CC BY
10
УДК 621.7.04; 621.7.011
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ОДИНОЧНЫХ ГОФРОВ С УВЕЛИЧЕННОЙ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЫСОТОЙ
ПРОФИЛЯ
A.B. Лазуткин, А.И. Алимов, С.А. Евсюков
Предложена и реализована технология формовки одиночных гофр с увеличенной относительной высотой профиля. Получены предельные коэффициенты формообразования для данной технологии. Построена верифицированная расчетная конечно-элементная модель процесса формовки.
Ключевые слова: формовка гофр, волноводы, силъфоны, полиуретан, формовка с подпором, формовка с осадкой.
Гофрированные осесимметричные оболочки представляют собой профилированные цилиндрические тонкостенные детали с профилем, состоящим из набора повторяющихся или одиночных выступов и впадин, которые могут быть образованы различными методами.
Частными случаями гофрированных оболочек являются детали типа "сильфон" и "волновод", которые широко используются в приборостроении, в авиа- и ракетостроении, а также других отраслях промышленности.
При этом важной задачей является изготовление гофрированных оболочек с увеличенной относительной высотой гофра, которую можно охарактеризовать коэффициентами формообразования, вычисляемыми по выражениям
Kh = k/d ' W
ы.заг
Kd = D/d , (2)
где Кн - относительная высота гофра; Kd - коэффициент формообразования; dmz - диаметр трубчатой заготовки; I) - внешний диаметр гофра; h - высота профиля (рис. 1).
Особую сложность представляет собой получение на трубчатых заготовках малого диаметра гофров со значительными значениями относительной высоты гофра: Кн = (0,4...0,5), Kd = (1,7...2,0).
Известны работы по увеличению относительной высоты гофров при выполнении операций формовки эластичными средами [1, 2] и жидкостью [1,3]. Перечисленные методики основаны на вовлечении в очаг деформации большего объема материала заготовки на этапе предварительной формовки с последующей осадкой.
Для получения требуемой геометрии профиля предлагается использовать схему формовки за три перехода (рис. 1):
1) предварительная формовка эластичным пуансоном с зазором
2) подформовка (2.1) и осадка гофров с эластичным подпором
(2.2)
3) окончательная осадка (3).
Актуальными задачами являются определение границ применимости данного метода формовки эластичной средой и построение верифицированной расчетной математической модели процесса деформирования, для чего были проведены натурные эксперименты.
Экспериментальное исследование формовки гофров с эластичным подпором проводилось на испытательной машине INSTRON в специальной оснастке, принципиальная схема которой представлена на рис. 1.
Рис. 1. Экспериментальная оснастка: 1, 2 - полуматрицы;
3, 4 - пуансоны стальные; 5 - пуансон полиуретановый;
6 - кольца подкладные; 7 - проставки; 8 - втулка мерная; 9 - обойма
Предварительная формовка является наборным переходом с вовлечением большего объема металла для получения необходимой геометрии без значительного утонения заготовки при выполнении последующих операций.
Трубная заготовка раздается упругим пуансоном 5 в пространстве между полуматрицами 1, 2, установленными с зазором z, высота которого определяется количеством колец 6. Деформирование происходит при перемещении подвижной плиты испытательной машины, воздействующей на стальной пуансон 4.
Затем проводится осадка образцов с подпором. Для этого извлекают кольца 6 и устанавливают мерную втулку 8 с проставками 7. Предварительное поджатие упругого пуансона 5 обеспечивается при движении пуансона 4 до касания плитой проставок 7. Затем производится совместная осадка с подпором.
На третьем переходе извлекаются пуансоны 3, 4, 5, проставки 7 и осаживают заготовки между полуматрицами 1, 2 окончательно.
В качестве заготовок использовались трубки из отожженной меди М1М внешним диаметром аг =11 мм с толщиной стенки 5=0,5 мм.
На этапе предварительной формовки с различными значениями зазора z в момент появления трещины коэффициент формоизменения достигает своего предельного значения Ксьр(г) (таблица). Контрольные образцы представлены на рис. 2.
Для расчета коэффициента КСпр(2) используется диаметр исходной заготовки Сзаг и максимальный диаметр профиля В без учета его геометрической формы в процессе деформирования (рис. 3).
211
а б в
Рис. 2. Контрольные образцы: а - z=4,3 мм; б - z=5,3 мм; в - z=6,45mm
з: i — d/2-5,5 X
У US' II N LO -i vi II N
D/2-7,5 \ z=6, ¡*5
Рис. 3. Образующие внешних поверхностей гофров
На рис. 2, 3 видно, что при меньших значениях зазора z гофры более выпуклые, и при одинаковом значении внешнего диаметра имеются отличия в форме. Следовательно, для таких образцов может быть достигнуто различное формоизменение.
Поэтому предлагается дополнительно использовать коэффициент предельного формоизменения К/пр, вычисляемый по соотношению
Kfnp = 4F , (3)
/ 1 заг
где Fnp - площадь внешней поверхности гофра в момент появления трещины при формовке; F3as - площадь поверхности участка заготовки, подвергаемого формовке. Высота//образующих этих поверхностей определяется геометрией оснастки и вычисляется по выражению
Н = t + z, (4)
где t - шаг гофра; z - зазор между полуматрицами (см. рис. 1 и 3).
Для симуляции процесса предварительной формовки в программе Deform была создана расчетная математическая модель с использованием реологических моделей материалов образцов и эластичного пуансона, построенных на основе испытаний по растяжению трубных заготовок и по осадке цилиндра из полиуретана. На рис. 4 и в таблице представлены результаты моделирования для выбранных значений зазора z.
При моделировании первого перехода формовки были получены заготовки, повторяющие форму и геометрические параметры натурных образцов: максимальное отклонение диаметра D составило 0,1%, площадь поверхности виртуальных образцов отличается от натурных не более, чем на 1,33 % (таблица).
Для моделируемых образцов при разных зазорах z в программном комплексе Deform были рассчитаны значения критерия разрушения Damage по соотношению Кокрофта - Латама. Значение критерия разрушения при
всех зазорах примерно постоянно, максимальная разница составляет dD=6,6 %. Следовательно, предельное формоизменение можно оценивать по этому критерию.
а б в
Рис. 4. Результаты моделирования: а -1=4,3 мм; б -1=5,3 мм;
в -1=6,45 мм
Предельные коэффициенты^ формоизменения
№ Зазор z, мм D, мм Натурный эксперимент Моделирование в Deform
Кёпр (z) Гзаг, ммЛ2 F^(z), ммЛ2 Кпр (z) Кпр (z), Damage (z) dKf, %
1 4,3 15,3 1,39 343,5 492,72 1,43 1,42 0,396 1,33
2 5,3 15 1,36 378,06 509,01 1,35 1,36 0,37 0,91
3 6,45 15 1,36 417,8 552,76 1,32 1,34 0,371 0,95
На графике (рис. 5) на участке 2=4,3.5,3 значение коэффициента К/пруменьшается на 5,6 % (с 1,43 до 1,35); на участке г=5,3...6,45 при равном значении коэффициента Какр(г) значение коэффициента К/пр уменьшается на 2,2 % (с 1,35 до 1,32). Следовательно, введенный коэффициент более корректно учитывает изменение формы в процессе деформирования.
При увеличении зазора г больший объем заготовки, вовлеченный в очаг пластической деформации, должен заполнить матрицу не того же размера, а с высотой, увеличенной на Б1=Н2-Н1 (см. рис. 3).
1,46 1,44 1,42 1,40 1,38 1,36 1,34 1,32 1,30
Коэффициенты формоизменения, I пер.
Kdnp(z) Kfnp(z)
4,5
5 5,5
z, мм
6,5
4
6
7
Рис. 5. Предельные коэффициенты формоизменения на первом переходе
213
При этом боковая стенка гофров становится более пологой, и увеличивается зона, прилегающая к вершине, в которой металл находится в состоянии, близком к критическому (см. рис.3). Поэтому с увеличением зазора 2 возможно незначительное уменьшение коэффициентов формоизменения: Капр на 2,2 %, К/пр на 2,2. 5,6 %.
На втором и третьем технологических переходах для зазоров г=4,3 мм и г=6,45 мм типовыми дефектами являются появление разрывов или потеря устойчивости (рис 6, а).
Наилучшие результаты по обеспечению необходимой геометрии профиля были получены с использованием зазора г=5,3 мм при следующей последовательности переходов: формовка с коэффициентом формоизменения К=(1,32.1,33), межоперационный отжиг, осадка с подпором при Ка2=(1,2.1,27) (рис 6, б), окончательная осадка с коэффициентом формоизменения Клз = (1,15.1,16) (рис. 6, в).
а б в
Рис. 6. Образцы: а, б - переход II; в - переход III
Выводы. 1. Предложенная технология позволяет получать на трубных заготовках гофры с увеличенной относительной высотой Kh = (0,4... 0,5), К=(1,8.2). 2. Разработанная верифицированная расчетная модель процесса формовки гофр позволяет прогнозировать предельное формоизменение заготовок по введенному коэффициенту К/пр с точностью до 1,33 %.
Список литературы
1. Исаченков Е.И. Штамповка резиной и жидкостью. Машиностроение, 1967, 367 с.
2. Alves L.M., Martins P.A.F., Rubber Assisted Compression Beading of Tubes, International Conference on Manufacture of Lightweight Components -ManuLight2014, Procedia CIRP 18, 2014.
3. Method of, and apparatus for, manufacturing metallic bellows: пат. 20080155806 USA. №US20080155806 А1. Заявл. 20.12.2007. Опубл. 03.06.2008. 11 с.
Лазуткин Александр Владимирович, аспирант, aleksander. lazutkinagmail. com, Россия, Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана,
Алимов Артём Игоревич, канд. техн. наук, зав. лабораторией, ali-mov aiabmstu. ru, Россия, Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана,
214
Евсюков Сергей Александрович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, mt6evs@yandex.ru, МГТУ им. Н.Э. Баумана
INVESTIGATION OF HIGH CROWN TO INITIAL DIAMETER RATIO SINGLE
CORRUGATION FORMING
A.V. Lazutkin, A.I. Alimov, S.A. Evsukov
Technology of high crown to initial diameter ratio single corrugation forming was suggested. Critical forming coefficients were estimated. Verified forming process FEM model was developed.
Key words: corrugation, bellows, rubber assisted forming, axial compression
forming.
Lazutkin Aleksandr Vladimirovich, postgraduate, aleksander. lazutkin@,gmail. com, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University,
Alimov Artem Igorevich, candidate of technical sciences, laboratory chief, alimov_ai@,bmstu. ru, Russia, Moscow, Moscow Bauman State Technical University,
Evsyukov Sergey Aleksandrovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, mt6evs@yandex. ru, Russia, Moscow, Moscow Bauman State Technical University
УДК 621.7.04(7-5); 669.018
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ГОРЯЧЕГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ СОСУДОВ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА
В. А. Медведев, Р.М. Шаталов, А. Л. Генкин
В процессе горячего изготовления из прутков стали 50 тонкостенных стальных сосудов на прокатно-прессовой линии завода БФ АО ««НПО ««Прибор» установлено неравномерное распределение температуры деформируемой заготовки и механических свойств по высоте изделия. Изучали микроструктуру по высоте и объему, в результате чего обнаружена разница фазового состава в верхней и донной части сосудов.
Ключевые слова: температура, сосуд, сталь50, прокатно-прессовая линия, охлаждение в масле, механические свойства.
В современной промышленности в последнее время нашли широкое применение тонкостенные стальные сосуды, изготовленных без сварных соединений, обеспечивающие высокие конструкционные характеристики (газовые баллончики малого объёма, цилиндрические контейнеры, колпачки и т.д.) [1-3].
Наиболее производительным оборудованием, позволяющим сокращать расходы на изготовление тонкостенных стальные сосудов различной номенклатуры, принято считать прокатно-прессовые линии (ППЛ). В качестве исходных материалов для изготовления тонкостенных сосудов на ППЛ применяются заготовки прутков из различных материалов, но чаще всего в целях экономии, используют доэвтектоидные углеродистые стали [4, 5].
215
