CC BY
13
УДК 621.777
Л.1. АЛШВА, е.М. СОЛОДУН, Х.В. ГОНЧАРУК, О.В. ШК1РА
Донбаська державна машинобудiвна академiя
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛ1ДЖЕННЯ ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ КОМБ1НОВАНОГО РАД1АЛЬНО-ПОЗДОВЖНЬОГО ВИДАВЛЮВАННЯ
Мета даного до^дження - визначити характер змти енергосилових napcrnempie видавлювання i формозмти заготовки, провести nоpiвняльний aнaлiз теоретичних i експериментальних даних. Для теоретичного aнaлiзу напружено-деформованого стану при комбтованому видавлюванн деталей з фланцем i осьовим вiдpосmком методом сктченних eлeмeнmiв використовувався програмний продукт QForm 2D. Видшеш основш зони деформування зразку при характерному плин металу. Експериментальн до^дження проводилися з нанесеною в мepидiaльнiй nлощинi роз'ему координатное сткою. Дана методика дозволяе визначити напружено-деформований стан в кожному елементарному об'eмi деформованого тыа на по^довних сmaдiях деформування. Виявлено значний впливумов тертя на опорнш nовepхнi на загин краю фланця, що спричиняе дефект форми фланця; конф^ращя i геометричн параметри nepeхiдних крайок мampицi i пуансона також мають значний вплив на дефектоутворення при комбтованому видавлювант. Вiдnовiдно до проведеного до^дженнями, було встановлено, що осередок iнmeнсивноï деформаци зосереджений на nepeхiдних крайках деформуючого iнсmpумeнmу. Експериментальн до^дження постадшно'1' формозмти показали достатнш сmуniнь вiдnовiдносmi розроблених математичних моделей реального процесу комбтованого видавлювання.
Ключовi слова: метод сктченних eлeмeнmiв, комбтоване видавлювання, фланець, напружено-деформований стан, осередок деформаци, деформаци зсуву, дефект, координатна атка.
Л.И. АЛИЕВА, Е.М. СОЛОДУН, К.В. ГОНЧАРУК, А.В. ШКИРА
Донбасская государственная машиностроительная академия
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО РАДИАЛЬНО-ПРОДОЛЬНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ
Цель данного исследования - определить характер изменения энергосиловых параметров выдавливания и формоизменения заготовки, провести сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных. Для теоретического анализа напряженно-деформированного состояния при комбинированном выдавливании деталей с фланцем и осевым отростком методом конечных элементов использовался программный продукт QForm 2D. Выделены основные зоны деформации образца при характерном течении металла. Экспериментальные исследования проводились с нанесенной в меридиональной плоскости разъема координатной сеткой. Данная методика позволяет определить напряженно-деформированное состояние в каждом элементарном объеме деформируемого тела на последовательных стадиях деформирования. Выявлено значительное влияние условий трения на опорной поверхности на загиб края фланца, вызывает дефект формы фланца; конфигурация и геометрические параметры переходных кромок матрицы и пуансона также оказывают значительное влияние на дефектообразования при комбинированном выдавливании. Согласно проведенному исследованию было установлено, что очаг интенсивной деформации сосредоточен на переходных кромках деформирующего инструмента. Экспериментальные исследования постадийного формоизменения показали достаточную степень соответствия разработанных математических моделей реального процесса комбинированного выдавливания.
Ключевые слова: метод конечных элементов, комбинированное выдавливание, фланец, напряженно-деформированное состояние, очаг деформации, деформации сдвига, дефект, координатная сетка.
L.I. ALIYEVA, E.M. SOLODUN, K.V. GONCHARUK, A.V. SHKIRA
Donbass State Engineering Academy
EXPERIMENTAL STUDY OF STRAIN STATE OF COMBINED RADIAL-LONGITUDINAL
EXTRUSION
The goal of this study - to determine the behavior of the power parameters of extrusion and forming the workpiece, a comparative analysis of theoretical and experimental data. For a theoretical analysis of the stressstrain state in the combined extrusion parts with a flange and axial appendage finite element method was used software QForm 2D. The basic zone of deformation of the sample at the characteristic flow of the metal.
Experimental studies were carried out with the application in the meridional plane of the connector grid. This technique allows you to determine the stress-strain state in every elementary volume of a deformable body at successive stages of deformation. There was a significant effect of the conditions of friction on the bearing surface on the bend edge of the flange, the flange is defect in shape; configuration and geometrical parameters of transient edges of the die and punch also have a significant impact on the formation of defects in the combined extrusion. According to the study, it was found that the focus of intense deformation is focused on transition edges deforming tool. Experimental studies have shown stepwise forming a sufficient degree of compliance with the developed mathematical models of the real process of combined extrusion.
Keywords: finite element method, composite extrusion, flange, stress-strain state, the focus of deformation, shear deformation, defect grid.
Постановка проблеми
Забезпечення конкурентоспроможносп продукцп, що випускаеться, тдвищення И якост нерозривно пов'язане з розробкою i освоенням нових ресурсозбериаючих технолопчних процеав, що дозволяють знизити енерговитрати i витрати матерiалу, максимально наблизити форму i розмiри вихвдно! заготовки до форми i розмiрiв готово! детали Розвиток технологш обробки тиском у виробнищга спрямоване на розширення номенклатури штампувало виробiв за рахунок ускладнення !х форми.
Основними завданнями в цьому напрямi е розробка i освоения нових технологiчних процесiв точно! холодного об'емного штампування, в тому чист iз застосуванням схем комбшованого видавлювання. Процеси комбiнованого видавлювання характеризуются рiзноманiтнiстю можливих схем силового впливу на деформуеться заготовку [1]. Комб!нування простих схем прямого, зворотного i поперечного видавлювання за розташуванням i за моментом часу в процесс дозволяе отримувати найрiзноманiтнiшi схеми комбшованого видавлювання. При цьому процес протжае в оптимальному саморегульованому енергетичному режимi [1,2], що ускладнюе розробку технологи, тому шнцева геометрiя деталi не може бути визначена однозначно по змщеним обсягами металу, а залежить вiд безлiчi технологiчних факторiв.
Для знаходження найбiльш сприятливих режимiв деформування необхвдно чiтко знати розподiл деформацш при рiзних геометричних параметрах процесу.
У процесi комбiнованого видавлювання стрижневих деталей з фланцем в окремих зонах мають мiсце велик! за величиною зсувш деформацi!. У цих зонах найбшьш вiрогiдна поява трщин i подальше руйнування деталi. Оцшка деформованостi, i визначення максимально! ступеня деформацi! при як1й зразок не руйнуеться, е досить важливою при проектуванш технологiчного процесу [3].
Бшьшють методик обчислення напружено-деформованого стану засноваш на спiввiдношеннях теорi! к1нцевих деформацш. Параметри деформованого стану визначаються !з зiставлення кшцево! форми i розм!р!в осередку дшильно! атки з !! вихщною формою i вих1дними розмiрами. За вихвдш i кiнцевi напрямки головних осей приймаються напрямки, з якими в площиш нанесення стки збiгаються матерiальнi волокна, як1 отримали найб!льшу i найменшу стушнь деформаци.
Аналiз останшх досл1джень i публшацш
Серед найбшьш ефективних метод!в обробки метал1в тиском велику увагу прид!ляють технолопчними схемами штампування з елементами видавлювання. Так широко застосовуються елементи холодного i полугорячего видавлювання, а також !х комб!нування, при виготовленш функцюнальних деталей автомобшв та шших прилад!в [1].
Одшею з переваг холодного видавлювання е можливють отримання за одну операщю значних ступешв деформаци заготовки (до 80%). Трудомютшсть виготовлення i соб!вартють знижуються через скорочення числа операцш i зайнятого обладнання, зменшення в!дход!в металу, а також можливосп комплексно! мехашзацп, автоматизацп [2].
В останнш час багато робгт присвячеш розробщ ресурсозбериаючих технологш на основ! комбшованого видавлювання [4 - 6].
Формування мети дослщження
Мета даного дослвдження - визначити характер зм!ни енергосилових параметр!в видавлювання i формозмши заготовки, провести пор!вняльний анал!з теоретичних i експериментальних даних.
Викладення основного матерiалу дослщження
На сучасному еташ розвитку обчислювально! техшки стало можливим застосування наукомютких математичних моделей i метод!в (метод сшнчених елеменпв), що дозволяють в досить коротш термши отримати наближеш картини поетапного формозмши i напружено-деформованого стану [7, 8]. Для теоретичного анал!зу напружено-деформованого стану при комбшованому видавлюванш деталей з фланцем i осьовим вщростком методом ск1нченних елеменпв використовувався програмний продукт QForm 2D.
Граничш умови для осесиметрично! 3aAa4i були задаш в наступному виглядi: змщнення алюмшевого матерiалу АД31 описано криво! змiцнення <js = 191.55 • e0,202МПа при швидкостi деформування 0,25 с-, щiльнiсть матерiалу 2800 кг / м3; модуль Юнга 71000 МПа; коефiцieнт Пуассона 0,3; коефщент тертя ^ = 0,16 по Леванова; швидшсть перемiщення шструменту 1 мм/с; iнструмент абсолютно жорсткий.
Експериментальш дослiдження проводилися за методикою 1.П. Ренне на зразках з нанесеною в меридiальнiй площинi роз'ему координатно! сiткою. Дана методика дозволяе визначити напружено-деформований стан в кожному елементарному об'емi деформованого тша на послiдовних стадiях деформування [9].
Зразки виготовлялися з алюмiнiевого сплаву АД31 з базою стки 1,5 мм i зi свинцю С1 з базою 1,5 i 2 мм iз спiввiдношенням H/D = 0.5. Змша параметрiв дшильно! атки вироблялося на послiдовних стадiях деформування при сшввщношеннях H/D = 0.4; 0.35. Експерименти проводилися на випробувальнш машиш МС-500 в унiверсально-переналагоджуваному штамт. Коефiцiент тертя ц = 0.08 досягався за рахунок використання козячого жиру як технолопчного мастила. Розрахунок параметрiв деформованого стану проводився з використанням ЕОМ.
Схема початкового розбиття зразка на елементи i подальша коректування сiтки при комбiнованому переб^у в радiальному i осьовому (зворотному) напрямку показана на рис. 1.
Деформований зразок умовно можна розбити на калька зон з характерним плином металу (див. рис.1):
- осьова, малодеформована зона;
- зона великих степешв деформацiй поблизу перехвдно! кромки пуансона;
- зона розвороту металу у фланець;
- фланець;
- центральна, застшна, зона.
Рис. 1. Поетапш стадп K0M6iH0BaH0r0 видавлювання
Чисельно максимальнi значення логарифмiчних деформацш, що зосередженi на перехвдних кромках матрищ, на початкових стацiях, дорiвнюють 0.5 - 0.7, а на кшцевих - 2.2 - 2.0 (див. рис. 1).
Ввдповщно до методики 1.П. Ренне, в лабораторних умовах отримана партiя дослiдних зразшв з координатною сiткою (рис. 2).
Кожна з цих зон мае сво! особливостi деформованого стану, який змiнюеться по ходу процесу. Так для застшно! зони пiд пуансоном характерно l! зменшення по ходу процесу. На !i розмiр i розташування значний вплив мае тертя на стшках матрицi. При значному тертi на матрицi (без змащення) на вузьк1й дiлянцi пiд пуансоном ввдбуваеться стиснення i витiснення в ввдросток прилеглих шарiв металу.
На першому етапi процесу центр зразка практично не деформуеться i е буфером (пром1жно! жорстко! зоною) мiж осередками теч^' металу в осьовому i радiальному напрямку.
Зона розвороту металу i теч^ у фланець являе собою складний осередок деформацп, в якому поеднуеться розворот i осаду нижнiх, прилеглих до дну, шарiв металу. При рiзних розмiрах висоти фланця i умов тертя на опорнш поверхнi величина i протяжнiсть дано! зони може бути рiзною. При вiдноснiй висотi фланця h> 0.3 ця зона витягуеться в довжиш до осi симетрп, а при збiльшеннi
коефщента тертя И довжина зменшуеться. При зб№шенш радiуса переходу ввд стрижня до фланця вогнище течи металу в радiальному напрямку збiльшуеться.
Рис. 2. Експериментальнi зразки з координатною сiткою
Умови тертя на опорнш поверхнi роблять значний вплив на загин краю фланця - дефект форми фланця. При збшьшенш тертя загин фланця менше, але при цьому попршуються умови деформування в центральнш зонi детали ввдбуваеться локалiзацiя осередку течи металу у фланець [10].
По ходу процесу локалiзованi осередки деформаци збтшуються в розмiрах, а пром1жна жорстка зона зменшуеться. Також простежуеться поступове об'еднання центрально! та осьово! зона у ввдростку. На заключних стащях процесу зона витягуеться по всш довжинi уздовж осi зразка i практично не деформуеться. На кордош осьово! зони i осередку деформаци, на останнш стадп процесу - Н = 0.5Иш, дiють значш зсувнi деформацi!, що може призводити до виникнення трiщин i руйнування зразка при недостатнiй пластичностi матерiалу.
Результати напруженого стану при комбшованому видавлюваннi, розрахованi за викривленням дшильно! сггки, представлено! на рис. 2 - 3. За розподшом максимальних дотичних напружень можна судити про використання ресурсу пластичностi матерiалу i виникненнi дефектiв суцiльностi, що призводять до руйнування деталi. Для розрахунково! оцiнки деформованостi на кожному етат розраховували показник жорсткостi напруженого стану в небезпечних зонах. Для цього вибиралися чарунки з максимальною штенсивнютю деформацш i максимальними зсувне деформащями.
Рис. 3. Картинки поетапноТ змши iнтенсивностi деформацш на зразках зi сплаву АД31 Бо = 36 мм,
Но = 46 мм, d = 21 мм, Иф = 4 мм)
Для порiвняння формозмши також побудоваш контури поетапного нарощення розмiрiв деталi (рис. 4), що дають можливiсть спiвставлення даних розрахуншв формозмiни деталi двома методами [12].
За результатами обробки параметрiв осередку деформаци в зош розвороту металу у фланець, у зош осередку деформаци зворотного видавлювання встановлено, що найбшьш небезпечними з точки зору використання ресурсу пластичносп е зони, прилеглi до перехвдним крайках деформуючого iнструменту. Тому конфiгурацiя i геометричнi параметри перех1дних крайок матрищ i пуансона мають значний вплив на дефектоутворення при комбiнованому видавлюванш. Великим значенням радiусiв скруглення або фаскам вшповшае менша концентрацiя зсувних деформацш у перехвдних крайок [11].
Вщхилення вщ задано! форми фланця пов'язаш з втратою стiйкостi вiльних, яш не перебувають у контакт! з шструментом дмнок фланця, що видавлюеться (рис. 5, а-б). Таю спотворення форми можна усунути, зменшуючи пpотяжнiсть вiльних дмнок, або додатковим кaлiбpyвaнням по площиш або дiaметpy.
Рис. 4. Змша геометрп мам1вфабрикат у по ходу процесу розраховаме методом верхньоТ оцiнки
(МВО) i методом скiмчеммих елемемтiв (МСЕ)
Кpiм того, при пpоведеннi експерименту комбiновaного видавлювання спостеpiгaлися так1 дефекти як розрив фланця, трщини на фланщ, пiдйом фланця вiд поверхш нижньо! опорно! повеpхнi, вiдхилення ввд кpyглостi фланця, овaльнiсть зовшшньо! вертикально! поверхш фланця, овальшсть вiдpосткa i задирки (рис 5, в).
Рис. 5. Дефекти комбiнованого видавлювання
Основною причиною утворення задирок е погана тдгонка шструменту. Поява трщин пояснюеться наявшстю розтягуючих рад!альних напружень у фланщ, а також великим ступенем деформацп. Овальшсть фланця i вщростка пояснюеться наявшстю тертя на поверхнях ковзання матриць. Ввдхилення вщ круглосп фланця пояснюеться особливостями напрямки шл!фування матриць, тобто неоднаковим шорстшстю поверхш шструменту.
Висновки
Методом к1нцевих елеменпв дано оцшку напружено-деформованого стану заготовки i визначено значення деформацш при рад!ально-прямому видавлюванш. Було встановлено, що осередок деформацп зосереджений на перехщних крайках матриц!. Видшеш основш зони деформування зразки при характерному плит металу. Визначено значний вплив умов тертя на опорнш поверхш, конф!гурацп i геометричних параметр!в перехщних крайок матриц! i пуансона на дефектоутворення при комбшованому видавлюванш. Експериментальш дослвдження постадшно! формозмши показали достатнш р!вень ввдповвдносп розроблених математичних моделей щодо реального процесу комбшованого видавлювання.
Список використаноТ лiтератури
1. Алиев И. С. Поиск и классификация новых технологических способов выдавливания / И. С. Алиев // Сборник научных статей. - Краматорск: Донбасская государственная машиностроительная академия. 2000. - С. 207-212.
2. Алиев И. С. Моделирование процессов комбинированного выдавливания / И. С. Алиев, Е. М. Солодун, К. Крюгер // Механика деформированного твердого тела и обработка металлов давлением. Сборник научных трудов. - Тульский гос. унив-т. Тула, 2000, С.21-27.
3. Оценка ресурса пластичности при комбинированном радиально-продольном выдавливании / Л. И. Алиева, И. А. Деревенько, К. В. Гончарук, А. В. Шкира // Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку. Матер!али дванадцято! М1жнародно! науково-техшчно! конференцп 23-24 вересня 2014 року / Щд заг. ред. В. Д. Ковальова. -Краматорськ : ДДМА, 2014. - C. 17-18.
4. Чучин О.В. Давление деформирования при комбинированном выдавливании упрочняющегося материала / О.В. Чучин О.В., К. Крюгер // Застосування теори пластичносп в сучасних технолопях обробки тиском: Зб!рник тез доповщей м1жнародно! науково-техшчно! конференцп. - Вшниця, 2001. - С. 86-87.
5. Алиева Л.И. Силовые параметры комбинированного выдавливания стержневых деталей с фланцем / Л.И. Алиева, К.В. Гончарук // Обработка материалов давлением : сборник научных трудов. - Краматорск: ДГМА, 2015. -№ 1 (40). - С. 18 - 22.
6. Prediction of the Variation of the Form in the Processes of Extrusion / I. Aliiev, L. Aliieva, N. Grudkina, I. Zhbankov // Metallurgical and Mining Industry: scientific and technical journal. -Dnepropetrovsk : NMetAU, 2011. - Vol. 3, No 7. - P. 17-22. - ISSN 2076-0507.
7. QForm - универсальная и эффективна программа для моделирования ковки и штамповки / Н. В. Биба, С. А. Стебунов, Ю. А. Гладков, П. С. Мордвинцев // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. - 2011. - № 1. - С. 36-42.
8. Иванов К. М. Метод конечных элементов в технологических задачах : учеб. пособ. / К. М. Иванов, В. С. Шевченко, Э. Е. Юргенсон. - СПб. : Изд-во ПИмаш, 2000. - 224 с.
9. Ренне И. П. Теоретические основы экспериментальных методов исследования деформаций методом сеток в процессах обработки металлов давленим / И. П. Ренне. - Тула : ТПИ, 1979. - 90 с.
10. Прогнозирования дефектообразования при комбинированном выдавливании в разъемных матрицах / Л. И. Алиева, И. С. Алиев, П. Б. Абхари, К. В. Гончарук // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Часть 1. - Тула : ТулГУ, 2014. - С. 63-68.
11. Солодун Е.М. Экспериментальное исследование деформированного состояния при комбинированном выдавливании / Е. М. Солодун, А. М. Калинов, О. В. Чучин // Тематический сборник научных трудов. - Краматорск-Славянск : ДГМА, 2000. - С. 272-275.
12. Алиев И.С. Анализ деформированного состояния при комбинированном выдавливании деталей с фланцем / И.С. Алиев, Е.М. Солоду, К. Крюгер // Металлургия и горнорудная промышленность. Днепропетровск, 2002, №8-9. - С. 495-499.
