Теоретическое исследование комбинированного процесса вытяжки и отбортовки в кольцевую матрицу полусферического профиля

ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 621.7, 539.3

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННОГО ПРОЦЕССА ВЫТЯЖКИ И ОТБОРТОВКИ В КОЛЬЦЕВУЮ МАТРИЦУ ПОЛУСФЕРИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ

В. Д. Кухарь, А.Н. Пасько, О. А. Екимова

Рассматривается напряженно-деформированное состояние и силовые параметры процесса.

Ключевые слова: вытяжка, отбортовка, кольцевая матрица.

Изделия типа «тор» находят достаточно широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Эти изделия, получаются соединением двух деталей типа «полутор» формообразование которых, возможно из плоских кольцевых и круглых заготовок. Анализ технических разработок и научных публикаций выявил, что процесс изготовления детали типа «полутор» из плоской заготовки недостаточно исследован и изучен. Разработка новых и совершенствование существующих технологических процессов деталей типа «полутор» из плоских кольцевых заготовок невозможно без создания математических моделей реально отражающих процесс пластического формоизменения.

Наиболее эффективным путем создания этих моделей является использование метода конечных элементов, который ввиду своих характерных особенностей позволяет оценить напряженно-деформированное состояние в любой точке деформированного тела в любой момент времени. В связи с этим для моделирования будем использовать программный комплекс QForm 2Б/3Б.

На рис. 1 показана деталь типа «полутор», которая является осесимметричным телом, поэтому, основываясь на результате исследования представленного в работе [1], для сокращения объема вычислений будем моделировать формоизменение сектора этой детали с наложением соответствующих ограничивающих условий.

В качестве заготовки принято кольцо из сплава Д16 (рис.2) [1] внутренним диаметром ё=166мм, внешним Б=234мм толщиной И=2мм.

Формоизменение заготовки осуществляется кольцевым пуансоном со сферической торцевой поверхностью, радиус которой составляет % ши-

рины кольцевой части пуансона. Геометрические параметры пуансона и матрицы и заготовки представлены на рис. 2.

Рис. 1 Деталь типа «полутор» полусферического профиля

Оп

ёп

б ч Ы/2

Он

А

а

б

дз

Оз

в

Рис. 2. Геометрические параметры процесса: а - пуансон, б - матрица, в - заготовка

В нашем случае числовые значения указанных величин будут следующими: Оп=226мм, йп=180мм, Ь=20мм, Ом=225,2мм, йм=174,8мм..

В качестве оборудования выбран механический пресс номинальной силой - 10 МЫ с количеством ходов в минуту - 35, и ходом пресса - 381 мм. Температура заготовки в процессе деформирования остается неизменной и составляет 200С. Так как данный сплав относится к алюминиевым, то выбираем в качестве смазки минеральное масло: фактор трения - 0,15, коэффициент теплопередачи 7500Вт/м*м*К.

0,2 0,4 0,6 0,8 £,%

Рис. 3. Кривая упрочнения дюральалюмиевого сплава.

357

Механические свойства материала описываются кривой упрочнения, приведенной на рис. 3.

При указанных геометрических размерах заготовки и инструмента средний радиус кольцевой заготовки совпадает со средним радиусом пуансона, что соответствует расчетной схеме операции приведенной на рис. 4.

! 1

Рис. 4. Расчетная схема операции

Для сокращения времени на объем вычислений и удовлетворения технических требований программного комплекса рассмотрим десятиградусный сектор модели. Сгенерируем объемную конечно-элементную (КЭ) сетку, состоящую из линейных тетраэдров, поверхностную пространственную сетку, состоящую квадратичных треугольников. Построение КЭ сетки, как на поверхности, так и в объеме полностью автоматическое (рис. 5).

Рис. 5. Конечно-элементная сетка моделируемого сектора

Процесс формообразования осуществляется за счет одновременной реализации двух операций: вытяжки на внешнем контуре кольцевой заготовки и отбортовки на внутреннем контуре.

Так как в процессе расчета система ХУ7 остается неизменной то оценку напряженно-деформированного состоянии заготовки будем производить для материальных точек лежащих в плоскости Х7 совпадающей с меридиональным сечением. Так как в процессе формоизмения материальные волокна в этом сечении не только деформироруются но и поворачиваются, то судить о деформированном состоянии будем по накопленной интенсивности деформаций точек, и деформации єуу которые в нашем случае совпадают с окружной деформацией заготовки.

Меридиональное сечение совпадает с плоскостью Х7. Так как в процессе расчета система координат ХУ7 остается неподвижной, о деформированном состоянии заготовки будем судить по величине деформации єуу и величине накопленной пластической деформации.

Анализ полученных результатов по накопленной деформации показывает (рис.6), что степень деформации во всей заготовке не значительная, наибольшие значения присутствуют на кромках, но не превышают 10%.

Картина окружной деформации єуу (рис.7) показала, что на внешнем радиусе полутора находится сжатие - пластические деформации єуу в этой зоне отрицательны и не превышают 5% (рис.7), а на внутреннем радиусе -растяжение, пластические деформации єуу положительны и составляют 7%.

Рис. 6. Накопленная пластическая деформация в меридиональном сечении полутора

Кроме того, картина распределения гидростатического давления (среднее напряжение) (рис. 8) показывает, что на внутренней кромке заготовки они имеют положительные значения, что вместе с растягивающими деформациями может привезти к разрушению заготовки, а на внешнем радиусе реализуются сжимающие деформации и отрицательные значения гидростатического давления, что позволяет прогнозировать отсутствие

разрушений. Таким образом, предельное формоизменение заготовки будет определяться возможностью разрушения в результате процесса отбортов-ки.

Рис. 7. Пластическая деформация еуу в меридиональном сечении

полутора

92 90

Рис. 8. Среднее напряжение в меридиональном сечении

полутора

Рис. 9. Характерные точки в меридиональном сечении полутора

Проанализируем кромки внутреннего и внешнего диаметров полутора более подробно. Для этого рассмотрим две характерные точки (рис. 9), точка №1 находится на внутреннем диаметре готового изделия, точка №2 - на внешнем.

Изменение накопленной степени деформации и интенсивности скоростей деформаций показано на рис. 10.

О 0.01 0.02 г, с

а

б

Рис. 10 Показатели деформированного состояния:

1 - накопленная степень деформации, 2 - интенсивность скоростей деформаций; а - в точке №1, б - в точке №2

Накопленная степень деформации имеет возрастающий характер. На кромке внутреннего радиуса полутора накопленная степень деформации выше, чем на кромке внешнего радиуса, соответственно в первой -0,07, а во второй точке она составляет 0,05. Аналогично и интенсивность скоростей деформаций в точке №1 выше и достигает значения 7 1\с. Интенсивность напряжений достигает своего максимального значения в первой точке 195 МПа во второй 180 МПа при завершении формообразования.

Среднее напряжение в первой точке является растягивающим. Максимальное значение, которого составляет 60МПа. Во второй точке оно является сжимающим, не превышая значения -80МПа. Следовательно, на внешнем радиусе полутора вероятность разрушения заготовки отсутствует,

а на внутреннем радиусе полутора из-за положительного значения среднего напряжения возможно возникновение разрушения заготовки.

Рис. 11. Показатели напряженного состояния 1-интенсивность напряжений, 2 - среднее напряжение: а - в точке №1, б - в точке №2

р,

мн 0.04

0.03

0.02

0.01

О 5 10 15 20 Л1 лш

Рис. 12. Силовые параметры процесса, зависимость усилия от рабочего хода пуансона.

Из рис. 12 видно, что максимальная сила процесса равна

0,04 МПа, которая достигается в момент схода кромок заготовки с горизонтальной плоскости матрицы на соответствующие радиуса скругления.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 13-08-97514.

Список литературы

1. Кухарь В. Д., Бойко О.А. Моделирование процесса штамповки деталей типа «полутор» из плоской кольцевой заготовки // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула; Издательство ТулГУ, 2012. В. 1. С. 502-508.

2. Кухарь В.Д., Бойко О.А. Исследование процесса вытяжки детали «стакан» с помощью программы QForm 2D/3D // Вестник ТулГУ. Сер. Актуальные вопросы механики. Тула; ТулГУ, 2012. В. 8. С. 29-35.

3. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение, 1979. 520 с.

4. Биба Н. А., Стебунов С. А. QForm 5.0 - программный инструмент для повышения эффективности производства в обработке металлов давлением // CAD/CAM/CAE Observer No 8 (44), 2008, ISSN 1407-7183.

Кухарь Владимир Денисович, д-р техн. наук, проф., проректор, (4872) 35-18-32, Vladimir. D.Kucharatsii. tula. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Пасько Алексей Николаевич, д-р техн. наук, доц., (4872) 35-18-32,

aleksey.n.pasko a.mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Екимова Оксана Анатольевна, асп., (4872) 35-18-32, Boyko-OAayandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE ORETICAL RESEARCH OF THE COMBINED PROCESS OF THE DRA WING AND

FLANGING IN THE RING MA TRIX OF THE HEMISPHERICAL PROFILE

V.D. Kuchar, A.N. Pasko, O.A. Ekimova

Discusses the stress-strain state and power steam-meters process.

Key words: kitchen, flanging, ring matrix.

Kukhar Vladimir Denisovich, doctor of technical sciences, professor, prorector, (4872) 35-18-32, Vladimir.D.Kucharatsii.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Pasko Aleksej Nikolaevich, doctor of technical sciences, docent, (4872) 35-18-32, aleksey.n.paskoa.mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Ekimova Oksana Anatolevna, post graduate, (4872) 35-18-32, Boyko-

OA ayandex. ru, Russia, Tula, Tula state University