Метод расчета деформированного состояния металла крепежных изделий, получаемых холодной высадкой

УДК 621. 735.32 : 621.882

В.В. Галкин, С.А. Кудрявцев, Е.Г. Терещенко, А.А. Дербенев

МЕТОД РАСЧЕТА ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА

КРЕПЕЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ, ПОЛУЧАЕМЫХ ХОЛОДНОЙ ВЫСАДКОЙ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева

Предложен метод расчета деформированного состояния металла крепежных изделий в многопереходных процессах холодной высадки на примере изготовления двенадцатигранной гайки с фланцем из стали 30ХГ1Ф. Значение конечных пластических деформации выделенных зон крепежного изделия определено как арифметическая сумма интенсивностей деформаций в соответствующих зонах заготовки на переходах высадки. Расчет интенсивностей деформаций проводился микроструктурным методом Г.А.Смирнова-Аляева, а прослеживание перемещения выделенных зон крепежных изделий в высаживаемой заготовке - с применением программного комплекса DEFORM. Оценка достоверности полученных результатов проводилась сравнением с данными, полученными методом замера микротвердости материала в выделенных зонах заготовки на переходах высадки на шлифах.

Ключевые слова: расчет деформированного состояния, интенсивность деформаций, выделенные зоны заготовки на переходах высадки.

В настоящее время прогрессивный крепеж отличается сложной формой и высокой точностью. Для его изготовления, а также с учетом обеспечения стойкости инструмента, технологические процессы высадки выполняются за несколько переходов, число которых достигает шести. Холодная объемная штамповка характеризуется упрочнением (наклепом) металла в процессе деформации, что для холодновысадочного производства имеет двойственное значение:

• к положительному можно отнести возможность повышения прочностных характеристик материала, в частности, при производстве гаечных изделий получение десятого

класса прочности без последующей термической обработки;

• к отрицательному относится снижение стойкости инструмента.

Одним из основных факторов, влияющих на упрочнение материала в процессе обработки давлением, является степень деформации. Как правило, на практике оценка деформированного состояния материала крепежных изделий, полученных холодной высадкой, проводится по усредненным коэффициентам, в частности, по степени деформации по высоте, что не отражает истинную картину изменения их прочностных характеристик в объеме изделия. Очевидно, оптимальным критерием может служить значение степени деформации в характерных зонах высаживаемого изделия, которые отвечают за его эксплуатационные характеристики.

Математический расчет конечных пластических деформаций материальной точки в общем виде был предложен в 1958 г. А.А. Илюшиным, которое в формулировке Г.А. Смир-нова-Аляева выглядит следующим образом: "степенью деформации рассматриваемой материальной частицы называется арифметическая сумма интенсивностей последовательных малых деформаций, на которые можно было разделить весь процесс конечного формоизменения этой частицы, в случае монотонного протекания процесса деформации степень деформации равна интенсивности главных логарифмических деформации"[1]. Очевиден вопрос о правомерности данного положения для многопереходных процессов, в частности, технологии холодной высадки.

До настоящего времени при оценке конечных пластических деформаций в реальном объеме материала изделия наиболее перспективным является микроструктурный метод Г.А. Смирнова-Аляева, основанный на замере линейных размеров зерен недеформированной и деформированной структур, по результатам которых рассчитываются компоненты дефор-

© Галкин В.В., Кудрявцев С.А., Терещенко Е.Г., Дербенев А.А., 2010.

мированного состояния [1]. На практике метод включает изготовление микрошлифов путем реза штампованных заготовок в установленных зонах, их фотографирование и обработка. На фотографиях микрошлифов для каждой исследуемой точки, как из центра окружности, проводятся отрезки через постоянное число градусов (рис. 1).

Рис. 1. Сетка-транспарант разметки замеров искаженной деформацией микроструктуры [1]

В базу измерений входят значения длин отрезков р, пересекающих установленное число деформированных зерен. Полученные значения р сравниваются с длиной отрезка р0, пересекающего установленное число зерен недеформированной структуры, на основании чего рассчитываются главные компоненты деформации е а, е ь, еИ с простановкой их индексации, характеристика вида деформированного состояния vе (коэффициент В. Лоде) и величина его интенсивности е ^ по выражениям

= - 0,5 ln

V8 =

Г 2 Л

Po

2

U-Л min

83 . 8, =

; £ b = - 0,5 ln

f 2 Po 2

Vp2 л

= - (8 fl + 8 ь);

£ - £

l8i

)2 + 1 (82 - 83 )2 + 1 (83 - 81 )2 •

2

2

Анализ данных научно-технической литературы позволяет предположить, что для многопереходных процессов холодной высадки метод расчета конечной степени деформации выделенной зоны крепежного изделия отсутствует, что свидетельствует об актуальности исследования данного вопроса. При этом, с учетом сложной траектории перемещения исследуемой материальной точки заготовки по переходам высадки, надо отметить отсутствие технологических приемов ее прослеживания. В практике оценки деформированного состояния в реальном материале заготовки одним из основных методов является замер его твердости, так как между деформированным состоянием и прочностными характеристиками, в частности, временным сопротивлением при растяжении и твердостью материала, наблюдается корреляция согласно положениям Г.Д. Деля [2]:

аь = (0,33. ..0,36)ИГ.

Целью данной работы стала разработка метода расчета деформированного состояния металла крепежных изделий в многопереходных процессах холодной высадки на примере изготовления двенадцатигранной гайки с фланцем из стали 30Х1Р, имеющей наибольшее число переходов (пять).

Для достижения поставленной цели было обозначено решение следующих задач:

• выбор технологических приемов для прослеживания перемещения выделенных зон крепежных изделий по переходам холодной высадки заготовки с целью определения их координат на поверхности шлифа для микроструктурного анализа;

• определение компонентов деформированного состояния материала в выделенных зонах высаженных заготовок на переходах высадки с использованием микроструктурного метода Г.А. Смирнова-Аляева;

8

а

2

8

2

• оценка достоверности расчета деформированного состояния материала путем его сравнения с данными, полученными методом замера микротвердости в выделенных зонах крепежных изделий по переходам высадки на шлифах.

В качестве технологического приема прослеживания перемещения выделенных зон высаживаемой заготовки по переходам использовалось программное обеспечение комплекса DEFORM, основанного на методе конечных элементов (МКЭ) [3]. В высаженной заготовке двенадцатигранной гайки (рис. 2, е) были выбраны характерные зоны: зона под накатку резьбы (1, 4), зона опорной поверхности (2, 3), и зона внешней поверхности, контактирующей с инструментом (5, 6). Их перемещение по переходам высадки заготовки приведено на рис. 2, а - д.

а

б

г д е

Рис. 2. Положение исследуемых зон двенадцатигранной гайки на переходах высадки:

а - исходная заготовка; б - первая осадка; в - вторая осадка; г - третья осадка; д - формовка наружного двенадцатигранного профиля и бурта; е - пробивка отверстия; 1-6 - исследуемые зоны высаженной заготовки гайки

Компоненты деформированного состояния в выделенных зонах заготовки на переходах высадки определялись с по методу Г.А. Смирнова-Аляева с использованием его развития [3]. Оно включило применение программных продуктов, основанных на оптических замерах, что позволило автоматизировать процедуру измерения линейных размеров структурных составляющих металла и расчета компонентов деформированного состояния. В частности, в настоящей работе использовано программное обеспечение NI Vision и среда разработки LabVIEW фирмы National Instruments (рис. 3).

jy a if.

б

Рис. 3. Результаты автоматизированной обработки данных:

а - фотография микроструктуры х340; б - бинаризованная фотография микроструктуры х340; в - сетка-транспарант, построенная с угловым шагом 15 0

в

в

При обсчете исходное изображение микроструктуры, полученное с микроскопа, например, точки 2 (рис. 3, а), подвергается бинаризации (рис. 3, б), в результате которой элементы изображения разделяются на объекты - зерна и фон. Далее производится дополнительная сегментация изображения с целью разделения частично перекрывающихся объектов - зерен. Для этого используется встроенная функция пакета NI Vision, основанная на многократном применении операции эрозии к объектам изображения, в ходе которого узкие перешейки, соединяющие отдельные зерна, исчезают. При построении сетки по методу Г.А.Смирнова-Аляева указывается точка на изображении, для которой выполняется анализ. Разработанная программа автоматически строит из указанной точки-центра серию радиус-векторов с заданным угловым шагом (рис. 3, в) и находит заданное количество к точек пересечения этих векторов с границами зерен. Угловой шаг при измерениях может быть достаточно малым, что позволяет повысить точность расчетов метода по сравнению с ручными вычислениями, когда число секторов задается не более пятнадцати.

Значения рассчитанных компонентов деформированного состояния материала выделенных зон по переходам высадки приведены в табл. 1, по переходам результатам построены зависимости итоговой суммарной деформации по данным (рис. 4).

Таблица 1

Расчет компонентов деформированного состояния материала выделенных зон

по переходам высадки

Переход Точка 8a 8b 8n 8i v£

1 0,369 0,548 -0,917 0,922 0,756

2 -0,183 -0,353 0,536 0,544 -0,618

1-й 3 0,588 0,391 -0,979 0,985 0,749

переход 4 0,555 0,466 -1,021 1,022 0,887

5 0,586 0,586 -1,172 1,172 1,000

6 0,295 0,480 -0,775 0,782 0,705

1 -0,257 0,127 0,130 0,257 0.984

2 0,077 0,340 -0,417 0,443 0,305

2-й 3 0,284 -0,157 -0,127 0,284 -0,864

переход 4 -0,415 -0,114 0,529 0,556 -0,362

5 -0,312 0,012 0,300 0,353 0,059

6 0,138 -0,396 0,258 0,402 0,633

1 0,275 0,023 -0,298 0,331 0,120

2 0,167 -0,348 0,181 0,348 0.947

3-й 3 0,272 0,416 -0,688 0,693 0,739

переход 4 0,397 0,422 -0,452 0,493 0,194

5 0,266 0,327 -0,688 0,693 0,719

6 0,284 -0,222 -0,611 0,611 0,908

1 -0,425 0,312 0,647 0,657 -0,621

2 0,239 -0,034 -0,542 0,544 0,808

4-й 3 0,206 0,182 -0,172 0,220 -0,270

переход 4 -0,355 0,317 0,173 0,355 0,966

5 0,418 -0,020 -0,735 0,737 0,825

6 0,318 0,474 -0,298 0,356 -0,097

1 0,145 0,277 -0,619 0,647 0,398

2 -0,082 -0,060 -0,195 0,284 -0,521

5-й 3 -0,280 0,327 0,340 0,362 -0,290

переход 4 0,323 -0,415 -0,650 0,650 0,992

5 0,318 0,168 0,097 0,434 0,397

6 -0,461 0,157 0,293 0,466 0,668

1100

600 --------

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Степень дефрмации

Рис. 4. Зависимости упрочнения материала от степени деформации в исследуемых зонах высаживаемой заготовки:

цифры: 1, 2, 3, 4, 5, 6 - номера исследуемых зон

Результаты замеров твердости металла в исследуемых зонах на шлифах по переходам высадки приведены в табл. 2. В каждой зоне проводилось по пять замеров, по которым рассчитывалось среднее значение. Измерения проводились с использованием микротвердомера ПМТ3 с нагрузкой 100 г и увеличением х 300 (для отпечатков 76..125 мкм). Для перевода значений длин диагоналей отпечатков использовалась таблица переводов согласно ГОСТ 9450-76.

Таблица 2

Результаты замеров микротвердости в исследуемых зонах заготовки на переходах высадки

——переход номер зоны~~—— 1 2 3 4 5 6

1 206 221 254 274 297 297

206 221 254 274 274 322

221 221 254 254 297 274

206 221 254 274 297 297

206 221 254 274 274 274

Среднее значение 209 221 254 270 288 293

2 221 236 274 274 297 297

236 221 254 274 297 297

221 221 274 274 297 297

221 236 254 274 297 297

221 221 254 274 297 297

Среднее значение 224 227 262 274 297 297

3 221 236 254 274 322 322

221 254 297 297 297 351

221 254 254 274 297 322

221 254 274 274 274 322

221 254 274 274 274 322

Среднее значение 221 250 271 279 293 328

Оокнчание табл. 2

" '——переход номер зоны —— 1 2 3 4 5 6

Среднее значение 221 250 271 279 293 328

4 193 206 254 254 297 297

193 193 254 274 274 297

206 206 254 274 274 274

193 206 254 274 297 274

206 206 254 274 297 322

Среднее значение 198 203 254 270 288 293

5 221 236 236 297 297 351

236 236 236 274 297 297

221 221 254 274 297 322

221 236 236 274 274 351

236 236 221 274 274 322

Среднее значение 227 233 237 279 288 329

6 221 236 254 254 274 274

236 254 274 274 274 297

221 236 254 274 274 297

221 254 274 274 274 274

221 254 274 274 274 274

Среднее значение 224 247 266 270 274 283

Выводы

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы.

Значения твердости материала во всех исследуемых зонах высаживаемой заготовки на переходах высадки постоянно увеличиваются, что свидетельствует о монотонном повышении деформированного состояния материала. Как следствие, можно предположить, что итоговое значение деформированного состояния исследуемых зон высаживаемого изделия по переходам высадки определяется арифметическим суммированием значений интенсивностей деформаций на каждом из переходов в соответствии с формулировкой Г.А. Смирнова-Аляева, предложенной для оценки степени деформации материальной частицы в случае монотонности протекания процесса.

Различие величины упрочнения, полученного в исследуемых зонах при одной и той же интенсивности деформации на различных переходах, может быть объяснено различием в видах деформации, о чем свидетельствуют значения коэффициента В. Лоде.

Библиографический список

1. Смирнов-Аляев, Г. А. Сопротивление металлов пластическому деформированию /

Г.А. Смирнов-Аляев. - Л.: Машиностроение, 1978. - 386 с.

2. Дель, Г.Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости / Г.Д. Дель. - М.: Машиностроение, 1971. - 200 с.

3. Галкин, В.В. Развитие микроструктурного метода исследования конечных пластических деформаций / В.В. Галкин, С.А. Кудрявцев, Е.Г. Терещенко // Заготовительное производство. 2010. № 2. С. 22-24.

Дата поступления в редакцию 24.06.2010

V.V.Galkin, S.A.Kudryavtsev, E.G. Tereshchenko, A.A. Derbenev

A METHOD FOR CALCULATING THE STRAIN STATE OF THE METAL FASTENERS IN MULTISTAGE COLD UPSETTING PROCESS

A method for calculating the strain state of the metal fasteners in multistage cold upsetting process is proposed for the fabrication of the nut with flange. The final value of the plastic deformation for selected area is defined as the arithmetic sum of intensities of deformation in that area at all stages. Calculation the intensity of micro structure deformation is carried out by the Smirnov-Alyaev method. Tracking the movement of the areas in workpiece is made using software DEFORM. Evaluation of the reliability of the results is made by comparison with data obtained by measuring the microhardness of the material in selected areas of the workpiece at different stages

Key words: the calculation of the strain state, the intensity of microstructure deformation, selected areas of the workpiece at different stages.