CC BY
1
on stress intensity, strength and damage during reverse extrusion. Computer programs make it possible to simulate the processing process with high accuracy, taking into account various parameters, such as tool speed, torque, material temperature and stress-strain state. Therefore, this work was carried out using this method. The conducted research highlights the importance of taking into account the friction coefficient in the design of metal forming processes to prevent damage to the material and ensure appropriate product quality with high energy efficiency.
Key words: plastic deformation, reverse extrusion, complex-profile product, stress-strain state, computer modeling, three-dimensional model.
Galitsina Ksenia Alekseevna, undergraduate, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University. Scientific advisor: Platonov Valery Ivanovich, candidate of technical science, docent, Russia, Tula, Tula State
University.
УДК.621.7
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-3-256-257
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ВЫТЯЖКЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ FDM - ИНСТРУМЕНТА
М.А. Сережкин, В.Ю. Лавриненко, Н.А. Балахонцева, Е.А. Тихонова
В статье приведены результаты экспериментальных исследований процесса вытяжки деталей типа стакан в жестких (стальных) штампах и штампах, изготовленных методом FDM - печати (FDM -штампах). В результате установлено, что отклонение от круглости данных деталей, полученных с использованием FDM -инструмента, не превышает допустимых значений. Также разработаны рекомендации по определению исполнительных размеров рабочего вытяжного инструмента, изготовленного методом FDM - печати.
Ключевые слова: листовая штамповка, вытяжка, FDM - печать, точность деталей.
Одной из существенных статей производственных затрат при получении деталей типа стакан вытяжкой являются затраты на инструмент, которые могут увеличивать себестоимость изготовления деталей, особенно в условиях единичного или мелкосерийного производства. Кроме этого, достаточно высокой является трудоемкость и сроки изготовления рабочего инструмента для вытяжки - пуансонов и матриц из инструментальных сталей
Одним из направлений снижения затрат на производство деталей листовой штамповкой является обоснованное использование быстроизготавливаемого рабочего инструмента (пуансоны и матрицы), изготовленного из неметаллических материалов, например, резина, полиуретан, различные пластмассы, пластики и т.д.
В настоящее время все большее применение для изготовления инструментальной штамповой оснастки находят аддитивные технологии, в частности различные методы 3D - печати, например, FDM - прототипирование (FDM - печать).
В работе [1] отмечено значительное снижение стоимости и времени штамповки заготовок из листовой конструкционной углеродистой стали DC04 и S355MC толщиной 0,8 мм при использовании рабочего инструмента, изготовленного методом FDM - печати.
В работе [2] показано, что использование штампов из полимерных материалов с высокими механическими свойствами позволяет производить изделия с требуемой размерной точностью. Также приведены минимальные требования к механическим свойствам пластика для изготовления FDM - инструмента: модуль Юнга 11 МПа, прочность при сжатии 110 МПа.
В работе [3] приведены результаты сравнения характеристик различных материалы для 3D-печати, из которых создавали FDM штампы для вытяжки деталей, которые показали, что материал PLA наиболее пригоден для изготовления инструмента для листовой штамповки в малосерийном производстве.
Для ПАО «Корпорация «Иркут» [4, 5] методом 3D - печати были изготовлены рабочие части штампа из пластика марки ULTEM 9085 для штамповки листовой заготовки. При этом инструмент выдержал более 600 циклов нагружения. Примерно такая же стойкость инструмента имела место в ПАО «Роствертол» при применении пуансонов из пластика марки ULTEM для гидроформовки листовых заготовок и для обтяжки листовых обшивочных деталей сложных пространственных форм из листового алюминия с толщиной листа от 1,25 мм до 2,5 мм
В работах [6, 7] указано, что для V-образной гибки заготовок из листовой малоуглеродистой стали толщиной 3,4 мм и 2 мм использовали рабочий штамповый инструмент, изготовленный методом FDM печати, который показал высокую стойкость (более 150 и 1000 деталей соответственно) без разрушения и значительного износа инструмента.
В работе [8] рассмотрено применение FDM - инструмента для V-образной гибки листовых металлов. Отмечено, что время и стоимость производства такого инструмента очень малы по сравнению с изготовлением инструмента из сталей. Была исследована точность деталей, изготовленных с использованием FDM - инструмента и рассмотрено использование комбинации стального пуансона и FDM - матрицы для повышения размерной точности изготавливаемых деталей.
Кроме этого, некоторые исследования влияния технологических параметров FDM - печати на механические характеристики рабочего инструмента для листовой штамповки, а также на точность деталей, получаемых гибкой приведены в работах [9 - 13].
В частности, в работе [13] в результате проведенных исследований процесса гибки листовых заготовок толщиной 1,0.. .1,5 мм из сталей Ст3 и 08ю, алюминиевых сплавов АМг2М и Д19АТ, титанового сплава ОТ-4, нержавеющей стали 12Х18Н9Т было установлено, что при использовании рабочего инструмента, изготовленного методом FDM - печати угол упругого пружинения заготовок примерно соответствовал углу упругого пружинения заготовок при гибке в жестком штампе с расхождением не более 0,2°.
Вместе с тем, недостаточно изученным являются вопросы влияния штампового инструмента, изготовленного методами FDM - печати на точность изготавливаемых деталей с помощью других формоизменяющих операций листовой штамповки: вытяжкой, формовкой, обжимом, раздачей и др.
На точность деталей, изготовляемых вытяжкой, влияют следующие параметры: коэффициент вытяжки, механические свойства штампуемого материала, геометрические параметры изготовляемой детали, относительная толщина заготовки, точность и качество поверхности заготовки, конструкция и материал рабочего инструмента, износ рабочего инструмента.
Для исследования влияния материала инструмента для вытяжки на точность изготавливаемых деталей типа стакан была проведена серия экспериментов.
На рис. 1 показана схема вытяжного экспериментального штампа.
Рис 1. Схема экспериментального штампа: 1 - пуансон; 2 - прижимная гайка; 3 - прижим; 4 - деталь пиша стакан; 5 - матрица; 6 - матрицедержатель; 7 - упругая прокладка
Схема установки экспериментального штампа на гидравлическом испытательном прессе силой 500 кН проведена на рис. 2.
Для проведения вытяжки детали типа стакан из заготовок диаметром 114 мм и толщиной 2 мм из алюминиевого сплава АМг2 использовали несколько вариантов рабочего инструмента:
- вариант 1 (стальной пунсон, стальная матрица, стальной прижим);
- вариант 2 (стальной пуансон, FDM - матрица, стальной прижим);
- вариант 3 (стальной пуансон, FDM - матрица, FDM - прижим).
С использованием каждого варианта инструмента было изготовлено по 3 детали.
Рис. 2. Установка экспериментального штампа на прессе
На рис. 3 показана матрица для вытяжки, полученная методом FDM - печати из пластика марки PLA.
Рис 3. Матрица для вытяжки, изготовленная с помощью FDM печати
На рис. 4-6 показаны детали типа стакан, изготовленные в экспериментальном штампе с использованием различного рабочего инструмента.
Рис. 4. Детали пита стакан, полученные с использованием рабочего инструмента по варианту 1
Рис. 5. Детали типа стакан, полученные с использованием рабочего инструмента по варианту 2
Рис. 6. Детали пиша стакан, полученные с использованием рабочего инструмента по варианту 3
Для оценки точности полученных деталей типа стакан по критерию отклонения от круглости использовали специальное устройство - кругломер, схема которого показана на рис. 7.
Изготовленную деталь устанавливали на призму, а сверху устанавливали индикаторную головку. При вращении детали определяли минимальное и максимальное отклонение диаметра стакана от круглости (рис. 8).
Рис. 7. Схема измерения отклонения от круглости деталей типа стакан: 1 - измеряемая деталь; 2 - призма; 3
- индикаторная головка; 4 - стойка
В табл. 1 приведены отклонения от круглости деталей типа стакан, изготовленные вытяжкой различным инструментом и сравнение с допустимым отклонением по диаметру цилиндрических полых деталей без фланца после вытяжки, приведенным в работе [14].
Можно отметить, что в целом точность деталей, изготовленных с помощью FDM - инструмента снижается по сравнению с деталями, полученными при помощи стального штампа. Однако среднее отклонение от круглости полученных деталей не превысило допустимое отклонение при использовании инструмента по варианту 2 (стальной пуансон, FDM - матрица, стальной прижим).
Таблица 1
Отклонения от круглости деталей типа стакан_
Вариант инструмента Отклонение от круглости детали, мм Среднее отклонение от круглости, мм Допустимое отклонение по диаметру цилиндрических полых деталей без фланца после вытяжки, % от диаметра [14]
Вариант 1 Деталь №1 0,17 0,13
Деталь №2 0,11
Деталь №3 0,11
Вариант 2 Деталь №1 0,26 0,26
Деталь №2 0,29
Деталь №3 0,24
Вариант 3 Деталь №1 0,35 0,36
Деталь №2 0,34
Деталь №3 0,39
На основе полученных результатов были предложены рекомендации для определения исполнительных размеров рабочего вытяжного инструмента с учетом погрешности его изготовления методом FDM - печати Дизг предложены следующие формулы для расчета диаметров пуансона и матрицы:
D„ = ОдеТ + (0,001) D„ = Одет- (0,02 ... 0,001) + Дюг
В результате проведенных исследований можно отметить, что применение рабочего инструмента, полученного методом FDM - печати для вытяжки деталей типа стакан обеспечивает требуемую точность по критерию отклонения от круглости.
В дальнейшей работе необходимо проведение исследования для определения погрешностей изготовления вытяжного инструмента методом FDM - печати, а также оценку влияния других технологических параметров при вытяжке различных деталей с использованием FDM - инструмента.
Список литературы
1. Durgun I. Sheet metal forming using FDM rapid prototype tool // Rapid Prototyping Journal. 2015. №21(4). С.
412-422.
2. Liewald, M., & de Souza, J. H. C. New developments on the use of polymeric materials in sheet metal forming. Production Engineering, 2008, 2(1), 63-72.
3. Frohn-Sorensen, P., Geueke, M., Tuli, T.B. et al. 3D printed prototyping tools for flexible sheet metal drawing. Int J Adv Manuf Technol 115, 2623-2637 (2021).
4. Рынок технологий 3D-печати в России и мире: перспективы внедрения аддитивных технологий в производство [Электронный ресурс] URL: https://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/rynok-texnologii-3d-pecati-v-rossii-i-mire-perspektivy-vnedreniya-additivnyx-texnologii-v-proizvodstvo (дата обращения: 10.02.2024).
5. Трубашевский Д., Гринин Е., ULTEM - аддитивное производство из материала будущего. Умное производство, 2016, №1(33). С. 29-34.
6. The jaw-dropping perks of 3d printed press brake tooling [Электронный ресурс] // CI Stories. URL: https://www.e-ci.com/ci-stories/2019/5/24/the-iaw-dropping-perks-of-3d-printed-press-brake-tooling (дата обращения: 30.11.2020)
7. 3D printed press brake forming tools [Электронный ресурс] // Proto G. [Электронный ресурс] URL: https://www.instructables.com/id/3D-Printed-Press-Brake-Forming-Tools (дата обращения: 30.11.2020).
8. Naotaka Nakamura, Ken-ichiro Mori, Fumie Abe, Yohei Abe. Bending of sheet metals using plastic tools made with 3D printer. 17th International Conference on Metal Forming, Metal Forming 2018, 16-19 September 2018, Toyohashi, Japan.
9. Григоренко Г.Д., Евсюков С.А. Исследование влияния технологических параметров FDM прототипиро-вания на механические характеристики получаемых деталей штампов // Заготовительные производства в машиностроении. 2017. № 4. С. 22.
10. Сережкин М.А., Климюк Д.О., Плохих А.И. Анализ возможности использования 3d-печати для быстрого инструментального производства в области холодной листовой штамповки // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2020. № 3 (341). С. 20-30.
11. Климюк Д.О., Сережкин М.А 3D-печать инструмента для мелкосерийной холодной листовой штамповки / В сборнике: Будущее машиностроения России. тринадцатая Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов (с международным участием) : сборник докладов : в 2 т. Союз машиностроителей России, Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет). Москва, 2020. С. 95-97.
12. Klimyuk D., Serezhkin M.A., Plokhikh A.I. Application of 3d printing in sheet metal forming. В сборнике: Materials Today: Proceedings. "International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment 2020, ICMTMTE 2020" 2021. С. 1579-1583.
13. Лавриненко В.Ю., Сережкин М.А., Балахонцева Н.А., Садиков Ж. Экспериментально исследования процесса гибки листовых заготовок на прессах и листоштамповочных молотах с использованием FDM-штампов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии 2023. № 2 (358). С. 27 - 34
14. Яковлев С.С. Ковка и штамповка: В 4 т. Т. 4 Листовая штамповка / С.С. Яковлев. Москва: Машиностроение, 2010. 732 с.
Сережкин Михаил Александрович, доцент, [email protected], Россия, Москва, Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана,
Лавриненко Владислав Юрьевич, заведующий кафедрой, у1ауппепко@ЬтзЫ.ги, Россия, Москва, Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана,
Балахонцева Наталия Андреевна, старший преподаватель, bmstu-bna@mail. ru, Россия, Москва, Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана,
Тихонова Елизавета Алексеевна, магистрант, [email protected], Россия, Москва, Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана
THE EXPERIMENTAL RESEARCH OF ACCURACY OF PARTS DURING DRA WING USING FDM TOOL M.A. Serezhkin, V. Yu. Lavrinenko, N.A. Balakhontseva, E.A. Tikhonova
The results of experimental studies of the process of drawing cylindrical parts in rigid (steel) dies and dies made by FDM printing (FDM dies are presented). As a result, it was found that the deviation from roundness of these parts obtained using an FDM tool does not exceed acceptable values. Recommendations for determining the dimensions of working drawing tools manufactured by FDM printing have also been developed.
Key words: sheet stamping, drawing, FDM technologies, accuracy of parts.
Serezhkin Mikhail Aleksandrovich, assistant, pehobatop@gmail. com, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University,
Lavrinenko Vladislav Yurievich, yead of department, vlavrinenko@bmstu. ru, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University,
Balakhontseva Nataliya Andreevna, senior lecturer, bmstu-bna@mail. ru, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University,
Tikhonova Elisaveta Alekseevna, master's, pehobatop@gmail. com, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University
УДК 621.77.04
Б01: 10.24412/2071 -6168-2024-3-260-261
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА КОМБИНИРОВАННОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ НА
ЗНАЧЕНИЕ ПОЛЯ ГАРТФИЛДА
В.Н. Фам, П.А. Петров
В данной статьи рассмотрен процесс горячего комбинированного выдавливания в изотермических условиях осесимметричных поковок с фланцем и внутренней полостью. Материал, из которого изготавливаются поковки, - алюминиевый сплав АМг6. Деформирование металла выполняется за одну операцию на стандартном гидравлическом прессе номинальной силой 2,5МН. Исследование течения металла в очаге деформации выполнена с применением математического моделирования, основанного на проведении вычислительного и натурного экспериментов. Оценка де-фектообразования выполнена на основе поля Гартфилда, доступного к расчету в программе QForm. Выявлены параметры (фактор трения, соотношение размеров заготовки, величина рабочего хода и др.), оказывающие влияние на течение металла и дефектообразование при комбинированном выдавливании. Выполнена оценка взаимосвязи параметров процесса на значение поля Гартфилда.
Ключевые слова: алюминиевый сплав АМг6, горячая изотермическая штамповка, компьютерное моделирование, натурный эксперимент, макроструктура, дефекты, возникающие в металле при штамповке, поле Гартфилда.
Эффективность применения технологии горячей изотермической штамповки для изготовления поковок сложной формы из цветных сплавов, в частности, алюминиевого сплава АМг6, обуславливается несколькими факторами [1-11]: 1) возможность повышения коэффициента использования металла (К.И.М.); 2) сокращение формообразующих операций в технологическом процессе - получение поковки за одну формообразующую операцию; 3) применение стандартного штамповочного оборудования - как правило, гидравлических прессов; 4) снижение технологической силы для выполнения формообразующей операции за счет повышения пластичности металла и снижения сопротивления деформации; 5) повышение ресурса работы (стойкости) штампового инструмента.
Выделенные преимущества технологии горячей изотермической штамповки имеют ряд недостатков, в частности более сложный характер течения металла в очаге деформации (рисунок 1) - операция комбинированного выдавливания, исследуемая в данной работе, выполняется за один рабочий ход пресса. Результаты, показанные на рисунке 1, получены с применением программы QForm [12]; позволяют выявить области очага деформации, в которых возможно формирование дефекта. На рисунке 2 показана область формирования дефектов трех видов: неоформление за счет отхода металла от внутренней поверхности пуансона, утяжина и прострел. Терминология, связанная с дефектами в соответствии с ГОСТ Р 57511-2017.
В программе QForm для анализа дефектообразования при штамповке предлагается критерий «поле Гартфилда» [13]. Целью данной работы является исследование параметров, характеризующих операцию горячего комбинированного выдавливания в изотермических условиях на значение поля Гартфилда.
Поле Гартфилд [13] определяется в программе QForm в режиме пост-процессора как подпрограмма. Для начала ее работы необходимы данные, полученные из решения задачи о течении металла, в том числе значения растягивающих деформаций в направлении нормали к поверхности деформируемой заготовки. Суть поля Гартфилда сводится к тому, что чем выше значение поля, тем выше вероятность появления дефекта. Рекомендованный в программе QForm диапазон значений поля начинается от 0,3. При значении поля от 0,7 и выше вероятность появления дефекта,
