Влияние точности установки на стойкость инструмента в процессе вырубки–пробивки

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 621.96+539.3

Влияние точности установки на стойкость инструмента в процессе вырубки-пробивки

П. М. Винник, К. М. Иванов

Исследован методом конечных элементов характер влияния точности крепления инструмента в штампе на стойкость инструмента в процессе вырубки-пробивки. Показано, что угол наклона пуансона сильнее, чем смещение центра пуансона, сказывается на стойкости. Предложена методика оценивания влияния конкретных искажений на стойкость по результатам конечно-элементного моделирования. Показано согласие полученных результатов с результатами, полученными другими методами.

Ключевые слова: вырубка, износ, стойкость.

Введение

Известно, что в разделительных операциях происходит износ вырубного инструмента с той или иной степенью интенсивности, причем интенсивность износа зависит от точности крепления инструмента в штампе. Вследствие износа снижается качество получаемых вырубкой-пробивкой деталей, в частности искажается форма детали, а также образуется заусенец, по мере роста которого детали перестают быть годными.

Точность крепления инструмента в штампе характеризуется двумя параметрами: углом а отклонения оси пуансона от перпендикуляра к зеркалу матрицы и смещением Н центра торца пуансона относительно ожидаемого центра детали (или отверстия).

При установке инструмента могут иметь место одновременно и наклон оси, и смещение центра.

Целями работы являются установление характера влияния точности установки на стойкость и построение процедуры оценивания степени износа инструмента по конечно-элементной (КЭ) модели.

Моделирование вырубки с отклонениями в установке

Для анализа характера влияния было проведено моделирование методом конечных элементов процесса вырубки с инструментом, установленным с отклонениями. Были рас-

смотрены вырубка без отклонений установки пуансона, вырубка с углом отклонения а = 1,5° и вырубка со смещением центра на 0,095 мм (при одностороннем зазоре 0,1 мм).

Для конечно-элементного моделирования были использованы размеры реальных заготовок и инструмента. Рассматривалась задача вырубки в осесимметричной постановке. Толщина заготовки — 2 мм. Материал заготовки — сталь 18ЮА, имеющая характеристики: плотность р = 7800 кг/м3, модуль Юнга Е = 210 ГПа, коэффициент Пуассона V = 0,33. Зависимость напряжений от деформации задавалась аппроксимирующим выражением Г. А. Смирнова-Аляева:

аг = (а 1 )пред - Се~г1 - С1в~Мг1, где значения

параметров (сг)пред = 876,5 ГПа, С = 526,21 МПа,

С1 = 202,6 МПа, N = 22 взяты по данным, полученным по методике Г. А. Смирнова-Аляе-ва и В. М. Розенберг. Предел текучести здесь 151,25 МПа, значение интенсивности деформаций при разрушении г1р = 1,39. Для упрощения инструмент был принят жестким и представлен контактирующими с заготовкой поверхностями. Заготовка имеет форму диска радиусом 9,75 мм. Пуансон имеет диаметр 8 мм, его движение задавалось равноускоренным на начальном этапе (разгон пуансона) и равномерным в дальнейшем. Режущие кромки матрицы и пуансона были скруглены с радиусом скругления 0,1 мм для имитации их притупления в результате износа. Вырубка осуществлялась без прижима заготовки.

МЕТ^^^РАБОТК)»

Моделирование разделяющей трещины производилось путем удаления тех КЭ, для которых выполнен критерий удаления.

Так как пуансон и матрица предполагались жесткими, то определение нормальной составляющей напряжения на поверхности пуансона проводилось по той составляющей напряжения узлов заготовки, находящихся в контакте с пуансоном, которая перпендикулярна к поверхности контакта.

Для определения зон наибольшего износа во все моменты времени г вычислена удельная работа элемента I площади поверхности пуансона

¿и =

^норм И Ри

где стнорм ^ — нормальное напряжение на поверхности пуансона; — перемещение ближайшего узла заготовки на каждом шаге в направлении, касательном к поверхности контакта, а также суммарная удельная работа каждого элемента площади поверх-

ности пуансона

А = У. А

г

^ за все время вы-

рубки. Все расчетные данные были сглажены.

Близость задачи вырубки без отклонений установки к осесимметричности позволяет в качестве эталона рассмотреть произвольное осевое сечение. Взято сечение той плоскостью, в которой затем будут произведены наклон и (или) смещение закрепления пуансона. На графиках используется развертка сечения.

а) Рг

б) ст

норм И

0,0000 30- 4 5 7,00Е+008 - 5 /—

0,0000 25 - Л ?: 1 Г 3 Г 6,00Е+008 - 2 /

\ 5,00Е+008 Л' \

0,0000 20- 1 1 4,00Е+008 1

0,0000 15- 1 3,00Е+008 X

0,0000 10 Л \ \ 1 2,00Е+008 / 3 3 ,'Л, V

0,0000 05- 2 __ \ и \/  4 \ 1 ч \ ; N \ 1,00Е+008 - 4 4

............V -»..^ЛЧ, у \\

0 1  1 ' 1 1 1 0,00Е+000 1 • 1  1 1  (

0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040 0,0045 0,0050 г

0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040 0,0045 0,0050 г

) Ац

2500

2000

1500 -

1000 -

500

5 Г

4 4 /

1 2 /-

'"~~ч\ \

/ к

3 V г

Л-/

0

0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040 0,0045 0,0050

г

г) £ Аг

г

80 000 70 000 60 000 50 000 40 000 30 000 20 000 10 000 0

5

4 —V /

л „ 3 Г

г г 1 г »

2

' ' " 4 4 - --1--.-1-.-1-.— -г 1 V* 1 1

0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040 0,0045 0,0050

г

Рис. 1. Расчетные величины по пуансону без искажений установки: а — касательное перемещение, м; б — нормальное напряжение, Н/м2; в — удельная работа в текущий момент времени, Дж/м2; г — накопленная к данному моменту времени удельная работа, Дж/м2;

1 — проникновение 4 %; 2 — проникновение 34 %; 3 — проникновение 75 %; 4 — начало скругления кромки; 5 — конец скругления кромки; г — расстояние по развертке от оси пуансона

Графики нормального напряжения стнорм ш перемещения и величины Аи для осевого сечения осесимметричной задачи в моменты проникновения пуансона на 4 %, 34 % (непосредственно перед образованием первых трещин), 75 % (полное отделение детали) толщины детали, а также величины А1 для момента полного отделения детали приведены на рис. 1.

Из графиков следует, что по мере проникновения пуансона, во-первых, происходит смещение области максимума удельной работы со скру-гления кромки пуансона (при 4 %) на прилегающие к скруглению области торцевой и боковой поверхности пуансона (при 34 %) и на боковую поверхность на стадии скалывания, во-вторых, суммарная удельная работа достигает максимальных значений на всем скруглении пуансона (и этот максимум достигает порядка 40 кДж/м2).

В случае вырубки со смещением центра на 0,095 мм (в положительную сторону по выбранной оси) (при одностороннем зазоре 0,1 мм) графики нормального напряжения анорм и, перемещения и величины Аи для осевого сечения осесимметричной задачи в моменты проникновения пуансона на 4, 34 % (непосредственно перед образованием первых трещин), 75 % (полное отделение детали) толщины детали, а также величины А1 для момента полного отделения детали приведены на рис. 2.

Смещение центра приводит к существенной неравномерности зазора. Из графиков следует, что Аи с той стороны пуансона, где

зазор больше, к началу стадии скалывания достигает значений порядка 2 кДж/м2, а со стороны малого зазора — 1,2 кДж/м2. Вызвано это тем, что, хотя нормальные напряжения со стороны малого зазора больше, касательные перемещения существенно больше со стороны большого зазора. Необходимо также отметить, что со стороны большего зазора максимальная удельная работа достигается на скруглении, а со стороны меньшего зазора — на части торца пуансона, примыкающей к скруглению. На стадии скалывания величина Аи постепенно уменьшается. Суммарная удельная работа для данного случая достигает порядка 70 кДж/м2 со стороны большого зазора и 50 кДж/м2 со стороны малого зазора.

В случае вырубки с углом отклонения а = = 1,5° графики тех же величин приведены на рис. 3 (ось пуансона образует с положительным направлением оси ОХ на графиках рис. 3, б, г, е, з угол 91,5°, а на графиках рис. 3, а, в, д, ж — угол 88,5°).

Наклон пуансона приводит к более равномерному распределению максимальных значений удельной работы по поверхности пуансона. Вместо их концентрации на режущих кромках (скруглениях), как в предыдущих случаях, здесь область максимумов охватывает около четверти (по радиусу) торца пуансона. Со стороны приподнятого края пуансона суммарная работа достигает значений порядка 40 кДж/м2, а с другой стороны — даже порядка 75 кДж/м2.

а) ои

0,000 030 0,000 025 0,000 020 0,000 015 0,000 010 0,000 005 0

4

3 Г; 5 Г

\ ; / 1 ' и !\

1 1 : 1 ! * 1 2 \Г

'.1 ¡1 ; 1 1 / г? | V \ \ 1

¡1 1 1 "V

.V ч..._______

\-'-1-=1-~ ' " " 1--- —1—1——

б) Би

0,000 030

0

5

4 ; Л Г

I 2

# / > *4

1 / 3

Л ,;

0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040 0,0045 0,0050 г

0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040 0,0045 0,0050 г

Рис. 2. Расчетные величины по смещенному пуансону: а, б — касательное перемещение, м; в, г — нормальное напряжение, Н/м2; д, е — удельная работа в текущий момент времени, Дж/м2; ж, з — накопленная к данному моменту времени удельная работа, Дж/м2 (а, в, д, ж относятся к краю пуансона, где зазор максимален; б, г, е, з — к краю, где зазор минимален);

1 — проникновение 4 %; 2 — проникновение 34 %; 3 — проникновение 75 %; 4 — начало скругления кромки; 5 — конец скругления кромки, г — расстояние по развертке от оси пуансона. (См. продолжение с. 27).

МЕТ^^^РАБОТК)»

' норм и

7,00Е+008 6,00Е+008 5,00Е+008 4,00Е+008 3,00Е+008 2,00Е+008 1,00Е+008

г)

норм и

0,00Е+000

0,0020

4

. Л и 5 /—

/ * / 1 2 /

1

[у\

3 " V

4 у \

—г

7,00Е+008 6,00Е+008 5,00Е+008 4,00Е+008 3,00Е+008 2,00Е+008 1,00Е+008 0,00Е+000

0,0025 0,0030 0,0035 0,0040 0,0045 0,0050 г

0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040 0,0045 0,0050 г

д) АИ

2500

2000

1500

1000

500

4

~Л 'г 1 1 5 5

1 —ч /' * 1 1 \ 1

2

\ / 3 V'/—

у'4

-------1-г^ 1 1 1 '

е) Аг

2500

0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040 0,0045 0,0050 г

Ж) £ Аг

г

80 000

70 000 60 000 50 000 40 000 30 000 20 000 10 000 0

4

Л 5 Г

и

¡1 ' 1 /' 1 3 3

1 1  ) ! г 2 Л  >. 1*1 г.

и

V Л 1

С /-

0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040 0,0045 0,0050

г

2000

1500

1000

500

5 /

4 "Л /

2

1 1 1 У 1 Л г~

/ т / 1У 3 3

1

0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040 0,0045 0,0050 г

3) £ Аг

г

80 000 70 000 60 000 50 000 40 000 30 000 20 000 10 000 0

0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040 0,0045 0,0050

г

Рис. 2 (продолжение). Расчетные величины по смещенному пуансону: а, б — касательное перемещение, м; в, г — нормальное напряжение, Н/м2; д, е — удельная работа в текущий момент времени, Дж/м2; ж, з — накопленная к данному моменту времени удельная работа, Дж/м2 (а, в, д, ж относятся к краю пуансона, где зазор максимален; б, г, е, з — к краю, где зазор минимален);

1 — проникновение 4 %; 2 — проникновение 34 %; 3 — проникновение 75 %; 4 — начало скругления кромки; 5 — конец скругления кромки; г — расстояние по развертке от оси пуансона

0

0

а)

0,000 030-

0,000 025-

0,000 0100,000 0050

4 Л ( 5 5

2

> г, 1: 1 —\

3 Л \

\ У I \ _____.....

...... 1 1 1

в) а

' норм

7,00Е+008 6,00Е+008 5,00Е+008 4,00Е+008 3,00Е+008 2,00Е+008 1,00Е+008 0,00Е+000

д) А*

2500

2000

1500

1000

500

0

4 4 5 г

1 Л 1 /

2 1 1 1 \г

3

~~\

' \ ••..

б) ои

0,000 030 0,000 025 0,000 020 0,000 015 0,000 010 0,000 005 0

7

0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040 0,0045 0,0050 г

0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040 0,0045 0,0050 г

г) СТнорм и

7,00Е+008

6,00Е+008 5,00Е+008 -4,00Е+008 -3,00Е+008 2,00Е+008 -1,00Е+008 -0,00Е+000

5 Г~

/ "**\ / V /

/ >

/ / / 2 4 "Л г (

~у 1 1 \ 1 ч 3 Л

0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040 0,0045 0,0050 г

0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040 0,0045 0,0050 г

е) А

2500

2000

1500

1000

500

0

- 4 Л 5 Л

- 1 * \ / 1 / /1 1 К \ 1

/ 2 г 1

1 Л 3 3 1 г г 1.1

0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040 0,0045 0,0050 0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040 0,0045 0,0050

гг Рис. 3. Расчетные величины по наклоненному пуансону: а, б — касательное перемещение, м; в, г — нормальное напряжение, Н/м2; д, е — удельная работа в текущий момент времени, Дж/м2; ж, з — накопленная к данному моменту времени удельная работа, Дж/м2 (а, в, д, ж относятся к опущенному краю пуансона, б, г, е, з — к приподнятому); 1 — проникновение 4 %; 2 — проникновение 34 %; 3 — проникновение 75 %; 4 — начало скругления кромки; 5 — конец скругления кромки; г — расстояние по развертке от оси пуансона. ^м. продолжение с. 29).

4

5

3

2

МЕТ^ПЛОО^РАБОТК^

ж)

Е A

t

80 000

N 5 Г

Г \ 3 \\ /

4 а

-1' 1*

ч

II

2 S

и

V.

А' \ у \ \\

---—1--'-1--1-— г . 1 1

0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040 0,0045 0,0050

r

з) Е A

t

80 000 70 000 60 000 50 000 40 000 30 000 20 000 10 000 0

5

4 л /

3 г

2 \/

Л/ 1 г

1 'V—

----г-1-1-— -Ji_

0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040 0,0045 0,0050

r

Рис. 3 (продолжение). Расчетные величины по наклоненному пуансону: а, б — касательное перемещение, м; в, г — нормальное напряжение, Н/м2; д, е — удельная работа в текущий момент времени, Дж/м2; ж, з — накопленная к данному моменту времени удельная работа, Дж/м2 (а, в, д, ж относятся к опущенному краю пуансона, б, г, е, з — к приподнятому);

1 — проникновение 4 %; 2 — проникновение 34 %; 3 — проникновение 75 %; 4 — начало скругления кромки; 5 — конец скругления кромки; г — расстояние по развертке от оси пуансона

0

Оценка износа и стойкости по результатам КЭ моделирования

Для оценки износа представляется целесообразным оценить массовую меру износа. Для этого можно, взяв осесимметричный случай за образец, предположить, опираясь на опытные данные, что износ во всех рассматриваемых случаях будет иметь место на тех участках поверхности пуансона, на которых суммарная удельная работа превосходит некоторое пороговое значение, пропорциональное максимальной суммарной работе для осе-симметричного случая, причем массовая мера износа будет тем больше, чем на большее значение данная суммарная удельная работа превосходит порог.

Коэффициент пропорциональности d был принят равным 0,2. Вычислив величину

T = Е A,

Ai >dAmax

где Amax — максимальная суммарная удельная работа для осесимметрической задачи в указанном сечении, получаем: для осесимме-трического случая T1 ~ 516 кДж/м2, для случая смещенного пуансона T2 = 718 кДж/м2, для случая наклоненного пуансона T3 = 1044 кДж/м2.

Эти результаты означают, что стойкость пуансона в большей мере зависит от соблюдения перпендикулярности оси пуансона

к зеркалу матрицы, чем от смещения центра пуансона. Так как Т прямо пропорциональна износу и обратно пропорциональна стойкости, то для грубой оценки влияния искажения точности на стойкость можно использовать отношение величины Т1 для точной установки к величине Т для искаженной установки: к = Тх/Т. Тогда получаем 1 : 0,68 : 0,49 — расчетные отношения стойкостей.

Количественные оценки износа по величине к возможны и демонстрируют разумное согласие с результатами исследования, проведенного под руководством Г. А. Смирнова-Аляева [1]. В указанном исследовании стойкость оценивалась числом вырубок до появления заусенца определенной высоты. При тех же условиях вырубки для осесимметричного случая было проведено 38 тыс. вырубок, для смещенного пуансона — 16 тыс., для наклоненного — 10,8 тыс. То есть отношение составило 1: 0,42: 0,28.

Естественно, усложнив выражение для к, легко добиться лучшего совпадения с результатами вышеуказанного эксперимента.

Однако необходимо отдельно указать, что рассматриваемая КЭ-модель из-за принятого допущения жесткости инструмента не учитывает, например, влияния изгибающего момента, действующего на пуансон в случае тех или иных отклонений его установки, а также неравномерности температурных полей, вызванных теми же отклонениями. Кроме того,

в модели изначально скруглены режущие кромки пуансона и матрицы. Поэтому возможно, что величина к сама достаточно хороша, а грубость совпадения объясняется этими неучтенными факторами, приводящими в случае их учета к другим значениям величин Т2 и Т3.

Выводы

1. В работе установлено, что угол наклона пуансона сильнее сказывается на его стойкости, чем смещение центра торца пуансона.

2. Предложена методика грубого оценивания влияния конкретных искажений установки на стойкость без проведения физиче-

ского эксперимента. Методика опирается на результаты конечно-элементного моделирования вырубки с искажением.

Результаты работы могут быть использованы при экономическом обосновании параметров точности установки.

Литература

1. Смирнов-Аляев Г. А., Чикидовский В. П.

Экспериментальные исследования в обработке металлов давлением. Л.: Машиностроение, 1972. 360 с.

2. Справочник конструктора штампов: листовая штамповка / Под общ. ред. Л. И. Рудмана. М.: Машиностроение, 1988. 496 с.

Сведения об авторах

Винник Петр Михайлович — канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры высшей математики Балтийского государственного технического университета «Военмех» им. Д. Ф. Устинова. Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1; тел. (812)-251-74-80, е-шаП: vinnik.pm@gmail.com

Иванов Константин Михайлович — д-р техн. наук, ректор Балтийского государственного технического университета «Военмех» им. Д. Ф. Устинова, заведующий кафедрой технологии производства артиллерийских систем и боеприпасов. Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1; тел. (812)-316-23-94, е-шаЛ: Rector@bstu.spb.su

Издательство «Политехника» предлагает

Серебреницкий П. П. Краткий справочник технолога-машиностроителя. — СПб.: Политехника, 2007. — 951 с. : ил. ISBN 978-5-7325-0569-6 Цена: 1450 руб.

В справочнике содержатся сведения о технологическом процессе, его элементах и схемах его построения, рассмотрены правила оформления технологической документации; приведены краткие сведения о приспособлениях, о режущем, вспомогательном и измерительном инструменте, применяемых машиностроительных материалах, а также о современном автоматизированном оборудовании, в том числе и электроэрозионном. Приводится информация для расчетов режимов резания на основные виды технологических операций, в том числе информация для определения режимов первого выбора.

Структура справочника определена исходя из задач технологической подготовки производства (ТПП), построенного по схеме компьютерно-интегрированного, предполагающего использование электронных ЭБ-моделей изделий на всех этапах решения задач ТПП. Приведенный в справочнике обзор систем компьютерного проектирования и моделирования (CAD /CAM-систем) позволит оценить их возможности для автоматизированного решения технологических задач и дать начальную информацию для их выбора.

Справочник предназначен в помощь технологам машиностроительных производств. Он будет также полезен студентам высших и средних технических учебных заведений, учащимся производственно-технических училищ, рабочим производственных предприятий.

Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73, тел./факсу: (812) 312-57-68, e-mail: sales@polytechnics.ru, на сайт: www.polytechnics.ru.