Сравнение силовых и деформированных параметров вытяжек с утонением и локальным утонением стенки

УДК 621.983

СРАВНЕНИЕ СИЛОВЫХ И ДЕФОРМИРОВАННЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЫТЯЖЕК С УТОНЕНИЕМ И ЛОКАЛЬНЫМ УТОНЕНИЕМ СТЕНКИ

С. С. Яковлев

Приведены результаты компьютерных моделирований получения деталей, используя вытяжку с утонением через коническую матрицу и вытяжку с локальным утонением стенки через матрицу с периодическими клиновыми выступами по периметру рабочей кромки матрицы. Произведено сравнение силового и деформированного состояния процессов.

Ключевые слова: вытяжка с утонением, локальное утонение, сдвиговые деформации, интенсивная пластическая деформация.

Для повышения эксплуатационных характеристик сортового проката и деталей, получаемых прессованием, широкое применение нашел метод интенсификации пластических деформаций, в результате которого получаются заготовки с мелкозернистой структурой и улучшенными механическими характеристиками. Однако, при получении полых цилиндрических изделий вытяжкой с утонением стенки метод интенсивной пластической деформации не используется. Для получения цилиндрических оболочек с высокими эксплуатационными характеристиками используется ротационная вытяжка, особенностью которой является локальное формоизменение стенки заготовки, и реализуется интенсивная пластическая деформация. Однако, этот способ не обладает высокой производительностью и в большинстве случаев требует наличия специализированного оборудования и оснастки. В этой связи, актуальной задачей является разработка нового способа и устройства вытяжки с локальным утонением стенки цилиндрической оболочки с использованием типового технологического оборудования и штамповой оснастки. В качестве реализации нового способа может быть использована вытяжка с локальным утонением стенки с помощью матрицы, которая имеет периодические клиновые выступы по периметру рабочего пояска [1-5]. При вытяжке через такую матрицу на внешней поверхности полуфабриката возникают рифли вдоль образующей и корончатый край. Для получения гладкой поверхности производят вытяжку через матрицу с цилиндрическим рабочим пояском. В этом случае происходит локальное утонение стенки и возникают дополнительные сдвиговые деформации, способствующие получению требуемых механических характеристик изделия.

Интерес представляет сравнение силовых параметров и деформированного состояния вытяжки с утонением, и вытяжки с локальным утонением стенки.

Для этого было проведено компьютерное моделирование вытяжки с локальным утонением стенки, а для сравнения полученных результатов было проведено аналогичное моделирование процесса вытяжки с утонением, но уже на матрицах без локального формоизменения. Все моделирования производились в программном комплексе QForm.

Материал заготовок - Сталь 10, температура процесса - 20 градусов, материал - изотропный, предел прочность - 372 МПа, предел текучести - 205 МПа. При моделированиях использовалась заготовка - стакан с толщиной стенки 3 мм и наружным диаметром 36 мм; диаметр цилиндрического пуансона был постоянен и составлял 30 мм.

Для обеспечения оптимальных условий вытяжки с утонением, заходный участок матриц выполнялся конусным под углом 15 градусов. Рабочий торец пуансона имел радиус закругления равный 3 мм. Диаметр рабочего отверстия в первой матрице для вытяжки с утонением составлял 33 мм, диметр отверстия во второй матрице для вытяжки с утонением составлял 32 мм.

При вытяжке с локальным утонением приметались матрицы с рабочим отверстием по выступам диаметром 32 мм. Диаметр отверстия по впадинам 36 мм. Суммарная коэффициент утонения в обоих способах вытяжки = 0,33.

На рис. 1 представлены системы заготовка-инструмент, в которых реализуется вытяжка с утонением и вытяжка с локальным утонением через 2 матрицы.

Рис. 1. Система заготовка-инструмент в начальном положении: а — при вытяжке с локальным утонением стенки; б — при вытяжке

с утонением

На локальных участках заготовки при вытяжке с локальным утонением макси-

мальное значение коэффициента утонения было т\

0,33 для первой и второй мат-

риц. Тогда как, при вытяжке с утонением через первую матрицу коэффициент утонения составил т3 = 0,5, а через вторую матрицу т3 = 0,66.

На рис. 2 представлен график изменения технологической силы при вытяжке с утонением и локальным утонением стенки заготовки.

Перемещение, мм С локальным утонением С утонением

Рис. 2. График изменения силы вытяжек 198

Как видно из графика изменения силы вытяжки, на первом переходе при вытяжке с утонением несколько больше, чем при вытяжке с локальным утонением, несмотря на то что коэффициент утонения при вытяжке с локальным утонением меньше. На втором переходе сила при вытяжке с локальным утонением больше, чем при вытяжке с утонением из-за существенного различия используемых коэффициентов утонения.

На рис. 3 и 4 соответственно представлены распределения интенсивности деформаций на первом и втором переходах вытяжек в момент формоизменения.

Рис. 3. Распределение интенсивности деформаций в заготовке при прохождении через первую матрицу: а — при вытяжке с локальным утонением стенки; б — при вытяжке с утонением стенки

Особенностью вытяжки с локальным утонением через первую матрицу является неоднородное и периодически изменяющееся распределение интенсивности деформаций по периметру, связанное с применением матриц с клиновыми выступами, в месте контакта с которыми, в стенке заготовки происходит значительное локальное утонение, в котором наблюдается максимальная интенсивность деформаций, но не происходит разрушения металла. Причем разница между максимальной и минимальной ин-тенсивностями деформаций составляет около 30%. В то время как, при вытяжке с утонением, интенсивности деформаций распределены равномерно по всей зоне контакта заготовки с матрицей, причем их максимальные значения меньше, чем при локальном утонении более чем на 20%. Как при вытяжке с утонением, так и при вытяжке с локальным утонением в процессе формоизменения заготовки наблюдается два участка: деформируемый в местах контакта с рабочей поверхностью матрицы и недеформиро-ванный, перед входом в матрицу.

Рис. 4. Распределение интенсивности деформаций в заготовке при прохождении через вторую матрицу: а — при вытяжке с локальным утонением стенки; б — при вытяжке с утонением стенки 199

При вытяжке с локальным утонением, через вторую матрицу с цилиндрической рабочей поверхностью неравномерность распределения интенсивности деформаций по периметру полуфабриката увеличивается и составляет 70%. При формоизменении полуфабриката, полученного в результате локального утонения, максимальная интенсивность деформаций концентрируется по участкам выступов полуфабриката. Другой особенностью распределения интенсивности деформаций является то, что они возникают не только в зоне контакта с матрицей, но и перед входом в матрицу. Неоднородность распределения интенсивности деформаций составляет примерно 70%. Это связано с тем, что возникают сдвиговые деформации в осевом направлении из-за сглаживания корончатой поверхности полуфабриката.

Проведённое сравнение силовых параметров вытяжки с утонением и вытяжки с локальным утонением показало, что при используемых коэффициентах утонения максимальные значения силы вытяжки на первом и втором переходах при вытяжке с локальным утонением близки, тогда как при вытяжке с утонением разница значений существенно отличается.

При вытяжке с локальным утонением реализуется значительная неравномерность распределения интенсивности деформаций (30...70%) по сравнению с вытяжкой без локального утонения, как при вытяжке через первую матрицу, так и при вытяжке через вторую, что позволяет получать деталь с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Список литературы

1. Яковлев С.С., Коротков В. А. Моделирование интенсивной пластической деформации при вытяжке с утонением // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 5. С. 31-37.

2. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1977. 423 с.

3. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В. А. Обработка давлением анизотропных материалов. Кишинев: Квант, 1997. 331 с.

4. Нечепуренко Ю.Г., Яковлев С.П., Яковлев С.С. Глубокая вытяжка цилиндрических изделий из анизотропного материала. Тула: ТулГУ, 2000. 195 с.

5. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки. М.: Машиностроение, 1977. 278 с.

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

DETERMINATION OF FORCES WHEN EXTRACTING WITH LOCAL DROUGHT AND USING THE MATRIX WITH INCLINED TUBES

S.S. Yakovlev

The results of computer simulations for obtaining parts using the hood with thinning through a conical matrix and the hood with local wall thinning through a matrix with periodic wedge protrusions around the working edge of the matrix are presented. Comparison of the force and deformed state of the processes was made.

Key words: drawing with thinning, local thinning, shear deformation, severe plastic.

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