CC BY
4
УДК 621.735.016.2:669.715:658.512.011.56.004
ФИЗИЧЕСКОЕ И КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ОБОЛОЧЕК В ШТАМПЕ ДЛЯ ВЫДАВЛИВАНИЯ
И.В. Гринберг (ЗАО «Диск БС», e-mail:irisha_grin@mail.ru), П.А. Петров, канд. техн. наук, Д.А. Гневашев, канд. техн. наук, В.И. Воронков (МГТУ «МАМИ»)
Рассмотрена одна из возможных схем применения гидравлических буферных устройств. На основе физического и математического моделирования изучены кинематика течения материала, силовые параметры процесса. Даны рекомендации по выбору режима выполнения комбинированного выдавливания тонкостенной оболочки.
Ключевые слова: гидравлический пресс, буферное устройство, комбинированное выдавливание, тонкостенная оболочка, математическое моделирование.
Physical and Finite-Element Simulation of the Process of Thin-Walled Shell Production in Pressing-out Dies. I.V. Grinberg, P.A. Petrov, D.A. Gnevashev, V.I. Voronkov.
One of the possible techniques for application of hydraulic buffer units is discussed. Based on physical and mathematical simulation, material flow kinematics and process force variables have been investigated. Recommendations on selection of combined pressing-out conditions for production of thin-walled shells are made.
Key words: hydraulic press, buffer unit, combined pressing-out, thin-walled shell, mathematical simulation.
В ранее опубликованных статьях [1, 2], рассматриваются технологические схемы выдавливания деталей типа чаш и стаканов, общим для которых является использование плавающих (подвижных) контейнеров либо иных деталей, входящих в конструкцию штамповой оснастки. Применение инструмента подобной конструкции позволяет в большинстве случаев совместить несколько переходов в одном. Такая ограниченная подвижность контейнера (матрицы и пр.) обусловлена применением в конструкции штампа для выдавливания или открытой/закрытой штамповки упругих элементов. Как известно, в качестве упругого элемента используют пружины [3, 4], сжатый воздух [5, 6], жидкость (минеральное масло) [1]. При штамповке упругий элемент (далее, буферное устройство) позволяет, например, создать противодавление течению деформируемого материала, постоянное либо переменное.
Результаты проведенных ранее экспериментальных исследований схемы штамповки в штампах для выдавливания, снабженных од-
ним либо несколькими гидравлическими буферными устройствами [1, 2], свидетельствуют о стабильности работы этих устройств и позволяют выявить особенности их применения.
В настоящей статье выполнено исследование влияния формы и размеров формообразующего инструмента на течение материала в штампе для комбинированного выдавливания изделий типа стаканов и крышек (рис. 1). Рассмотрен случай применения штампа с жестким буферным устройством, т.е. когда высота конического участка h и H (рис. 1, а) и величина противодавления остаются постоянными в течение рабочего хода пресса. Исследование выполнено на основе проведения физического и математического моделирования изучаемого процесса.
Физическое моделирование проведено путем деформирования свинцовых образцов на испытательной машине БУ-100* (номи-
* Экспериментальные исследования проведены на оборудовании лаборатории кафедры «Кузовостроение и ОД» МГТУ «МАМИ».
Рис. 1. Принципиальная схема изучаемого процесса:
а - эскиз экспериментальной оснастки; б - математическая модель процесса
нальная сила деформирования 1 МН) с применением штамповой оснастки оригинальной конструкции, математическое моделирование - путем конечно-элементного анализа с помощью компьютерной системы О-Рогт (ООО «КванторФорм», г. Москва), предназначенной для моделирования процессов ковки и объемной штамповки. Испытательная машина Е11-100 снабжена персональным компьютером со специализированным программным обеспечением, что позволяет проводить нагружение с контролируемой скоростью деформирования и контролируемым давлением.
Физическое моделирование проводили, принимая следующие допущения: материал заготовки - свинец; температура деформи-
рования 20 °С; смазка - минеральное масло И-20; скорость деформирования 1 мм/с.
Экспериментальный штамп* (см. рис. 1, а) для проведения физического моделирования изучаемого процесса спроектирован с учетом соотношения площадей боковых поверхностей условного кольца 5/5О=939,1/980,18=0,958, т.е. площадь боковой поверхности условного кольца примерно на 4,2 % меньше, чем площадь Б0. Внутренний диаметр кольца равен диаметру й отверстия, в котором перемещается пуансон. Наружный диаметр кольца равен диаметру О прижима (см. рис. 1, а).
Математическое моделирование проводили, принимая следующие допущения:
- кривые текучести свинца определяли по базе данных материалов системы ОРОРМ;
- условия контактного трения приняли по модели трения, предложенной А.Н. Левановым [7];
- фактор трения, характеризующий смазку, принимали равным 0,8 [7];
- размерные характеристики заготовок и штамповой оснастки при математическом моделировании аналогичны тем, что использовали при физическом моделировании;
- с учетом осевой симметрии рассматривали только половину заготовки, лежащую в меридиональной плоскости (см. рис. 1, б).
Как показали результаты экспериментального исследования, процесс выдавливания в штампе можно разделить на две стадии.
Первая стадия - радиальное выдавливание - начинается с момента контактирования пуансона и заготовки и продолжается до полного заполнения кольцевой полости
* Экспериментальный штамп спроектирован в ЗАО «Диск БС» и изготовлен в ОАО «МКБ «Факел» им. академика П.Д. Грушина».
(рис. 2, а) между прижимом и донной частью контейнера. В конце этой стадии деформируемый материал касается вертикальной стенки контейнера.
денное упрощение является обоснованным только в случае, когда прижим неподвижен.
Переход от первой стадии изучаемого процесса ко второй наглядно отображается на
Рис. 2. Кинематика течения металла в изучаемом процессе
Вторая стадия - обратное выдавливание - начинается с момента контактирования деформируемого материала с вертикальной стенкой контейнера и продолжается до полного заполнения вертикальной полости с оформлением стенки стакана (рис. 2, б). Вертикальная полость располагается между контейнером и прижимом.
При выполнении математического моделирования в системе 0РОРМ-2Э было введено упрощение в конструкцию штампа. Предполагали, что контейнер и прижим являются единым инструментом. Вве-
машинной диаграмме сила деформирования - время перемещения пуансона (рис. 3). Резкое увеличение силы деформирования связано с мгновенным повышением скорос-
4 6 8 10 12 14 Время, с
Рис. 3. Диаграмма сила деформирования - время перемещения пуансона
ти деформации в зоне перехода от стесненной кольцевой полости к более свободной вертикальной полости (рис. 4, а, сечение
Рис. 4. Схемы течения и напряженно-деформированного состояния (НДС):
а - зона перехода (сечение А-А) от первой стадии ко второй; б - распределение напряжений и деформаций в сечении А-А
Площадь сечения стенки стакана на высоте Н от его основания Бст, определяющая толщину стенки, равна 1111,21 мм2 (рис. 6, а).
и
Рис. 6. Стадии формирования стенки изделия типа «стакан»
Таким образом, площадь Бст на 13,4 % больше, чем площадь боковой поверхности условного кольца Б0. Это означает, что в начале второй стадии будет наблюдаться отход металла от формообразующей поверхности прижима (рис. 6, б).
По мере заполнения вертикальной полости материал начинает прилегать к поверхности прижима, но при этом наблюдается его отход от формообразующей поверхности контейнера (рис. 6, в и 6, г). Формирование вертикальной стенки изделия от начала второй стадии до ее завершения сопровож-
дается изменением суммарной площади контактной поверхности деформируемого материала с инструментом (прижимом и контейнером).
Рассмотрим теперь формирование донной части изделия типа «стакан». По мере выдавливания материала заготовки в кольцевую полость деформируемый металл претерпевает отход от формообразующей поверхности прижима и от поверхности контейнера. В результате металл течет в кольцевой полости практически свободно, не касаясь ее стенок. Следствием этого является низкий уровень контактного давления на поверхности инструмента - прижима (рис. 7). График зависимости контактного давления от хода пуансона,
Рис. 7. Зависимость контактного давления на конической поверхности прижима от положения пуансона
представленный на рис. 7, относится только к первой стадии. Он получен по результатам математического моделирования изучаемого процесса в системе 0РОРМ-2Э*. Максимальное контактное давление на поверхности прижима возникает в конце первой стадии изучаемого процесса и составляет цп = 65,46 МПа. пр
Если площадь меньше, чем площадь Б0, качество изделия будет определяться пластичностью деформируемого материала. Если больше, чем Б0, то при выдавливании в кольцевую полость вероятность разрушения
боковой поверхности деформируемого металла снижается. Варьируя соотношение Sd/SD, становится возможным устранить нарушение целостности металла и достичь требуемый уровень механических свойств получаемого изделия.
Выводы
1. При соотношении Sd/SD=1 изделие типа «стакан» формируется с толщиной вертикальной стенки, превышающей толщину донной части; в этом случае течение материала как на первой стадии процесса, так и на второй, сопровождается отходом металла от формообразующих поверхностей инструментов.
2. Схема комбинированного выдавливания позволяет получать изделия типа «стакан» с контролируемым уровнем механических свойств и без дефектов при соблюдении соотношения Sd/SD>1 либо
3. Представляется актуальным дальнейшее исследование схемы штамповки, представленной на рис. 1, а, с использованием на прижиме регулируемой силы, обеспечивающей увеличение степени свободы перемещения этого инструмента.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
* Примечание научного редактора. Здесь следует иметь в виду, что численное конечно-элементное математическое моделирование с определением контактных давлений и скоростей, как правило, ведет к получению ошибки до 20 % и более (такова «родовая» особенность МКЭ).
1. Басюк С.Т., Левочкин С.Б., Гринберг И.В. Изготовление осесимметричных оболочек с интенсификацией деформаций сдвига//Технология легких сплавов. 2009. № 3. C. 110-115.
2. Гринберг И.В., Мягких Т.В. Одноходовой процесс штамповки колес//Технология легких сплавов. 2009. № 3. С. 116-117.
3. Billigmann J., Feldmann H.-D. Stauchen und Pressen. Handbuch f r das Kalt- und Warmmassivumformen von St hlen und Nichteisenmetallen. - Carl Hanser Verlag M nchen, 1973.
4. Алиев И.С., Лобанов А.И., Борисов Р.С., Сав-чинский И.Г. Исследование штампов с разъемными матрицами для процессов поперечного выдавливания//Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2004. № 8. C. 21-26.
5. Ганаго О.А., Момзиков Ю.Г., Ватулин И.К. и
др. Штамповка поковок шестерен в закрытом штампе с использованием активного действия сил трения//Кузнечно-штамповочное производство. 1981. № 6. С. 27-28.
6. Петров М.А., Петров П.А. Исследование кинематики процесса радиального выдавливания с
«бегущим» очагом деформации/Известия МГТУ «МАМИ». 2007. № 2 (4). С. 164-168. 7. Леванов А.Н., Колмогоров В.Л., Буркин С.П.
и др. Контактное трение в процессах обработки металлов давлением. - М.: Металлургия, 1976. - 416 с.
