Реферат: Разработка и исследование ресурсосберегающего способа ковки заготовок, обеспечивающего повышение
- международной научной конференции "Наука и образование - ведущий фактор стратегии "Казахстан-2030" (г. Караганда, 2001, 2002 г.г.);
- международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в металлургии» (г. Темиртау, 2001, 2003 г.г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 9 статьей в научно-технических журналах, 3 доклада в международных научных конференциях и один предпатент Республики Казахстан.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 121 страницах машинописного текста, включая 54 рисунков и 9 таблиц. Состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников в количестве 91 наименования, приложения.
Содержание работы
Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность диссертационной работы, определены цель и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность.
В ПЕPВОЙ ГЛАВЕ выявлена роль сдвиговых деформации при обработке металлов давлением (ОМД) и проведен анализ существующих способов деформирования, реализующие интенсивные сдвиговые деформации, направленные на повышение качества заготовок, особенно литых.
Анализ существующих способов ковки, реализующих интенсивные сдвиговые деформации, выявил необходимость разработки новых способов деформирования с применением надежных кузнечных инструментов простой конфигурации и несложной конструкции, обеспечивающих повышение качества поковок и заготовок путем интенсификации сдвиговых деформации в объеме слитков и заготовок.
Для решения проблемы рационализации технологических процессов ковки и создания единой теоретической основы расчета в основном применяются упрощенные аналитические методы и различные полуэмпирические подходы, построенные на обобщении лабораторных и производственных опытов. Практические возможности таких методов достаточно ограничены из-за принятых гипотез и допущений. В то же время решение ряда практических вопросов технологии ОМД требует более полной и достоверной информации о напряженно-деформированном состоянии металла по сравнению с той, что дают полуэмпирические и существующие аналитические модели. Переход к задачам обработки металлов давлением с учетом реальных механических свойств металла возможен только на основе использования современных численных методов анализа, в частности метода конечных элементов (МКЭ).
Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ теоретически обоснован способ деформирования, реализующий интенсивные сдвиговые деформации в объеме металла заготовки, и разработан кузнечный инструмент для его осуществления.
Реализация интенсивных сдвиговых деформаций в объеме металла заготовок инструментами с плоскими рабочими поверхностями расширяют их технологические возможности. При деформировании такими инструментами развитие интенсивных сдвиговых деформаций в объеме металла заготовок можно реализовать перераспределением сил трения вдоль контактных поверхностей между заготовкой и инструментом за счет изменения движения рабочей поверхности. Например, горизонтальное перемещение верхней рабочей поверхности при осадке плоскими бойками (рисунок 1) приводит к возникновению дополнительных напряжений сдвига на контактной поверхности и смещению линии раздела пластического течения металла по контактной поверхности от её середины, что обуславливает развития интенсивных сдвиговых деформации в объеме металла заготовки.
Рисунок 1 – Схема деформирования плоскими бойками с наложением дополнительных однопоточных деформаций сдвига
Соотношение и г /и в горизонтальных и г и вертикальных и в составляющих перемещения верхней рабочей поверхности инструмента определяет характер процесса деформирования заготовки. Например, при и г /и в =0 происходит только обжатие заготовки. Сдвиг заготовки возможен только при и г /и в ¹0. При определенных значениях соотношения и г /и в и контактных условий можно обеспечить наилучшие показатели напряженно-деформированного состояния в объеме заготовки и энергосиловых параметров процесса. Для определения рациональных значений соотношений и г /и в и оптимальных контактных условий необходимо подробное исследование напряженно-деформированного состояния в объеме заготовки и энергосиловых параметров процесса деформирования с учетом реальных механических свойств металла, которое возможно только на основе использования современных численных методов анализа, в частности метода конечных элементов (МКЭ).
Конечно-элементное моделирование процесса деформирования проводилось с помощью программы ANSYS, предназначенной для проведения анализа в широком круге инженерных дисциплин (прочность, теплофизика, динамика жидкостей и газов и электромагнетизм). В ходе конечно-элементного моделирования процесса деформирования заготовки из стали 40Х получены результаты в виде полей распределения напряжений и деформаций по сечению заготовки, эпюр распределения контактных напряжений (рисунок 2), а также в виде листингов, где приведены числовые значения указанных величин во всех узлах.
а) 
б) 
в) 
г) 
а и б – Распределение гидростатического давления s 0 и степени деформации сдвига Г по поперечному сечению заготовки;
в и г – Распределение давления и напряжения трения на контактной поверхности;
Рисунок 2 – Графическое представление результатов конечно-элементного моделирования при u г /u в =3
В результате конечно-элементного моделирования установлено, что при малых значениях коэффициента трения, когда не обеспечивается достаточного сцепления между заготовкой и рабочей поверхностью инструмента, увеличение соотношения u г /u в не приводит к сдвигу заготовки. В связи с этим деформирование заготовки по указанной схеме необходимо осуществлять инструментом с грубо обработанной рабочей поверхностью без применения смазки. Сравнительный анализ распределения гидростатического давления по сечению заготовки показывает, что при всех значениях соотношения u г /u в по поперечному сечению в основном преобладают сжимающие напряжения. Схема всестороннего сжатия, обеспечиваемая в большей части поперечного сечения, особенно в осевых зонах, гарантирует отсутствие макро- и микротрещин в кованом металле и благоприятствует максимальной степени пластичности деформируемой заготовки. Наряду с этим можно заметить, что зоны, прилегающие к свободным поверхностям заготовки, находятся под воздействием растягивающих напряжений. При увеличении соотношения u г /u в площадь зон, находящиеся под воздействием растягивающих напряжений, и значения самих напряжений увеличиваются. Это может привести к вскрытию металла и появлению трещин в указанных зонах. Поэтому для обеспечения целостности металла необходимо ограничить соотношения u г /u в . Анализ распределения степени деформации сдвига Г по поперечному сечению заготовки показывает, что при всех значениях соотношения u г /u в интенсивные сдвиговые деформации локализованы вдоль короткой диагонали поперечного сечения. С увеличением соотношения u г /u в возрастают максимальные степени деформации сдвига. Максимальные значения степени деформации сдвига для всех значений соотношения u г /u в расположены в осевой зоне заготовки, что обуславливает их интенсивную проработку. Таким образом, увеличение соотношения u г /u в обуславливает развитие интенсивной сдвиговой деформации в объеме металла заготовки. Вблизи свободных поверхностей и некоторых участках контактной поверхности имеются зоны затрудненной деформации, где значения Г минимальны. Путем кантовки заготовки в последующих этапах деформирования зоны интенсивных сдвиговых деформации можно распространить во все участки заготовки.
Анализ распределения напряжений на контактной поверхности показывает, что с увеличением соотношения u г /u в происходит смещение линии раздела пластического течения от середины и постепенно реализуется однопоточная схема течения металла, что обуславливает более интенсивное развитие сдвиговых деформаций в объеме металла. Для оценки энергосиловых параметров процесса по значениям давлений на контактной поверхности и напряжений контактного трения вычислены деформирующее усилие, приходящееся на единицу длины заготовки. График изменения деформирующего усилия (рисунок 3, а) показывает, что при u г /u в =2 и u г /u в =3 (кривые 2 и 3) значение деформирующего усилия почти в два раза ниже чем при u г /u в =1 и при осадке. Такое снижение значений деформирующего усилия с увеличением u г /u в связано с уменьшением площади контакта при отрыве части поверхности заготовки от инструмента и меньшими значениями давления на контактной поверхности при реализации интенсивной сдвиговой деформации. Вместе с тем при деформировании по рассматриваемой схеме возникает горизонтальная сила, которая возрастает с увеличением соотношения u г /u в (рисунок 3, б).
а) 
б) 
0 - u г /u в =0 (осадка); 1 - u г /u в =1; 2 - u г /u в =2; 3 - u г /u в =3
Рисунок 3 – Изменение усилий деформирования (а) и горизонтальной силы (б) в ходе нагружения
Сопоставление показателей напряженно-деформированного состояния заготовки и энергосиловых параметров процесса при различных значениях u г /u в показывает, что наиболее лучшие показатели получаются при соотношениях u г /u в =2¸3 и деформировании заготовки инструментом с грубо обработанной рабочей поверхностью без применения смазки. Дальнейшее увеличение u г /u в может быть ограничено, из-за возможного опрокидывания заготовки при интенсивном отрыве поверхности заготовки от поверхности инструмента. Результаты конечно-элементного моделирования процесса деформирования заготовок можно применить в целях создания теоретической базы данных для возможных случаев их реализации в практической деятельности различными инструментами.
Для реализации интенсивных сдвиговых деформации заготовки по вышеуказанной схеме деформирования предложен кузнечный инструмент с плоскими рабочими поверхностями (рисунок 4), который отличается от существующих инструментов отсутствием сложных узлов, что улучшает его монтаж, наладку и эксплуатацию.
Инструмент работает следующим образом. В исходном положении (рисунок 4, а) бойки разведены, и заготовка 4 подается между ними. При ходе ползуна пресса вниз верхний боек 1 через рабочую вставку 2 давит на заготовку 4, в результате противодействия со стороны заготовки 4 рабочая вставка 2 перемещается по наклонной плоскости верхнего бойка 1. Благодаря этому поверхности соприкосновения рабочей вставки 2 и нижнего бойка 5 воздействуют на обрабатываемую заготовку 4 как в нормальном, так и в касательном направлениях, вызывая одновременно её обжатие и поперечный сдвиг за счет противоположно направленных сил контактного трения со стороны рабочей вставки 2 и нижнего бойка 5. После достижения необходимого сдвига заготовки (рисунок 4, б) верхний боек с рабочей вставкой поднимается вместе с ползуном пресса, а пружины 3 возвращают рабочую вставку 2 в исходное положение.
а) 
б)
1 – верхний боек; 2 – рабочая вставка; 3 – удерживающие пружины;
4 – деформируемая заготовка; 5 – нижний боек;
а) – исходное положение; б) – конечное положение.
Рисунок 4 – Схема деформирования инструментом, реализующий интенсивные сдвиговые деформации заготовки
Перемещение рабочей вставки u р.в. при деформировании заготовки можно разложить на горизонтальные и г и вертикальные и в составляющие, при определенных соотношениях и г /и в которых как было установлено выше происходит наиболее лучше деформирование заготовки. Обеспечение требуемых значений соотношений и г /и в зависит от конструктивных параметров инструмента, машинного трения между рабочей вставкой и верхним бойком, деформационного трения между заготовкой и рабочей вставкой, реологических свойств материала, обрабатываемой заготовки.
Для того чтобы рабочая вставка начала перемещаться по наклонной поверхности верхнего бойка, сила, действующая со стороны заготовки, должна образовывать с нормалью к наклонной поверхности угол больше угла трения, т.е. для предлагаемого инструмента должно выполнятся следующее условие:
a > a тр . (1)
где a – угол наклона соприкасающихся поверхностей верхнего бойка и рабочей вставки;
a тр – угол трения на соприкасающихся поверхностях верхнего бойка и рабочей вставки.
При несоблюдении условия (1) деформирование заготовки будет осуществляться без перемещения рабочей вставки, т. е. будет осуществляться только осадка заготовки.
При деформировании заготовки рабочие вставки, перемещаясь по наклонной поверхности, растягивают пружины 3 (рисунок 4). Для того чтобы при деформировании пружины работали только на растяжение, они в начальный момент должны быть перпендикулярны к наклонной поверхности бойка. Для обеспечения такого расположения до начала деформирования пружины необходимо устанавливать в несколько натянутом состоянии, с начальной (установочной) нагрузкой F п.0. , формула определения которой выведена из рассмотрения равновесия рабочей вставки до начала деформирования заготовки
. (2)
где G – сила тяжести рабочей вставки;
n п – количество пружин;
f – коэффициент трения на контактной поверхности рабочей вставки с верхним бойком.