Усатюк Дмитро Андрійович. Удосконалення процесу деформування та розробка поковок підвищеної точності з використанням методу скінчених елементів

brief description

Усатюк Дмитро Андрійович. Удосконалення процесу деформування та розробка поковок підвищеної точності з використанням методу скінчених елементів : Дис... канд. наук: 05.03.05 2007

Усатюк Д.А. Удосконалення процесу деформування та розробка поковок підвищеної точності з використанням методу скінчених елементів. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском. Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2007.
Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково-технічної задачі підвищення точності гарячого штампування для зменшення витрат металу та поліпшення якості поковок шляхом удосконалення процесу деформування та розробки поковок підвищеної точності з використанням методу скінчених елементів.
В дисертації дослідження напружено-деформованого стану при гарячому штампуванні зведено до нестаціонарної нелінійної зв’язаної задачі термопластичності для вирішення якої розроблено математичну модель пружно-пластичного матеріалу з функцією термомеханічного зміцнення та розроблена методика, згідно до якої напружено-деформований стан поковок та штампів визначається з урахуванням механічних властивостей матеріалу, що змінюються під впливом температурно-швидкісних умов. Для підвищення геометричної точності поковок отримано аналітичну залежність геометричної точності від нерівномірності напружено-деформованого стану поковки при гарячому штампуванні. Розроблена методика оцінки стійкості пластичної рівноваги точок поковки з використанням параметрів напружено-деформованого стану, що дозволяє оцінити якість поковок на стадії проектування технологічного процесу. Рекомендовано залежність для визначення стійкості штампів на основі режиму роботи та втомної міцності штампових сталей. Розроблені поковки впроваджені у виробництво у ВАТ ККЗ «Центрокуз» з економічним ефектом 122960 гривень на рік.

У дисертації представлено нове рішення науково-технічної задачі підвищення точності гарячого штампування на молотах для зменшення витрати металу і поліпшення якості поковок шляхом удосконалення процесу деформування та розробки вісесиметричних поковок підвищеної точності з використанням методу скінчених елементів.
1. Отримання поковок підвищеної точності дозволяє зменшити витрату металу і значно збільшити продуктивність праці. Впровадження точного штампування на молотах традиційними способами пов'язано з великими витратами, що стримує її застосування.
2. Одержала подальший розвиток математична модель нестаціонарного нелінійного зв'язаного завдання термопластичності для дослідження операцій гарячого штампування на молотах, що базується на моделі пружно-пластичного матеріалу з термомеханічним зміцненням і аналітичних залежностях для напружень та деформацій. Це дозволяє визначати параметри напружено-деформованого стану та показники міцності металу поковки з урахуванням температурно-швидкісних умов.
3. Розроблена методика підвищення геометричної точності поковок для гарячого штампування на молотах шляхом дослідження напружено-деформованого стану і температурних полів поковок і штампів, яка полягає у зведенні будь-якої операція гарячого штампування до моделі системи «поковка-штамп», в рамках якої методом скінчених елементів вирішується нестаціонарна нелінійна зв'язана задача термопластичності.
4. Досліджено напружено-деформований стан при осаджуванні низьких та високих заготовок. Встановлено, що підвищена нерівномірність напружено-деформованого стану пов'язана з розповсюдженням в тілі поковки слабких ударних хвиль і високими швидкостями деформації - 200-435 с-1для низьких поковок та 50-90 с-1для високих. Це призводить до нерівномірного термомеханічного зміцнення металу і є причиною збереження зон деформації до ступеня деформації 50%. Показано, що хвильові процеси найбільш істотно впливають на енергетичну ефективність молоту при осаджуванні низьких поковок з, коли енергія хвиль в поковці складає від 10% до 40% енергії удару молота. Методом функцій Ляпунова встановлено порушення пластичної рівноваги і визначені граничні ступені деформації з урахуванням температурно-швидкісних умов деформації. Збільшення коефіцієнта тертя з 0,1 до 0,4 призвело до зменшення граничного ступеня деформації при осаджуванні низьких заготовок з 60% до 40%, а при осаджуванні високих з 67% до 45%. Досліджено розвиток тріщини і місце її виходу на поверхню для високих поковок в області екватора і для низьких - на верхній кромці торця. Встановлена наявність максимумів інтенсивності напружень від 100 до 170 МПа на всій поверхні розділу осередку деформації з іншими зонами деформації, що пов'язане з нерівномірним термомеханічним зміцненням металу при осаджуванні як низьких, так і високих заготовок. При збільшенні висоти поковки в чотири рази швидкості деформації зменшилися з 200-435 с-1до 50-90 с-1, тобто в 4-5 разів.
5. Розроблена аналітична залежність геометричної точності поковки з нерівномірністю напружено-деформованого стану при штампуванні в остаточному ручаї. Досліджено формозміну в остаточному ручаї при штампуванні поковок другого ступеня складності на молотах. Досліджено конфігурацію і розміри осередку деформації і нерівномірність напружено-деформованого стану та температурних полів при штампуванні поковок другого ступеню складності на молотах. Інтенсивність напружень в різних зонах поковки під впливом температурно-швидкісних умов змінюється від 60 до 150 МПа, межа текучості від 20 до 140 МПа, а межа міцності від 140 до 220 МПа, внаслідок чого в місцях концентрації напруги утворюються «жорсткі» зони. Використання функції геометричної точності дозволило підвищити точність штампування в остаточному ручаї за рахунок зменшення нерівномірності напружено-деформованого стану поковок без порушення пластичної рівноваги, що підтверджене оцінкою по методу функцій Ляпунова. В результаті підвищенні точності досліджених поковок висота осередку деформації зменшилася в чотири рази, залишившись достатньою для заповнення ручаю штампу.
6. Рекомендована залежність для визначення стійкості штампів на основі режиму роботи штампу та втомної міцності штампових сталей, виражену через межу витривалості і усереднене базове число циклів до руйнування. Це дозволило виявити переважаючий вид зносу для кожної поверхні ручаю і усунути локальні перегріви вище точки Ас1. При дослідженні штампів встановлено, що в процесі штампування найбільш важкий тепловий режим у нижньої частини штампу, а силовий режим - у верхньої внаслідок особливостей режимів деформування на молотах. При штампуванні поковок підвищеної точності температури на поверхнях ручаїв змінюються від 4500С до 6000С, досягаючи максимумів 7000С на поверхнях радіусів закруглень. Інтенсивності напружень в штампах змінюються від 350 до 800 МПа, досягаючи максимуму 1100 МПа на поверхнях облойного містка.
7. Адекватність математичної моделі підтверджено перевіркою по критерію Фішера, а гіпотезу відтворюваності експериментів - оцінкою по критерію Кохрена. Відносна погрішність визначення напружено-деформованого стану і температурних полів склала 7-11%.
8. Розроблені поковки «кільце лабіринтне», «обойма», «лабіринт від’ємний», «кришка» та «колесо зубчате» підвищеної точності впроваджені у виробництво на підприємстві ВАТ ККЗ «Центрокуз», м. Кіровськ Луганської області. Річна економія металу по кожному типорозміру поковок склала: «кільце лабіринтне» - 7,2 тонни, «обойма» - 2,9 тонни, «лабіринт від’ємний» - 9 тонн, «кришка» - 4 тонни і «колесо зубчате» 8 тонн. Економічний ефект за рік склав 122960 гривень. Розроблені рекомендації по конструюванню і впровадженню поковок підвищеної точності на виробництві.