CC BY
23
6. Завражнова А.Н., Леняшин В.Б. Моделирование по стадиям процесса горячей открытой штамповки осесимметричной поковки в программе QFORM // Вестник Московского государственного университета приборостроения и информатики. Серия: Машиностроение. 2009. № 27. С. 65-73.
7. Матыкова Е.А. Моделирование технологического процесса штамповки поковки "коленчатый вал" в программном комплексе QForm 3D // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2008. № 7. С. 5.
8. Самсонов Н.А., Хрычев И.С. Влияние профиля заходной части матрицы на геометрию изделий при вытяжке круглых заготовок // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 3. С. 122-126.
9. Прогноз структурного состояния и свойств прессованных алюминиевых полуфабрикатов с использованием САПР-системы QForm / А. Э. Габидуллин, А. В. Овчинников, В. П. Алпатов, Т. А. Чер-ноглазова // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. 2009. № 3. С. 52-55.
10. Кухарь В.Д., Коротков В.А., Яковлев С.С. Получение рифлей по способу их изготовления на внутренней поверхности цилиндрической оболочки // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2022. № 11(137). С. 3-7.
Кухарь Владимир Денисович, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Яковлев Сергей Сергеевич, аспирант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
EVAL UATION OF THE STRESS-STRAIN STATE IN PRODUCING SHELLS WITH EXTERNAL RIBS
V.D. Kukhar, S.S. Yakovlev
Metal forming methods make it possible to manufacture shells with a complex cross-sectional profile, for example, parts with external ribs. Such ribs can be used to increase the rigidity of parts, increase heat transfer. There are several methods for obtaining shells with ribs, which are mainly based on metal cutting and casting. In this paper, we consider a new method for obtaining products with external ribs through the use of drawing with a variable degree of thinning. Computer simulation of the process of obtaining ribbed parts in a specialized software package is being carried out. An assessment of the stressed and deformed state is carried out. Schemes of distributions of stress intensity, strain intensity and average stresses in the body of the product are given, and the article also presents images of the part obtained using the operation under study. Conclusions are drawn about how average stresses, stress intensity, and strain intensity in the metal are distributed in the process of obtaining the required product shape.
Key words: ribs, stresses, deformations, modeling, method, deformation, stiffeners.
Kukhar Vladimir Denisovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Yakovlev Sergey Sergeevich, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State
University
УДК 621.7.07
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-604-609
ГИБКА ЛИСТОВОГО МЕТАЛЛА В ПОЛИМЕРНОЙ МАТРИЦЕ
С.А. Типалин, Б.Ю. Сапрыкин, Ю.Г. Калпин, С.А. Копылов
Проведено исследование возможности формоизменения листового материала различной толщины с помощью металлического пуансона и полимерной матрицы, напечатанной на 3Б- принтере. Получены результаты, показывающие возможность получения изделия готового изделия из углеродистой стали толщиной до 3 мм. Изгиб можно осуществлять с использованием операции правки, что бы исключить пружинение материала после снятия нагрузки.
Ключевые слова: гибка листа, пластмассовый штамп, печать инструмента, АБС-пластик, ЕБЫ-технология, пружинение.
Листовая штамповка в современном производстве является одним из самых распространенных и высокоскоростных операций в машиностроительном производстве. Точность получения тонколистовых деталей стабильных размеров делает данный вид обработки очень востребованным. Одним из существенных недостатков изготовления деталей подобным способом является высокая себестоимость
604
штамповой оснастки, в связи с чем эту технологию целесообразно применять только в серийном и массовом производстве.Что бы избежать указанного недостатка, в мелкосерийном и единичном производстве рекомендуется применять вместо вырубки и пробивки лазерную резку, а вместо гибки в штампах часто используют листогибочный пресс с универсальной матрицей и сменными пуансонами. При подобной технологии изгиб листа осуществляется только локально в месте изгиба, а изгиб по большому радиусу с правкой подгибаемой полки и изгибаемого участка не осуществляется. Кроме этого затруднительно осуществить гибочную операцию по переменному радиусу.
Одним из способов снижения себестоимости изготовления штамповой оснастки является замена стали на более дешёвый материал.
Идея использования не металлической штамповой оснастки не нова. С момента начала использования давления для обработки материалов можно встретить примеры такого типа оснастки. Встречаются схемы штампов с рабочими частями из пластмасс или во все деревянные штампы [1-2].
Применять не металлические элементы оснастки, а конкретно изготовленные из пластмасс, можно для различных формоизменяющих операций листовой штамповки.Существуют примеры использования в штампах для операций вытяжки, гибки, вырубки[1-3].Имеются отдельные примеры использования штампов из неметаллических материалов и в операциях обрезки [3].
В конструкции штампов из полимеров могут быть выполненыне только направляющие, фиксирующие , подкладные элементы, но и как сам формообразующий инструмент. Подробное описание использования в качестве формообразующий инструмент пластмасс было сделано еще в 60-70-х годах прошлого века в связи с бурным развитием химической промышленности и применения новых не органических материалов. [4-5].
Из преимуществ использования инструмента из полимерного материала можно выделить следующие пункты:
материал инструмента не повреждает поверхность формоизменяемых деталей, что может быть актуально прииспользование штамповки на лицевых деталях из мягкого материала, материалов с покрытием имногослойных листовых панелях;
низкая себестоимость изготовленияв связи с более простотой обработкой пластмасс по сравнению с металлом;
возможность изготовление сложных форм (особенно методом 3Д печати).
Как основной недостаток можно отметить, что стойкость пластмассового инструмента горазда ниже чем у металлического. Но с учетом современной потребительской тенденции к индивидуализации и постоянному обновлению линеек товара - этот недостаток не сильно влияет на перспективы использование данного типа инструмента.
Формоизменяющий инструмент может быть изготовлен для крупных штампов либо путем облицовки пластмассой корпусов изготовленных из металла, древесины или других материалов, либо целиком из пластмасс[1, 2, 6].
В качестве материалов для изготовление формообразующего инструмента для вытяжных, гибочных и вырубных штампов могут применяться полимерные компаунды на основе эпоксидных и акриловых смол (напримерэпоксидной смолы ЭД-20 (ЭД-6*) или ЭД-16 (ЭД-5) с добавлением наполнителей металлического порошка, волокнистого материала, графита. [1-2].
До недавнего времени в промышленности существовали следующие способы изготовления пластмассовых элементов оснастки, такие как:
1. Способ литья;
2. Способ прессования;
3. Способ трамбовки;
4. Способ вклейки стеклоткани;
5. Способ напыления пластмасс;
6. Способ литья по эластичному листу или по деревянной оболочке;
7. Способ наложения массы.
С современными тенденциями по введению цифровых технологий есть возможность использования технологии аддитивного производства(АП).Основным преимуществом данного типа технологий по сравнению с другими можно считать:
1. Практически отсутствуют ограничения по форме получаемого объекта без дополнительной обработки;
2. Материал изготовления может быть практически любым от пластиков до металлов и композитов в любом сочетании;
3. Менее затратный способ изготовление, экономия расходуемого материала;
4. Снижение затрат по времени на изготовления штамповой оснастки.
Эти преимущества могут благоприятно сказаться на применении данного типа технологий для задач изготовления формоизменяющего инструмента из полимерных материалов[7-8].
Из существующих технологий аддитивное производство является наиболее подходящими для изготовления полимерного инструмента, особенное если он имеет сложную форму.В основе аддитивной технологиилежит процесс полимеризации жидких фотополимерных материалов, т. к. используемые материалы в основе имеют аналогичные по своему составу эпоксидные и акриловые смол наиболее часто
применяемые для изготовления инструмента. Технологии Полимеризации в ванне (SLA,DLP) и технологии впрыска материала (МЛР,Ро1у|е^. Но стоимость материала, а соответственно и изделий имеют достаточно высокую стоимостьхотя и имеют высокую точность передачи формы объекта в допуске 0.05-0.15 мм, что делает эти технологии не всегда доступными. В качестве альтернативы и развития использование новых материаловда штамповочной оснастки, можно использовать более доступныеэкструзивные технологии АП, которые могут использовать не только однокомпонентные материалы, но и композитные с разным сочетанием компонентов.
Порошковые Технологии, имеют среднюю точность, но большую анизотропию (одинаковые свойства по направлениям) возможность применение широкого выбора материала, но оборудование требует должного обслуживание и системы вентиляции, что понижает их доступностей.
При помощи изготовленнойс применением технологий АП инструмента провели экспериментальное исследование V-образной гибки и пружиненные листового материала.
Инструментальна оснастка, дляпроведениеV-образной гибки была изготовлена по одной из технологии АП, а именно по экструзионной технологии была изготовлена матрица с V-образным пазом под углом 90° (Рис. 1) для изгиба заготовки из листового материала размеров 100х40мм.
Рис. 1. Матрица для гибки из АБС пластика
Параметры печати матрицы:
1. Технология -FDM (Fused deposition modeling);
2. Оборудование - SratasysFortus 900 ms (Предоставленное компанией ООО «Современное оборудование» (Солвер));
3. Материал - ABS-M30;
4. Материал поддерживающих структур -SR-30;
5. Толщина/высота выкладываемого слоя - 0,250 мм;
6. Заполнение внутреннего контура стенок геометрии.- 100% (Solid);
7. Выбор наличия или отсутствия поддерживающих структур - Только подложка;
8.Температура нагрева печатающей головки - По умолчанию для материала ABS-M30;
9. Предельное отклонение линейных размеров заявленное производителем- +- 0,089 мм
Данная матрица была изготовлена по экструзионнойтехнологии FDM на оборудовании промышленного класса из материала ABS- М30 черного цвета. Деталь была расположена на рабочей платформе горизонтально, таким образом что бы V-образный паз матрицы был сформирован в каждом слое при ее послойном построении, что позволит избежать расслоения, которое может произойти при силовом воздействии в перпендикулярном направлении на V-образный паз, сформированный различными слоями.
Изгибу подвергались образцы толщиной от 0,5 до 3 мм из стали 20. На данной матрицы были отштампованы несколько партий деталей: первая партия не нуждалась в четкой геометрии и в ней присутствовало пружинение, которое составляло в зависимости от толщины листа от 2 до 5 градусов. Вторая партия изготавливалась с правкой детали с силой 100 кН. При этом пружинение практически отсутствовало. В качестве экспериментов были сравнены параметры правки материала в стальнойматрице и в полимерной матрице. В результате экспериментов получено, что для относительно большого внутреннего радиуса, для правки целесообразно использовать полимерную матрицу, так как силу давления можно снизить на 20-30% при получении изделий того же качества. Данное снижение возникает из за разнице в жесткости полимерного и стального инструмента. Из-за возможной упругой деформации на большую величину, чем стальной аналог, металл более плотно зажимается по всей поверхности и в данном случае разнотолщинность листа практически не влияет на правку материала.
После проведение серии экспериментов по изгибу листовых образцов толщиной 3 мм с правкой внутреннего радиуса и подгибаемых полок, можно увидеть на инструменте следы продавливания, которые явно выражены на боковых полках V-образного паза матицы. Также можно заметить начинающий износ всей области где происходит контакт образца с матрицей, что постепенно может приводить к изменению размеров матрицы и в последствии влиять на угол пружинения изделия получаемого после изгиба. В связи с этим данную технологию рекомендуется использовать только в мелкосерийном производстве. В качестве альтернативы можно рассматривать использование материалов которые имеют меньшую склонность к износу использования многокомпонентных материалов с основой АБС, PLA, PET пластиков с добавление конструктивных наполнителей металл, углеродное волокно.
В случае деформации листа по относительно небольшому радиусу изгиба, правку внутреннего радиуса и подгибаемых полок можно не производить. В этом случае возможна упрощенная модель матрицы, в которой снижена материалоемкость и следовательно уменьшается время на изготовления инструмента (Рис. 2). Данная модель получена в программном комплексе Altairlnspire.
а
,J
б
Рис. 2. Модернизированная матрица для гибки из АБС пластика: а - фронтальный вид;
б - вид с боку
Заключение и рекомендации. После анализа результатов проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Возможность изгиба материала толщиной до 3 мм в полимерной матрице с правкой контура получаемой детали.
2. За счет менее жесткого материала матрицы правку можно осуществлять с меньшей силой чем в металлическом инструменте.
3. Для изгиба без необходимости правки детали, форму инструмента можно существенно упростить и снизить материалоемкость, а следовательно и цену получаемой оснастки.
4. Из-за постепенного износа инструмента его применение целесообразно только в мелкосерийном производстве.
Список литературы
1. Кухтаров В.И. Холодная штамповка. М.: Машгиз, 1962. 402 с.
2. Мещерин В.Т.Листовая штамповка. Атлас схем. Москва, Машиностроение.1975.
3. Справочник по холодной штамповке. Романовский В.П. Л., «Машиностроение». 1971. 782 с.
4. Красичнекова Б.Г., Ленькова С.С. Изготовление штамповочной оснастки из пластмасс. Москва.МАШГИЗ.1961.
5. Ходырева В.А. Применение полиуретана в листоштамповочном производстве. Пермь. Пермское книжное издательство. 1973.
6. Зубцов М.Е. Листовая штамповка/ Учебник для студентов вузов.- 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение. Ленингр. Отделение. 1980. 432с.
7. Кононов И.Ю., Аксенов Л.Б. Моделирование процессов горячей объемной штамповки на основе применения 3D-принтера // Научный форум с международным участием «Неделя науки СПбПУ» материалы науч.-прак. конф. Ч.2. СПб.: Изд-во Потитехн. Ун-та, 2015 С.133-135.
8. Кононов И.Ю., Аксенов Л.Б. Использование пластиковых штампов, изготовленных 3D-печатью, в обработке металлов давлением // Заготовительные производства в машиностроении №6, 2016. С. 22-26
9. Шпунькин Н.Ф. Технология кузовостроения: Учебное пособие для вузов. М.: МГТУ «МАМИ», 2017. 184 с.
Типалин Сергей Александрович, канд. тех. наук, профессор, [email protected], Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Сапрыкин Борис Юрьевич, старший преподаватель, [email protected], Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Калпин Юлий Григорьевич, д-р тех. наук, профессор, [email protected], Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Копылов Сергей Александрович, магистрант, [email protected], Россия, Москва, Московский политехнический университет
BEMDING SHEET METAL IN A POLYMER MATRYX
S.A. Tipalin, B.Yu. Saprykin, Yu.G. Kalpin, S.A. Kopylov
The study of the possibility offorming sheet material of various thicknesses using a metal punch and a polymer matrix printed on a 3D printer is carried out. Results are obtained showing the possibility of obtaining a finished product made of carbon steel up to 3 mm thick. Bending can be done using the dressing operation to eliminate material springing after unloading.
Key words: sheet bending, plastic stamp, tool printing, ABSplastic, FDM technology, springing.
Tipalin Sergey Alexandrovich, candidate of technical sciences, professor, tsa_mami@mail. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Saprykin Boris Yuryevich, senior lecturer, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Kalpin Yuli Grigorievich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Kopylov Sergey Alexandrovich, master, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Polytechnic
University
