CC BY
10
m
нлты
ЫКРА1НИ «bJHTÜ» ,
»imiB
Науковий BicHMK Н/1ТУ УкраТни Scientific Bulletin of UNFU http://nv.nltu.edu.ua https://doi.org/10.15421/40280522 Article received 18.05.2018 р. Article accepted 31.05.2018 р.
УДК 621.9.048.6
"ф~| ISSN 1994-7836 (print) ШЯ ISSN 2519-2477 (online)
@ El Correspondence author S. E. Lyaskovska solomiam@gmail.com
М. В. Бойко, О. Т. Велика, С. Е. Лясковська, Н.-Т. I. Великий
НацюнальнийyHieepcumem "Львiвська полтехтка", м. Львiв, Украгна
ДОСЛ1ДЖЕННЯ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ ТА ОПТИМ1ЗАЦ1Я ГЕОМЕТРИЧНИХ ПАРАМЕТР1В ВИРУБНОГО ПУАНСОНА
Дослщжено особливост напружено-деформованого стану пуансона для вирубування овальних 0TB0piB у виробах i3 листового матерiалу. Показано, що забезпечення надшноси, мщноси та безвщмовно! роботи пуансона прямо залежить вщ рiв-ня напружено-деформованого стану, який постшно змiнюeться у процес тривало! експлуатацп. Особливу увагу придшено скiнченно-елементному аналiзовi напружено-деформованого стану конструкцп пуансона, який у процесi змши умов експлуатацп руйнувався. Побудовано тривимiрну модель конструкцп пуансона в середовищi KOMnAC-3D, за допомогою методу сюнченних елементiв виконано розрахунки його параметрiв, виявлено критичнi областi режимiв роботи пуансона, в яких виникае деформацiя та руйнування у процес експлуатацп. Запропоновано використовувати для розрахунку пуансона прик-ладну бiблiотеку APM FEM, призначену для виконання обчислень твердотшьних об'екив у системi KOMnAC-3D i вiзуалi-зацп одержаних результаив. Запропоновано змiнити геометричнi параметри конструкцп пуансона та здшснити ращональ-ний вибiр типу моделi пуансона, який витримуе прикладеш експлуатацiйнi навантаження, збшьшуе термiн його експлуатацп та забезпечуе ефективну роботу за надмiрного навантаження у процес вирубування овальних отворiв у деталях. Резуль-татившсть прийнятих проектних рiшень перевiрено на модершзованш моделi пуансона.
Кл^чов^ слова: пуансон; напружено-деформований стан; штамп; метод сюнченних елеменив.
Вступ. Листове штампування широко застосовують у багатьох галузях машинобудування. Листовим нази-вають штампування рiзноманiтних за формою i розмь рами деталей з листового, сучкового або смугового матерiалу. Для листового штампування, як вихщного матерiалу, використовують леговаш сталi, маловугле-цевi стал^ титан, мiдь, алюмiнiй та ш. Основними перевагами листового штампування е:
1) можлив1сть виготовлення мщних, легких \ жорстких тонкостшних вироб1в просто! або складно! форми, от-римати яю шшими способами важко або неможливо;
2) висока продуктившсть \ економне витрачання металу;
3) широк! можливост автоматизац!! штампувальних робгг ¿з застосуванням для цього вщносно нескладних прис-тро!в;
4) взаемозам!нн!сть деталей ! висока чистота !х повер-хонь.
Штамп складаеться з технолопчних (робочих) i конструктивних деталей (блока) та забезпечуе виконання технолопчних операцш До штамтв вiдносять пуан-сони, напрямнi планки, виштовхувачi, матриц^ притис-кувачi та iн. Штампи класифiкують за технологiчними ознаками на штампи послвдовноТ, просто! та сумщеноТ дп. Для виконання к1лькох технолопчних операцш або технолопчних переходiв на шлькох позицiях за певне
число ходiв рухомо1 частини штампа застосовують штампи послщовно1 дiï. Пiд час виконання одно! або дек1лькох однойменних технолопчних операцш на од-нш позицiï за один хiд рухомо! частини штампа застосовують штампи просто! дiï. У штампi сумщено! дiï за один хiд рухомоï частини штампа поеднуються рiз-нойменш технологiчнi операцiï або технологiчнi переходи, наприклад; вирубка та витяжка тощо.
Постановка проблеми. Пуансон або пунсон (фр. poinçon) - одна з основних деталей будь-якого штампу. Шд час штампування пуансон безпосередньо чинить тиск на матерiал заготовки. Залежно вщ призначення вiн може бути прошивним, пробивним, просiчним або вирубним. У процесi роботи пуансон передае тиск на листову заготовку, вирубуе i проштовхуе готовий вирiб через матрицю. Вiн вiдiграе важливу роль у процесi штампування або нанесення маркувальних даних на по-верхню деталi та е одним з основних елеменпв техно-логiчного оснащення будь-якого штампу. У процеа роботи пуансони пiддаються впливу високих силових на-вантажень, тому 1'х виготовляють зi зносостiйкоï сталi з тдвищеними мiцнiстю i прогартованiстю.
Штамп мае певний термш експлуатацiï. Його основ-нi деталi, пуансон та матриця, зношуються швидше, а термiн експлуатацп обмежений к1льк1стю ударiв пуан-
1нформащя про aBTopiB:
Бойко Михайло Васильович, ст. викладач, кафедра проектування та експлуатацп машин. Email: osnastka@ukr.net Велика Оксана Тараавна, канд. техн. наук, доцент, кафедра проектування та експлуатацп машин. Email: veloks@ukr.net Лясковска Соломия Евгеньевна, канд. техн. наук, доцент кафедри проектування та експлуатацп машин.
Email: Solomiam@gmail.com Великий Нестор-Тарас 1горович, мапстр, кафедра проектування та експлуатацп машин. Email: veloks@ukr.net Цитування за ДСТУ: Бойко М. В., Велика О. Т., Лясковська С. 6., Великий Н.-Т. I. Дослщження напружено-деформованого стану та оптимiзацiя геометричних параметрiв вирубного Пуансона. Науковий вкник НЛТУ УкраТни. 2018, т. 28, № 5. С. 101-105. Citation APA: Boyko, M. V., Velyka, O. T., Lyaskovska, S. E., & Velykiy, N.-T. I. (2018). The researching of stress-deformed state and optimization of geometric parameters of Punch. Scientific Bulletin of UNFU, 28(5), 101-105. https://doi.org/10.15421/40280522
сона по поверхш детали За змши умов експлуатацп штампу змiнюються навантаження, що призводить до руйнування його основних деталей. Отже, виникае проблема до^дження i аналiзу напружено-деформова-ного стану та змши геометричних параметрiв пуансона в процес його експлуатацп, якi дають змогу запропону-вати оптимальш конструкцп пуансонiв, що забезпечить ефективну !х роботу в разi надмiрного навантаження у процесi вирубування детали Необхiдно оптимiзувати геометричнi параметри пуансона в такий спосiб, щоб локалiзувати критичнi областi, в яких виникае деформа-цiя та руйнування в процес штампування деталей, що дасть змогу збшьшити працездатнiсть конструкцп цщо-го штампу.
Анал1з останн1х дослщжень 1 публшацш. Проблему дослiдження напружено-деформованого стану та оп-тимiзацil конструкцп деталей на основi методу скшчен-них елементiв дослiджено у працях (Semepkov, 1977; Уе1ука, et а1., 2010; Уе1ука & Liaskovska, 2012). Аналiз проведених розрахункiв напружено-деформованого стану пуансона у системi КОМQАС-3D та обгрунтуван-ня змiни конструкцп деталi на прикладi матрицi вируб-ного штампа наведено у робой (Boiko, et а1., 2016).
Формулювання мети дослщження. Метою роботи е дослщження напружено-деформованого стану пуансона щодо виявлення проблемних дшянок, в яких мож-ливе виникнення деформацп та руйнування у процес його експлуатацп, змши геометричних параметрiв i оп-тимiзацil його конструкцп.
Викладення основного матер1алу дослщження. Базовою деталлю корпусу приладу, на якому розмщу-ються компоненти в процесi виконання монтажних ро-бiт, деталь "Планка". Пщ час виготовлення деталi "Планка" (рис. 1) штампуванням на "Штамш послщов-но! дп" (рис. 2) через змшу параметрiв стрiчкового ма-терiалу iз сталi 08 на нержавшчу сталь змiнюеться навантаження ^ як результат, руйнуеться пуансон.
де: L - периметр контуру, який вирубуеться пуансоном, мм; ^ - товщина деталi (полоси), мм; тзр - опiр зрiзу ма-терiалу, кГс/мм2 i сила, необхiдна для проштовхування вiдходу готового виробу вниз через отвори матрищ.
Рис. 1. Робоче креслення детал1 "Планка"
Деталь виготовляють за два технологiчнi переходи. На першому переходi пробивають два овальш отвори, а на другому переходi вирубують деталь. Пуансони 8 i 9 закрiплюють в пуансонотримачi 4, а знiмач 3 орiентуе i направляе !х вiдносно матрищ. Вщ осьового перем^ щення пуансони утримуються буртами, якi е конструк-тивним елементом пуансона. Фiксацiю полоси забезпе-чують направляючi планки 11 i 12, а фiксацiю по переходах у процес штампування здшснюють опорою 10. Лоток 13 пщтримуе полосу вiд провисання.
На пуансош можна видiлити три зони (рис. 3): а -робоча, б - напрямна, в - фжсуюча. Процес пробивання отворiв i вирубування деталi вiдбуваеться пiд час пере-мiщення штампу зверху-вниз (робочий хщ) пуансонами 8 i 9; на пуансон знизу-вверх дiе сила вирубування
Рв = L s Тзр, [кГс] (1)
Рис. 2. Штамп послщовно1 дл для виготовлення детал1 "Планка": 1) плита нижня; 2) матриця; 3) зтмач; 4) пуансонотримач; 5) плитка; 6) плита верхня; 7) хвостовик; 8) пуансон; 9) оваль-ний пуансон; 10) опора; 11 I 12) планки напрямш; 13) лоток; 14) колонка; 15) втулка
Рис. 3. Схема вирубки: 1) вдавд, 2) полоса; а) робоча зона пуансона, б) напрямна зона пуансона, в) фшсуюча зона пуансона
Пщ д1ею навантаження Рв пуансон працюе на стис-кання. Одночасно обтискае пунсон Pi. Пщ час перем^ щення штампу знизу-верх (холостий хщ) пуансон витя-гують i3 вирубаного матер1алу i на нього зверху-вниз Aie сила обтиску матерiалу. Пщ дiею цього навантаження пуансон працюе на розтяг. У конструкцп пуансона передбачено бурти, ям утримують його вщ осьового перемщення в пуансонотримач1 На них дiе сила, яка дорiвнюе силi обтискання. Пщ час змiни матерiалу де-талi iз сталi 08 на нержавшчу сталь10Х14Г змiнюеться сила обтискання пуансона матерiалом. Одночасно ю-тотно збшьшуеться навантаження на бурти, якi посту-пово руйнуються. На рис. 4 подано робоче креслення юнуючого пуансона (рис. 4, а) i зруйнованi пуансони (рис. 4, б).
Рис. 4. Пуансон для вирубування овальних 0TB0piB: а) робоче креслення пуансона до модершзаци; б) зруйноваш пуансони
Для дослвдження та анал1зу напружено-деформова-ного стану вирубного пуансона використано метод сшнченних елеменпв CAE. Пров1вши розрахунки ще! конструкцп пуансона методом сшнченних елеменпв, визначимо критичш обласп пуансона, в яких виникае деформащя та руйнування.
Метод ск1нчених елеменпв (МСКЕ, або FEM - Finite Element Method) широко використовують для розв'язування практичних завдань мехашки деформова-ного твердого тша, зокрема для виконання розрахунк1в на м1цшсть на етат 3D-проектування конструкцш.
Сучасш CAD-системи дають змогу в автоматичному режим1 ввдповщно до вхвдних даних виконати розраху-нок модел1 детал1 на мщшсть (система вибирае вузли в об'ем1 детал1, розбивае деталь на шнцев1 елементи, ну-меруе вузли, будуе матрицю елеменпв, складае р1внян-ня розрахунк1в). Результати розрахунку вщображають-ся у вигляд1 табличних даних та в1зуальних епюр шука-них параметр1в.
Для розрахунку пуансона методом сшнченних елеменпв використано прикладну б1блютеку APM FEM, яку призначено для виконання розрахунк1в твердотшь-них об'екпв у систем1 KOMnAC-3D i в1зуал1зацп ре-зультапв цих розрахуншв.
До складу APM FEM входять шструменти тдготов-ки деталей i складань до розрахунк1в, задання гранич-них умов i навантажень, а також вбудоваш генератори сшнченно-елементно! (СКЕ) сггки (як з постшним, так i з1 змшним кроком) i постпроцесор. Цей функцюналь-ний наб1р допомагае змоделювати твердотшьний об'ект i комплексно проанал1зувати поведшку розрахунково! модел1 для р1зних експлуатацшних задач 1з погляду статики, визначення власних частот коливань, стшкосп й теплового навантаження тощо.
Для створення ск1нченно-елементного представлен-ня об'екта в APM FEM передбачено функцш генерацп СКЕ-сггки, тд час виклику яко! вщбуваеться ввдповщ-не розбиття об'екта 1з заданим кроком. Якщо створена розрахункова модель мае складн нер1вном1рш геомет-ричш переходи, то може бути проведене так зване адап-тивне розбиття. Для того, щоб результат процесу був яшсшшим, генератор СКЕ-сггки автоматично i з ураху-ванням заданого користувачем максимального коефь щента згущення змшюе величину кроку розбиття.
Результати дослщження. Для дослвдження напру-жено-деформованого стану пуансона побудовано в KОMПАС-3D його тривим1рну модель (рис. 5).
Рис. 5. 3D- модель пуансона
3D-модель пуансона розбито на елементи, запуска-ючи прикладну бiблiотеку APM FEM, яка знаходиться в роздш "Расчет и построение" i виконано команду Менеджера бiблiотеки "Генерация КЭ сетки". Шсля побу-дови сггки проведено сшнченно-елементний аналiз нап-ружено-деформованого стану пуансона, попередньо задавши необхвдш граничш умови i числовi значения навантажень. Для цього виконано команду бiблiотеки "Расчет" i в меню типу розрахунку вибрано "Статический расчет".
Потрiбнi вiзуалiзацil i аналiз результатiв розрахунку представлено на рис. 6.
Рис. 6. Результати розрахунку на мщшсть 3D-моделi пуансона до модершзаци
Рис. 7. Пуансон для вирубування овальних отворiв: а) робоче креслення модершзованого пуансона; б) схема вирубування: 1) вщхщ, 2) полоса; експлуатацшш зони пуансона: а) робоча, б) направляюча, в) фiксуюча
Аналiзуючи карту результапв скшченно-елементно-го розрахунку напружено-деформованого стану, вияв-лено критичш областi, в яких виникають найбiльшi на-вантаження, а отже, i можлива деформацiя. Тому ця дь лянка пуансона часто руйнуеться, що призводить до зу-пинки виробництва. Для подолання ще! проблеми зап-ропоновано змiнити значения геометричних параметрiв пуансона, врахованих у модершзованш моделi конструкцп пуансона (рис. 7).
Перевiрку правильностi конструктивних ршень здiйснено для модернiзоваиого пуансона (рис. 8).
о-*о л- - Вт- «, 43 * im3o>- *'f•»«•"» • " • »• » n, •• л- ■ т ь-.
шйн^лш ш51дТ шГ ml
Рис. 8. 3D-модель модернiзованого пуансона
У дiалоговому режимi з CAE/CAD системою вико-нано HOBi сшнченно-елементш розрахунки для досяг-нення необхщного результату забезпечення необхвдно! надiйностi експлуатацп пуансона (рис. 9).
Вид Операции Спецификация Сервис Окно Справка Библиотеки
* дзш ^ <aist.6j74Bicjj-- ' - » - % ef. - л н-а
; ч. апм
™ J...............S.
Рис. 9. Результати розрахунку на мщшсть 3D-моделi модернi-зованого пуансона
Проанал1зувавши карту нових результапв розрахун-к1в, видно, що в проблемних д1лянках пуансона вдалося забезпечити мщшсть i стшшсть до деформацш та його руйнування у процеа роботи. Це забезпечить збшьшен-ня термшу експлуатацп пуансона.
Висновки. Проведено як1сний i шльшсний скшчен-но-елементний анал1з конструкцп пуансона вирубного штампу, на основ1 якого оптим1зовано геометричш па-раметри та розроблено покращену модель конструкцп пуансона, що дае змогу забезпечити його надшну три-валу експлуатацш та працездатшсть.
Результати проведених дослвджень напружено-де-формованого стану складових деталей штамтв, який змшюеться у процеа тривало! !х експлуатацп, вщгра-ють визначальну роль у забезпеченш надшносп, мщ-ност1 та безвщмовно! роботи зазначеного технолопчно-го обладнання. При цьому важливим етапом реал1зацп дослвджень е проведення анал1зу i розрахунк1в конструкцш робочих деталей штамтв методом скш-ченних елеменпв у середовищ1 САЕ систем, що дае змогу оптим1зувати !х геометричш параметри та здшснити рацюнальний виб1р типу модел1 пуансона, який витримуе докладеш експлуатацшш навантаження.
Перелiк використаних джерел
Boiko, M. V., Velyka, O. T., Liaskovska, S. Ye., & Velykyi, N.-T. I. (2016). Doslidzhennia ta optymizatsiia konstruktyvnykh parametriv matrytsi vyrubnoho shtampu. Scientific Bulletin of UNFU, 26(4), 255-260. [In Ukrainian]. Semepkov, O. I. (Ed.). (1977). Avtomatizatciia proektno-konstruk-torskikh rabot i tekhnologicheskoi podgotovki proizvodstva v mas-hinostroenii. (Vol. 2). Mynsk: Vysheishaia shkola. 334 p. [In Russian].
Velyka, O. T., & Liaskovska, S. Ye. (2012). Optymizatsiia he-ometrychnykh parametriv pid chas rozrakhunkiv detalei u sere-dovyshchi CAD/SAE AutoCADMechanical 2006. Optymizatsiia vyrobnychykh protsesiv i tekhnichnyi kontrol u mashynobuduvanni tapryladobuduvanni, 729, 80-85. [In Ukrainian]. Velyka, O. T., Topilnytskyi, V. H., Boiko, M. V., & Lampika, R. V. (2010). Rozrakhunok priamokutnoi matrytsi pres-formy na mitsnist i zhorstkist. Avtomatyzatsiia vyrobnychykh protsesiv v mashynobuduvanni ta pryladobuduvanni, 44, 74-79. [In Ukrainian].
М. В. Бойко, О. Т. Велыка, С. Е. Лясковска, Н.-Т. И. Велыкий
Национальный университет "Львовская политехника", г. Львов, Украина
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И ОПТИМИЗАЦИЯ
ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЫРУБНОГО ПУАНСОННА
Проведено исследование напряженно-деформированного состояния конструкции пуансона, который обеспечивает вырубку овального отверстия в изделии в процессе его изготовления с листового материала штамповкой. Обеспечение надежности, прочности и безотказной работы пуансона во многом зависит от уровня напряженно-деформированного состояния, который постоянно меняется в ходе длительной эксплуатации. Особое внимание уделено конечно-элементному анализу напряженно-деформированного состояния конструкции Пуансотна, который в процессе изменения условий эксплуатации разрушался. На первом этапе в среде KOMnAC-3D построена трехмерная модель конструкции, а дальше с помощью метода конечных элементов выполнены расчеты пуансона, обнаружены критические области пуансона, в которых возникает деформация и разрушение во время эксплуатации. Для расчета пуансона использована прикладная библиотека APM FEM, которая предназначена для выполнения расчетов твердотельных объектов в системе KOMnAC-3D и визуализации результатов этих расчетов. На основе полученных результатов предложено изменить геометрические параметры и осуществить рациональный выбор типа модели пуансона, который выдерживает приложенные эксплуатационные нагрузки, увеличивает срок его эксплуатации и обеспечивает эффективную его работу при избыточной нагрузке в процессе вырубки детали. Целесообразность принятых решений проверено на модернизированной модели пуансона.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние; пуансон; штамп; метод конечных элементов.
M. V. Boyko, O. T. Velyka, S. E. Lyaskovska, N.-T. I. Velykiy
Lviv Polytechnic National University, Lviv, Ukraine
THE RESEARCHING OF STRESS-DEFORMED STATE AND OPTIMIZATION
OF GEOMETRIC PARAMETERS OF PUNCH
The punch refers to one of the main details of the stamp. In the process of using punches are exposed to high force loads, so they are worn faster. It is necessary to optimize the geometrical parameters of the punch in such a way as to localize the critical areas in which there is deformation and destruction in the process of stamping parts, which will increase the working capacity of the design of the whole stamp. The peculiarities of the stress-strain state of the punch for the cutting of oval openings in products from sheet material have been investigated. It is shown that ensuring the reliability, durability and faultless operation of the punch directly depends on the level of the stress-strain state, which is constantly changing in the course of prolonged operation. Particular attention is paid to the finite-element analysis of the stress-strain state of the punch construction, which in the process of changing the conditions of the operation was destroyed. The 3D model of the design of the punch in the COMPASS-3D environment was constructed using the finite element method. The calculations of its parameters were used, and the critical areas of the punch were discovered. In this article, we describe the various stages of the punch in which it breaks. It is proposed to use APM application library for calculating the punch, designed to perform calculations of solid objects in the COMPASS-3D system and visualize the results obtained. The optimization of the geometrical parameters of the punch design is presented and a rational choice of the model type of the punch is carried out, which can withstand operational loads, increases the life of its operation and provides efficient work with excessive loading during the process of making the oval holes in details. The results of the researches of the stress-strain state of the components of the dies, which change in the course of their prolonged operation, play a decisive role in ensuring the reliability of, durability and trouble-free operation of the technological equipment. The effectiveness of the adopted design decisions is checked on the modernization model of the punch.
Keywords: punch; strained-deformed state; stamp; method of finite elements.
