Совершенствование инструмента и математическое моделирование процесса формирования головок фланцевых болтов

Реологические модели как основной элемент моделирования... Смирнов О.М., Тулупов С. А., Цепин М.А. идр.

руемого материала (слева от кривой). Область справа от кривой в пределах скоростей охлаждения 10"1... 102 К/с относится к процессам деформации кристаллизующегося металла (тиксот|>оп-ная штамповка). Скорости охлаждения до 10 К/с характерны для процессов так называемой «импульсной объемной штамповки».

Верхняя часть карты (скорости охлаждения до 1011 К/с) относится к процессам аморфизации. Три линии со штриховкой показывают критические режимы аморфизации чистых металлов, нормально аморфизирующихся двойных сплавов и легко аморфизируюшихся многокомпонентных (так на -зываемых объемных аморфных) сплавов. Послед -ние, как показывают современные исследования, проявляют наивысший уровень прочностных свойств и являются объектами нанотехнологий.

Представленная термокинетическая карта процессов деформации металлических материа-

лов является удобной основой для изучения определенных реологических параметров при де-формции различных металлических материалов и формирования соответствующих баз данных ВС о реологических свойствах материалов для компьютерного моделирования процессов ОМ Д.

Заключение

Основные реологические модели, связанные с определенными способами деформации металлических материалов, описывают пластическое, вязкопластическое и вязкое состояния объектов деформирования. Соответственно построение и раз -вигие ВС для моделирования обработки металлических материалов должно включать возможность описания структурных изменений деформируемого материала и его физического состояния: твердого (кристаллического и аморфного), жидкого, а также возможных переходных состояний.

УДК 621.97

Кадошников В.И., Решетникова Е.С., Решетников Л.В., Кочуков С.В.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТА И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ГОЛОВОК ФЛАНЦЕВЫХ БОЛТОВ

Фланцевый крепеж имеет в мировой практике самое широкое распространение. Болты, гайки, винты с фланцем позволяют создавать оптимальные контактные напряжения на скрепляемых деталях, уменьшают количество деталей в соединении (за счет исключения шайб), позволяют экономить металл. Увеличение опорной поверхности обеспечивает более надежное стопоре ние при затяжке, в том числе по сравнению с пружинными шайбами.

Фланцевые болты производятся на холодновысадочных пресс-автоматах, причем способы формирования шестигранной головки болта и фланца различны:

а) высадка;

б) обрезка граней головки и фланца;

в) редуцирование шестигранной головки болта и дальнейшая высадка фланца.

Качество фланцевых болтов, изготавливаемых высадкой, невысокое за счет незаполнения ребер шестигранной головки, что приводит к уменьшению контактной поверхности болтов.

Способ формирования шестигранной головки болта и фланца обрезкой используется для изготовления высоко качественных фланцевых бол-

тов для ответственных соединений, но ведет к повышению стоимости продукции за счет низкой стойкости обрезных пуансонов и наличия технологических отходов.

Способ формирования шестигранной головки болта редуцированием с дальнейшей высадкой фланца по сравнению со способами высадки и обрезки наиболее оптимален, так как обеспечивает хорошее оформление головок болтов при низком расходном коэффициенте металла и высокой стойкости формообразующего инструмента. Однако допуск на диаметр фланца болтов, изготавливаемых данным способом, больше, чем у болтов, изготавливаемых обрезкой (не менее ±0,2 мм) [1], что не позволяет применять их для ответственных со -единений Назначение большого допуска на диаметр фланца болтов связано с образованием наплывов металла на торцевой поверхности! фланца.

Наплывы на фланце болта образуются вследствие неравномерности распределения металла, предназначенного для формирования фланца, при редуцировании шестигранной головки. Это происходит в силу конструктивных особенностей ра-бочей полости пуансона, которая, как правило, состоит из деформирующей конусной части и ка -

либрующей части, выполненной в виде шестигранной призмы. В деформирующей части рабочей полости пуансона совершается основная работа деформации заготовки и накапливается металл для дальнейшей высадки фланца, а шестигранная головка болта окончательно формируется в калиб-рующей части рабочей полости пуансона. Объем металла, предназначенного для формирования фланца, складывается из сумм площадей (5<1+5'2) осевых сечений деформирующей части полости при параметре Яь изменяющемся от радиуса описанной окружности шестигранника Я0 до радиуса вписанной окружности Яь (рис. 1).

Параметр И зависит от угла поворота (ф) секущей плоскости вокруг оси и определяется следующим образом:

с = кК, [

еов

При Я1=Я0 сумма площадей (5,1+5'2) имеет минимальное значение, а при Я1=ЯЬ - максимальное. В результате металл, предназначенный для дальнейшей высадки фланца, набирается неравномерно и при формировании фланца образуются наплывы.

Чтобы избежать образования наплывов на фланце болта, необходимо при редуцировании шее -тигранной головки обеспечить равномерное распределение металла в осевых сечениях деформирующей части рабочей полости пуансона. Для выполнения поставленного условия в качестве образующей деформирующей час -ти выбрана парабола, форма которой плавно изменяется в зависимости от угла поворота (ф) секущей плоскости вокруг оси, чем обеспечивает постоянную высоту и равенство площадей любых осевых сечений деформирующей части полости (5<1+5'2) (рис. 2). Коэффициенты, определяющие ввд параболы и удовлетворяющие поставленным условиям:

где к, Я/, Я0, Я\ - геометрические параметры деформирующей части рабочей полости пуансона.

Помимо равномерного распределения металла в осевых сечениях, вогнутая форма деформирующей части пуансона выравнивает деформацию заготовки по сечению и уменьшает коэффициент напряженного состояния в центральной зоне очага деформации [2].

Для определения энергосиловых параметров процесса редуцирования шестигранной головки болта с фланцем использовался вариационный метод в дискретной постановке [3,4], согласно которому была создана математическая модель процесса и определена полная работа деформации заготовки, включающая в себя работу внутренних сил, работу сил трения. Процесс дефор-

А-А о

Я

ІШШІ

шт

Рис. 1. Заготовка болта с фланцем после редуцирования шестигранной головки в пуансоне с конусной деформирующей частью

а =

Ь =

К (к-с) + К1с

К1К/ ( К _ К/ ) К? (с - к)- К}с

К1К/

Рис. 2. Заготовка болта с фланцем после редуцирования шестигранной головки в пуансоне с вогнутой деформирующей частью

1

мирования заготовки условно разбивался на два этапа. На начальном этапе заготовка принимает форму, близкую к окончательной, а деформации в ней имеют конечную величину. На конечном этапе происходит окончательное формирование головки болта, а величины деформаций малы, что позволяет использовать соотношения деформационной теории пластичности. Используя один из прямых методов - метод Ригца, по которому задаются функции перемещений и как функции координат и варьируемых параметров а, задача сводится к отысканию минимума полной работы деформации в зависимости от а,.

Окончательное формирование головки болта осуществляется на конечном этапе редуцирования, когда металл полностью заполняет рабочую полость пуансона (рис. 3). В деформируемом теле между плоскостями ОА и ОС, угол между которыми равен %/п, где п - число граней, выделяется элемент и рассматривается только его деформация, так как остальные деформируются аналогично. Деформация выделенного элемента рассматривается в циливдрической системе координат г, г, ф.

этапе редуцирования шестигранной головки болта с фланцем:

1 - пуансон; 2 - матрица; 3 - заготовка

Область деформации разбивалась на пять зон. В принятой системе координаты г, г, ф для пластической зоны I изменяются в диапазоне: г=Я 1...Я/, г=0...кг, ф =0...я/п, для пластической зоны II - г=0...Я1, г=0...к, ф =0...я/п, для пластической зоны III - г=0.Я1,г =к...къ, ф =0...я/п, для пластической зоны IV - г=Я1...гу, г=кЪ...И, ф=0...л;/п, для пластической зоны V - г=0...гу, г=къ...И, ф=0...я/п.

На границах пластических зон функции пе-ремещений должны удовлетворять следующим условиям:

иг/г.0 = 0; и

II,III,V

г / г =0 г IV

= 0; и], г=кг =Ак

иI = и11 • ТГ

г / г =Я1 г / г =Я1 ’ г / г=гу

= и

г / г - гУ *

Функции радиальных и осевых перемещений для пластической зоны 1 задавались в ввде:

иI =

1 (3Ак + а3кг )г а3 г г

К

к2

Г

I я

и1 =

Акг

~~И~

где

К = аг + Ъг + с.

Выбранные функции иг и иг отвечают граничным условиям первой зоны и близки к реаль-ному течению металла на конечном этапе редуцирования головки болта.

Для случая деформирования в цилиндрической системе координат из соотношений Коши

диг ди

находили гг =-----, вг =—-, а из условия не-

дг бг

сжимаемости определяли относительное удлинение 8= —(вг + вг ) . Функция угловых Пере -мещений иф расчитывалась интегрированием и.=/(%• г - иг ^ф . По известным функциям иг,

иг и иф определяли компоненты тензора деформаций угг, угф, уфг, характеризующие сдвиг, и находили интенсивность деформации в; для пластической зоны I на конечном этапе редуцирования:

г (8г )2 +(Е] -8„)2 +

+ (б -в ) + — (у2 + у2 + у2 ) .

\ ф г } г\ \ < Г2 *2^ < фг /

С учетом граничных условий функции радиальных и осевых перемещений для пластической зоны II задавали следующим образом:

иI1 =

и11 =

г

1 (3Ак + а3 К)г а3г г 3 к ~КГ~

И ’

—+т I;

для пластической зоны III -

иш =

1 (3АккЪ2 + а3кЪ - Ка3)г а3г2г

и111 =

г

3 ккг

~И~

к2

к

для пластической зоны IV -

1 (ЗДКк^ + 3а3Ику (И -1) + а3к—)г 3

к^ку

и1¥ =

2

а— г2 г

'~К^.

ккг

И ’

где ку = Я а-гу а;

кг 4 = К - (г - гу ^ а , для пластической зоны V -

1 (3 Акку + 3а3И (И - ку ) + а3кУ)г

3 К2

к

иу =

2

2

у

ЬКг

И

М - Се~е' - Ве

-Ы £;

где а, - интенсивность напряжении; в, - степень деформации; М, С, В, N - коэффициенты, определяемые при испытании материала на линейное растяжение (сжатие).

В соответствии с принятой моделью определяли удельную работу внутренних сил на конеч-ном этапе деформации:

N

где М, С, В, N - параметры, определяемые из опытов на растяжение или сжатие; ег0 - степень деформации, предшествующая конечному этапу высадки; е, - интенсивность деформации на конечном этапе штамповки.

Работа внутре нних с ил:

а, =ШП

где У - объем /-Й пластической зоны. Работа сил трения:

Аг. =.ЦТ-и^ ,

(15) где и3 - функция перемещения; 3,- - площадь

поверхности контакта металла с инструментом; х - предел текучести на сдвиг, который с учетом предшествующих деформаций определяется как

т X. 1 ^

М - С  е

- В  е

- N (8

Аналогично преобразованиям для зоны I опре-делялись компоненты тензора деформаций и интенсивность деформации е, для пластических зон II, III, IV, V на конечном этапе редуцирования.

При решении задачи использовалась модель жесткопластической неоднородной среды с нелинейным упрочнением. Кривая упрочнения задавалась в ввде экспоненциальной зависимости, предложенной Г.А.Смирновым-Аляевым [5]:

где у - коэффициент, зависящий от условия трения процесса и соотношения размеров деформируемой заготовки.

Полная работа деформации определялась как сумма работ внутренних сил АВ\, АВц, Авш, Авы, Ав-\ и сил трения Ап, Ап, АТ3, ^г4, ^г5, ^г6 по поверхностям Б2, Бз, Б4, Б5, Б6. Поиск минимума

полной работы деформации Ат;п осуществлялся численно с помощью специально разработанной программы. По навденным значениям минимальной работы деформации Ат;п определялись усилия редуцирования шестигранной головки болтов из различных материалов с различными соотношениями размеров.

На основании полученных данных можно сделать вывод, что вогнутая форма деформирующей части рабочей полости пуансона по сравнению с конической снижает удельную силу деформации на 10-15%.

Пуансон с вогнутой деформирующей частью несколько сложнее в изготовлении, чем с конической, но точность изготавливаемых фланцевых болтов значительно выше. Кроме того, в результате изменения формы деформирующей части полости повысилась стойкость пуансона.

Разработанная конструкция рабочей полости

пуансона для редуцирования шестигранной головки болта позволяет изготавливать высококачественные фланцевые болты с жестким допуском на диаметр фланца, выравнивает деформацию по сечению заготовки и уменьшает уровень напряженного состояния в центральной зоне

очага деформации, что положительно влияет на качество болтов в целом при невысоких значениях удельной силы деформации Указанные достоинства позволяют снизить затраты на производство и обеспечить высокое качество изготавливаемых болтов.

Библиографический список

1. Марк Ван Тиль. Производствофланцевых болтов // Метизы. 2007. № 1. С. 70-73.

2. Ковкаи штамповка. Справочник: В 4 т. Т. 3. Холодная объемная штамповка / Под ред. Г.А. Навроцкого. М., 1987. 384 с.

3. Паршин В.Г., Поляков М.Г., Железков О.С. Метод определения усилий холодной высадки головок болтов и винтов // Черная металлургия: Бюл. ин-та «Черметинформация». 1975. № 12. С. 48-49.

4. Паршин В.Г. Теория и технология автоматизированного производства методами ОМД деталей массового применения // Прогрессивные технологические процессы в обработке металлов давлением: Сб. науч. тр. / Под ред. Б.А. Никифорова. Магнитогорск: МГМА, 1997. С. 239-244.

5. Смирнов-Аляев Г.А. Механические основы пластической обработки металлов. Л.: Машиностроение, 1968. 266 с.

6. Проблемаповышения качествакрепежных изделий / Чукин В.В., Артюхин В.И., Рубин Г.Ш. и др. // Вестн. МГТУ им. Г.И. Носова. 2007. № 4. С. 99-102.