Управление напряженно-деформированным состоянием материала заготовки при штамповке полусферических днищ из стали 12Х18Н10Т и сплава АМГ6 в полиуретановую матрицу

Актуальность работы.

В изделиях современной техники широкое применение имеют емкости высокого давления. Характер их работы предусматривает повышенное внимание к уровню остаточных напряжений в материале деталей, входящих в их состав. В качестве обязательного элемента емкостей высокого давления (автоклавов, резервуаров для хранения топлива и газа, огнетушителей и т. д.) входят полусферические днища, которые, как правило, изготавливают методами листовой штамповки. Наиболее часто в качестве материала емкостей высокого давления используются сталь 12Х18Н10Т и сплав АМгб, которые отличаются высокой коррозионной стойкостью, высокими прочностными характеристиками. Однако эти материалы весьма склонны к наклепу.

В условиях мелкосерийного и опытного производства основным методом получения полусферических днищ является штамповка в полиуретановую матрицу, которая по сравнению с металлическими матрицами позволяет снижать уровень остаточных напряжений в материале штамповок. Однако отсутствует опыт возможности управления НДС в заготовке в процессе штамповки. Получение функциональных зависимостей, позволяющих установить взаимосвязь параметров процесса с уровнем НДС в деформируемой заготовке является актуальной задачей. Цель.

Математическое моделирование и оценка возможности управления напряженным состоянием заготовки при штамповке полусферических днищ толщиной до 3 мм и диаметром до 1000 мм для получения деталей с заданным уровнем напряженного состояния и автоматизация технологической подготовки производства.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ влияния параметров полиуретановой матрицы на напряженно-деформированное состояние (НДС) заготовки при штамповке полусферических днищ.

2. Проведение математических экспериментов вытяжки полусферических днищ из сплава АМгбМ и стали 12Х18Н10Т в штампах с эластичной матрицей-подушкой.

3. Исследование зависимости НДС полиуретановой матрицы от ее габаритов, радиуса и глубины внедрения пуансона, толщины и прочностных характеристик заготовки.

4. Исследование влияния величины радиального подпора со стороны эластичной матрицы на НДС заготовки.

5. Усовершенствование технологического процесса вытяжки полусферических днищ в штампах с полиуретановой матрицей.

6. Разработка системы классификации днищ, позволяющей по конструктивно-геометрическим характеристикам детали однозначно ее идентифицировать.

7. Создание автоматизированной системы технологической подготовки процессов штамповки днищ.

Научная новизна.

— Получены зависимости распределения радиальных, тангенциальных и нормальных напряжений в заготовках из стали 12Х18Н10Т и АМгб при штамповке днищ в инструментальных штампах от глубины вытяжки.

— Установлена функциональная зависимость влияния подпора со стороны полиуретановой матрицы на напряженное состояние заготовки при вытяжке в штампах с эластичной средой.

— Установлены зависимости влияния основных параметров технологического процесса на НДС полиуретановой матрицы.

— Разработана система классификации деталей типа днищ, построенная на представлении детали как совокупности кодов ее элементарных составляющих.

Практическая значимость.

— Разработана методика управления НДС заготовки при штамповке полусферических днищ из стали 12Х18Н10Т и сплава АМгб в полиуретановую матрицу, позволяющая получать детали с заданным уровнем свойств.

— Разработаны электронные параметрические модели штамповой оснастки для вытяжки днищ в инструментальных и в штампах с эластичной средой.

— Создана автоматизированная система технологической подготовки производства днищ, позволяющая классифицировать и кодировать днища, проектировать технологическую схему процесса штамповки, проектировать вытяжные штампы как с металлической, так и с полиуретановой матрицей, осуществлять расчет раскроя материала и учитывать отходы.

Достоверность. Достоверность результатов исследований подтверждается применением апробированных методов испытаний и исследований, хорошей сходимостью результатов, полученных как в физических, так и в математических экспериментов.

Апробация работы. Основные положения работы обсуждены на всероссийских научно-технических конференциях «Новые материалы и технологии» в 2000 и 2002 гг., Первой всероссийской научно-практической конференции «Применение ИПИ-технологий в производстве» в 2003 г., на всероссийских молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» в 2000 — 2004 гг. Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 5 статьях. Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 4 глав, основных выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на 195 страницах машинописного текста, содержит 92 рисунка, 11 таблиц и 2 приложения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Исследовано распределение тангенциальных, радиальных и нормальных напряжений в материале заготовке при вытяжке. Получены зависимости этих напряжений от глубины вытяжки. Показано, что при вытяжке полусферических днищ растягивающие напряжения в готовом изделии достигают 88,4% для стали 12Х18Н10Т и 93% для сплава АМгб от пределов прочности для данных материалов, что делает невозможным дальнейшее использование изделий в сложных эксплуатационных условиях. На основе анализа причин появления брака при штамповке полусферических днищ из стали 12Х18Н10Т и сплава АМгб и исследовании напряженного состояния заготовки в процессе вытяжки определена целесообразность в мелкосерийном и опытном производстве перехода на вытяжку в сплошную полиуретановую матрицу. Что позволяет не только избегать потери устойчивости материала заготовки, но и управляя величиной радиального подпора со стороны матрицы на заготовку, получать днища с заданными свойствами.

2. Проведено исследование влияния радиального подпора со стороны матрицы на напряжения в заготовке. Показано, что при переходе на схему вытяжки в сплошную полиуретановую матрицу уровень растягивающих напряжений в заготовке снижается в 3,12 раза для стали 12Х18Н10Т и в 3,84 раза для сплава АМгб. Что позволяет использовать днища без дальнейшей термообработки. Получены зависимости максимальных радиальных напряжений в заготовке от габаритов матрицы, что позволяет управлять НДС материала днища и получать детали с требуемым уровнем нагартовки.

3. Проведено математическое моделирование поведения полиуретановой матрицы в процессе вытяжки днищ с целью определить наиболее важные параметры технологического процесса, влияющие на ее стойкость. Установлено, что наиболее сильно на НДС матрицы влияют глубина внедрения пуансона в матрицу, ее габариты, толщина штампуемого материала. В меньшей степени влияет радиус пуансона, и практически не влияет коэффициент трения. Получена зависимость максимальных напряжений, возникающих в матрице в процессе вытяжки. Это позволит на каждом этапе вытяжки днищ определять максимальные напряжения и тем самым предотвратить преждевременное разрушение инструмента. Показаны пути управления НДС матрицы в процессе эксплуатации, что также позволит повысить ее стойкость.

4. Создана автоматизированная система технологической подготовки производства (АСТПП) днищ, поскольку использование полученных зависимостей при безмашинном способе проектирования затруднено. Для создания автоматизированной системы проведен инжиниринг и реинжиниринг производственной среды, которые позволили выявить недостатки производственной среды и послужили основой для разработки информационной модели АСТПП. В АСТПП были учтены как стандартные методики расчета для инструментальных штампов, так и полученные в работе зависимости. В систему заложены параметрические модели штамповой оснастки, что позволяет в результате проектирования получать не только результаты расчета параметров технологического процесса, но и конструкторскую документацию. Полученная система позволяет значительно сократить время на проектирование технологического процесса, и в конечном итоге, снизить стоимость технологической подготовки производства.

5. Для автоматизированной системы разработана новая методика классификации деталей, которая, в отличие от применяющихся в настоящее время на производстве, позволяет однозначно идентифицировать объекты. Поскольку код детали формируется из совокупности кодов геометрических составляющих детали. Причем в коде учитывается не только тип составляющего ее геометрического элемента, но и его количество.