среднего
размера, таблица 3.4.
3.4. Толщина стенки высаженной трубы 0365x70
Номер
Номер точки
5
4
6
7
8
сечения
1
2
3
I
60,0
75,2
65,3 65,7
67,9 68,2 65,7 65,0
П
59,5
76,5
64,6 66,1
68,3 69,1 69,7 59,0
Ш
60,1
65,5
72,3 67,4
68,5 69,0 70,2 62,1
rv
61,3
76,0
69,9 68,9
66,1 70,2 69,3 63,4
V
62,3
73,3*
69,2 67,1
68,2 68,7 69,3 63,1
VI
60,5
71,2
67,1 65,3
67,3 69,4 68,7 62,7
VII
60,4
76,1
69,3 67,5
69,0 69,1 70,3 66,7
vin
62,0
73,2
66,1
62,3
** 70,4 70,3 70,1 66,1
* - наибольшая толщина стенки;
** - наименьшая толщина стенки.
Результаты исследования показывают, что при односто­
ронней разностенности при высадке имеется тенденция к усред­
нению толщины стенки. При исследовании труб с "кольцевой" и
"винтовой" разностенностью этот вывод подтвердился.
Следовательно, разностенность заготовки не является ос­
новным фактором, влияющим на потерю пластической устойчи­
вости металла в зоне деформации.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
111
3.3. Аналитическое исследование напряженнодеформированного состояния металла в очаге
деформации при непрерывно-последовательной
, высадке с обкаткой
3.3.1. Выбор модели расчета
Задачи аналитического исследования - математическое мо­
делирование процесса высадки с обкаткой утолщения роликами
по номинальному диаметру при реальных технологических пара­
метрах; сравнение результатов расчета по основному критерию толщине осевого гофра - с опытными данными; и в первом при­
ближении оптимизация технологических параметров высадочно­
го оборудования и технологии высадки.
Приведенные ранее [90] варианты исследования, выпол­
ненные вариационным методом, а также приближенные методы
технологических расчетов, такие, как метод характеристик или
линий скольжения, не нашли подтверждения на практике ввиду
несовершенства примененного метода, математического аппара­
та и средств вычислительной техники.
Кроме того, результаты вычислений не дают однозначных
решений по выбору технологических параметров высадки, таких,
как скорость перемещения осаживающей траверсы и скорость
обкатки. Именно соотношение этих параметров непосредственно
влияет на величину подачи материала под обкатывающий ролик.
3.3.2. Геометрия модели и технологические
параметры процесса
При высадке внутренний диаметр заготовки и изделия ос­
тается постоянным и составляет 225 мм, толщина стенки исход­
ной трубы 24 мм, номинальная толщина стенки в утолщении
65 мм. Угол подъема наружной стенки трубы в очаге пластиче-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
112
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
ской деформации на основании экспериментальных данных при
стабильно протекающем процессе усредненно примем равным 45 .
Ролик выполнен с шириной рабочей части, равной 24 мм. Таким
образом, расчетная схема примет вид, показанный на рис. 3.18.
Линия максимальной температуры
Участок, подвергающийся обкатке
Зона нагрева
Рис. 3.18. Расчетная схема процесса непрерывнопоследовательной высадки с обкаткой для решения
методом конечных элементов
Скорость осаживающей траверсы при высадке в один пе­
реход составляет в среднем 5 мм/мин, роликовая обойма содер­
жит 3 ролика и вращается с постоянной скоростью 10 об/мин. В
промежуток времени между прохождением роликов по одному и
тому же осевому сечению осаживающая траверса успевает пере­
меститься на шаг х = 0,17 мм в осевом направлении.
3.3.3. Свойства заготовки и выбор модели среды
Заготовкой для высадки является горячекатанная труба
0 273x24 мм из стали 40ХН2МАШ, имеющей следующие харак­
теристики [6]:
предел текучести ат, МПа
450
модуль упругости Е, МПа
2,1x10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
113
модуль сдвига G, МПа 8,1 х 10
плотность р, кг/м
7,8х 10
Скорость деформирования (перемещения осаживающей
траверсы) при непрерывно-последовательной высадке составляет
не более 5 мм/мин, процесс значительно растянут во времени,
поэтому рекристаллизация в зоне нагрева успевает произойти
полностью. В этих условиях наиболее близкой к реальной явля­
ется идеально-пластическая модель среды [14].
Ширину очага пластической деформации (т. е. зоны, нагре­
ваемой индуктором), принимаем равной толщине набираемого
утолщения, что соответствует экспериментальным данным. Вне
этой зоны сопротивление деформированию as считаем величиной
постоянной и равной стш. Для задания ст5 непосредственно в зоне
высадки воспользуемся экспериментальными данными, получен­
ными В. В. Светкиным [82, 86]. Удобнее всего представить эту ве­
личину в виде: as = F(x)am , где F(x) - функция распределения.
Алгебраическую форму F(x) получим, аппроксимируя при­
веденную кривую [82] многочленом второго порядка. Тогда, по­
местив ось у (и, соответственно, нулевую точку оси х) в точке
окончания зоны обкатки (рис. 3.18), получим, следующий вид
функции распределения: F(x) = 0,54 - 20* + 416,4х 2 .
Учитывая длительность нагрева, хорошую теплопровод­
ность материала и прогрев оправки, примем допущение о неиз­
менности as в направлении оси у.
3.3.4. Граничные условия
При расчете были сформулированы и приняты следующие
граничные условия (см. рис. 3.18).
1. Участок АВ. Торцовая часть утолщения, опирающаяся на
упор. Отсутствие перемещений в направлении оси х, в направле«-255?
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
114
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
нии оси у — скольжение с коэффициентом трения ц. = 0,1 (металл
по металлу со смазкой).
2. Участок ВС. Свободная поверхность, ограничений на пе­
ремещение нет (исключая точку В).
3. Участок СД. Зона обкатки. В период высадки - свободная
поверхность, ограничений нет. При прохождении ролика возника­
ет смещение в отрицательном направлении оси у до номинальной
толщины стенки изделия (65 мм), вдоль оси х - скольжение по по­
верхности ролика с коэффициентом трения ц = 0,3 (металл по ме­
таллу без смазки).
4. Участок DE. Свободная поверхность. Ограничений на
перемещение нет (кроме точки D).
5. Участок EG. Свободная поверхность. Ограничений на
перемещение нет (кроме точки G).
6. Участок GF. Отсутствие перемещения в направлении оси
у, в направлении оси х - перемещение на величину хода
х = 0,17 мм.
7. Участок FA. Отсутствие перемещения в направлении оп­
равки (в отрицательном направлении оси у). В направлении оси х скольжение с коэффициентом трения ц = 0,1, за исключением то­
чек F и А.
3.3.5. Интерпретация результатов расчета
С помощью программы AKAD вводится расчетная схема
(модель) исследуемого процесса (рис. 3.18). Затем, используя
программу MESH, производят разбиение модели на конечные
элементы и нумеруют узлы (рис. 3.19). После этого начинают
формирование файла входных данных для исследования первой
стадии процесса-высадки до контакта с роликовой матрицей.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3 Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
115
Рис. 3.19. Фрагмент разбитой на элементы модели с
пронумерованными узлами (компьютерная диа­
грамма)
Файл входных данных (рис. 3.20) содержит:
- оператор МАТ - включает все данные по исследуемому
материалу;
- оператор FOR - в условной форме показывает нагрузки,
приложенные к модели;
- оператор ТХ - задает перемещения определенных узлов,
возникающие под действием внешних нагрузок;
- оператор FUNCTION - задает количество шагов про• граммы в автоматическом режиме.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
116
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
SUP О
TITLE ROLLING
FUNCTION 4,1,1
NOD 1, 1, -1
ZERO
X T 1 0 8
Y T 8 0 44
FOR 0,0,1,1,1,1,1,1
T X 44, -0.0301"/ 51, -0.00017
MAT 2.1Ell,8.iE10. 7.8E3,0.3,4.5E8,0.1,0.5,0.0,0.0,1
PAR 0, 0, 0
TRI 1,0.001
CON
ANA 2,3
59 0 72 130 138 146 154 162 170 178
186 194 202 210 218 226
END
Рис. 3.20. Файл исходных данных для процесса вы­
садки до контакта с роликом
Программа SOLNEW формирует матрицу жесткости, кото­
рая преобразуется в систему из более чем 500 уравнений с деся­
тью тысячами коэффициентов (для данной модели). В результате
определяются напряжения и деформации во всех узлах и элемен­
тах модели. Кроме того, посредством критерия пластичности оп­
ределяются элементы, перешедшие в пластическое состояние.
Одновременно происходит формирование файла исходных дан­
ных для продолжения расчетов, в котором учитывается измене­
ние положения узлов модели вследствие совершенной деформа­
ции, а также остаточные напряжения.
Для моделирования воздействия ролика на модель в файл
продолжения вводится оператор Р + Y, показывающий, какие уз­
лы под воздействием ролика должны переместиться до достиже-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
117
ния утолщением номинального диаметра, и расчет повторяется
программой SOLNEW. Редактированный файл продолжения по­
казан на рис. 3.21.
SUP О
TITLE ROLLING
FUNCTION 4,1,1
STEP
1
ZERO
X T 1 0 8
Y T 8 0 44
X T 44 0 51
FOR 0,0,1,1,1,1,1,1
P Y 68 0.065 71 0.065
MAT 2.1E11,8.1E10,7.8E3,0.3,4.5E8, 0.1, 0.5, 0.0, 0 . 0,1
PAR 0, 0, 0
TRI 1,0.001
GON
ANA 2,3
59 0 72 130 138 146 154 162 170 178
186 194 202 210 218 226
END
Рис. 3.21. Редактированный файл продолжения
(файл входных данных для процесса высадки с об­
каткой)
Таким образом, завершается формирование цикла, вклю­
чающего свободную высадку до контакта с роликовой матрицей, и
обкатку при прохождении ролика через рассматриваемое сечение.
Пошаговый анализ модели на различных ступенях нагружения выявил весьма характерные процессы, протекающие в
очаге пластической деформации. Так, после завершения цикла
осевого нагружения (до момента прохождения ролика через рас­
сматриваемое сечение) очаг пластической деформации в основ-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
118
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
ном формируется на участке подъема, преимущественно во внут­
ренних элементах (рис. 3.22, а 1). Наибольшая интенсивность на­
пряжений наблюдается на входном участке очага деформации
(рис. 3.22, б 1), однако металл там еще не догрет и в пластиче­
ское состояние не переходит. Пластический участок формируется
в зоне другого локального максимума, где температура заготовки
значительно выше. Наибольший прирост интенсивности деформа­
ций также формируется в этой зоне (рис. 3.22, в 1).
Затем, при приложении нагрузки от формоизменяющего ро­
лика за счет возникновения значительных напряжений ау, в соот­
ветствии с энергетическим условием пластичности, пластичные
элементы вновь возвращаются в упругое состояние, и первичный
очаг пластической деформации или полностью исчезает, или вы­
рождается в фрагментарные "островки". Одновременно с этим
начинается формирование вторичного очага пластической де­
формации под роликом (рис. 3.22, а 2). Там же заметно увеличе­
ние интенсивности напряжений (рис. 3.22, б 2), а зона наиболь­
шего приращения интенсивности деформации образует локаль­
ный максимум (рис. 3.22, в 2), что говорит об активном пласти­
ческом течении металла на этом участке.
После прохождения ролика и снятия нагрузки элементы
первичного очага вновь возвращаются в пластическое состояние
с незначительными изменениями, которые обуславливаются из­
менением формы исходной модели за счет остаточной деформа­
ции после завершения цикла обкатки (рис. 3.22, а 3). Картина
изолиний интенсивности напряжений возвращается практически к
исходной (рис. 3.22, б 3), хотя приращение интенсивности дефор­
мации продолжается (рис. 3.22, в 3).
Расчет нескольких циклов показал, что после 2-3 повторе­
ний процесс устанавливается, и форма очага пластической де­
формации от каждого цикла нагружения остается неизменной.
Очаг пластической деформации в цикле обкатки имеет весь­
ма характерный вид - он как бы сдавлен между непластичными
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
Высадка (1)
Обкатка (2)
Разгрузка (3)
а
ц^
Щ
%
119
-
б
А ЯШ
^
•••iiXD
0,9
0,1 0,9
шшштши_и
0,1 0,9
0,1
в
Л""
0,1
1\
г- \ \
•••••Li-U
0 0,1
0 0,1
Рис. 3.22. Напряженно-деформированное состояние
заготовки на различных стадиях нагружения,
v„v>=5 мм/мин:
а - очаг пластической деформации; б - изолинии относитель­
ной интенсивности напряжений; в - изолинии приращения
интенсивности деформации на данном шаге нагружения
0
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
120
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
блоками, и истечение металла из него происходит в осевой гофр
через пластичные элементы на поверхности модели. Таким обра­
зом, толщина осевого гофра равна ширине открытой части очага
пластической деформации и, соответственно, ширине зоны ло­
кального максимума приращения интенсивности деформации. В
данном случае эта ширина в реальных размерах составляет
5...6 мм, что соответствует экспериментальным данным. Таким
образом, установлено, что математическая модель корректно опи­
сывает реальный процесс.
Для получения зависимости между скоростью осадки, часто­
той вращения роликовой обоймы и толщиной осевого гофра необ­
ходимо провести расчет этой же математической модели, но для
других соотношений технологических параметров высадки. Часто­
ту вращения роликовой обоймы принимали постоянной, равной 10
об/мин и проводили вычисления для различных скоростей осажи­
вающей траверсы. После внесения соответствующих изменений в
файлы входных данных и вычисления равного числа циклов полу­
чены результаты, показанные на рис. 3.23.
Для случая подачи осаживающей траверсы со скоростью
8 мм/мин (рис. 3.23, а 1) толщина осевого гофра составляет (в ре­
альных размерах) 17 мм. Кроме того, на рисунке четко просматри­
вается зона возникновения следующего радиального гофра на
утолщении. Интенсивность напряжений в этой зоне (рис. 3.23, б 1)
достигает величины, переводящей группу элементов в пластиче­
ское состояние, там же формируется и локальный максимум при­
ращения интенсивности деформации (рис. 3.23, в 1).
Развитие и раскатка обоих гофров приводит впоследствии к
образованию зажима на комле изделия, что является неустрани­
мым браком. При скорости осаживающей траверсы 12 мм/мин очаг
пластической деформации на стадии обкатки полностью перекры­
вает наклонную поверхность набираемого утолщения (рис.
3.23, а 2), в то же время практически не выходя на внутреннюю
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3 Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
8 мм/мин (1)
12 мм/мин (2)
Рис. 3.23. Напряженно-деформированное состояние
заготовки на стадии обкатки при различных скоро­
стях осаживающей траверсы:
а - очаг пластической деформации; б - изолинии относитель­
ной интенсивности напряжений; в - изолинии приращения
интенсивности деформации на данном шаге нагружения
121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
122
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
поверхность трубной заготовки, что препятствует потери устойчи­
вости последней и вздутию в виде "фонарика". Хорошо просмат­
риваются два локальных максимума интенсивности напряжений,
причем в большей степени, чем при скорости траверсы 8 мм/мин,
именно вблизи наклонной поверхности утолщения (рис. 3.23, б 2),
там же наблюдается и максимальное приращение интенсивности
деформации (рис. 3.23, в 2).
Таким образом, при скорости осаживающей траверсы
12 мм/мин набор утолщения происходит по всей длине наклон­
ной части, что исключает раскатку металла в осевой гофр ("гре­
бешок"). Такое сочетание кинематических параметров непрерыв­
но-последовательной высадки с обкаткой следует признать опти­
мальным.
3.4. Совершенствование технологии и
действующего оборудования для непрерывнопоследовательной высадки
3.4.1. Совершенствование технологии высадки
Как показали экспериментальные исследования непрерыв­
но-последовательной высадки, как "свободной", так и в ролико­
вую матрицу по действующей технологии, максимальные иска­
жения формы комля наблюдаются в начальной зоне высадки, и
обычно утолщения набираются большей длины с тем, чтобы при
последующей обработке резанием удалить эту часть в отход. Так
как начальная зона утолщения идет в отход, было решено ее ис­
пользовать для стабилизации процесса непрерывно-последова­
тельной высадки при разработке новой технологии.
Сущность новой технологии [134] заключается в том, что­
бы в начальный (неустановившийся) период высадки максималь­
но приблизить условия нагрева к условиям стационарного режи­
ма. Для этого было решено разорвать на начальной стадии жест-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
123
кую связь между скоростями осаживающей и вспомогательной
траверс и одновременно с подачей рабочего давления в силовой
гидроцилиндр и энергии на нагреватель начать перемещение сто­
ла индуктора с постоянной скоростью, определенной для устано­
вившегося режима высадки (рис. 3.24, а).
Рис. 3.24. Схема непрерывно-последовательной вы­
садки:
а - начальная стадия процесса; б - неустановившийся режим
высадки; в - момент достижения установившегося режима вы­
садки; г - установившийся режим высадки; 1 - заготовка; 2 оправка; 3 - упор; 4 - индуктор; 5 - траверса; v„ - скорость сто­
ла индуктора; vmp - скорость осаживающей траверсы (v^,
при установившимся режиме); Рж - осевая сила; Dym - номи­
нальный диаметр утолщения
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
124
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
Передвигаясь вдоль оси заготовки навстречу осаживающей
траверсе, индуктор нагревает локализованную зону заготовки до
ковочной температуры, и в этой зоне под действием осевой силы
начинается пластическая деформация. При этом диаметр заго­
товки в зоне нагрева становится отличным от исходного, а ско­
рость осаживающей траверсы начинает возрастать. Пока диаметр
заготовки в очаге деформации не достиг номинального диаметра
утолщения, процесс высадки является неустановившимся, однако
форма и температура зоны нагрева полностью соответствуют па­
раметрам установившегося режима (рис. 3.24, б).
При достижении утолщением номинального диаметра (рис.
3.24, в) индукционный нагреватель успевает сместиться относи­
тельно начальной зоны нагрева, пластическая деформация в ней
прекращается ввиду остывания металла, и процесс высадки про­
должается на последующих участках (рис. 3.24, г).
При проведении экспериментальной высадки в роликовую
матрицу отмечено, что очаг пластической деформации находится
непосредственно под индуктором (как и при "свободной" высад­
ке), и это не позволяет полностью перекрыть ее обкатывающими
роликами. Это зачастую приводит к тому, что радиальный гофр
развивается перед роликами, и последующая раскатка его приво­
дит к вытеснению избыточного металла в осевой гофр даже при
наличии недостатка металла в зоне обкатки. Было предложено
[135] сместить зону деформации от индуктора к роликам вдоль
оси заготовки. Это достигается тем, что перед индукционным
нагревателем устанавливается спреер, и поток воздуха из него,
проходя в зазор между индуктором и заготовкой, охлаждает вхо­
дящий участок зоны нагрева и переносит полученную тепловую
энергию на выходящую зону, задерживая ее остывание, смещая
таким образом область максимальной температуры от индуктора
в направлении к роликам, что позволяет полностью перекрыть
очаг пластической деформации роликовой обоймы (рис. 3.25).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
J 'лава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
125
Рис. 3.25. Схема реализации технологии высадки со
смещением зоны деформации от индуктора к ролико­
вой матрице:
1 - заготовка; 2 - оправка; 3 - упор; 4 - индуктор; 5 - ролик; 6 спреер; 7 - осаживающая траверса; v„ - скорость стола индуктора;
vmp - скорость осаживающей траверсы; Рж - осевая сила
Кроме того, создание посредством потока нагретого воздуха
защитного слоя, препятствующего остыванию металла на выходя­
щем участке зоны нагрева, способствует стабилизации процесса
пластического течения металла, что подтверждается проведенны­
ми ранее исследованиями [82], где для этой цели использовался
специальный защитный кожух, перемещавшийся вместе с индук­
тором.
Кроме получения труб-заготовок лонжеронов, высадка с об­
каткой может быть использована и при изготовлении других типов
изделий переменного сечения.
Например, предложен способ получения утолщений на по­
лых заготовках, на трубах, при этом формообразование производят
с использованием внутренней оправки, на которую заготовку
предварительно устанавливают [136].
Способ получения утолщения на полой заготовке (рис. 3.26)
включает нагрев участка заготовки 1, подвергаемого деформации,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
126
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
Рис. 3.26. Схема получения утолщения на полой за­
готовке в разводящихся роликах
и формообразование утолщения воздействием осевого усилия Р на
полую заготовку, установленную на оправку 2 до упора 3 и вра­
щающуюся с угловой скоростью со2, с одновременным обкатыва­
нием по всей длине утолщаемого участка заготовки четырьмя
роликами 4, которые синхронно разводят со скоростью vp в соот­
ветствии с увеличением диаметра утолщения до достижения ко­
нечных его размеров. Во втором варианте заготовка 1 не враща­
ется, а вся система синхронно-разводимых роликов 4 вращается
вокруг продольной оси утолщения и обкатывает утолщаемый
участок заготовки.
Ролики при обкатывании вокруг утолщения препятствуют
потере пластической устойчивости деформирующего участка и
позволяют получить изделия без складок, зажимов и утяжек ме­
талла с большими степенями деформации за один проход.
Обкатывание роликами вокруг продольной оси утолщения
производят одновременно с приложением деформирующего осе­
вого усилия, при этом деформация нагретого участка заготовки и
формообразование на нем утолщения происходит за счет прило­
жения осевого усилия, а ролики только лишь удерживают де­
формируемый участок заготовки от потери устойчивости и пла­
стической деформации заготовки не производят. Таким образом,
обкатывающие ролики предназначены только для повышения
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
127
жесткости деформируемого участка, которая обеспечивается тем,
что в процессе обкатки деформируемый металл по всей длине
утолщения непрерывно поддерживается роликами.
Высадкой с обкаткой можно также получать на заготовках
утолщения некруглого сечения. Предложенный способ [137]
включает в себя нагрев участка заготовки 1 (рис. 3.27) до ковоч­
ной температуры, установку заготовки 1 на оправку 2 до упора 3,
деформирование нагретого участка заготовки 1 посредством тра­
версы 4 механизма воздействием осевым усилием Р.
Рис. 3.27. Схема к способу высадки утолщений не­
круглого сечения
Одновременно с приложением усилия Р начинают вращать
заготовку 1 с постоянной угловой скоростью о>2- В первоначаль­
ном положении ролики 5 обкатывают заготовку 1 круглого сече­
ния. По мере деформирования утолщаемого участка заготовки
усилием Р ролики 5 перемещают в радиальном направлении в
соответствии с заданным профилем поперечного сечения и про­
порционально увеличению площади сечения утолщаемого участ­
ка заготовки, причем ролики 5 разводят при формировании вы­
пуклостей и сводят при формировании вогнутостей профиля
утолщаемого участка в соответствии с углом поворота заготовки
I. Наибольшее перемещение роликов 5 соответствует положе­
нию, при котором производится формирование выпуклостей
профиля (показано пунктирным контуром), при формировании
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
128
Глава 3. Исследование Процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
вогнутостей ролики 5 перемещают от центра заготовки на мини­
мальное расстояние.
Обкатывание роликами 5 производят одновременно с при­
ложением осевого усилия Р. Деформацию нагретого участка за­
готовки 1 производят за счет приложения усилия Р, а формообра­
зование контура производят обкатыванием деформируемого ме­
талла роликами 5.
Обкатывание утолщения некруглого сечения может быть на
любом участке по длине заготовки. Длина нагреваемого участка за­
готовки должна соответствовать или быть меньше длины роликов.
3.4.2. Разработка и изготовление гибкой системы
синхронизации и гидростанции пресса
Для реализации предложенной технологии непрерывнопоследовательной высадки трубных заготовок встала необходи­
мость разработки, изготовления и внедрения новой системы син­
хронизации перемещения осаживающей траверсы и стола индук­
тора, а также гидростанции пресса. Результатом модернизации
должно стать выполнение при высадке следующих условий:
- поддержание постоянной (или по заданной программе).
скорости стола индуктора;
- управляемое по заданной программе повышение скорости
осаживающей траверсы до расчетной величины во время неуста­
новившегося процесса высадки (на начальной стадии процесса);
- поддержание постоянной скорости осаживающей травер­
сы на стационарной стадии процесса за счет регулировки гидро­
системы по давлению и расходу рабочей жидкости.
Для перехода гидростанции пресса с режима поддержания
постоянного давления в рабочих полостях на поддержание по­
стоянной регулируемой скорости осаживающей траверсы были
проведены следующие мероприятия:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
129
1. Силовой масляный насос ПА—474-02 с расходом 18 литров в минуту при рабочем давлении 230 кг/см заменен на насос
HP 16/500 с расходом 16 литров в минуту при рабочем давлении
500 кг/см . Это позволило повысить максимальную силу на оса­
живающей траверсе до 5000 кН.
2. В качестве привода силового насоса вместо асинхронно­
го двигателя с постоянным числом оборотов установлен электро­
двигатель постоянного тока 2ПФ180ТУ4 с регулируемым числом
оборотов. Это позволило изменять в широких пределах произво­
дительность гидронасоса.
3. Разработана и изготовлена система управления и регули­
ровки числа оборотов двигателя постоянного тока.
В развитие новой технологии по выше предлагаемым схе­
мам была разработана и изготовлена принципиально новая сис­
тема синхронизации, блок-схема которой приведена на рис. 3.28.
В качестве основного согласующего блока в системе синхрони­
зации применен микропроцессор серии 511, выполняющий
функции контроля и регулирования по заданной программе ос­
новных параметров высадки с индикацией на световых табло
контрольных значений следующих величин:
- геометрические размеры (внутренний и наружный диа­
метр) исходной заготовки и получаемого утолщения;
- заданная длина утолщения;
- коэффициент высадки;
- заданное (усредненное) давление в рабочем цилиндре.
Система синхронизации работает следующим образом. В
память микропроцессора вводятся данные о геометрических па­
раметрах исходных заготовок и изделия. Эта операция произво­
дится с пульта управления, выполняется один раз и производится
снова только при смене изделия или введении каких-либо кор­
ректив в технологию. Кроме того, при загрузке памяти процессо­
ра в нее вводится оптимальная величина скорости осаживающей
9-2559
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
130
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
Ы СЗ
ИЙ-
Рис. 3.28. Блок-схема системы синхронизации пере­
мещения осаживающей траверсы и стола индуктора
1 - неподвижная траверса; 2 - вспомогательная траверса; 3 - осажи­
вающая траверса; 4 - механизм перемещения вспомогательной тра­
версы; 5 - силовой гидроцилиндр; 6 - блок управления; 7,- датчики
скорости; 8 - датчик давления; 9 - насос; 10 - двигатель; 11 - блок
управления гидростанцией; 12 - микропроцессор; 13 - пульт управ­
ления
траверсы, определенная для установленной мощности индукци­
онного нагревателя. В процессе высадки на неустановившемся
этапе программа, "зашитая" в память компьютера со специально­
го пульта, недоступного оператору, управляет поддержанием
скорости индуктора на постоянном заданном уровне и изменени­
ем скорости осаживающей траверсы до величины оптимальной.
Затем, после перехода процесса в стационарный режим, про­
грамма работает на поддержание постоянства этой скорости сле­
дующим образом: сигнал с датчика скорости поступает через
преобразователь на микропроцессор, и при отклонении получае­
мого сигнала от заданной величины процесс формирует управ­
ляющий импульс на блок управления оборотами двигателя, из­
меняя тем самым расход силового насоса до совпадения действи­
тельной скорости осаживающей траверсы с заданной. Примене-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
131
ние микропроцессора позволяет проводить высадку также и по
различным заранее заданным программам (например, получать
переменное по длине сечение утолщения, функционально задав
коэффициент высадки), что открывает возможность дальнейшего
совершенствования технологии непрерывно-последовательной
высадки. Применение линейных датчиков скорости (рис. 3.29)
позволяет добиться синхронизации перемещения осаживающей
траверсы и стола индуктора с точностью до 0,01 мм, что положи­
тельно сказывается на течении процесса, исключая инерцион­
ность срабатывания системы, и способствует повышению качест­
ва утолщения.
Рис. 3.29. Линейный датчик скорости, установлен­
ный на вспомогательной траверсе (аналогичный
установлен на осаживающей траверсе)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
132
Глава 3 Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
3.4.3. Расчет, разработка и изготовление
индукционных нагревателей
3.4.3.1. Индукторы для высадки по действующей
технологии
Как уже отмечалось, по действующей технологии высадка
труб - заготовок лонжеронов вертолетов производится в два пе­
рехода, причем для каждого перехода применяется свой индук­
ционный нагреватель. Используемые индукторы, разработанные
и изготовленные Краматорским ЬШИПТМАШем, имеют ряд су­
щественных недостатков, главным из которых является наличие
в полувитках продольных сварных швов, что при нагреве приво­
дит к возникновению значительных термических напряжений,
деформации и нарушению герметичности кольца.
Опыт изготовления индукторов для высадки в роликовую
матрицу [90] показал, что весьма перспективной и технологичной
является конструкция с трубчатыми полувитками и подводящими
шинами.
На основании опыта эксплуатации по двухпереходной тех­
нологии, а также в соответствии с рекомендациями [138, 139]
был разработан проект двух индукционных нагревателей
(первого и второго переходов) для высадки на прессе ПО-540. В
цехе № 5 ЧТПЗ было произведено изготовление предложенных
индукторов. Полувитки и шины изготовлены из медной трубки
диаметром 40x4 мм, спрофилированной под ширину рабочей
части 18 мм. Внутренний диаметр индуктора первого перехода
330 мм, второго перехода - 360 мм. Магнитопровод - наборный,
из П-образных пластин электротехнической стали. Полувитки
после сборки проверены на герметичность сжатым воздухом и
водой под давлением и переданы в промышленную эксплуата­
цию. Общий вид полуколец индукторов первого и второго пере­
ходов показан на рис. 3.30.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
133
Рис. 3.30. Полукольца индукторов первого и второго
переходов для высадки на гидропрессе ПО-540
По сравнению с существовавшими новые индукторы име­
ют более жесткую конструкцию, просты и технологичны в изго­
товлении.
Кольцевые неразъемные индукторы для "свободной"
высадки первого перехода и высадки второго перехода в ро­
ликовую матрицу. Как уже отмечалось ранее, одним из факто­
ров, приводящих к образованию брака изделия, является нерав­
номерность нагрева зоны пластической деформации по перимет­
ру заготовки. Это вызывалось, в частности, тем, что используе-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
134
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
мые для высадки разъемные индукторы, состоящие из двух полу­
колец, имеют четыре ярко выраженные зоны:
- две зоны полуколец, защищенных магнитопроводом (верх­
няя и нижняя) с оптимальными условиями нагрева;
- зона подвода энергии, в которой к полукольцам присое­
динены токоведущие шины. В этой зоне происходит недогрев
заготовки, так как линия тока проходит по кратчайшему пути и
не совпадает с внутренним диаметром полувитков;
- зона соединения полувитков. В этой зоне возникает рас­
ширение очага деформации из-за того, что для обеспечения на­
дежного контакта полувитков используются массивные клеммы,
имеющие ширину большую, чем ширина полувитков. Кроме то­
го, эта зона не перекрывается магнитопроводом, что также при­
водит к расширению полосы нагрева.
Для устранения перечисленных недостатков был разрабо­
тан проект кольцевых неразъемных индукторов с магнитопрово­
дом, конструкция которых имеет следующие особенности:
- отсутствует зона соединения полувитков, так как рабочая
часть индуктора выполнена в виде цельногнутого кольца с пол­
ной защитой магнитопроводом;
- зона крепления токоведущих шин максимально перекры­
та магнитопроводом и по условиям нагрева приближена к облас­
ти кольца.
Витки и токоведущие шины индукторов выполнены из
медной трубки диаметром 40x4 мм, сформированной под ширину
рабочей части 18 мм, магнитопровод наборный - из П-оБразных
пластин электротехнической стали. Внутренний диаметр индук­
тора первого перехода (рис. 3.31) составляет 330 мм, спреер ук­
реплен на выходящей стороне витка.
Внутренний диаметр витка индуктора определялся в соот­
ветствии с рекомендацией [138, 139], а также с учетом ряда заме­
ров максимальных гофров на утолщениях первого перехода, с
целью обеспечения возможности удаления готового изделия.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий'
135
Рис. 3.31. Кольцевой неразъемный индуктор с магнитопроводом для высадки первого перехода
Внутренний диаметр индуктора для высадки второго пере­
хода в роликовую матрицу (рис. 3.32) составил, согласно реко­
мендациям [138, 139], 360 мм для высадки на номинальный диа­
метр утолщения 355 мм, так как обкатка утолщения роликами
исключает превышение комлем установленного диаметра. Кроме
того, индуктор второго перехода имел и ряд существенных кон­
структивных отличий:
- токоведущие шины сделаны изогнутыми с тем, чтобы
сместить плоскость индуктора, максимально приблизив ее к об­
катывающим роликам;
- для реализации предложенной технологии непрерывнопоследовательной высадки со смещением зоны нагрева от индук­
тора к роликам, воздушный спреер был установлен на входящей
стороне плоскости кольца.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
136
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
Рис. 3.32. Кольцевой неразъемный индуктор с магнитопроводом для высадки второго перехода в ро­
ликовую матрицу
Изготовление индукторов проведено по уже отработанной
технологии, после окончательной сборки индукторы проверялись
на герметичность сжатым воздухом, а также водой под рабочим
давлением.
Таким образом, предложенная конструкция индукционных
нагревателей проста, надежна, технологична в изготовлении и
обслуживании, а также имеет ряд существенных преимуществ
перед аналогами, обеспечивая равномерность нагрева по пери­
метру зоны пластической деформации.
Индуктор для высадки в одни переход. Реализация однопереходной технологии непрерывно-последовательной высадки
труб-заготовок лонжеронов является единственным радикальным
способом значительного повышения производительности дейст­
вующего оборудования. Однако, ряд попыток [82, 90] отработать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
137
и внедрить подобную технологию не привели к желаемому ре­
зультату. Причины этого уже были достаточно подробно рас­
смотрены ранее, к изложенному следует добавить лишь то, что
ни в работе [82], ни в работе [90] не уделено достаточного вни­
мания оборудованию для нагрева ТВЧ, а именно индукторам,
хотя известно, что их конструкция и технологические характери­
стики оказывают существенное влияние на условия нагрева зоны
пластической деформации и, как следствие, на устойчивость те­
чения процесса и качество получаемого утолщения.
Таким образом, очевидно, что реализация однопереходной
технологии высадки лонжеронов невозможна без разработки и
изготовления специального индукционного нагревателя. Осно­
вываясь на опыте эксплуатации индукторов различных типов, а
также на рекомендациях [138, 139], был разработан проект ин­
дуктора для высадки труб переменного сечения в один переход.
Основной задачей при проектированиии было определение опти­
мального внутреннего диаметра токоведущего кольца, который
обеспечивал бы, с одной стороны, минимизацию зазора между
индуктором и заготовкой с целью снижения рассеяния энергии и
сужения зоны нагрева, а с другой стороны, диаметр индуктора
должен быть достаточно большим, чтобы исключить касание ме­
таллом заготовки токоведущих частей при наборе утолщения.
Расчеты и анализ течения металла в зоне деформации показали,
что оптимальный внутренний диаметр кольца индуктора состав­
ляет 345±2 мм.
Такой индуктор был изготовлен из медной трубки диамет­
ром 40x4 мм, спрофилированный под ширину рабочей части 18
мм. Общий вид индуктора для высадки в один переход показан
на рис. 3.33.
Индуктор имеет воздушный спреер для охлаждения на­
бранного утолщения, диаметр которого составляет 380 мм, что
исключает его касание с металлом утолщения. Полукольца за­
щищены магнитопроводом, конструкция которого позволяет
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
138
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
Рис. 3.33. Индуктор для высадки в один переход в
сборе
максимально перекрыть зону контакта полувитков и зону подво­
да энергии.
Модернизации подверглась также система нагрева ТВЧ, в
которой был смонтирован генератор с рабочей частотой тока 600
Гц. Это обеспечивает более глубокий прогрев очага пластической
деформации, что необходимо для реализации однопереходной
технологии высадки.
3.5. Экспериментальная высадка на
модернизированной НВМ
3.5.1. Высадка в роликовую матрицу
После завершения работ по модернизации НВМ
"НИИПТМАШ-300" проведена опытная высадка труб в ролико-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3 Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
139
вую матрицу. Высадка производилась по двухпереходной техно­
логии, первый переход - "свободная" высадка, второй - высадка с
обкаткой. Кроме того, в ходе пусконаладочных работ было уста­
новлено, что внедрение гибкой системы синхронизации для реа­
лизации новой технологии высадки, основанной на поддержании
постоянства скорости траверсы при установившемся процессе и.
стола индуктора в течение всего периода формообразования ком­
ля, позволяет добиться значительного повышения качества утол­
щения на первом переходе. Это позволило провести корректи­
ровку параметров высадки по переходам, а именно увеличить
коэффициент высадки на первом переходе с соответствующим
одновременным его уменьшением на втором переходе, что соз­
дало более благоприятные условия течения металла и нагрева на
второй операции.
Высадка первого перехода производилась с кольцевым не­
разъемным индуктором с магнитопроводом, внутренний диаметр
кольца которого составляет 330 мм. Общая методика экспери­
ментов соответствовала разработанной в разделе 3 и применяв­
шейся ранее с целью получения сопоставимых результатов.
Параметры высадки первого перехода:
- внутренний радиус заготовки, мм
- наружный радиус заготовки, мм
- наружный радиус утолщения, мм
- мощность на индукторе, кВт
112
137
160
115...125
- частота тока, Гц
600
- коэффициент высадки
1,0
Общее время высадки составило 1 час 20 минут (в сред­
нем). В ходе высадки во всех экспериментах отмечено стабиль­
ное течение металла в очаге пластической деформации. На внут­
ренней поверхности комля не зафиксировано отхода металла от
оправки по всей длине утолщения, которая составляла от 600 до
610 мм.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
140
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
После завершения высадки и остывания изделий в соответ­
ствии с разработанной методикой были произведены замеры
геометрических параметров некоторых комлей, которые после
обработки дали следующие результаты (табл. 3.5)
3.5. Результаты опытной высадки труб первого перехода
Номер Мощность Общая длина, Наружный
заго­
индуктора, утолщения,
товки кВт
на­
диаметр утол­ ружного
щения, мм
мм
Перепад
диаметра, мм
1
180
600
316...320
4
2
120
605
316...320
4
3
120
603
318...320
2
4
120
608
318...320
2
5
120
610
316...321
5
Таким образом, обобщенные результаты проведенных опы­
тов можно сформулировать следующим образом:
- внутренний диаметр комля стабилен по всей длине и со­
ставляет 220...222 мм;
- наружная поверхность не имеет гофров и складок, мак­
симальный диаметр составляет 321 мм, перепады диаметра не
превышают 5 мм и вызваны продольной разностенностью заго­
товки [90]. Кроме того, сечение комля стабильно по периметру
изделия, что говорит об адекватности условий нагрева на всем
кольце индуктора. Общий вид одного из полученных утолщений
(труба № 3) приведен на рис. 3.34.
Таким образом, показано, что применение кольцевого не­
разъемного индуктора с магнитопроводом в сочетании с гибкой
микропроцессорной системой синхронизации, обеспечивающей
выполнение технологии высадки с постоянной скоростью стола
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
141
Рис. 3.34. Утолщение первого перехода, полученное
с применением кольцевого неразъемного индуктора
с магнитопроводом и гибкой системой синхрониза­
ции НВМ
индуктора и осаживающей траверсы, позволяет повысить
качество поверхности утолщения первого перехода и, соответст­
венно, создать благоприятные предпосылки для получения гото­
вого изделия (после второго перехода), так как, как было уста­
новлено ранее, именно первый переход является определяющим
для возникновения и роста радиальных гофров второго перехода.
Для проведения экспериментальной высадки второго пере­
хода на вспомогательной траверсе НВМ была смонтирована и
установлена обойма с обкатывающими роликами, выставленны­
ми на номинальный диаметр утолщения 355 мм (рис. 3.35)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
142
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
Рис. 3.35. Обойма с роликами на вспомогательной
траверсе НВМ
Параметры высадки второго перехода на заготовках
первого эксперимента:
- внутренний радиус заготовки, мм
112
- наружный радиус заготовки, мм
160
- наружный радиус утолщения, мм
178
- мощность на индукторе, кВт
130
- частота тока, Гц
600
- коэффициент высадки
0,6
UVSVJlV
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
143
Время высадки второго перехода в среднем составило 1 час
30 минут. На рис. 3.36 показана НВМ "НИИПТМАШ-300" в про­
цессе высадки второго перехода в роликовую матрицу с примене­
нием кольцевого неразъемного индуктора с магнитопроводом.
Рис. 3.36. НВМ в процессе высадки второго перехо­
да в роликовую матрицу с применением кольцевого
неразъемного индуктора с магнитопроводом
В ходе высадки во всех экспериментах наблюдалось ста­
бильное течение металла в зоне пластической деформации, в том
числе и в начальный период, который характеризовался плавным
набором металла до номинального диаметра утолщения. Незна­
чительная кольцевая разностенность заготовки при этом компен­
сировалась "плавающим" закреплением роликовой обоймы (без
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
144
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
постоянной опоры на дополнительные катки), что позволило ка­
чественно обкатать всю поверхность утолщения по установлен­
ному диаметру.
После остывания изделий были произведены обмеры вы­
саженных комлей в соответствии с принятой методикой.
3.6. Результаты экспериментальной высадки труб в
роликовую матрицу (второй переход)
Номер Мощность Наружный
заго­
Наружный Перепад Общая
на
индук­ диаметр ис­ диаметр
товки торе, кВт ходной заго­ изделия,
товки, мм
мм
наруж­
длина
ного диа­ утолщения,
метра, мм мм
1
125
316...320
350...353
3
260
2
130
316...321
350...355
5
263
3
130
318...320
351...354
3
262
4
130
318...320
352...355
3
265
5
135
316...321
350...355
5
270
Обобщение полученных результатов (табл. 3.6) позволило
сформулировать следующие выводы:
- внутренний диаметр утолщения составил 220 мм, отхода
металла от оправки не наблюдалось по всей длине высаженных
комлей;
- наружный диаметр утолщения на длине не менее 260 мм
составил 350...355 мм, что удовлетворяет техническим условиям;
- образование на поверхности утолщения в ходе высадки
неустранимых поверхностных дефектов в виде зажимов и закатов
осевого гребешка не наблюдалось;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
14S
- перепады наружного диаметра являются следствием разностенности исходной заготовки, плавные и не превышают 5 мм
по абсолютной величине.
После окончания экспериментов из одного комля был вы­
резан темплет, который приведен на рис. 3.37.
Рис. 3.37. Темплет утолщения второго перехода, по­
лученного в роликовую матрицу
Таким образом, установлено, что новая технология непре­
рывно-последовательной высадки позволяет получать утолщения
на трубах-заготовках лонжеронов вертолетов номинального диа­
метра 355 мм с необходимым качеством поверхности, что и явля­
ется одной из конечных целей настоящей работы. Кроме того,
успешное опробывание новой технологии высадки делает реаль­
ным освоение техпроцесса получения труб-заготовок лонжеронов
по однопереходной технологии.
3.5.2. Высадка в один переход
При расчете технологических параметров однопереходного
варианта высадки были приняты во внимание результаты пред10-255?
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
146
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
варительно проведенных экспериментов, а именно признано це­
лесообразным несколько увеличить коэффициент высадки, дове­
дя установленный наружный диаметр утолщения до 372 мм. Это
диктовалось следующими соображениями:
- при "свободной" высадке неизбежно образование незна­
чительных складок по длине утолщения из-за продольной разностенности заготовки;
- номинальные диаметральные размеры исходной заготов­
ки имеют определенные допуски;
- заготовка устанавливается на оправку, диаметр которой
на 4...5 мм меньше внутреннего диаметра трубы, и часть металла
уходит на выборку этого зазора.
Таким образом, незначительное повышение расчетного
диаметра над номинальным .установлено с целью компенсации
описанных погрешностей.
Высадка в один переход производилась с применением
специального индуктора по ранее разработанной технологии, ко­
торая была успешно опробована при высадке в роликовую мат­
рицу.
Параметры высадки в один переход:
- внутренний радиус трубы, мм
114
- наружный радиус трубы, мм
136
- заданный радиус утолщения, мм
186
- коэффициент высадки
3,12
- мощность на индукторе, кВт
135
- частота тока, Гц
600
Общее время высадки в среднем составило 1 час 45 минут.
В ходе высадки (рис. 3.38) наблюдалось стабильное течение
металла в зоне пластической деформации, после набора металла до
номинального диаметра процесс установился, скачков скорости
осаживающей траверсы и температуры зоны нагрева не отмечено.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
147
Рис. 3.38. Рабочая зона НВМ и индуктор во время вы­
садки в один переход (начальная стадия процесса)
После завершения формообразования, удаления и остыва­
ния изделий были проведены замеры полученных комлей в соот­
ветствии с принятой методикой.
3.7. Результаты экспериментальной высадки труб по
однопереходной технологии
Номер Мощность Общая дли­ Наружный ди­ Перепад наружно­
заго­ индуктора, на утолще­ аметр утол­ го диаметра, мм
товки кВт
ния, мм
щения, мм
1
135
260
362...370
8
2
135
270
363...372
9
3
135
277
362...372
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
148
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
На основании обработки полученных данных (табл. 3.7)
сделаны следующие обобщения:
- общая длина каждого из полученных утолщений состав­
ляет не менее 260 мм;
- наружный диаметр утолщения составил 362...372 мм на
длине не менее 200 мм;
- перепады диаметра плавные, складки, зажимы и переги­
бы волокна отсутствуют;
- на начальном (неустановившемся) участке утолщения на­
блюдался незначительный отход металла от оправки до макси­
мального диаметра, не превышающего 235 мм.
Общий вид одного из полученных утолщений приведен на
рис. 3.39.
Рис. 3.39. Утолщение, полученное высадкой в один
переход
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 3. Исследование процесса и совершенствование технологии и оборудования
для непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий
149
Таким образом, экспериментально установлена возмож­
ность стабильного получения утолщений на трубах переменного
сечения при использовании однопереходного варианта техноло­
гии, гибкой системы синхронизации и специального индукцион­
ного нагревателя. Достижение за один переход коэффициента
высадки, превышающего 3 единицы (в экспериментах - 3,12) от­
крывает широкие возможности по повышению производительно­
сти и расширению технологических возможностей непрерывнопоследовательного способа получения изделий переменного се­
чения.
Основные результаты проведенных исследований непре­
рывно-последовательной высадки с обкаткой приведены в пуб­
ликациях [140- 145].
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА И
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ХОЛОДНОЙ
ВАЛКОВОЙ ШТАМПОВКИ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ
ДЕТАЛЕЙ
4.1. Исследование процесса холодной валковой
штамповки с применением ПИП "ШТАМП" и
анализ полученных результатов
4.1.1. Постановка задачи теоретического
исследования
Разработка высокоинтенсивных технологий в области ОМД
требует глубокого теоретического анализа физических явлений и
процессов, происходящих внутри заготовки, а также на свободных
и контактных поверхностях в ходе совершения операции.
Рассмотрим процесс холодной валковой штамповки осесимметричных деталей. Задачей теоретического исследования
является моделирование процесса валковой штамповки при варь­
ировании различных технологических параметров, сравнение
результатов расчетов с опытными данными, оптимизация техно­
логических параметров и разработка новых технологий и обору­
дования для их реализации.
Схема валковой штамповки, рассматриваемая при модели­
ровании, представлена на рис. 4.1.
Формоизменение заготовки 1, имеющей исходную высоту
Н и диаметр d^, производят в роликовой матрице, включающей
вращающийся упор 2 и ролики 3, пуансоном 4 диаметром D„ с
углом торца а. Причем пуансон 4 и упор 2 вращаются совместно
с заготовкой 1 с угловой скоростью со2> а вращение роликов осу­
ществляется с угловой скоростью <оь связанной с «2 через соот­
ношение диаметров роликов и детали.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
151
Рис. 4.1. Схема валковой штамповки
Во время выполнения операции пуансон 4 совершает рабо­
чий ход вниз со скоростью v, производится прошивка с одновре­
менным обкатыванием заготовки 1 роликами 3 до полного фор­
мообразования детали.
4.1.2. Расчетная схема
Для исследования процесса валковой штамповки использу­
ется модель, представляющая собой половину сечения осесимметричной заготовки. При применении метода конечных элемен­
тов исследуемая модель дискретизируется, то есть представляет­
ся через дискретные сеточные или узловые точки, связанные
структурными элементами [105, 146]. Модель разбивалась на 300
узловых точек и 529 конечных элементов в виде треугольной
сетки, причем с целью получения более точных результатов сетка
в местах воздействия инструмента более густая, т. е. конечные
элементы мельче. Расчетная схема показана на рис. 4.2.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
152
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
Рис. 4.2. Расчетная схема
Заготовка 1 представлена линиями границ своего сечения,
инструменты - только их рабочими поверхностями: 2 - линия упо­
ра, 3 - два положения ролика (обкатывание и разгрузка), 4 - по­
ложение пуансона по мере деформирования.
4.1.3. Граничные условия
Для расчета были определены 3 последовательные зоны по
ходу вращения заготовки с различными граничными условиями
(см. рис. 4.3).
Рис. 4.3. Зоны с различными граничными условия­
ми по ходу вращения заготовки
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
153
Зона 1 - зона, в которой формоизменение заготовки проис­
ходит только под действием пуансона, причем внедрение пуан­
сона происходит за время половины оборота заготовки (при 2-х
роликовой схеме).
Граничные условия:
- для узлов, расположенных на оси заготовки, вследствие
осевой симметрии, запрещено горизонтальное перемещение;
- для узлов, расположенных на границе упора, запрещены
вертикальные перемещения;
- для узлов, расположенных на границе пуансона, запре­
щено перемещение внутрь инструмента.
После предварительного расчета рассматривали реакции в
узлах, расположенньгх на инструменте. Если в каком-либо из узлов
возникают реакции, направленные внутрь прошивня и упора, то
данный узел является условно свободным и может перемещаться в
вертикальном направлении, в том числе и в тело инструмента, что
противоречит граничным условиям. Тогда при повторном расчете
к данному узлу прикладывали силу, равную по величине и проти­
воположную по направлению возникающей в нем реакции, опре­
деленной предварительным расчетом (см. рис. 4.4).
V t
а
Д
\ R
—х
Рис. 4.4. Граничные условия на стадии прошивки
Зона 2 - зона накатывания ролика на сечение заготовки до
номинального диаметра, в связи с малостью этой зоны пуансон
допустимо считать неподвижным. Граничные условия:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
154
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
- для узлов, расположенных на оси заготовки, вследствие
осевой симметрии, запрещено горизонтальное перемещение;
- для узлов, расположенных на границе упора, запрещены
вертикальные перемещения;
- для узлов, расположенных на границе пуансона, запре­
щено перемещение внутрь инструмента.
Перемещение всех узлов на боковой поверхности заготов­
ки, вышедших при предыдущем шаге за пределы номинального
диаметра, задаем до этой величины. После пробного расчета рас­
сматриваем реакции в узлах. При возникновении в каком-либо
узле реакции внутрь считаем, что данный узел в результате нака­
тывания ролика не касался поверхности инструмента, и принима­
ем его условно свободным. При возникновении ситуации, когда
какой-либо узел "проваливается" внутрь пуансона, при следую­
щей попытке расчета задаем его принудительное перемещение
только до границы инструмента (см. рис. 4.5).
V
1
1
X
•dHOM
Рис. 4.5. Граничные условия на стадии обкатки
Зона 3 - зона разгрузки, откатывание инструмента (ролика)
от сечения заготовки. Перемещение пуансона также считаем ну­
левым. Ограничения на смещение узлов аналогичны зоне 2. К
узлам, расположенным на боковой поверхности, прикладываются
нагрузки, равные по величине и противоположные по направле­
нию реакциям, возникшим в них при расчете на предыдущем ша­
ге (см. рис. 4.6).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
155
Т7
Рис. 4.6. Граничные условия на стадии разгрузки
4.1.4. Исходные данные для моделирования
Заготовкой для валковой штамповки служит цилиндриче­
ская деталь простой формы, имеющая диаметр а*заг = 9 мм и вы­
соту Н= 6 мм со следующими свойствами:
- материал заготовки
латунь Л63;
- модуль упругости Е, МПа
9,8х 10 ;
- модуль сдвига G, МПа
3,6x10;
- коэффициент Пуассона v
0,35;
- предел текучести ат, МПа
130.
При моделировании варьировались следующие технологи­
ческие параметры процесса:
- диаметр пуансона, мм (соотношение диаметра прошивня
и диаметра заготовки D„ /d^): 1,8 (0,2); 4,5 (0,5); 7,2 (0,8);
- угол при вершине торца прошивня: а = 180 ; 120 ; 90 ;
- скорость внедрения прошивня: 0,16 мм/оборот; 0,32
мм/оборот; 0,64 мм/оборот.
4.1.5. Интерпретация результатов расчета
В результате расчета был проведен пошаговый анализ мо­
дели на различных стадиях деформирования с варьированием
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
156
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
технологических параметров, который выявил ряд особенностей
протекания процесса холодной валковой штамповки.
Так, уже на начальных стадиях расчета наблюдается появ­
ление локальной зоны максимальных деформаций (а значит и
упрочнения), расположенной под пуансоном в виде купола. На
рис. 4.7 представлена схема развития очага пластической дефор­
мации на стадии прс шивки пуансоном с плоским торцом.
I
т
2
3
L
dH
_
.
„
_
__
ц
d
Рис. 4.7. Схема развития очага пластической де­
формации на стадии прошивки пуансоном с пло­
ским торцом
Развитие очага пластической деформации начинается у
кромки пуансона (линия 1 - граница очага пластической деформа­
ции). По мере внедрения пуансона граница расширяется в направ­
лении вниз и к оси заготовки (линия 2), формируя в дальнейшем
куполообразную зону пластической деформации (линия 3). Внутри
купола у середины торца прошивня остается упругая зона А за­
трудненного деформирования.
При дальнейшем деформировании очаг пластической де­
формации достигает дна заготовки (линия 4), а затем и боковой
поверхности (линия 5). При этом зона Л постепенно вырождается.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
157
При накатывании ролика на боковую поверхность заготов­
ки интенсивность напряжений под пуансоном уменьшается, ма­
териал переходит в упругое состояние и начинается формирова­
ние новой зоны пластической деформации (рис. 4.8).
Рис. 4.8. Схема развития очага пластической де­
формации на стадии обкатки, торец пуансона
плоский
Ролики деформируют заготовку от максимального диамет­
ра d\ до номинального dH (d5). При этом граница этой зоны рас­
ширяется от кромки пуансона до боковой поверхности дна и до­
ходит до оси (линии 1-5).
Величина этой зоны зависит от разницы d\ и d„. На значе­
ние d\ влияет глубина внедрения пуансона за цикл, т. е. соотно­
шение скоростей прошивки и обкатки (рис. 4.9).
При моделировании процесса валковой штамповки цилин­
дрической заготовки при различных соотношениях скоростей
получены результаты, показанные на рис. 4.9, а. При увеличении
относительной скорости прошивки размер очага пластической
деформации (на рисунках более темная область) увеличивается,
т. е. процесс деформирования приобретает менее локальный ха­
рактер.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
158
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
0,16 мм/об (1)
мм A
,68
4
4
2
2.
0
0
5,68
4
' \Ш\
5,68
4
2
2
rnf^^-T:
/
2,8
till tpta
''!VvN-:
4.9.
"', Ч Ч Ч : ; - Е
MM
п^т
-
5,68
! i
P/
0
0,18
5,68
4
/
n
Рис
MM
MM 1i
мм ' i
U мм
U мм
U мм
5,6
0,64 мм/об (3)
0,32 мм/об (2)
24-
/
/
2,8
1
4
0
0,22
Напряженно-деформированное
2,8
0,29
состояние
заготовки при различных относительных скоростях
прошивки:
а - очаг пластической деформации и векторы течения металла
(стадия прошивки); б - изолинии относительной интенсивности
напряжений (стадия прошивки); в - очаг пластической дефор­
мации и векторы течения металла (стадия обкатки); г - изоли­
нии относительной интенсивности напряжений (стадия обкат­
ки); д - изолинии относительного упрочнения (стадия обкатки)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
0,16 мм/об (1)
0,32 мм/об (2)
ЦММ
5,68
0,18
Д
Рис. 4.9. (Продолжение)
ц мм
159
0,64 мм/об (3)
ЦММ
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
160
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
От кромки пуансона в направлении оси заготовки наблю­
дается появление и развитие зоны максимального упрочнения в
виде "купола". Куполообразная форма зоны упрочнения является
следствием возникновения максимальных деформаций в этой
области (рис. 4.9, б).
Направление перемещения металла на стадии обкатки роли­
ками по сравнению со стадией свободного деформирования пуан­
соном меняется почти на обратное (рис. 4.9, в), при этом отмечает­
ся дальнейшее развитие куполообразной области упрочнения
(рис. 4.9, д) в следствие того, что максимальная интенсивность на­
пряжений наблюдается именно в этой зоне (рис. 4.9, г). При отно­
сительно малых соотношениях D„ /d3a, (порядка 0,2) наиболее ин­
тенсивное течение металла наблюдается в направлении оси заго­
товки, особенно вдоль поверхности ролика (рис. 4.10).
И, мм
1
**
7 • глуб riHa внедрения •" ,-^
пуансона, мм
-*>{ЗР^-
»
стадия прошивки
стадия обкатки
1. 1
111
6 •
0,4
0,96
5
•
4
-
1,44
1,92
^
з2
•
1 '
0
г, мм
Рис. 4.10. Изменение контура заготовки при обкатке, то­
рец пуансона плоский, D„ /</заг = 0,2, относительная ско­
рость прошивки 0,32 мм/об
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4 Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
161
На характер течения металла, кроме соотношения D„ /d^,
большое влияние оказывает также форма торца пуансона. Это
хорошо видно из серии рисунков 4.11, а, на которых показаны
очаги пластической деформации (затемненная область) и вектора
перемещений узлов конечной элементной сетки при прошивке с
различными углами конуса пуансона.
На стадии прошивки пуансоном с углом при вершине 90 наи­
более интенсивное течение металла наблюдается в верхней части
изделия. Практически отсутствуют перемещения в осевом направле­
нии и по поверхности упора. При прошивке пуансоном с углом ко­
нуса 180 возникает обратная ситуация - перемещение металла про­
исходит преимущественно в осевом направлении из-под пуансона.
Также наблюдается активное радиальное течение металла по по­
верхности упора, что приводит к значительному формоизменению
заготовки в нижней ее части. При использовании пуансона с углом
конуса 120 наблюдается промежуточная картина.
Распределение интенсивности напряжений (рис. 4.11, б) на
стадии прошивки так же зависит от формы торца пуансона. Так,
при увеличении угла конуса от 90 до 180 зона наибольшей
интенсивности смещается из под торца пуансона, захватывая все
большую область, и при угле конуса 180 формируется в виде
купола наибольших напряжений.
Форма торца пуансона оказывает существенное влияние на
упрочнение материала на стадии обкатки (см. рис. 4.11, д). Так,
при угле конуса 90 упрочнению подвергается в большей степени
верхняя часть заготовки, особенно материал непосредственно
под пуансоном. При увеличении угла конуса до 120 у боковой
поверхности заготовки материал упрочняется более интенсивно,
и наблюдается формирование "купола" в осевой части заготовки.
В случае деформирования пуансоном с углом конуса 180 упроч­
ненный купол ярко выражен, наибольшее упрочнение возникает
у кромки пуансона, а непосредственно под пуансоном образуется
11-255?
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
i 62
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
120° (2)
U, мм
180°(3)
U мм
A 0.1вР>-^.
4 72^
6|
4 724- d
3,5
/
1,8
Рис 4.11. Напряженно-деформированное состояние заго­
товки при различных формах торца пуансона:
а - очаг пластической деформации и векторы течения металла
(стадия прошивки); б - изолинии относительной интенсивности на­
пряжений (стадия прошивки); в - очаг пластической деформации и
векторы течения металла (стадия обкатки); г - изолинии относи­
тельной интенсивности напряжений (стадия обкатки); д - изолинии
относительного упрочнения (стадия обкатки)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
90°(1)
120°(2)
180°(3)
U, мм
U, мм
U, мм
0,16 f;
0,25
мм ^
мм Л
s?k
6.
4,72;-
/::-::-<^Ш
till
4,72;-
г-
2 -
о
0
х Ч
й1
4,724^
0
3,4
1,8
d ^
4/72
!
\\
\
2
ГУ
0
s
/
'
2^
ft
/
1
1
WW1
Рис. 4.11. (Продолжение)
2,1
6
6-
1,8
3,3
мм ^\
ММ 1 i
/
X
6
2
"1
1
п
4 72 J
'ж^:;:-.::.:-:
4 72;-
,^\
2
3,5
6
мм
^~
|
6
4 72;
/
мм h.
0 1 )
мм /\
64 72;- /1
163
3,4
1
I I
1,8
3,3
2,2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
164
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
зона затрудненного течения металла и, следовательно, меньшего
упрочнения.
Процесс прошивки вообще характеризуется постоянством
силы на установившейся стадии, что объясняется постоянством
объема металла, охваченного пластическим деформированием.
Это правомерно и для процесса валковой штамповки: по мере
деформирования зона максимальных деформаций остается неиз­
менной. Кроме того, наблюдается развитие зоны интенсивного
упрочнения у боковой поверхности заготовки в нижней ее части,
что характеризует все большее влияние обкатки на формоизме­
нение заготовки. Картина изолиний интенсивности напряжений
(рис. 4.11, г) подтверждает данные результаты.
Исследовано также влияние соотношения D„ /d^ на напря­
женно-деформированное состояние металла при валковой штам­
повке (рис. 4.12). Так, на стадии прошивки при соотношении
Dn/djae = 0,2 (рис. 4.12, а) очаг пластической деформации распо­
ложен в основном в центральной части заготовки под пуансоном,
прослеживается также его развитие к боковой поверхности заго­
товки в нижней ее части. Формоизменение в основном идет в
сторону увеличения высоты заготовки. При увеличении соотно­
шения D„ /djas от 0,2 до 0,5 объем заготовки, охваченный пласти­
ческой деформацией, увеличивается, в результате чего происхо­
дит изменение как высоты, так и все в большей степени диаметра
заготовки.
В случае дальнейшего увеличения отношения D„ /d^ до 0,8
очаг пластической деформации в еще большей степени смещает­
ся к боковой поверхности заготовки, а в центральной ее части
вблизи упора формируется зона затрудненной деформации.
От соотношения D„ /d^ напрямую зависит упрочнение мате­
риала. На серии рисунков 4.12, б видно, что при D„ /d^ = 0,2 наи­
более упрочненная область сосредоточена под пуансоном в виде
купола, а при увеличении соотношения D„ /d^ до 0,5 упрочнению
подвергается металл уже и у боковой поверхности заготовки. При
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
165
соотношении диаметров 0,8 зона максимального упрочнения раз­
вивается только в направлении боковой поверхности заготовки. На
стадии обкатки отмеченные явления приобретают все более ярко
выраженную форму, что подтверждается серией рисунков 4.12, д и
4.12, г.
При анализе модели процесса валковой штамповки обна­
ружено явление отрыва дна заготовки от поверхности упора
(рис. 4.13, а и 4.13, б), которое имеет место как при различных
соотношениях D„ /d^, так и при различной форме торца пуансо­
на, что в дальнейшем будет подтверждено также и эксперимен­
тальными данными. Это объясняется возникновением растяги­
вающих напряжений, превышающих предел текучести, в осевой
области заготовки.
В целом можно сделать вывод, что при валковой штампов­
ке, независимо от величины относительной скорости прошивки и
обкатки и других технологических параметров процесса, упроч­
нение металла под пуансоном всегда выше, чем в зоне обкатки
роликами в отличие от дискретных методов нагружения и косовалковой прокатки, что является весьма важным фактором для
изготовления деталей при значительном формоизменении заго­
товки. Кроме того, дискретно-непрерывное нагружение позволя­
ет интенсифицировать перемещение металла в заданном направ­
лении и, следовательно, активно влиять на заполнение полости
инструмента.
Пошаговый анализ математической модели с применением
ППП "ШТАМП", кроме исследования напряженно-деформиро­
ванного состояния заготовки на различных стадиях нагружения,
позволяет получить данные, необходимые для проектирования и
расчета формообразующего инструмента - роликов, пуансонов и
т.д. В частности, на рис. 4.14 показаны эпюры изменения рас­
пределения радиальных напряжений на боковой поверхности за­
готовки (а, соответственно, и на контактной поверхности ролика)
в зависимости от глубины внедрения прошивного пуансона, а на
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
166
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
D„ld3a; =0,2(1)
мм
D„/dw=0,5
(2)
D„ld3a, =0,8(3)
I I ММ
цмм
U мм
5,36
5,36
4
4
мм
ММ
/i
5,36"
- ..-тГ"
5,36:7
4
4
^
2-
2
У
о
('
0
2,9
1,4
Рис. 4.12. Напряженно-деформированное состояние заго­
товки при различных соотношениях DJd^.
а - очаг пластической деформации и векторы течения металла
(стадия прошивки); б - изолинии относительной интенсивности на­
пряжений (стадия прошивки); в - очаг пластической деформации и
векторы течения металла (стадия обкатки); г - изолинии относи­
тельной интенсивности напряжений (стадия обкатки); д - изолинии
относительного упрочнения (стадия обкатки)
1,6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
А/<4,,=0,2(1)
ДЛ4„=0,5 (2)
167
Д/<4*=0,8 (3)
U, мм
0,1/
U, мм
U, мм
мм
5,36—
4-
8^
мм / \
мм
5,36-
МЛ
^
VJ
JW
4
2
0
\
1
1,6
мм
мм
мм
5,36;: р^Г
4
Ц
2-
ч
О
i,6
Рис. 4.12. (Продолжение)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
168
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
ММ
4,28
'•'-.••.».«ISSi ; №!?i
;;:>;::::;;;i;;:*;:i;;:iS*i:i;
2
0,09
О
мм
4
• -zrm
U, мм
2
<
I
0,08
0
Рис 4.13. Изменение формы запхговкн и векторы
перемещений на стадии разгрузки:
а - торец пуансона конический с углом 120°, стадия разгрузки,
D /d = 0,5; б - торец пуансона плоский, стадия разгрузки,
D/d
=0,8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
й, мм
<dS
Глубина внедрения
пуансона, мм:
1 - 0,48
2 - 0,96
3 - 1,44
4 - 1,92
i
7
5
4
3
2 1-
0
-0,5
-1,5
-2 -2,5 Ог/оя
Рис 4.14. Изменение эпюр распределения радиальных
напряжений на боковой поверхности заготовки в зави­
симости от глубины внедрения прошивного пуансона
(угол торца 180, DJd^ = 0,2, относительная скорость
прошивки 0^2 мм/об)
<у°»>
Глубина внедрения
пуансона, мм:
1 - 0,48
2 - 0,96
3 - 1,44
4-1,92
У
25
2
1,5
1
^^~--г:
0,5
0
У-
1
1
4 \-
1
1
1
1
1
т~
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 г, мм
Рис. 4.15. Изменение эпюр нормальных напряжений
на торцевой поверхности пуансона в зависимости от
глубины внедрения (угол торца 180 , Dn /d^ = 0,2, от­
носительная скорость прошивки 0,32 мм/об)
169
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
170
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
рис. 4.15 - осевых напряжений на торцевой поверхности пуансо­
на, величина которых зависит также и от формы торца пуансона
(рис. 4.16).
4
3,5
Угол конуса пуансона:
1 -180°
2 -120°
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 г, мм
Рис. 4.16. Изменение эпюр вертикальных напряже­
ний на торцевой поверхности пуансона в зависимо­
сти от угла конуса пуансона (глубина внедрения пу­
ансона 1,6 мм, Dn/d3tu = 0,2, относительная скорость
прошивки 0,32 мм/об)
4.2. Разработка технологии для изготовления
различных типов осесимметричных деталей
Для производства различных типов осесимметричных де­
талей методом валковой штамповки разработан ряд технологий.
Так, для изготовления деталей со ступенчатой наружной поверх­
ностью в качестве исходной заготовки используют цилиндриче­
ский пруток из пластичного материала [147].
Пруток предварительно разрезается на мерные заготовки.
Качество готового изделия зависит от точности мерной заготов­
ки, поэтому необходимо обеспечить:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
171
- точность дозирования;
- параллельность торцов заготовки;
- перпендикулярность торцов и боковой поверхности.
Технологическая схема способа заключается в следующем
(рис. 4.17).
Рис. 4.17. Схема к способу изготовления деталей со
ступенчатой наружной поверхностью
Подготовленную штучную заготовку 4 устанавливают на
упор 9. При последующем подведении верхней плиты 3 произво­
дят установку роликов 5, содержащих заходной и калибрующий
участки, посредством перемещения вилок 6 относительно ниж­
ней плиты 7, причем ролики выполнены ступенчатыми, с количе­
ством ступеней, равным ступеням получаемой детали, а длина
заходного их участка не меньше длины калибрующего; одновре­
менно с началом деформирования с силой Р производят включе­
ние двигателя 10, обеспечивающего вращение упора и, следова­
тельно, заготовки, пуансона 1 и роликов.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
172
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
Под действием силы пуансона металл заполняет калибр ро­
ликовой матрицы. Формообразование прекращается при переме­
щении пуансона на ход Л, соответствующий длине заходного
участка роликов, равной, по крайней мере, длине калибрующего
участка. По достижении заданных размеров изделия отключают
подачу пуансона, после чего посредством вилок отводят ролики и
извлекают деталь. Используя данную технологию, можно полу­
чать многоступенчатые детали за одну операцию.
Для получения деталей переменного диаметра из цилинд­
рических заготовок к описанному выше устройству с осевым об­
жимающим усилием и приводом вращения заготовки разработана
роликовая матрица [148], содержащая контактирующие с заго­
товкой ролики с заходным и калибрующим участками, насажен­
ные на оси и закрепленные в корпусе параллельно оси заготовки
с возможностью регулировочного радиального перемещения;
ролики выполнены ступенчатыми с количеством ступеней, рав­
ным ступеням получаемой детали, а длина заходного их участка
не меньше длины калибрующего (рис. 4.18).
Рис. 4.18. Общий вид роликовой матрицы, установ­
ленной в устройстве
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
173
При использовании данного устройства происходит выдав­
ливание металла заготовки в осевой зазор между пуансоном и заходным участком матрицы вследствие значительного уменьшения
контактных сил трения в заходном участке. При этом уменьшается
коэффициент использования металла и возникает необходимость
удаления заусенца с торцевой поверхности детали.
Устройство с роликовой матрицей содержит пуансон 1, ка­
либрующий участок матрицы выполнен в виде роликов 2, вра­
щающихся на осях 3 и установленных на ползунах 4. Ползуны 4
установлены на нижней плите 5 с возможностью радиального
перемещения относительно оси заготовки 6. В нижней плите 5
соосно пуансону 1 установлен упор 7, обеспечивающий враще­
ние заготовки 6. Заходный участок матрицы выполнен в виде ци­
линдрической втулки 8, установленной в неподвижном корпусе 9
на упорных подшипниках 10 и 11.
Со стороны пуансона 1, выполненного с диаметром do, рав­
ным диаметру цилиндрической заготовки и внутреннему диамет­
ру втулки d\, длина заходного участка матрицы, по крайней мере,
равна длине той части заготовки 6, металл которой может быть
смещен при штамповке в калибр роликовой матрицы, образуе­
мый путем относительного вращения роликов 2 вокруг оси заго­
товки.
Устройство с роликовой матрицей работает следующим
образом.
Подготовленную заготовку 6 устанавливают на упор 7 таким
образом, что ее верхняя боковая поверхность контактирует с заходным участком матрицы - цилиндрической втулкой 8, а торце­
вая - с пуансоном 1. Установку роликов 2 производят посредством
перемещения ползунов 4 относительно нижней плиты 5. Одновре­
менно с началом деформирования усилием Р производят включе­
ние двигателя, вращающего упор 7, и, следовательно, заготовку 6,
пуансон 1, ролики 2 и цилиндрическую втулку 8. Вращающийся с
частотой со пуансон 1 под действием силы Р имеет возможность
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
174
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
вертикального перемещения в цилиндрической втулке 8, опираю­
щейся фланцем через упорный подшипник 10 на корпус
9.Выдавливание металла в осевой зазор между пуансоном 1 и ци­
линдрической втулкой 8 вследствие значительного увеличения
контактных сил трения в заходном участке не происходит. Металл
под давлением заполняет калибр роликовой матрицы. По достиже­
нии заданных размеров изделия включают подачу пуансона 1 и
вращение упора 7, после чего посредством ползунов 4 отводят ро­
лики 2 и извлекают деталь.
Количество роликов для работы роликовой матрицы значе­
ния не имеет.
В качестве привода для перемещения ползунов, в которых
установлены ролики, может быть использован любой из извест­
ных механизмов - гидравлический, механический, гидропневма­
тический и др.
Для изготовления сплошных ступенчатых деталей может
быть также применено устройство для штамповки с обкаткой
[149] (рис. 4.19).
Рис. 4.19. Общий вид устройства для штамповки с об­
каткой
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
175
Устройство содержит установленный в направляющих 1
ползун 2 для передачи осевого усилия Р на пуансон 3, установ­
ленный в подшипниках 4, а также приводной посредством двига­
теля 5 и передачи 6 упор 7. Формообразующий инструмент изго­
товлен в виде ролика 8, на внутренней поверхности которого вы­
полнен рабочий профиль, соответствующий профилю изделия.
Ролик 8 установлен посредством подшипника 9 в корпусе 10,
имеющим возможность перемещения в направляющих 11 в сто­
рону изменения эксцентриситета е посредством механизма 12,
при этом ось вращения заготовки 13 совмещена с осью вращения
упора 7.
Устройство работает следующим образом. Заготовку 13 ус­
танавливают в полость ролика 8 на упор 7. В этом положении ось
вращения заготовки совмещается с осью вращения упора. Далее
посредством механизма 12 производится подведение ролика 8 к
заготовке 13 до касания с ее боковой поверхностью. Пуансон 3
подводится к заготовке внутри ролика 8 и воздействует на заго­
товку с усилием Р. Одновременно с касанием пуансона заготовки
производится включение двигателя 5 и посредством передачи 6
осуществляется вращение упора 7, а следовательно, заготовки 13
и пуансона 3. По мере опускания ползуна 2 под воздействием
усилия Р происходит заполнения ролика 8, вращающегося в кор­
пусе 10. При этом производится перемещение корпуса 10 меха­
низмом 12 в сторону уменьшения эксцентриситета 4. При дости­
жении заданных размеров изделия производится отключение
всех механизмов, подъем ползуна 2 и пуансона 3, а затем извле­
чение поковки из полости ролика 8. Для улучшения передачи
момента вращения заготовке 13 на упоре предусмотрен захват 14,
который выполнен в виде квадратного углубления. При изготов­
лении деталей с фланцем в центральной или нижней части необ­
ходимо для ее извлечения из ролика 8 выполнить в направлении
удаления поковки наименьший диаметр рабочей поверхности
ролика больше, чем наибольший диаметр поковки.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
176
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
Для получения ступенчатых по наружной поверхности из­
делий со сквозным осевым отверстием предложен способ [150],
который заключается в следующем (рис. 4.20).
Рис. 4.20. Схема способа изготовления ступенчатых
по наружной поверхности изделий со сквозным осе­
вым отверстием
Заготовку 1 подают в зону обработки до упора 2, проши­
вают центральное отверстие внутренним пуансоном 3 с усилием
Pi со стороны калибрующих участков роликов 4, сводя при этом
ролики с усилием Р^, вращающиеся с угловой скоростью о>2- За­
тем со стороны заходных участков роликов осуществляют осадку
заготовки внешним пуансоном 5, перемещаемым с усилием Рз до
полного оформления наружного рельефа получаемого изделия.
Для производства деталей с полостью разработано устрой­
ство [151] (рис. 4.21), в котором верхняя плита содержит дефор­
мирующий узел в виде пуансонов выдавливания 5 и осадки 4.
Роликовая матрица представлена в виде вращающегося упора 2 и
роликов 3, которые вращаются с угловой скоростью coj. Пуансо­
ны осадки и выдавливания вращаются совместно с заготовкой 1 с
угловой скоростью ©2-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
177
Рис. 4.21 Схема способа изготовления осесиммет­
ричных изделий с полостью методом валковой
штамповки:
А - прошивка с одновременным обкатыванием заготовки в
роликовой матрице; Б - осадка с обкатыванием в этой же ро­
ликовой матрице до полного формообразования изделия
На одной позиции выполняют две операции: операцию А прошивка с одновременным обкатыванием заготовки 1 высотой
Но в роликовой матрице, и при дальнейшем перемещении инст­
румента операцию Б - осадка с обкатыванием в этой же ролико­
вой матрице до полного формообразования изделия. После вы­
полнения операции А перемычка имеет толщину h и заготовка высоту Н\, а после операции Б перемычка имеет толщину t2 и из­
делие высоту #2, причем Н\ > Нг и Л > t2. Передача крутящего
момента от матрицы к заготовке не требует специального креп-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
178
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
ления последней. Вращение заготовки обеспечивается силами
контактного трения между торцом заготовки и матрицей, возни­
кающими при приложении деформирующей силы от пуансонов.
За счет возможности производить формоизменение заго­
товки на позиции прошивки внутренней полости с одновремен­
ным обкатыванием и последующей осадкой на данной позиции
величина пластического деформирования и смещенные объемы
металла на последующих позициях малы, как малы и необходи­
мые силы деформирования. Это позволяет, в случае необходимо­
сти, вести доработку заготовки до требуемой точности и разме­
ров на последующих операциях обработки.
Валковая штамповка позволяет также получать высокие тон­
костенные изделия типа гильзы или стакана на одной позиции об­
работки [ 152] (рис.4.22), в то время как традиционной технологией
изготовления таких деталей является многопереходная вытяжка с
утонением стенки, иногда требующая межоперационного отжига.
Отрезанную штучную заготовку предварительно подвер­
гают калибровке торцов с образованием наметки под глухое от­
верстие с толщиной дна, равной толщине дна готового изделия.
Подготовленную таким образом заготовку обрабатывают
способом валковой штамповки. Процесс формообразования заго­
товки 1 диаметром dm, производят в роликовой матрице на упоре
2 в роликах 3, вращаемых в противоположных направлениях с
угловой скоростью со,. Пуансоны 4 и 5 осадки и прошивки соот­
ветственно вращают совместно с заготовкой и упором с угловой
скоростью а>2. Посредством направляющих 6 заготовку удержи­
вают в зоне деформации. Пуансон прошивки устанавливают по
наметке, фиксируют его до полного формообразования заготовки
и выполняют две операции: А и Б.
Операция А (рис. 4.22, А) - формообразование высокой стен­
ки стакана. При этом синхронно перемещают к центру вращения
заготовки обкатывающие ролики с силой Q и направляющие 6 до
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
179
Рис. 4.22. Схема способа изготовления деталей с высо­
кой стенкой стакана:
А - формообразование высокой стенки стакана; Б - осадка стенки
достижения заготовки до диаметра d, меньшего с1заг. Обкатываю­
щие ролики перемещают относительно пуансона прошивки только
в направлении, перпендикулярном его оси. При этом интенсивное
течение металла имеет место в поверхностных слоях формируемой
стенки стакана по обкатываемой поверхности заготовки, которое
является следствием локального нагружения металла обкатываю­
щими роликами, а контактные силы трения на поверхности между
заготовкой и роликовой матрицей малы, течение металла по по12 -25S?
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
180
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
верхности пуансона 5 невелико, так как относительно заготовки
пуансон 5 не перемещается, и частота вращения а>2 у них одинако­
ва. Поэтому и в данном случае контактные силы трения невелики.
Операция Б (рис. 4.22, Б) - осадка стенки стакана пуансо­
ном 4 с обкатыванием в этой же роликовой матрице до полного
формообразования изделия. После выполнения операции А заго­
товка имеет высоту Нх, а после операции Б готовое изделие имеет
высоту Нг, причем Н\ > НгТаким образом, изготовление полых осесимметричных де­
талей с высокой тонкой стенкой возможно в результате возник­
новения очагов пластической деформации в поверхностных сло­
ях заготовки.
Для изготовления полых тонкостенных деталей также мо­
жет быть использован способ, включающий в себя получение
мерной заготовки и последующее ее деформирование в ролико­
вой матрице (рис. 4.23).
vi |
4
1
iy2
Рис. 4.23. Схема способа изготовления полых тонко­
стенных деталей
Формообразование при этом осуществляют путем встреч­
ного перемещения упора и пуансона с различной линейной ско­
ростью, причем, варьируя эти скорости, добиваются получения
различных сооношений высоты фланца и толщины перемычки.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
181
Так, при нулевой скорости пуансона фланец минимальный, а при
нулевой скорости упора высота фланца максимальна, а толщина
перемычки минимальна.
В процессе деформирования обкатывающие ролики могут
перемещаться в радиальном направлении, что позволяет полу­
чить сложный профиль боковой поверхности изделия; одновре­
менно ролики осуществляют подпор боковой поверхности заго­
товки, обеспечивая ее устойчивость.
Способ осуществляют следующим образом. Мерную заго­
товку 1 устанавливают в роликовую матрицу на упор 2, затем
подводят ролики 3, установленные с возможностью вращения
вокруг своей оси . Деформирование начинают путем встречного
перемещения пуансона 4 и упора 2 с линейными скоростями v, и
v2 соответственно, одновременно вращая их совместно с заготов­
кой 1 с угловой скоростью со . Формообразование стенки гильзы
осуществляют раскаткой металла выдавливаемого в зазор между
пуансоном 4 и роликами 3 в осевом направлении, вращение рот
ликов 3 обеспечивают за счет возникающих сил трения с заго­
товкой. Кроме того, в процессе деформирования ролики 3 пере­
мещают так, чтобы получить требуемый профиль наружной по­
верхности изделия.
Метод валковой штамповки может сочетается с другими ви­
дами обработки металлов, в частности, с литьем [153] (рис. 4.24).
Блок инструментов 1 устанавливают в исходное положе­
ние, соответствующее размеру детали вдоль оси. Сводят до обра­
зования замкнутого контура секции 2 литейной формы. Затем
расплавленный металл подают в литейную форму.
После затвердевания металла (хотя бы по наружной по­
верхности) в литейной форме секции матрицы перемещают в ра­
диальном направлении от центра. Включают привод вращения
платформы 3 и сводят инструмент радиального деформирования
(ролики 4) до соприкосновения с поверхностью заготовки. Затем
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
182
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
Рис. 4.24. Схема технологии изготовления деталей
методом валковой штамповки из отливки
заготовку деформируют подаваемым в осевом направлении про­
шивнем 5 на величину меньшую, чем размер изготавливаемой
детали по оси, формируя наметку под отверстие и вытесняя ме­
талл в "выдру". После этого ролики 4 перемещают в радиальном
направлении до конечного положения, соответствующего задан­
ному диаметру изготавливаемого изделия. При перемещении ро­
ликов в радиальном направлении и вращении их вокруг заготов­
ки прорабатывают литейную структуру металла периферийной
части отливки и вытесняют избыток металла в окно упора 6. Ме­
талл по боковой поверхности заготовки в результате непосредст­
венного и периодического воздействия роликами прорабатывают
и деформируют пластически, устраняя рыхлости, газовые пузы­
ри, пустоты и другие дефекты. Затем инструментом, подаваемым
в осевом направлении (пуансоном 7) деформируют заготовку на
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
183
заданный размер, а прошивнем 5 выполняют сквозную прошив­
ку. Избыток металла при прошивке удаляют через окно упора.
Ролики 4 разводят в радиальном направлении, выключают при­
вод платформы 3 и удаляют готовое изделие.
Разработанные технологии значительно расширяют об­
ласть применения валковой штамповки.
4.3. Разработка экспериментальной установки
холодной валковой штамповки
Для реализации предложенных вариантов холодной валко­
вой штамповки осесимметричных деталей было составлено тех­
ническое задание на разработку и изготовление эксперименталь­
ной установки валковой штамповки. При составлении техниче­
ского задания учитывались следующие требования:
- в качестве детали-представителя для экспериментальных
исследований была выбрана деталь "штуцер термодатчика"
(рис. 4.25);
Рис. 4.25. Штуцер термодатчика
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
184
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
- конструкция установки должна быть максимально при­
ближена к промышленному образцу (т. е. оснащена всеми вспо­
могательными устройствами) с тем, чтобы после модернизации
она могла быть использована в производстве;
- установка должна монтироваться на гидропрессе ДВ 2428А
усилием 630 кН, а также после доработки и модернизации - на прес­
се Д 2430Б усилием 1000 ;
- кроме того, при конструировании учитывались требова­
ния простоты, надежности, удобства эксплуатации, наладки и об­
служивания.
На деталь-представитель была-разработана оригинальная
технология ее изготовления, включающая, кроме обычных опе­
раций холодной объемной штамповку^ и валковую штамповку,
как основную формообразующую операцию.
4.3.1. Описание экспериментальной установки
В соответствии с технологическим заданием был разрабо­
тан проект и осуществлено изготовление, монтаж и наладка экс­
периментальной установки холодной валковой штамповки [154].
Общий вид установки на гидропрессе ДВ 2428А показан на
рис. 4.26, схема установки приведена на рис. 4.27.
Установка содержит верхнюю плиту 1 и нижнюю плиту 2.
На них закреплены на позиции валковой штамповки формообра­
зующий инструмент в виде блока пуансонов 3, установленного на
верхней плите, узла упора 4 и двумя роликовыми узлами 5, уста­
новленными на нижней плите (см. рис. 4.28).
Блок пуансонов снабжен концентричными осями вращения
заготовки пуансоном выдавливания 6 (рис. 4.27) и пуансоном осадки
7, который установлен с возможностью вертикального перемещения
относительно блока 3 на высоту Н. Вертикальное перемещение пу­
ансона осадки 7 осуществляется пружиной 8 и ограничено втулкой
9, и гайкой 10. Блок пуансонов соединен через ременную
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
Рис. 4.26. Экспериментальная установка, смонтиро­
ванная на прессе ДВ 2428А
185
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
• 186
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
д-1
Рис. 4.27. Схема экспериментальной установки хо­
лодной валковой штамповки
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
, iaea4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
187
Рис. 4.28. Нижняя плита с блоками упора и роликов
передачу 11 с электродвигателем 12 (см. рис. 4.29), а так же сна­
бжен ограничителями размыкания клещевого захвата 13, выпол­
ненными в виде клиньев 14. Роликовые узлы оснащены роликами
15 и 16 и соединены через цепную передачу 17 с индивидуаль­
ным приводом 18 (см. рис. 4.30). Клещевые захваты снабжены
пружинным механизмом 19 замыкания рабочих губок 20, ширина
которых меньше расстояния между роликами. На мостовой балке
21 нижней плиты 2 установлен соединенный с байонетным меха­
низмом 22 и обгонной муфтой 23 транспортный ротор 24, с вы­
полненными на нем по положению позиции клещевыми захвата­
ми 13 (см. рис. 4.31).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
Рис. 4.29. Привод блока nyaiICOHOB
iА
1
%
1
F"' 1
Я
•
я»
*
,>
i
\
-
|МГ* ' "--^Ч
t
5
Рис. 4.30. Привод вращения роликов
^J
I
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
Рис. 4.31. Транспортный ротор с к^ешевыми захватами
Рис. 4.32. Узел накатки с индивидуальным приводом
189
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
190
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
Кроме транспортного ротора, в комплект установки был
разработан и изготовлен узел накатки наружной резьбы с инди­
видуальным приводом, работающий в едином цикле со всей ус­
тановкой (см. рис. 4.32).
В соответствии с техническим заданием на установку был
разработан и изготовлен оригинальный штамп для отрезки от
прутка заготовок длинной меньше диаметра. На конструкцию
штампа получено 3 авторских свидетельства [155-157].
4.3.2. Работа экспериментальной установки
Предварительно изготовленные мерные цилиндрические
заготовки устанавливаются поштучно при выключенном обору­
довании в клещевые захваты 13 транспортного ротора 24 (см.
рис. 4.31). Затем включаются индивидуальные приводы 12 и 18,
вращающие соответственно пуансоны выдавливания 6 и осадки
7, а также формообразующие ролики 15 и 16 посредством соот­
ветственно ременной передачи 11 и цепной передачи 17.
Байонетный механизм 22 и обгонная муфта 23 выполнены
так, что при ходе верхней плиты 1 вниз транспортный ротор 24
неподвижен и точно выставлен относительно позиции валковой
штамповки. При ходе верхней плиты 1 вверх байонетный меха­
низм 22 поворачивает ротор 24 на центральный угол а = 360 In, где
п - число условных позиций на установке (в данном случае и = 6и
а = 60 ). При движении верхней плиты 1 вниз мерная заготовка
подается транспортным ротором 24 при помощи клещевых захва­
тов 13 на позицию валковой штамповки между вращающимися
роликами 15 и 16 (см. рис. 4.33), где и совершается ее формоизме­
нение. Таким образом, цикл движения верхней плиты соответству­
ет повороту ротора на угол а = 60 и формообразованию одного
изделия.
При ходе верхней плиты 1 вниз ограничители размыкания
клещевого захвата 13, выполненные в виде клиньев 14, центрируют
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
191
Рис. 4.33. Транспортирование заготовки на позицию
валковой штамповки
заготовку относительно оси упора 4 и блока пуансонов 3. С момента
соприкосновения заготовки с вращающимся пуансоном 6, упором 4,
роликами 15 и 16 до окончания формообразующей операции на по­
зиции валковой штамповки заготовка вращается вокруг вертикаль­
ной оси, причем средняя линейная скорость на ее боковой поверхно­
сти и торцах равна средней линейной скорости на поверхностях и
торцах формообразующего инструмента. Затем металл заготовки
под воздействием пуансона выдавливания 6 перемещается в ради-,
альном направлении, заполняя калибр роликов 15 и 16 и вытесняется
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
;92
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
вертикально вверх, сжимая пружину 8 и поднимая пуансон осадки 7
до упора в ограничительную втулку 9 на высоту Н, равную глубине
прошиваемого отверстия в заготовке с последующей ее осадкой, с
целью наиболее полного заполнения калибра роликов 15 и 16. По
окончании формообразующей операции верхняя плита 1 с блоком
пуансонов 3 перемещается вверх, а пуансон осадки 7 выполняет
функцию съемника, удерживая формоизмененную заготовку на
прежнем уровне под воздействием пружины 8. Затем перемеща­
ются вверх клинья 14, а пружинный механизм замыкания 19
удерживает формоизмененную заготовку.
При последующем опускании верхней плиты транспортный
ротор перемещает полуфабрикат на следующую позицию обра­
ботки, и цикл повторяется с новой заготовкой.
4.4. Экспериментальные исследования холодной
валковой штамповки и анализ полученных
результатов
4.4.1. Методика исследования холодной валковой
штамповки
Условия эксперимента. Все экспериментальные исследо­
вания процесса валковой штамповки выполнены в лабораторных
условиях кафедры "Автоматизированные процессы и машины
пластической обработки материалов" Орловского государствен­
ного технического университета. В качестве оборудования для
штамповки использовался вертикальный гидравлический пресс
усилием 630 кН модели ДВ 2428А, на который монтировалась
экспериментальная установка валковой штамповки. Технические
характеристики гидропресса с установкой приведены в табли­
це 4.1. Заготовка: штучная диаметром 9 мм и высотой 5,1 мм из
различных материалов (латуней Л63 и ЛС59, стали 10КП, алю­
миния Д16).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
193
4.1. Основные технические характеристики
установки,модель пресса ДВ 2428А
Значение
Параметр
1. Сила, кН: гидропресса
630
выталкивателя
125
2. Давление масла номинальное, МПа
32
3. Ход ползуна, мм
450
4. Ход выталкивателя, мм
160
5. Скорость, мм/сек: холостого хода
200
7
рабочего хода
6. Размер стола, мм: слева-направо
630
спереди-назад
560
800
7. Открытая высота, мм
2
8. Количество роликов в матрице
9. Частота вращения, об/мин: роликов
150
блока пуансонов
1500
4
10. Мощность привода, кВт: роликов
блока пуансонов
1,5
Методика экспериментальных исследований. Валковая
штамповка мелких изделий является новым и малоизученным спо­
собом получения осесимметричных деталей, поэтому при экспе­
риментальных исследованиях, в первую очередь, рассматривалось
формоизменение заготовки в процессе деформирования.
Формоизменение осуществлялось с различными соотноше­
ниями диаметров заготовки и пуансона D„ /dm, и формой торца
пуансона (см. таблицу 4.2).
В каждом эксперименте проводились замеры диаметров
отверстия и фланца, высоты изделия и высоты фланца. В резуль­
тате исследовалось влияние формы торца пуансона и соотноше­
ние диаметра пуансона и заготовки на характер пластического
течения металла и качество получаемого изделия.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
194
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
Таблица 4.2
№
образца
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Д , /d3a.
0,2
0,2
0,2
0,5
0,5
0,5
0,8
0,8
0,8
Торец пуансона
Плоский
Конический
Конический
Плоский
Конический
Конический
Плоский
Конический
Конический
с углом 120°
с углом 90°
с углом 120°
с углом 90°
с углом 120°
с углом 90°
Методика исследования микротвердости. С целью опре­
деления НДС (напряженно-деформированного состояния) был
выбран один из экспериментальных методов - метод определе­
ния напряжений в пластической области по распределению твер­
дости [158, 159]. Этот метод основан на изменении твердости при
холодном деформировании. Предполагается, что твердость де­
формированного тела не изменяется во времени (во всяком слу­
чае, за промежуток времени между деформированием объекта и
измерением ее твердости). Из существующих способов измере­
ния твердости применительно к валковой штамповке был выбран
способ измерения микротвердости, так как при его использова­
нии можно получить необходимое количество отпечатков в дос­
таточно малой исследуемой области.
С целью определения распределения твердости по объему
исследуемого объекта деталь разрезали вдоль оси, затем образцы
помещали в обойму и заливали эпоксидной смолой. После за­
твердевания слой материала, наклепанный при разрезании, уда^.
ляли. Для этого испытуемую поверхность шлифовали и затем
полировали. Измерение микротвердости проводили путем вне-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
195
дрения алмазной пирамиды с углом при вершине 136 под на­
грузками 50 г для латуни и алюминия и 100 г для стали на микро­
твердомере ПМТ-ЗУ4.2.
Показатель (число) твердости определяли по формуле:
#=1,8584-^,
(4.1)
а
где Р - нагрузка на индентор;
d - диагональ отпечатка.
После измерения твердости в различных точках сечения за­
готовки результаты наносили на эскиз этой поверхности и стати­
стически обрабатывали. Затем по полученным данным проводи­
ли изоскляры - линии равной твердости.
В соответствии с методикой, разработанной для экспери­
ментальных исследований, был изготовлен комплект формообра­
зующего инструмента, включающий постоянно установленные
ролики (рис. 4.34), набор сменных прошивных пуансонов с раз­
личными диаметрами и формой торца (рис. 4.35), а также пуан­
сон для изготовления штуцера в соответствии с чертежом.
Эксперименты проводились на различных материалах: лату­
ни Л63, алюминия Д16 и стали 10КП. В результате были получены
качественные полуфабрикаты детали "штуцер" (рис. 4.36), что
подтверждает эффективность разработанной технологии.
Качество полуфабрикатов, изготавливаемых на позиции
валковой штамповки, позволило в дальнейшем получить из них
полностью готовые изделия, соответствующие ТУ на деталь
"штуцер термодатчика" (рис. 4.37).
На следующем этапе экспериментальных работ исследо­
вался характер формоизменения заготовки при различных соот­
ношениях D„ /dm, и различных формах торца прошивного пуан­
сона. Анализ результатов экспериментов подтвердил теоретиче­
ские данные, полученные при математическом моделировании
процесса холодной валковой штамповки. Так, при использовании
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
196
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
Рис. 4.34. Формообразующие ролики
::
Рис. 4.35. Набор прошивных пуансонов
;
::;:::;:
:
\ *
:
•
:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
Рис. 4.36. Заготовки после валковой штамповки
Рис. 4.37. Заготовка, полуфабрикат после валковой
штамповки и готовое изделие
13-2559
197
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
198
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
пуансона с углом конуса 90 преимущественное течение металла
наблюдается в верхней части заготовки, что приводит к непол­
ному заполнению донного фланца, а при использовании пуансона
с углом конуса 180 (плоского) наблюдалась обратная картина
вплоть до переполнения калибра роликовой матрицы. Кроме то­
го, отмечено явление отрыва донной части заготовки от плоско­
сти упора вблизи центральной ее части (рис. 4.38), что полностью
подтвердило результаты теоретического расчета и адекватность
математической модели.
Рис. 4.38. Продольный разрез заготовки с явно вы­
раженным отрывом донной части
Это позволяет использовать разработанную математиче­
скую модель для расчета реальных технологических процессов
штамповки.
Также отмечено, что при использовании пуансонов с соот­
ношением D„ /с1заг от 0,8 и больше, наблюдается интенсивное
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
199
встречное течение металла по поверхности прошивного пуансона в
виде тонкостенной трубки (см. рис. 4.39), что является новым ка­
чественным технологическим эффектом, позволяющим значитель­
но расширить область применения валковой штамповки и под­
тверждает реальность разработанной ранее технологии получения
деталей с высокой тонкой стенкой типа гильзы или стакана.
Рис. 4.39. Изделие с высокой тонкой стенкой
Кроме перечисленных ранее пластичных материалов, про­
водились эксперименты и с материалами, имеющими низкие по­
казатели пластичности (латунь ЛС59). В процессе деформирова­
ния такие заготовки, как правило, разрушались, причем при ис­
пользовании пуансонов с углом конуса 180 разрушение проис­
ходило в донной части завготовки (рис. 4.40), где интенсивность
напряжений и, соответственно, локальные деформации превыша­
ли допустимые для данного материала, а при использовании пу­
ансонов с более острым углом конуса (90 ) разрушение наблюда­
лось в верхней части детали (рис. 4.41). Эти результаты полно­
стью подтверждают полученные ранее теоретические данные.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
200
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
Рис. 4.40. Заготовки с разрушенной донной частью
Рис. 4.41. Заготовка с разрушенной верхней частью
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
201
4.5. Исследование распределения микротвердости
Теоретический расчет математической модели с использо­
ванием ППП "ШТАМП", кроме уже показанных результатов (зо­
ны пластической деформации, векторы пластического течения
материала) позволяет получать и другую информацию: распреде­
ление напряжений по контактным поверхностям, распределение
напряжений, деформаций и их интенсивностей по объему заго­
товки и т. д. Показанные ранее результаты расчета получили экс­
периментальные подтверждения своей достоверности, однако
данные по распределению напряжений и деформаций по объему
заготовки нуждаются в проверке.
Для экспериментальной проверки был выбран метод опре­
деления напряжений в очаге пластической деформации по рас­
пределению микротвердости.
Измерения микротвердости проводились в соответствии с
ранее разработанной методикой. Подготовленные образцы пока­
заны на рис. 4.42.
Рис. 4.42. Образцы, подготовленные для измерения
микротвердости
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
202
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
Вследствии симметрии осевого сечения заготовки рассмат­
ривалась его половина. После измерения микротвердости на
микротвердомере ПМТ-ЗУ4.2 результаты усредняли проведени­
ем изоскляр. Полученные области закрашивались (более темная
область имеет более высокую микротвердость).
На рис. 4.43 показано распределение микротвердости на
сечении заготовки, полученной с применением пуансона с пло­
ским торцом. Из рисунка видно, что наибольшая твердость (и,
соответственно, интенсивность деформаций) наблюдается под
пуансоном в виде куполообразной области, что полностью соот­
ветствует теоретическим данным. При использовании пуансона с
меньшим углом конуса (90 ) зона наибольшего упрочнения рас­
полагается вблизи боковой поверхности (рис. 4.44). Это говорит
о более интенсивном радиальном течении металла и также под­
тверждает результаты аналитического расчета.
Анализ распределения сил при валковой штамповке пока­
зал, что более рациональной является схема привода, при кото­
рой крутящий момент передается от заготовки к неприводным
роликам, а заготовка получает вращение от упора и пуансона.
Для реализации такой схемы была предложена система
привода заготовки для валковой штамповки. При этом вращение
роликов осуществляется за счет трения, возникающего между
вращающейся заготовкой и неприводными роликами, что прак­
тически исключает возможность заклинивания заготовки [155].
На рис. 4.45 изображена схема установки валковой штам­
повки с предложенной системой привода.
Установка содержит: пуансон 1, установленный в верхней
плите 2 с возможностью вращения посредством цепной передачи 3 от
приводного вала 4 через шлицевую втулку 5 и роликовую матрицу,
состоящую из расположенных параллельно оси заготовки 6 роликов 7,
установленных с возможностью вращения в каретках 8, расположен­
ных на нижней плите 9 с возможностью радиального перемещения
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
мм
Н50(Н/мм2)
1650
890
Рис. 4.43. Изолинии микротвердости, угол
о
пуансона 180
Нзо(Н/мм2) 1352
796
Рис. 4.44. Изолинии микротвердости, угол
пуансона 90
203
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
204
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
Рис. 4.45. Установка валковой штамповки с непри­
водными роликами
относительно оси заготовки в направляющих 10 посредством, напри­
мер, цилиндров 11. В нижней плите соосно с пуансоном установлен
упор 12, привод вращения которого осуществляется посредством
цепной передачи 13 через управляемую муфту 14 от приводного
вала, постоянно вращаемого двигателем 15 через редуктор 16.
Установка работает следующим образом. Заготовку 6 уста­
навливают на упор 12, при этом муфта 14 отключена и упор не­
подвижен. Затем верхнюю плиту 2 с вращающимся пуансоном 1,
цепной передачей 3 и шлицевой втулкой 5, перемещающейся по
шлицам вала 4 вместе с плитой, опускают до контакта пуансона с
заготовкой и сводят ролики 7 посредством перемещения в на­
правляющих 10 кареток 8 относительно нижней плиты 9 гидро-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 4. Исследование процесса и разработка технологии холодной валковой
штамповки осесимметричных деталей
205
цилиндрами 11 на нужный диаметр изделия, и одновременно на­
чинают вращать упор посредством включения управляемой муф­
ты. После того, как металл заготовки под действием пуансона
заполняет калибр роликовой матрицы, пуансон возвращают в ис­
ходное положение, отключают вращение упора посредством
управляемой муфты, отводят ролики и извлекают готовое изде­
лие, после чего процесс повторяется с новой заготовкой. На дан­
ную конструкцию получено положительное решение о выдаче
патента.
Результаты теоретических и экспериментальных исследо­
ваний нашли отражение в ряде публикаций [144, 160 - 170].
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Приведенные результаты исследований показывают несо­
мненную актуальность применения методов локального дефор­
мирования для интенсификации и расширения технологических
возможностей процессов объемной штамповки, в частности, при
изготовлении изделий, имеющих форму тел вращения. Теорети­
ческие исследования напряженно-деформированного состояния
очага пластической деформации, проведенные с использованием
современных методов математического моделирования, позволи­
ли раскрыть динамику пластического течения металла, влияние
технологических параметров процесса и геометрической формы
инструмента на особенности формоизменения заготовки при
комплексном локальном нагружении.
На основе анализа полученных теоретических данных
предложена целая серия технологических вариантов получения
широкой номенклатуры осесимметричных деталей, а проведен­
ная экспериментальная и опытно-промышленная апробация по­
казала обоснованность принятых технических решений. Кроме
того, в ходе исследований отмечен ряд неизвестных ранее техно­
логических эффектов, использование которых может существен­
но расширить область применения валковой штамповки как од­
ного из методов локального деформирования. Так, при модели­
ровании получения осевой полости в заготовке с одновременным
обкатыванием по наружной поверхности при определенных ус­
ловиях наблюдалось активное встречное перемещение металла в
донной части, что приводило к снижению силы деформирования
и в перспективе может быть использовано для безотходного по­
лучения сквозных отверстий. В экспериментах наблюдалось так­
же интенсивное образование тонкой цилиндрической стенки по
поверхности прошивного пуансона. Этот эффект открывает но­
вые возможности валковой штамповки для получения изделий
типа гильзы или стакана. Традиционная технология их изготов-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Заключение
207
ления включает, как правило, многопереходную (до 10 перехо­
дов) вытяжку с утонением стенки, иногда с межоперационным
отжигом. Реализация ее требует создания специального дорого­
стоящего инструмента и оборудования. Применение же валковой
штамповки дает возможность существенно сократить количество
операций и уменьшить трудоемкость изготовления таких дета­
лей, а также обеспечить высокую рентабельность не только в ус­
ловиях массового, но и для мелкосерийного производства.
Одним из эффективных направлений развития валковой
штамповки является высадка утолщений. Используя методы вал­
ковой штамповки, появляется возможность получения изделий
переменного сечения с утолщениями различной длины на любых
участках заготовки с большими коэффициентами высадки за од­
ну операцию без потери устойчивости очага деформации.
Перспективными являются возможности соединения в еди­
ном агрегате (линии) процесса валковой штамповки с другими
видами обработки металла - например, с литейным производст­
вом. Роликовая матрица может встраиваться непосредственно на
позицию разливки (подобная схема описана в главе 4) для полу­
чения деталей типа дисков (например, литых дисков колес авто­
мобилей), валковая штамповка может быть применена и в каче­
стве финишной операции при получении различного вида втулок,
и фланцев на линиях непрерывной разливки и т. д.
Данная книга не является исчерпывающим энциклопедиче­
ским материалом по методам и направлениям валковой штам­
повки, а призвана лишь показать эффективность использования
базовых процессов, основных методов их расчета, проектирова­
ния и применения. Последующие исследования, разработки про­
цессов и оборудования и особенно опыт промышленного исполь­
зования новых технологий позволит установить значение и наи­
более эффективную зону применения валковой штамповки среди
прогрессивных технологий изготовления деталей.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сторожев Н. В., Попов Е. А. Теория обработки металлов давлением.
- М.: Машиностроение, 1971. - 424 с.
2. Теория обработки металлов давлением / Под ред. И. Я. Тарновского. М.: Металлургиздат, 1963. - 672 с.
3. Томленое А. Д. Теория пластического деформирования металлов. - М.:
Металлургия, 1972. - 408 с.
4. Окрименко Я. М., Тюрин В. А. Теория процессов ковки. - М.: Высшая
школа, 1977. - 295 с.
5. Охрименко Я. М. Технология кузнечно-штамповочного производства. М.: Машиностроение, 1976. - 560 с.
6. Ковка и объемная штамповка: Справочник: В 2 т. / Под ред. М. В. Сторожева. - 2-е изд., перерараб. - М.: Машиностроение, 1968. Т. 2. - 448 с.
7. Брюханов А. Н. Ковка и объемная штамповка. - М:. Машиностроение,
1975. - 408 с.
8. Холодная объемная штамповка: Справочник / Под ред. Г. А. Навроцко­
го. - М.: Машиностроение, 1973. - 496 с.
9. Ковка и штамповка. В 4 т. Т. 2. Горячая объемная штамповка: Справоч­
ник / Под ред. Е. И. Семенова. - М.: Машиностроение, 1987.-592 с.
10. Зубцов М. Е. Листовая штамповка. - Л.: Машиностроение. Ленингр.
отд-ние, 1980. - 432 с.
11. Романовский В. П. Справочник по холодной штамповке. -Л.: Маши­
ностроение. Ленингр. отд-ние, 1979. - 520 с.
12. Грудев А. П. Теория прокатки. - М.: Металлургия, 1988. - 240 с.
13. Специальные прокатные станы / Под ред. А. И. Целикова. - М.: Метал­
лургия, 1971. -336 с.
14. Тетерин П. К. Теория поперечной и винтовой прокатки. - М.: Метал­
лургия, 1971.-368 с.
15. Грановский С. П. Новые процессы и станы для прокатки изделий в
винтовых калибрах. - М.: Металлургия, 1980. - 116 с.
16. Елкин Н. М. Технология холодной раскатки точных заготовок //Кузнечно-штамповочное производство. -1995. - № 1. - С. 20 - 22.
17. Попов О. В, Изготовление цельноштампованных тонкостенных дета­
лей переменного сечения. - М.: Машиностроение, 1974. - 402 с.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Список литературы
209
18. Вертолеты: Расчет и проектирование / М. Л. Милль, А. В. Некрасов, А.
С. Браверман и др. - М/. Машиностроение, 1967. - 298 с.
19. Биск М. Б., Грехов И. А, Славин В. Б. Холодная деформация сталь­
ных труб: (Технология производства и оборудование). Ч. 1: Подготовка к дефор­
мации и волочение. - Свердловск: Сред.-Уральск. кн. изд-во, 1976. - 346 с.
20. Касьян В. X., Пристоманов А. Е. Аналитическое определение и ана­
лиз компонентов деформированного состояния металла при прессовании труб и
прутков II Кузнечно-штамповочное производство. - 1968. - № 4. - С. 25 - 27.
21. Попов О. В., Квитницкий А. А. Прогрессивная технология получения
сложных деталей методом осадки с местным нагревом // Кузнечно-штамповочное
производство. - 1973. - № 5. - С. 10-15.
22. Степанский Л. Г., Морозов Ю. Г., Логанов А. Д. Прессование сталь­
ных труб переменного сечения // Кузнечно-штамповочное производство. - 1969. X» И. -С. 31 -33.
23. Жолобов В. В., Зверев Г. И. Прессование металлов. - М : Металлургия,
1971.-192 с.
24. Гредитор М. А. Давильные работы и ротационное выдавливание. - М.:
Машиностроение, 1971. - 232 с.
25. Могильный И. И. Ротационная вытяжка оболочковых деталей на ста­
нах. - М.: Машиностроение, 1983. - 190 с.
26. Schrader H. Rotation deforming of bars and pipes // Metall. - 1983. - № 37.
- P. 4 -5.
27. Уик Ч. Бесстружковые методы обработки металлов: Пер. с англ. - М.:
Мир, 1965.-494 с.
28. Зимин А. М., Зимин Н. А. О перспективах развития кузнечнопрессового оборудования для точной объемной штамповки // Кузнечноштамповочное производство. - 1974. - № 11. - С. 24 - 26.
29. А. с. 425710 СССР, МКИ3 В 21 h 1/00. Способ изготовления железно­
дорожных осей / А. П. Чекмарев, Я. Е. Осада, А. А, Динник и др. (СССР).
- № 17144920/25-27; Заявлено 25.01.72; Опубл. 30.04.74, Бюл. № 16. - 2 с : ил.
30. А. с. 422512 СССР, МКИ3 В 21 h 1/100. Способ получения круглых из­
делий с утолщением / Н. Т. Удовин, Л. Н. Никольский (СССР). - № 1715382/25-27;
Заявлено 18.11.71; Опубл. 05.04.71, Бюл. № 13. - 3 с : ил.
31. Пат. 1437760 GB, МКИ3 В 21 С 23/08. Process for forming a metall tube
wich inwardly flanger end portion / S. A. Simon (Великобритания). - № 47948/74;
Заявлено 06.11.74; Опубл. 03.06.76; НКИ 60-210.- 4 с, 2 л. ил.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
210
Список литературы
32. Семенов Е. И., Рожков С. И. Высадка трубных заготовок на прессах //
Вестник машиностроения. - 1971. - № 4. - С 35 - 37.
33. Шевченко А. А., Стрижак В. И., Козлов И. К. Исследование некото­
рых вопросов процесса высадки труб // Производство труб: Сб. науч. тр. / ВНИИМЕТМАШ. - М, 1971. - Вып. 25. - С. 51 - 55.
34. Борисов С. И., Стрижак В. И., Лавров А. М. Разработка и исследова­
ние рационального спос >ба горячей высадки концов труб // Металлургическая и
горнорудная промышлен 'ость. 1975. - № 4. - С. 98 - 101.
35. Высадка покояок из труб на ГКМ / Ю. П. Алексеев, Е. Е. Босин, В. Н.
Журавлев, И. Д. Ярошевский // Самолеты и техника воздушного флота. - 1970.
-Вып. 22.-С. 37-40.
36. Ромашкин Е. К. Высадка фланца кожуха полуоси на ГКМ // Кузнечноштамповочное производство. -1965. - № 1. - С. 5 - 7.
37. Семенов Е. И., Зиновьев И. С. Общие требования к волокнистому
строению высаженных поковок // Вестник машиностроения. - 1977. - № 11. - С. 20
-21.
38. Остренко В. Я., Ермолов И. В. Усилия и скорости деформации при
высадке концов труб на ГКМ и гидравлическом прессе // Производство труб: Сб.
науч. тр. / ВНИИМЕТМАШ. - М., 1967. - Вып. 18. - С. 45 - 50.
39. Остренко В. Я., Ермолов И. В. Технологические особенности высадки
концов труб в закрытых матрицах // Металлургическая и горнорудная промыш­
ленность. -1968. - № 1. - С. 28 - 29.
40. Пашкевич А. Г., Каширин М. Ф. Устойчивость цилиндрических обо­
лочек в процессе штамповки осевым усилием деформирования // Кузнечноштамповочное производство. - 1974. - № 3. - С. 11 -15.
41. Шупюров Р. И., Эфендиев Д. А., Гусейнов Б. Г. Влияние высадки
концов бурильных труб на структуру и свойства стали // Известия вузов. Черная
металлургия. -1975. - № 3. - С. 61 - 67.
42. Борисов С. И., Девятисильный В. И., Лавров А. М. Исследование
процесса раздачи концов бурильных труб // Металлургия и горнорудная промыш­
ленность. -1978. - № 1. - С. 9 - 1 1 .
43. Булат С. И., Тихонов А. С , Дубровин А. К. Деформируемость струк­
туры неоднородных сталей. - М.: Металлургия, 1975. - 438 с.
44. Босин Е. Е., Журавлев В. Н., Сурков В. М. Раздача поковок кониче­
ским пуансоном // Самолетостроение и техника воздушного флота. - 1974. - Вып.
33.-С. 35-36.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Список литературы
211
45. Dehovt M. Way of expansion of pipes with // Expaneron thermigue Ing. et
techu. - 1975. - № 283. - P. 15 - 17.
46. Пат. 3959998 США, МКИ3 В 21 D 41/02. PIPE swaging apparatus / B. D.
Ross (США). - № 3838591; Заявлено 16.08.74; Опубл. 01.06.76; НКИ 60-210.-4 е.:
ил.
47. Пат. 3950976 США, МКИ3 В 21 D 37/16, 41/02//. Method and bevice for
forming tubes / M. R. DeHove (США), General Electronic Seet (США). -№ 531890;
Заявлено 12.12.74; Опубл. 20.04.76; НКИ 72 - 128 - 4 с : ил.
48. Пат. 52-80265 Япония, МКИ3 В 21 D 41/00. Способ изготовления
фланцев на конце трубы / К. К. Тосиба-Кикай (Япония). -№46-91317; Заявлено
25.10.75; Опубл. 30.11.77; Приоритет 10.06.75, № 1034789 (Япония). - 3 с : ил.
49. Ровкин А. И. Высадка буровых штанг // Новые технологические про­
цессы в кузнечно-штамповочном производстве: Сб. науч. тр. / ВНИИМЕТМАШ. М., 1972. - Вып. 7. - С. 102 -107.
50. Ровкин А. И. Новая технология изготовления заготовок цилиндров и
стволов пневмоударников // Новые технологические процессы в кузнечноштамповочном производстве: Сб. науч. тр. / ВНИИМЕТМАШ. - М., 1972.
-Вып. 7.-С 210-215.
51. А. с. 26115 СССР, МКИ3 В 21 J 5/08. Устройство для двусторонней вы­
садки изделия / Д. Я. Шифрин, Н. А. Чергинцев, И. В. Рыбаков (СССР).
- № 4132459/25-27; Заявлено 06.03.70; Опубл. 15.09.71, Бюл. № 11. - 4 с: ил.
52. Пат. 44-1478 Япония, МКИ В 21 J 13/02. Способ образования головки
на конце полой заготовки / К. К. Тоё-сэйкан (Япония). -№50-90131; Заявлено
15.05.67; Опубл. 21.08.69; Приоритет 10.04.66, № 2113082 (Япония). - 4 с : ил.
53. А. с. 405640 СССР, МКИ3 В 21 J 5/08; В 21 J 13/02. Клиновый штамп
для двусторонней высадки стержневых деталей с головками / Н. Е. Коробков, Э. И.
Петров (СССР). -№1487745/25-27; Заявлено 30.10.70; Опубл. 05.11.73, Бюл.
№ 45. - 4 с : ил.
54. А. с. 548350 СССР, МКИ3 В 21 J 5/08; В 21 J 13/02. Штамп для высадки
утолщений на стержневых заготовках / Б. С. Тышковский, В. С. Дерберова, Г. В.
Блохин и др. (СССР). - № 2138997/27; Заявлено 27.05.75; Опубл. 28.02.77, Бюл. №
8.-6 е.: ил.
55. А. с. 878403 СССР, МКИ3 В 21 J 5/08. Устройство для высадки утол­
щений на концах заготовок типа стержней / А. А. Родионов, И. В. Ганжов, Н. А.
Журин и др. (СССР). -№ 2880141/25-27; Заявлено 07.02.80; Опубл. 07.11.81, Бюл.
№41. - 5 с : ил.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
212
Список литературы
56. Степаненко В. А. Штамповка из трубных заготовок // Кузнечноштамповочное производство. - 1983. - №12. - С. 19 - 20.
57. А. с. 969400 СССР, МКИ3 В 21 J 5/08. Штамп для высадки утолщений
на концах труб / В. В. Евстифеев И. А. Игнатович, В. П. Кокоулин и др. (СССР).
- № 2956992/25-27; Заявлено 16.07.80; Опубл. 30.10.82, Бюл. № 40. - 3 с : ил.
58. А. с. 311693 СССР, МКИ4 В 21 I 5/08. Устройство для высадки утол­
щений на стержневых заготовках. / Е. И. Семенов и др. (СССР). - № 3235749/2527; Заявлено 16.03.87; Опубл. 15.05.88, Бюл. № 14. - 5 с : ил.
59. А. с. 343751 СССР, МКИ3 В 21 К 21. Штамп для однопереходной вы­
садки утолщений на стержнях / А. М. Алексеев и др. (СССР). - № 3342479/31-27;
Заявлено 01.11.72; Опубл. 01.05.74, Бюл. № 7 . - 3 с : ил.
60. А. с. 276484 СССР, МКИ3 В 21 D 41/02. Способ получения утолщений
на стержнях / А. М. Алексеев и др. (СССР). - № 3732475/25-27; Заявлено 16.03.70;
Опубл. 09.05.71, Бюл. № 5 . - 4 с : ил.
61. Пат. 27901 Япония, МКИ В 21 I 19/00. Машина для обкатки шейки на
трубной заготовке / К. К. Сунитомо-Киндзоку-Когё (Япония). - № 21065; Заявлено
19.12.64; Опубл. 15.02.70; Приоритет 30.08.66; № 4699654 (Япония). - 5 с: ил.
62. А. с. 387772 СССР, МКИ3 В 21 J 5/08. Способ получения утолщений на
стержнях / Ю. Б. Галан, Н. Г. Цыфуга (СССР). -№2421466/25-27; Заявлено
22.06.72; Опубл. 15.11.73, Бюл. № 4 . - 5 с : ил.
63. Выдрин В. Н. Деформация полых цилиндрических тел. - М.: Метал­
лургия, 1984.-98 с.
64. А. с. 533438 СССР, МКИ3 В 21 j 13/08. Штамп для горячей штамповки /
С. А. Довнар, А. М. Григорьев, И. П. Янович (СССР). - № 2140458/25-27; Заявле­
но 16.05.75; Опубл. 30.10.76, Бюл. № 40. - 4 с: ил.
65. А. с. 363541 СССР, МКИ3 В 21 J 5/08. Способ получения утолщений на
трубопроводах / В. С. Шаранов и др. (СССР). - № 3461455/25-27; Заявлено
18.03.72; Опубл. 15.10.73, Бюл. № 35. - 3 с : ил.
66. А. с. 538798 СССР, МКИ3 В 21 D 41/00. Устройство для утолщения
концов труб / А. А. Родионов (СССР). -№2161608/25-27; Заявлено 01.08.75;
Опубл. 15.12.76, Бюл. № 46. - 3 с : ил.
67. А. с. 462649 СССР, МКИ3 В 21 J 5/08. Способ получения утолщений на
стержневой заготовке / Б. Д. Копыский, И. С. Зонненберг, В. X. Касьян и др.
(СССР). - № 1837778/25-27; Заявлено 19.10.72; Опубл. 05.03.75, Бюл. № 9 . - 3 с :
ил.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Список литературы
213
68. Рожков С. И. Высадка фланцев на трубных заготовках // Машиностро­
итель.-1971.-№8. - С. 9 - 11.
69. А. с. 475208 СССР МКИ3 В 21 J 5/08. Способ формирования изделий /
Б. К. Демидович (СССР). - № 1999724/25-27; Заявлено 25.02.74; Опубл. 30.06.75,
Бюл. № 24. - 3 с : ил.
70. А. с. 444585 СССР, МКИ3 В 21 d 37/12; В 30 b 15/00. Устройство для
штамповки деталей / Б. К. Демидович (СССР). -№1839030/25-27; Заявле­
но 23.10.72; Опубл. 30.09.74, Бюл. № 36. - 3 с: ил.
71. Горбунов М. Н., Попов О. В. Технология изготовления цельноштампованных тонкостенных изделий переменного сечения // Совершенствование кузнечно-штамповочного производства. - Л., 1971. - Гл. 3. - С. 98 - 131.
72. Селькин И. Т., Протопопов О. В., Харченко А. И. Расчет параметров
процесса электровысадки тонкостенных стальных труб // Кузнечно-штамповочное
производство. - 1973. - № 3. -, С. 17 -18.
73. Пат. 126333 Япония, МКИ В21 J 41/00. Способ электровысадки утол­
щений на трубных заготовках / Ода Кэндзи (Япония). - № 463353; Заявлено
20.03.70; Опубл. 28.10.73; Приоритет 22.06.71, № 48-43026 (Япония). - 3 с: ил..
74. Карапетян Ж. А. Определение напряженного состояния и скорости
перемещения в процессах электровысадки // Машиностроение. -1970. - № 1. - С.51
-55.
75. Селькин И. Т. Расчет несимметричной электровысадки // Исследова­
ние процессов пластического формоизменения металлов. - М.: Наука, 1974. - Гл. 4.
-С. 152-194.
76. Закуренков Б. А., Меркулов А. М., Кобылин Р. А. К вопросу о полу­
чении трубчатых заготовок электровысадкой // Технология машиностроения: Сб.
науч. тр. / Тул. политехи, ун-т. - Тула, 1974. - Вып. 35. - С. 105-110.
77. Ренне И. П., Мильгевский В. Я. Новый способ получения заготовок
металлоформ для центробежной отливки чугунных труб // Кузнечноштамповочное производство. -1976. - JV» 2. - С. 20 - 22.
78. Золотухин Н. М., Мильгевский В. Я. Высадка труб // Кузнечно-штам­
повочное производство. -1961. - № 4. - С. 30 - 31.
79. Дунаев А. А. Новый метод высадки наружных утолщений на концах
труб // Вестник машиностроения. -1951. - № 3. - С. 110 -111.
80. А. с. 104402 СССР, МКИ2 В 21 J 5/08. Способ высадки труб без матри­
цу / В. Я. Мильгевский (СССР). -№1242439/27; Заявлено 16.03.55; Опубл.
15.05.56, Бюл. № 4. - 4 с : ил.
11-255?
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
214
Список литературы
81. А. с. 114615 СССР, МКИ2 В 21 J 5/08. Машина для высадки труб без
матриц / В. Я. Мильгевский (СССР). - № 4835439/25-27; Заявлено 05.07.56; Опубл.
25.10.57, Бюл. № 34. - 5 с : ил.
82. Светкин В. В. Исследование и совершенствование процесса и обору­
дования для свободной высадки трубчатых изделий: Дис... канд. техн. наук:
05.03.05. - Защищена 15.11.79; Утв. 17.05.80; 05463012517. - М.. 1979. - 265 с: ил.
83. Горбунов М. Н. Штамповка деталей из трубчатых заготовок. - М.:
Машгиз, 1960.-214 с.
84. Попов О. В. Основы методики теоретического анализа при штамповке
деталей из труб с применением термической и силовой интенсификации // Кузнечно-штамповочное производство. - 1971. - № 6. - С. 3 - 5.
85. Осадчий В. Я., Светкин В. В. К расчету наборных переходов при не­
прерывно-последовательной высадке труб // Сб. науч. тр. ВЗМИ. - Москва, 1976. С. 90 - 95.
86. Осадчий В. Я., Светкин В. В. К вопросу об интенсификации процесса
непрерывно-последовательной высадки труб // Новое в обработке металлов давле­
нием: Межвуз. сб. науч. тр. - Москва, 1977. С. 31 - 33.
87. А. с. 627903 СССР, МКИ3 В 21 К 21/12: В 21 J 5/08. Способ получения
трубчатых изделий с концевым наружным утолщением / В. А. Осадчий, В. Г. Зимовец, А. Ф. Нистратов и др. (СССР). -№2165512/25-27; Заявлено 01.08.75;
Опубл. 15.10.78, Бюл. № 38. - 5 с : ил.
88. Изготовление утолщенных прямоугольных концевых участков про­
фильных труб / Ю. А. Медников, В. Я. Осадчий, В. Г. Зимовец // Металлург. 1978.-№-4.-С. 50-53.
89. Определение оптимальных геометрических параметров зоны пласти­
ческой деформации при свободной высадке / В. А. Голенков, С. Ю. Радченко, И.
В. Коряжкин. Б. А. Егоров // Новые достижения науки и техники в технологии
машиностроения: Тез. докл. per. науч.-техн. конф. НТО Машпром, апрель 1983 г.
-Орел, 1983.-С. 80-82.
90. Егоров Б. А. Разработка и освоение процесса и оборудования для вы­
садки труб во вращающейся роликовой обойме: Дис... канд. техн. наук: 05.03.05. Защищена 06.12.84; Утв. 25.05.85; 07227310045. - М., 1984. -161 с: ил.
91. Эльсгольц Л. Э. Дифференциальные уравнения и вариационное ис­
числение. - М.: Наука, 1965. - 424 с.
92. Аркулис Г. Э., Дорогобид В. Г. Теория пластичности. - М.: Машино­
строение, 1987. - 352 с.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Список литературы
215
93. Вдовин С. И. Методы расчета и проектирования на ЭВМ процессов
штамповки листовых и профильных заготовок. -М.: Машиностроение, 1988.
-90 с.
94. Гун Г. Я. Математическое моделирование процессов обработки метал­
лов давлением: Учеб. пособие для вузов. - М.: Металлургия, 1983. - 352 с.
95. Качанов Л. М. Основы теории пластичности. -М.: Наука, 1969. - 420 с.
96. Метод конечных элементов в механике твердых тел / Под ред.
А. С. Сахарова, И. Альтенбаха. - Киев.: Bin» школа, 1982. - 480 с.
97. Метод конечных элементов в проектировании транспортных сооруже­
ний / А. С. Городецкий, В. И. Зовороцкий, А. И. Лантух-Лященко, А. О. Рассказов.
- М.: Транспорт, 1981. - 143 с.
98. Суперэлементный расчет подкрепленных оболочек / 3. И. Бурман,
О. М. Аксенов, В. И. Лукашенко, М. Т. Тимофеев. - М.: Машиностроение, 1982. 256 с.
99. Бурман 3. И., Лукашенко В. И., Тимофеев М. Т. Расчет тонкостен­
ных подкрепленных оболочек методом конечных элементов с применением
ЭЦВМ. - Казань: Изд-во КГУ, 1973. - 569 с.
100. Бурман 3. И., Тимофеев М. Т. Математическое обеспечение для мат­
ричных расчетов тонкостенных пространственных конструкций с применением
МКЭ // Вопросы оптимального использования ЭЦВМ в расчете сложных конст­
рукций: Сб. науч. тр. КГУ. - Казань, 1973. - С. 87-94.
101. Кузнецов С. А. Совершенствование технологических процессов об­
работки металлов давлением на основе лагранжевого описания с энергетическими
мерами локальных деформаций и метода конечных элементов: Дис... док. техн.
наук: 05.03.05. - Защищена 23.04.96; Утв. 15.09.96; 09530016521. - М., 1996.
-431 с: ил.
102. Автоматизированная система ФОРМ-2Д для расчета формоизмене­
ния в процессе штамповки на основе метода конечньгх элементов / Г. Я. Гун, Н. В.
Биба, О. Б. Садыхов и др. // Кузнечно-штамповочное производство. - 1992. - № 9 10.-С. 4 - 7 .
103. Система ФОРМ-2Д и моделирование технологии горячей объемной
штамповки / Г. Я. Гун, Н. В. Биба, А. И Лишний и др. // Кузнечно-штамповочное
производство. - 1994. - № 7. - С. 9 - 11.
104. Решение практических задач горячей объемной штамповки с приме­
нением системы ФОРМ-2Д / Н. В. Биба, А. И Лишний, О. Б. Садыхов и др.// Куз­
нечно-штамповочное производство. -1994. - № 7. - С. 12-18.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
216-.
Список литераторы
Ю5.Голенков В. А., Кондратов В. И., Зыкова 3. П. Математическое мо­
делирование процессов обработки материалов давлением: Учеб. пособие. - М.:
Машиностроение, 1994. - 272 с.
Юб.Сиратори М., Миеси Т., Мацусита X. Вычислительная механика раз­
рушения. -М.: Мир, 1986. - 334 с.
107. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов - М.: Мир,
1979.-300 с.
108. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике: Пер. с англ. М.:
Мир, 1975. - 541 с.
109. Морозов Е. М., Никишков Г. П. Метод конечных элементов в меха­
нике разрушения. - М.: Наука, 1980. - 256 с.
ПО. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных эле­
ментов: Справочник / Под ред. В. И. Мяченкова. - М.: Машиностроение, 1989.
- 520 с.
111. Экланд И., Темам Р. Выпуклый анализ и вариационные проблемы:
Пер. с англ. - М.: Мир, 1979. - 340 с.
112. Калиниченко В. И., Кощий А. Ф., Ропавка А. И. Численные реше­
ния задач теплопроводности. - Харьков: Высшая школа, 1987. - 112 с.
113. Шварцман Б. С. Экстраполяционный метод оценки погрешности
численных решений. - Томск: Высшая школа, 1988. - 212 с.
114. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. - М.:
Мир, 1986.-318 с.
115. Yamada Y., Yoshimura T. Plastic stress-strain matrix and its application
for the solution of Elastic problems by the finite element method // Int. J. Mech. Sei
Pergamon press. -1968. - Vol. 10. - P. 343 - 354.
:
116. Теория пластических деформаций металлов / Под общ. ред. Е. П. Унксова, А. Г. Овчинникова. - М.: Машиностроение, 1983. - 598 с.
117. Степанский Л. Г. Расчеты процессов обработки металлов давлением.
- 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1977. - 424 с.
118. Курс практической работы с системой Автокад 10: Учебное пособие /
С. Гладков, Ю. Кречко, К. Молодцов, В. Полищук, Г. Сучков. - 2-е изд. - М.:
ДИАЛОГ-МИФИ, 1992.-288 с.
119. Марцижек 3. Холодная объемная штамповка методом обкатки // Кузнечно-штамповочное производство. -1970. - № 9. - С. 11 -15.
120. Kobayachi M., Nakene Т., Kamada A. Deformation behavior in
simultaneons extrusion-upsetting by rotary forging / Proc. 1-st Int. Couf. Rotary
%metalwork. Prosess, - London; Kempston. - 1979. - P. 77 - 89.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Список литературы
217
121. Кривда Л. Т., Пшенник А. С. Анализ процесса осадки с обкаткой //
Веста. Киев, политехи, ин-та. - 1978. - № 15. - С. 45- 55.
122. Капорович В. Г. Производство деталей из труб обкаткой. - М.: Маши­
ностроение, 1978. - 116 с.
123. Carleone Z. Stamping with spining // Some basic problems of the rotary
forging and its application. - Standford-upon-Avon, 1982. - P. 25 - 28.
124. Carleone Z., Con Pei Chi. Stamping with spining // Namerically
controlled orbital forging: beasifulity of high precision., Mueller Wark. - Stardfor-uponAvon, 1982.-P. 32-36.
125. Пат. 3543554 США, МКИ3 В 21 J 5/00. Rolling forging machine / Jan
Kovar, Jan Drkal (США). - № 2832443; Заявлено 22.03.68; Опубл. 22.09.70; При­
оритет 10.10.67; № 109814 (США). - 2 с : ил.
126. Hawkyard J. В., Yunus N. М., Gurnain С. К. Determination of efforts at
stamping with spining of short cylindrical billets // 1-st lut. Couf. Rotary Metalnork
Process. - London, 1979. - P. 15 -18.
127. A. c. 496194 СССР, МКИ3 В 30 b 15/00; В 21 d 37/12. Устройство для
штамповки / Н. А. Корякин, В. Ф. Бабурин, Ю. И. Плющев, Ю. О. Михайлов
(СССР). -№2050566/25-27; Заявлено 24.07.74; Опубл. 25.12.75, Бюл.№47.
- 4 е.: ил.
128. Осадчий В. Я. Исследование процесса высадки и модернизация не­
прерывно-высадочной машины на Челябинском трубопрокатном заводе // Совер­
шенствование процессов обработки металлов давлением: Сб. науч. тр. МИП. - М.,
1983. - С. 65 - 70.
129. Голенков В. А., Егоров Б. А. О новом способе штамповки - локаль­
ном деформировании в роликовых матрицах // Прогрессивная технология в маши­
ностроении и приборостроении: Сб. науч. - техн. работ НТО Машпром. - Орел,
1982.-С. 118-121.
130. А. с. 794864 СССР, МКИ3 В 21 J 5/08. Устройство для высадки /
В. А. Голенков, В. Г. Зимовец, Ю. А. Медников и др. (СССР). -№2821251/25-27;
Заявлено 14.09.79. - д. с. п.
131. А. с. 980343 СССР, МКИ3 В 21 J 5/08. Устройство для высадки /
В. Я. Осадчий, В. А. Голенков, П. М. Олин и др. (СССР). - № 3235839/25-27; Заяв­
лено 13.01.81. -д. с. п.
132. А. с. 1287388 СССР, МКИ4 В 21 J 5/08. Устройство для высадки по­
лых цилиндрических заготовок / В. А. Голенков, С. Ю. Радченко, И. В. Коряжкин
(СССР). - № 3728321/25-27; Заявлено 19.04.84. - д. с. п.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
218
Список литературы
133. Тетерин П. К. Контактные напряжения при поперечной прокатке и
ковке. - М.: Металлургия, 1982. - 248 с.
134. А. с. 1406893 СССР, МКИ4 В 21 J 5/08. Способ получения утолщений
преимущественно на полых заготовках / В. Я. Осадчий, В. А. Голенков, С. Ю. Радченко и др. (СССР). - № 4153956/23-27; Заявлено 24.11.86. - д. с. п.
135. А. с. 1485507 СССР, МКИ4 В 21 J 5/08. Способ получения утолщений
на трубных заготовках / В. Я. Осадчий, В. А. Голенков, С. Ю. Радченко и др.
(СССР). - № 4247627/31-27; Заявлено 18.05.87. - д. с. п.
136. А. с. 727295 СССР, МКИ3 В 21 Н 8/00; В 21 J 5/08. Способ получения
утолщений на заготовках / В. Г. Зимовец, И. И. Сергеев, В. Я. Осадчий и др.
(СССР). -№2637876/25-27; Заявлено 22.05.78; Опубл. 15.04.80, Бюл.№14.
- 4 с : ил.
137. А. с. 866868 СССР, МКИ3 В 21 J 5/08; В 21 D 41/02. Способ получе­
ния утолщений на трубной заготовке / В. А. Голенков, В. Я. Осадчий, В. Г. Зимо­
вец и др. (СССР). - № 2681536/25-27; Заявлено 04.П.78. - д. с. п.
138. Слухоцкий Е. А. Индукторы - 4-е изд. перераб. и доп. - Л.: Машино­
строение. Ленингр. отд-ние, 1978. - 72 с.
139. Безручко И. И. Индукционный нагрев для объемной штамповки. - Л.:
Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1987. - 126 с.
140. Голенков В. А., Радченко С. Ю., Рябушкин В. И. Совершенствова­
ние процесса высадки и модернизация специализированного оборудования // Ин­
тенсификация производства и повышение качества изделий поверхностным пла­
стическим деформированием: Тез. докл. респ. науч. - техн. конф., 25 - 29 мая 1989
г. - Тольятти, 1989. - С. 74 - 79.
,141. Голенков В. А., Радченко С. Ю., Рябушкин В. И. Совершенствова­
ние технологии и оборудования для непрерывно-последовательной высадки //
Совершенствование конструирования и технологии производства приборов, ма­
шин, механизмов: Сб. науч. - техн. тр. ОФ МИЛ. - Орел, 1990. - С. 316 - 319
142. Голенков В. А., Радченко С. Ю. Совершенствование процесса" вы­
садки и модернизация специализированного оборудования // Прогрессивные мате­
риалы, технологии и конструкции в машиностроении и приборостроении: Тез.
докл. респ. науч. - техн. конф., октябрь 1990 г. - Калуга, 1990. - С. 90.
143. Голенков В. А., Радченко С. Ю. Совершенствование технологии не­
прерывно-последовательной высадки с применением роликового формообразующего
. инструмента // Кузнечно-штамповочное производство. -1995. - № 10. - С. 15-17.
144. Голенков В. А. Разработка технологии и научно-обоснованной мето­
дики проектирования процессов ОМД с локальным деформированием заготовки //
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Список литературы
219
Перспективные технологии , машины и аппараты в машиностроении и приборо­
строении: Материалы выездного заседания Головного Совета Машиностроения,
февраль 1995 г. - Орел, 1995. - С. 15 - 27.
145. Радченко С. Ю. Совершенствование технологии и оборудования для
непрерывно-последовательной высадки с обкаткой трубных изделий: Дис. ... канд.
техн. наук: 05.03.05. - Защищена 09.11.93; Утв. 14.01.94; 09830027961. - М., 1993. 165 с : ил.
146. Голенков В. А., Кондратов В. И., Зыкова 3. П. Математическое мо­
делирование процессов валковой штамповки на ПЭВМ // Совершенствование кон­
струирования и технологии производства приборов, машин и механизмов: Сб.
науч. - техн. трудов ОФ МИЛ. - Орел, 1990. - С. 105 -107.
147. А. с. 986032 СССР, МКИ3 В 21 J 5/08. Роликовая матрица / В. Я.
Осадчий, В. А. Голенков, Б. А. Егоров (СССР). -№3528361/25-27; Заявлено
15.06.81.-д. с. п.
148. А. с. 1070778 СССР, МКИ3 В 21 J 13/02. Роликовая матрица / В. А. Го­
ленков,
Б. А. Егоров,
В. А. Марченко,
Ю. П.
Лукьянчиков
(СССР).
- № 3475406/25-27; Заявлено 23.07.82. - д. с. п.
149. А. с. 1074646 СССР, МКИ3 В 21 J 5/08; В 21 Н 8/00. Устройство для
штамповки с обкаткой / В. Я. Осадчий,
В. Г. Зимовец, В. А. Голенков,
Б. А. Егоров (СССР). -№34754007/25-27; Заявлено 23.07.82; Опубл. 23.02.84,
Бюл. №7. - 3 с: ил.
150. А. с. 1304243 СССР, МКИ4 В 21 К 21/08. Способ изготовления изде­
лий со ступенчатой наружной поверхностью / В. А. Голенков, С. В. Котин,
С. И. Красников (СССР). - № 3769205/25-27; Заявлено 21.04.84. - д. с. п.
151. А. с. 1622072 СССР, МКИ4 В 21 К 1/68. Способ изготовления ступен­
чатых деталей / В. А. Голенков, Ю. П. Лукьянчиков Е. Г. Афанасьев и др. (СССР).
- № 4365557/27; Заявлено 18.01.88; Опубл. 23.01.91, Бюл. № 3 . - 4 с : ил.
152. А. с. 1600118 СССР, МКИ4 В 21 К 21/08. Способ изготовления полых
деталей / В. А. Голенков, Ю. П. Лукьянчиков, А. Н. Тройнич, и др. (СССР).
- № 4367897/25-27; Заявлено 18.01.88. - д. с. п.
153. А. с. 1472171 СССР, МКИ4 В 21 J 13/02. Способ изготовления деталей
и устройство для его осуществления / В. Н. Борисенко, В. А. Голенков,
В.И.Пилюзин (СССР). -№4232479/31-27; Заявлено 16.03.87; Опубл. 15.05.89,
Бюл. № 14. - 5 с : ил.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
220
Список литературы
154. А. с. 1515501 СССР, МКИ4 В 21 J 13/02. Устройство для штамповки
деталей / В. А. Голенков, Ю. П. Лукьянчиков, Е. Г. Афанасьев, и др. (СССР).
- № 4367898/31-27; Заявлено 18.01.88. - д. с. п.
155. А. с. 1486276 СССР, МКИ4 В 23 D 23/00. Штамп для резки пруткового
материала / В. А. Голенков, С. Ю. Радченко, Ю. П. Лукьянчиков, и др. (СССР).
- № 4288467/31-27; Заявлено 27.07.87; Опубл. 15.06.89, Бюл. № 22. - 3 с: ил.
156. А. с. 1719164 СССР, МКИ4 В 23 D 23/00. Штамп для резки пруткового
материала / В. А. Голенков, С. Ю. Радченко, Ю. П. Лукьянчиков, и др. (СССР).
- № 4760286/27; Заявлено 20.11.89; Опубл. 15.03.92, Бюл. № 10. - 4 с: ил.
157. Пат. 2015863 РФ, МКИ4 В 23 D 23/00. Штамп для резки пруткового
материала / В. А. Голенков, С. Ю. Радченко, Ю. П. Лукьянчиков, и др. (РФ). - №
5046050/27; Заявлено 04.06.92; Опубл. 15.07.94, Бюл. № 13. - 3 с : ил.
158. Дель Г. Д. Определение напряжений в пластической области по рас­
пределению твердости. -М.: Машиностроение, 1971. - 200 с.
159. Беккерт У., Клемм В. Справочник по металлографическому травле­
нию. - М.: Машиностроение, 1978. - 220с.
160. Голенков. В. А., Радченко С. Ю., Дорофеев О. В. Анализ системы
привода и модернизация установки валковой штамповки // Сб. науч. тр. / Орл. гос.
тех. ун-т. - Орел, 1994. - Т. 5. - С. 203 - 207.
161. Голенков В. А., Лукьянчиков Ю. П., Афанасьев Е. Г. Особенности
изготовления полых осесимметричных деталей приборов методом валковой
штамповки // Совершенствование конструирования и технологии производства
приборов, машин и механизмов: Сб. науч. тр. ОФ МИП. - Орел, 1990.
-С. 160-170.
162. Голенков В. А., Лукьянчиков Ю. П., Афанасьев Е. Г. Валковая
штамповка точных осесимметричных деталей // Прогрессивные материалы, техно­
логии и конструкции в машиностроении и приборостроении: Сб. науч. - техн. тр.
КПИ. - Калуга, 1990. - С. 117 - 119.
163. Особенности технологии изготовления тонких осесимметричных де­
талей приборов / В. А. Голенков, С. Ю. Радченко, Ю. П Лукьянчиков и др. // Орга­
низационно-методические и научные аспекты сотрудничества ОФ МИП с прибо­
ростроительными предприятиями: Сб. науч. - техн. трудов ОФ МИП. - Орел,
1991.-С. 150- 152.
164. Голенков В. А., Радченко С. Ю., Дорофеев О. В. Совершенствова­
ние технологии изготовления осесимметричных деталей и разработка специализи­
рованного оборудования // Тез. докл. per. науч. -техн. конф., апрель 1994 г. - Орел,
1994.-С. 43.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Список литературы
221
165. Голенков В. А., Радченко С. Ю., Тюков В. М. Пакет прикладных
программ для моделирования процессов обработки металлов давлением // Металдо»ческие материалы, методы их обработки: Тез. докл. респ. науч. -техн. конф.,
ноябрь 1994 г. -М., 1994. - С. 81.
166. Голенков В. А., Радченко С. Ю., Дорофеев О. В. Новый способ об­
работки давлением осесимметричных деталей методом валковой штамповки //
Металлические материалы, методы их обработки: Тез. докл. респ. науч. -техн.
конф., ноябрь 1994 г. -М., 1994. - С. 79.
167. Голенков В. А., Радченко С. Ю., Дорофеев О. В. Разработка техно­
логии и методика расчета процессов ОМД с локальным деформированием заго­
товки // Проблемы пластичности в технологии: Тез. докл. междунар. науч. -техн.
конф., апрель 1995 г. - Орел, 1995. - С. 37.
168. Голенков В. А., Радченко С. Ю., Дорофеев О. В. Изготовление осе­
симметричных изделий валковой штамповкой // Кузнечно-штамповочное произ­
водство. -1995. - № 11. - С. 20 - 23.
169. Моделирование и расчет процессов обработки материалов давлением
/ В. А. Голенков, 3. П. Зыкова, В. И. Кондратов и др. // Современные техноло­
гические и информационные процессы в машиностроении: Междунар. семинар,
Орел, октябрь 1993 г. - Орел, 1993. - С. 58 - 61.
170. Голенков В. А., Кондратов В. И. Математическое моделирование
процессов обработки металлов давлением // Машиностроение: Энциклопедия. В
40 т. Т. III - 4.: Технологическое проектирование изделий машиностроения и мо­
делирование технологических процессов. -М. 1997. - С. 326 - 345.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ И
ОБОРУДОВАНИЕ. ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ОСЕСИММЕТГИЧНЫХ ДЕТ АЛЕЙ
1.1. Классификация осесимметричных деталей
1.2. Технология и оборудование для
изготовления приборостроительных деталей
1.3. Анализ конструкций изделий переменного
сечения и основных способов их получения
1.4. Анализ оборудования для высадки
1.5. Традиционные методы расчета процессов
обработки металлов давлением
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ
ДАВЛЕНИЕМ
2.1. Математическая постановка задач
обработки металлов давлением
2.2. Решение задач упруго-пластического
деформирования методом конечных элементов
2.2.1. Расчет температурных полей
2.2.2. Расчет перемещений, деформаций и
напряжений
2.3. Алгоритмы оценки точности
2.3.1. Оценка точности получаемых
результатов
2.3.2. Апостериорные оценки на основе
метода двойственности
2.3.3. Апостериорные оценки на основе
расчетов на сетках разной плотности
2.4. Построения сетки конечных элементов
3
5
5
7
12
20
24
29
29
32
32
35
36
36
37
44
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.5. Основные особенности численного
решения задач ОМД
2.6. Анализ упруго-пластических моделей при
помощи пакетов прикладных программ
2.6.1. Подготовка входных данных
2.6.2. Расчет напряженнодеформированного состояния
2.6.3. Визуализация результатов расчета
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА И
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И
ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ВЫСАДКИ С ОБКАТКОЙ
ТРУБНЫХ ИЗДЕЛИЙ
3.1. Современные тенденции развития
технологических процессов и оборудования
3.2. Экспериментальные исследования
процесса непрерывно-последовательной
высадки
3.2.1. Методика исследования непрерывнопоследовательной высадки
3.2.1.1. Условия эксперимента
3.2.1.2 Методика экспериментальных
исследований температурно-скоростных
параметров непрерывно-последовательной
высадки
3.2.1.3. Методика обработки полученных
экспериментальных данных
3.2.2. Высадка первого перехода
3.2.3. Высадка второго перехода
3.2.4. Исследование высадки в роликовую
53
61
62
75
75
77
77
84
84
84
85
87
88
93
96
матрицу
3.2,5. Исследование структуры металла
утолщения при использовании обкатки
7
"
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.2.5.1. Методика исследования макро- и
микроструктуры металла утолщения
100
3.2.5.2. Исследование макроструктуры....:.
102
3.2.5.3. Исследования микроструктуры
103
3.2.6. Исследование механических свойств
металла в утолщении после обкатки
106
3.2.7. Исследование влияния разностенности
исходной заготовки на качество утолщения
108
3.3. Аналитическое исследование напряженнодеформированного состояния металла в очаге
деформации при непрерывно-последовательной
высадке с обкаткой
111
3.3.1. Выбор модели расчета
111
3.3.2. Геометрия модели и
технологические параметры процесса
...Л 11
3.3.3. Свойства заготовки и выбор модели
среды
112
3.3.4. Граничные условия
113
3.3.5. Интерпретация результатов расчета
114
3.4. Совершенствование технологии и
действующего оборудования для непрерывнопоследовательной высадки
122
3.4.1. Совершенствование технологии
высадки
122
3.4.2. Разработка и изготовление гибкой
системы синхронизации и. гидростанции
пресса
.128
3.4.3. Расчет, разработка и изготовление
индукционных нагревателей
132
3.5. Экспериментальная высадка на
модернизированной НВМ
138
3.5.1. Высадка в роликовую матрицу
138
3.5.2. Высадка в один переход
145
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
225
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА И
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ХОЛОДНОЙ
ВАЛКОВОЙ ШТАМПОВКИ
ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ
4.1. Исследование процесса холодной валковой
штамповки с применением ППП "ШТАМП" и
анализ полученных результатов
150
150
4.1.1. Постановка задачи теоретического
исследования
150
4.1.2. Расчетная схема
4.1.3. Граничные условия
151
152
4.1.4. Исходные данные для
моделирования
4.1.5. Интерпретация результатов расчета
155
155
4.2. Разработка технологии для изготовления
различных типов осесимметричных деталей
4.3. Разработка экспериментальной установки
холодной валковой штамповки
170
183
4.3.1. Описание экспериментальной
установки
184
4.3.2. Работа экспериментальной установки.... 190
4.4. Экспериментальные исследования
холодной валковой штамповки и анализ
полученных результатов
192
4.4.1. Методика исследования холодной
валковой штамповки
192
4.5. Исследование распределения
микротвердости
201
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
206
••-208
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Производственное издание
Голенков Вячеслав Александрович,
Радченко Сергей Юрьевич
Технологические процессы обработки металлов давлением с
локальным нагружением заготовки
Корректор Т. М. Анурина
Инженер по компьютерному макетированию Л. Ю. Фроленкова
Редактор 3. М Рябкова
Переплет художника С Н. Москвитина
Лицензия ЛР № 080003 от 1209.96 г
Сдано в набор 07.04.97.
Подписано в печать 06.06.97.
Формат 60x90 /i6
Бумага офсетная.
Гарнитура литературная
Печать офсетная
Усл. печ. л. 14,06.
Уч.-изд. л. 8,04.
Тираж 500 экз
Заказ 255? .
Издательство "Машиностроение"
107076, Москва, Б-76, Стромынский пер.,4
Оригинал-макет подготовлен в ОрелГТУ
Тип. "Труд" комитета по печати, полиграфии и СМИ адм. Орл. обл Орел, ул. Ленина, 1
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
228
Размер файла
6 481 Кб
Теги
технологическая, локальные, нагружения, давлением, заготовка, процесс, металлов, 9777, обработка
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа