Влияние формы рабочего профиля матрицы на интенсивность пластической деформации при вытяжке с утонением

УДК 621.983

ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ РАБОЧЕГО ПРОФИЛЯ МАТРИЦЫ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ВЫТЯЖКЕ С УТОНЕНИЕМ

С. С. Яковлев

Приведены результаты моделирования вытяжки с утонением с помощью программы QForm 7. Отличительной особенностью исследований вытяжки с утонением являлось использование матриц с периодически изменяющимся профилем рабочего пояска, имеющего выступы и впадины синусоидальной, трапецеидальной и треугольной формы. Использование таких матриц создаёт в процессе формоизменения дополнительные сдвиговые деформации. Установлено влияние формы выступов и впадин рабочего профиля поверхности матриц на получение дополнительных сдвиговых деформаций.

Ключевые слова: интенсивная пластическая деформация, моделирование, матрица с периодически изменяющимся рабочим профилем, число выступов или впадин, интенсивности напряжений и деформаций.

В холодной штамповке при изготовлении тонкостенных цилиндрических оболочек широко применяются операции вытяжки с утонением и ротационная вытяжка с утонением. В отличие от вытяжки с утонением при ротационной вытяжке с утонением возникает интенсивная пластическая деформация благодаря локальному деформированию материала заготовки шариковыми или роликовыми давильными элементами. Значительные локальные деформаций создают мелкозернистую структуру, позволяющую существенно повысить эксплуатационные характеристики изделия [1]. При вытяжке с утонением используется инструмент, состоящий из пуансона и матрицы, между которыми создаётся равномерный по периметру зазор, величина которого меньше толщины стенки исходного полуфабриката вытяжки [2]. При использовании такого инструмента также возникают локальные деформации, но недостаточные для получения мелкозернистой структуры материала полуфабриката после вытяжки. Вытяжка с утонением является более производительной операцией по сравнению с ротационной вытяжкой, поэтому актуальной задачей является исследование возможности создания при вытяжке с утонением локальных деформаций, которые позволили бы интенсифицировать пластические деформации и улучшить эксплуатационные свойства получаемых изделий.

В работе [3] были проведены исследования влияния рабочего профиля матрицы, создающего переменный зазор при вытяжке с утонением локальных участков и интенсификацией пластической деформации. По результатам моделирования было установлено, что при использовании

31

матриц с синусоидальным профилем выступов и впадин рабочего пояска матрицы наблюдаются заметные локализация и интенсификация пластических деформаций при вытяжке с утонением.

Интерес представляет исследование влияния формы выступов и впадин рабочего контура матрицы на локализацию и интенсивность пластической деформации при вытяжке с утонением.

Для осуществления математического моделирования полученные в Компас ЭБ-модели сохраняются с расширением ^р, необходимого для работы в модуле 08Иаре. Далее через 08Иаре модель конвертируется в формат для работы в QForm 7 с одновременной разбивкой на заданное количество конечных элементов. Операция повторяется как для заготовки, так и для рабочего инструмента после чего все полученные модели позиционируются относительно друг друга. Далее в QForm 7 создается новая операция, объектом которой является система, включающая в себя заготовку и рабочий инструмент в исходном положении.

Выбирались основные физико-температурные параметры вытяжки с утонением: материал заготовки - Сталь 10, температура процесса - 20 градусов, материал - изотропный, предел прочности - Э70 МПа, предел текучести - Э00 МПа - с последующим запуском расчетов. При моделировании использовались матрицы с гладким (без выступов и впадин) рабочим пояском и с рабочими выступами и впадинами различной формы: синусоидальной, треугольной и трапецеидальной.

В матрицах число выступов и впадин было равно 16, а высота составляла 2 мм. Таким образом, во всех случаях степень утонения стенки заготовки была одинакова. Результаты моделирования вытяжки с утонением в месте контакта заготовки с впадинами и выступами рабочего профиля матриц приведены на рис. 2 и Э.

При использовании матрицы без выступов интенсивность напряжения достигла предельного значения, и произошло разрушение стенки в заготовке при вытяжке с утонением. При использовании матриц с различными формами выступов и впадин максимальное значение интенсивности напряжений наблюдалось в вершинах выступов матриц, причем наибольшее значение интенсивности напряжений имело место для синусоидального профиля выступов, а наименьшее для треугольного профиля.

Максимальная интенсивность деформаций также наблюдалась на вершинах выступов матриц, причем наибольшее значение имело место для синусоидального и трапецеидального профиля. Результаты измерений графиков интенсивности напряжений и деформаций в местах образования выступов и впадин матриц приведены в таблице.

Из графиков (рис. 2, Э) и таблицы следует, что во всех матрицах с различным профилем рабочего пояска наблюдается неравномерность интенсивности напряжений и деформаций по периметру, кроме матрицы с гладким рабочим профилем.

Неравномерность интенсивности напряжений по периметру рабочего пояска матрицы характеризуется показателем

Аог-

тах

I тт

)100%

тах

где тах и т^п - соответственно максимальное и минимальное значения интенсивности напряжения по периметру рабочего пояска матрицы.

а

б

в

Рис. 1. Профиль матриц с формами выступов (впадин) на рабочем пояске: а - без выступов; б - синусоидальный; в - трапецеидальный; г - треугольный

г

20 25 30 35

перемещение пуансона, мм

в

г

Рис. 2. Графики интенсивности напряжений в матрицах с различной формой профиля рабочего пояска: а - без выступов; б - синусоидальный; в - трапецеидальный; г - треугольный

5 1,2

Рис. 3. Графики интенсивности деформаций в матрицах с различной формой профиля рабочего пояска: а - без выступов; б - синусоидальный; в - трапецеидальный; г - треугольный

34

Значения нагрузки, интенсивности напряжений и деформаций в матрицах с различным профилем рабочего пояска при вытяжке

с утонением

Профиль рабочего пояска матрицы Гладкий Трапецеидальный Треугольный Синусоидальный

Сила, кН 44,4* 86 81 81

Интенсивность напряжений, МПа на выступе 192 577 562 597

на впадине 555 548 500

Показатель неравномерности интенсивности напряжений,% 0 3,8 2,5 16,2

Интенсивность деформаций на выступе 2,17 0,98 0,787 0,98

на впадине 0,72 0,575 0,48

Показатель неравномерности интенсивности деформации, % 0 24,5 5,6 49

* отрыв дна при вытяжке.

Неравномерность интенсивности деформаций характеризуется показателем

де. _

е выс

где евыс и евп - интенсивности деформаций соответственно на выступе и впадине рабочего профиля матрицы.

Наибольшее значение неравномерности интенсивности напряжений и интенсивности деформаций наблюдается при использовании матрицы с синусоидальной формой выступов и впадин рабочего пояска матрицы. При вытяжке с утонением в матрице с синусоидальной формой выступов получен полуфабрикат с волнистой наружной поверхностью и корончатым краем (рис. 5).

При получении такого полуфабриката возникают дополнительные сдвиговые деформации как в осевом, так и в радиальном направлениях, что приводит к росту интенсивности напряжений и деформаций при вытяжке с утонением.

Дальнейшее формоизменение полученного полуфабриката в матрице с гладким рабочим профилем позволяет получать готовое изделие с заданными размерами и формой. При этом произойдёт интенсификация пластической деформации за счёт неравномерности деформирования полу-

фабриката с волнистой наружной поверхностью и периодически меняющейся по периметру толщиной стенки. После вытяжки получается изделие с одинаковой по периметру толщиной стенки. На краевом участке устраняется корончатость.

Рис. 5. Форма полуфабриката после вытяжки в матрице с синусоидальной формой выступов рабочего пояска матрицы

Таким образом, по результатам компьютерного моделирования установлено существенное влияние формы выступов на рабочем пояске матрицы на неравномерность распределения интенсивности напряжений и деформаций по периметру заготовки в процессе ее формоизменения. В результате вытяжки с утонением с локальным деформированием установлено, что наибольшее значение показателя неравномерности интенсивности напряжений по периметру заготовки составило 16,2 % и показателя неравномерности деформаций - 49 % для матрицы, имеющей синусоидальную форму выступов и впадин. В результате этого возникли дополнительные деформации сдвига как в осевом, так и в радиальном направлениях.

При дальнейшем формоизменении полученного полуфабриката в матрице с рабочим пояском, не имеющим выступов, была получена деталь в соответствии с техническими требованиями по размерам и форме, но при интенсивной пластической деформации.

Работа выполнена в рамках грантов РФФИ № 16-48-710014 и гранта администрации Тульской области.

Список литературы

1. Трегубов В.И. Ротационная вытяжка с утонением стенки цилиндрических деталей из труб на специализированном оборудовании. Тула: Изд-во ТулГУ, 2002. 148 с.

2. Ковка и штамповка: справочник в 4 т. Т.4. Листовая штамповка / под общ. ред. С.С. Яковлева; ред. совет: Е.И. Семёнов и др. 2-е изд., пере-раб. и доп. М.: Машиностроение, 2010. 732 с.

3. Яковлев С.С. (мл), Коротков В. А. Моделирование интенсивной пластической деформации при вытяжке с утонением // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 5. С. 31 - 37.

Яковлев Сергей Сергеевич, студент, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

DETERMINA TION OF THE INFL UENCE OF THE PROFILE MA TRIX CREA TES A VARIABLE CLEARANCE AT DRAWING WITH THINNED TO INCREASE THE SHEARING

STRAIN

S.S. Yakovlev

The results of the simulation drawing with thinning using QForm 7. A distinctive feature of the program of studies drawing with thinning was to use matrices with periodically changing profile of the working belt. The use of such matrices created in the process of forming additional shear deformation. The influence of the number of protrusions and recesses of the working surface of the profile matrices for additional shear deformations.

Key words: severe plastic deformation, modeling, matrix with periodically changing work profile, the number of protrusions or recesses, the intensity of the stresses and strains.

Yakovlev Sergey Sergeevich, student, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University