Исследование процесса вытяжки в коническую матрицу с помощью программы DEFORM-2D

УДК 621.4

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫТЯЖКИ В КОНИЧЕСКУЮ МАТРИЦУ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ DEFORM-2D.

© 2013 А.Г. Шляпугин, Д.А. Цыцорин

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва

Поступила в редакцию 02.12.2013

В данной статье рассмотрен процесс вытяжки в коническую матрицу, приведены графики зависимостей от различных факторов.

Ключевые слова: вытяжка с утонением, коэффициент вытяжки, моделирование.

Для изготовления деталей конической формы применяется большое количество методов обработки металлов давлением. Существенный недостаток наиболее распространенной операции - вытяжки в том, что давление пуансона передаётся лишь небольшой поверхности в центре заготовки, вызывая значительное местное утонение, а иногда и обрывы материала. Для уменьшения местного утонения вытяжку осуществляют в несколько переходов. С целью снижения числа переходов возможно использование вытяжки в коническую матрицу [1].

В последнее время, для оценки технологии изготовления деталей, широкое применение получили системы инженерных расчетов (CAE), в частности система DEFORM. Программа DEFORM компании SFTC позволяет решать задачи, учитывающие объемное напряженное состояние заготовки (прокатка, волочение, прессование, ковка и др.). Задачи листовой штамповки не являются характерными для решения с помощью данной программы, поскольку в листовой штамповке пренебрегают напряжениями, действующими по толщине листа, хотя их решение в DEFORM возможно [2-5].

Целью работы является оценка возможности применения программы DEFORM для моделирования вытяжки в коническую матрицу в два перехода.

На первом переходе происходит давление конического прижима на заготовку; прижим движется с постоянной скорость 1 мм/с (рис 1а), до момента пока плоская заготовка полностью не свернется в коническую чашку (рис 1б).

На втором переходе конический прижим остается неподвижным, а пуансон, за счет движения в отрицательно направлении по оси Y с по-

Шляпугин Алексей Геннадьевич, кандидат технических анук, доцент кафедры ОМД. E-mail: alex_shag@mail.ru Цыцорин Дмитрий Алексеевич, инженер кафедры ОМД. E-mail: dimabandit@mail.ru

стоянной скорость 1 мм/с придает заготовке окончательную форму (рис 1в).

При проведении вычислительного эксперимента в качестве заготовки использовался круг, толщиной 2 мм из сплавов Д16 и ОТ4. Данные о механических свойствах материала, в соответствии с ГОСТ 4784-97 и ГОСТ 26492-85, в табличном виде были введены в DEFORM. В ходе выполнения эксперимента не учитывались: упругие свойства материала и влияние температуры. Трение подчинялось закону Кулона, коэффициент трения принимался равным: 0.2; 0.12; 0.05. Радиусы заготовок задавались из ряда 41,25 мм, 46,75 мм, 52,25 мм, что соответствует коэффициентам вытяжки равным: 1.5; 1.7; 1.9, при постоянном радиусе пуансона равном 27.5 мм.

Размеры инструментов показаны на рисунке 2. Все инструменты в программе DEFORM являлись жесткими элементами. Радиус скругления пуансона задавался равным: 6 мм и 22 мм.

В ходе моделирования было установлено, что в конце первого этапа из-за локального воздействия прижима на внутреннюю поверхность заготовки высока вероятность образования дефекта - «вмятина» (рис 3).

Толщина на участке «вмятины» по окончании первого этапа, остается наименьшей.

По результатам моделирования 1-го этапа деформирования (рис. 2а) построены графики: распределения толщин заготовки вдоль образующей и изменение длины образующей в зависимости от коэффициента вытяжки с учетом коэффициента трения, марок материала (рис. 4,5). Замеры производился по 3-м точкам: в центральной части (на оси симметрии), наименьшей толщины заготовки, во фланцевой части (вблизи торцевой части заготовки). На графиках принято, что точка, соответствующая оси симметрии, расположена в начале отсчета длины образующей.

Как видно из графиков (рис. 4,5) при заданных значениях коэффициента трения на измене-

а б

Рис. 1. Геометрия элементов друг относительно друга: а, б, в - положение заготовки перед штамповкой, после первого перехода и в заключительный момент деформирования

а б в

Рис. 2. Схема с размерами инструмента: а - коническая матрица, б - конический прижим, в - пуансон

А

Рис. 3. Иллюстрация к образованию дефекта

ния толщины вдоль образующей не наблюдается (менее 1%).

С увеличением значения коэффициента вытяжки заметно, что толщина в центральной части полуфабриката уменьшается, а ближе к фланцевой части увеличивается. В целом, влияние коэффици-

ента вытяжки на изменение толщины вдоль образующей полуфабриката составляет не более 6-9%.

Как видно из графика, показанного на рис. 5, изменение длины образующей не зависит от материала заготовки, коэффициента трения и значения коэффициента вытяжки, таким образом,

в

1.05 1.04 1.03 1.02 1.01 1

0.99 0.98 0.97 0.96 0.85

о • Тр ю ение= ),2 — 1 Кв=1 5

<л -- ¡-Тр Тп ение= ),'\2 1 ПР> К Д1 6

Тр ение= ),2 — J

—Тр ение= 1.12 ОТ 4

-•-Тр ение= >.0Ь \

—4

и Ьисх

1.05 1.04 1.03 1.02 1.01 1

0.99 0.98 0.97 0.96 0.95

о —*—Тр (0 яние0 2 I к в=1, Т

СО -»-Тр Зние0 12 Д16

'Н г—Тп А

—Тр >НИ9 0 12 ОТ \ //

-•-Тр эние 0 0В_ \

1 Ьисх

0 1 0.2 0.3 0.4 0 5 06 07 0.8 0.9 1.05

1 1.1 а 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 О.Е 0.9 1

1.04 1.03 1.02 1.01 1

0.89

0.98

0.97

0.6

0.95

о -» ч-Тр ениеО 2 КВ =1,9 {

»-1р Тр ениеи \1 ОБ Д16 /

Тр ениеО 2 /

»-Тр ениеС 12 — ОТ 4

«-|р ениеО

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 О.а 0.9 1 1.'В

а - Кв=1,5; б - Кв=1,7; в - Кв=1,9;

Рис. 4. Распределение толщин вдоль образующей заготовки: толщина полуфабриката в точке, после моделирования первого этапа; 8о - толщина заготовки

б

8

X V -1 Первый переход

о _1

Трение 0.2

Г Трение 0.12 "рение0.05 ^ \ Д16

"рениеО.12 рениеО.ОБ \ ОТ4 Кв

1.5 1.6 1.7 1.8 1.9

Рис. 5. Изменение длины образующей полуфабриката после первого перехода в зависимости от коэффициента вытяжки : Ьобщ - длина образующей полуфабриката, после первого этапа моделирования;

Ьисх - радиус заготовки Кв - коэффициент вытяжки

деформациями заготовки после первого перехода можно пренебречь.

По результатам моделирования 2-го этапа (рис. 1в) построены графики: распределения толщин вдоль образующей в зависимости от коэффициента трения, марок материала, радиуса скругления пуансона. Замер производился по 4-м точкам: в центральной части (на оси симметрии), наименьшей толщины (место касания ра-

диуса скругления пуансона на полуфабрикат), толщина после первого этапа моделирования (дефект - «вмятина»), во фланцевой части (вблизи торцевой части) (рис. 7,8). Схема снятия размеров на втором этапе представлена на рис. 6.

Из графиков, показанных на рис. 7, 8, видны следующие закономерности:

1. Влияние значения коэффициента трения на распределении толщин у получаемой детали невелико.

2. Увеличение радиуса скругления пуансона с 6 до 22 оказывает на распределение толщин вдоль образующей следующее влияние:

1.2 1.15 1.1 1.05 1

0.95 0.9 0.85 0.8 1.2 1.15 1.1 1.05 1

0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 1.2 -1.1

^ —Трение=0, г 4 Д16 Кв=1,5;1?п=6

Трение=0. 35 Д1С

—Трение=0. 2 э— ОТ 4

• Трение=0,

/

/ У

— у

1_Ж6

О ТрениеО 2 Кв=1,7 ;Р!п=6 ¿Г

и -»-ТрениеО ,2 ^ Д1( 6 //

н /У

'' Трение 0 121 1— ОТ4

—•— ТрениеО 05 У //

— V

иже

б

0.8 0.8

о —•— Тре И ние=0,2 ние=0.12 Кв=1 ,9;Рп=6 а

Тре ние=0,05 Д 16

~Тре ние=0,12 О Г4

~~1Р9 ние=0,0Ь

«Vх- 1-/1*6

1.2 1.15 1.1 1.05 1

0.95 0.9 0.85 0.8 1.2 1.15 1.1 1.05 1

0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 1.2

о —♦— Трение=0. п Кв=1,5:Яп=2 Л Ьг-

Трение=0. 35 Д1 Д1 /

— Трение=0. ОТ 4

• Тренив=0. 05 ^ /

.............

\-IR6

Г 2

о »—Трет е=0.2 Кв=1 7;Кп=22 Д

й —Трет 6=0.12 Д16

ж Тренъ е=0.12 ОТ4

—♦—Трет е=0.05

и!»

1.1

о — Тре ние=0.2 --- тт Кв=1 £ ,9;Рп=22у

Тре ние=0.05 Д 6

— Тре ние=0.12 О 4

— |ра ние=0.05

иже

0.7 0.6 0.5

2.5 I 1.5 2 2 5 в 2 0 2.5 I 1.5 2

Рис. 7. Распределение толщин вдоль образующей детали: а, б, в - Кп=6; г, д, е - Кп=22; 8 - толщина детали в точке, после моделирования второго этапа; 8о - толщина заготовки; Кб - радиус пуансона (равен 27.5 мм); Ь - длина образующей детали, после второго этапа моделирования

1.43

о —*—Трение 0.2 (?п=22 Л

'о Трение 0.05 Д Д 16

Трение —ч— Трение 0.2 0.12 О О ТА уС' Т4

• Трение 0.05__

Кв

б

Рис. 8. Изменение длины образующей детали после второго перехода в зависимости от коэффициента вытяжки: Ьобщ - длина образующей детали, после второго этапа моделирования; Ьисх - радиус заготовки; Кв - коэффициент вытяжки

• Центральная часть (начало отсчета) утоняется на 1-3%.

• Участок с наименьшей толщиной у получаемой детали смещается к центральной части, а

ее значение уменьшается на 1-3%.

• Толщина на участке дефекта «вмятина» увеличивается на 1-3%. Значение толщины на участке дефекта не является наименьшим для детали.

е

3. Увеличение коэффициента вытяжки оказывает следующее влияние распределение толщин у получаемой детали:

• Центральная часть детали утоняется на 11-26%.

• Наименьшая толщина у детали уменьшается на 12-28%.

• Толщина заготовки на участке дефекта «вмятина» утоняется на 7-20%.

Длина образующей, при увеличении радиуса скругления пуансона, увеличивается на 1-3%, а при увеличении коэффициента вытяжки - на 13-33%.

Участок заготовки с наименьшей толщиной после первого этапа, сохраняет наименьшее значение и после второго этапа.

На основании выполненных с помощью программы DEFORM исследований для моделирования вытяжки в коническую матрицу в два перехода, можно сделать следующие выводы:

1. Влиянием трения при использовании традиционных смазок (диапазон значений коэффициента трения 0.05-0.2) на процесс изменения толщины стенки можно пренебречь.

2. При изготовлении деталей необходимо уделить особое внимание возможности образования дефекта появляющегося после первого перехода.

3. Распределение толщин у получаемой детали имеет следующие закономерности:

а) толщина в центральной части детали утоняется на 11-26%, при увеличении значения коэффициента вытяжки в диапазоне значений 1,51,9, а при увеличении радиуса скругления пуансона с 6 до 22 - на 3-5%;

б) наименьшая толщина, при увеличении значения коэффициента вытяжки в диапазоне зна-

чений 1,5-1,9, уменьшается на 12-28%, а при увеличении радиуса скругления пуансона с 6 до 22 стремится ближе к центральной части и утоняется на 1-3%;

в) с ростом коэффициента вытяжки в диапазоне значений 1,5-1,9 на участке дефекта произ-ходит уменьшение толщины на 7-20%.

4. Длина образующей стенки детали с ростом коэффициента вытяжки в диапазоне значений 1,5-1,9 может увеличиваться на 13-33%. Влиянием радиуса скругления пуансона с 6 до 22 на изменение длинны образующей можно принебречь (удлинение 1-3%).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Маслов В.Д., Чистяков В.П., Попов И.П. Повышение равномерности толщины стенки штампованных конических оболочек // Кузнечно-штамповочное производство. 1986. № 6. С. 14-15.

2. Использование программы Deform 2D для описания процессов листовой штамповки. /

Ф.В., Шляпугин А.Г., Николенко К.А. Деп. ВИНИТИ 15.06.2006, №804-В2006.

3. Оценка с помощью программы DEFORM-2D возможностей изменения характера распределения толщин у деталей полученных вытяжклй и вытяжкой и вытяжкой отбортовкой / Шляпугин А.Г., Блинова О.Ю. Деп. ВИНИТИ 17.01.2012, №9 - В2012.

4. Моделирование процесса обжима в программе DEFORM-2D / Шляпугин А.Г., Блинова О.Ю. Деп ВИНИТИ 17.01.2012 №8-В2012.

5. Харламов А., Уваров А. DEFORM — программный комплекс для моделирования процессов обработки металлов давлением [Электронный ресурс] // САПР и графика. URL: http://www.sapr.ru/ Article.aspx?id=7481#begin (дата обращения 4.11.2013).

INVESTIGATION PROCESS HOODS SLIDE IN CONICAL MATRIX USING DEFORM-2D

© 2013 A.G. Shlyapugin, D.A. Tsytsorin

Samara State Aerospace University named after Academician S.P. Korolyov

This article describes how to draw a conical matrix shows the dependence on various factors. Keywords: draw with thinning, draw ratio, modeling.

Aleksey Shlyapugin, Candidate of Technics, Associate Professor at the Plastic Working of Metal Department. E-mail: alex_shag@mail.ru

Dmitry Tsytsorin, Engineer Plastic Working of Metal Department. E-mail: dimabandit@mail.ru