CC BY
27
УДК 539.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ШТАМПОВКИ ДЕТАЛИ ИЗ СТАЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВАРИАЦИОННОГО АНАЛИЗА
А.А. Шмидт, И.М. Володин
Задача управления технологическими факторами играет решающую роль в современном производстве и объемном листовом деформировании. Ставится проблема решения задач управления технологическими факторами, учёта характеристических параметров, оказывающих основное влияние на возможность получения заданных деталей штамповкой, удовлетворяющих требуемым параметрам устойчивости к нагрузкам предъявляемых в автомобильном производстве. Решена задача разработки методики управления на примере проверочной детали. На практических примерах показана хорошая согласованность теоретических исследований с практическими результатами, что подтверждает значимость предлагаемых разработок.
Ключевые слова: технологические факторы; математическая система; листовая штамповка, вариационный анализ.
Задача управления и поиска оптимальной технологии заключается в поиске оптимального соотношения изменяемых характеристических параметров процесса, минимизации потенциальной энергии формоизмене-ния,учете деформации донной части заготовки, оптимизации вытяжки фланцевой части детали, оптимизации утонения заготовки, расчете минимального требуемого усилия вытяжки и других параметров.
Общие сведения
Выполнено исследование параметров штамповки детали с использованием вариационного анализа (рис. 1). Разработан способ и устройство для анализа процесса вытяжки деталей и получения детали с типовым элементом для деталей автомобильного кузова.
Рис. 1. Готовая деталь получаемая с помощью вытяжки
Определим базовые принципы исследования с использованием вариационного анализа для заданной математической модели. Стандартным подходом является исследование с помощью инструмента, состоящего из матрицы, пуансонаиприжима (рис. 2).
пуансон
матрица
заготовка
Рис. 2. Математическая модель для анализа процесса вытяжки
Этим инструментом осуществляется испытание с помощью известных из литературы тестов принятых в автомобильной индустрии. Исходная заготовка располагается в проеме между матрицей и пуансоном под прижимом, что позволяет исключить возможность её смещения в процессе формоизменения для предотвращения дополнительных неточностей.
Проверка возможности критической вытяжкии проверочные исследования. Проверка наличия дефектов и их величины осуществляется с помощью визуального контроля детали и профилометром. Радиусы деформированной детали измерялись в двух направлениях деформации. Измерение производилось с помощью профилометра. Вставка располагалась под углом 45 градусов, и измерялось положение в трех местах от угла детали. Для подлинности результатов необходимо было получить максимально четкие радиусы и цилиндричности так, что преобразование заготовки осуществляется с отклонением ±0.1 мм.
Таблица 1
Параметры испытаний вытяжки детали с элементом
Параметр/тест 1 2 3 4 5
Радиусматрицы 3-7 3-7 3-7 3-7 3-7
Радиуспуансона 3-7 3-7 3-7 3-7 3-7
Толщина 1 1 1 1 1
Глубинавытяжки 50 50 50 50 50
Числотестов 5 5 5 5 5
Для оценки деформаций и напряжений деформации были измерены и найдены зависимости между напряжениями и пластической деформацией. Результаты указывают на возникновение потока деформаций, который
146
приводит к значительному ослаблению металла в доминирующих зонах образцов.
Визуальная проверка осуществлена под различными углами после окончания процесса пластического деформирования и измерялась каждые 10 градусов. С каждым поворотом осуществлялась съемка цифровых изображений в продольном направлении. Таким образом, были исследованы поверхности под углом от 0 до 90 градусов радиуса.
Исследование температурной зависимости поведения детали. Была проведена проверка предлагаемого метода с помощью наиболее доступных методов практической проверки и тестирования. Изменение параметров с учётом температуры было проведено при экспериментальной вытяжке после нагрева в печи. Для этого исходная заготовка помещалась в печь на несколько минут до достижения заданной температуры, измеряемой лазерным температурным сенсором. После подогретая заготовка извлекалась плоскогубцами из печи и перемещалась в проём инструмента для осуществления вытяжки. Каждое измерение повторялось с интервалом в пять деталей для каждой температуры и после выполнялось охлаждение до комнатной температуры. Далее осуществлялся визуальный контроль на наличие дефектов и нарушения сплошности. Собранные сведения по геометрии и параметрам процесса сведены и представлены в табл. 2.
Таблица 2
Параметры геометрии и процесса для подогретой вытяжки
Параметр Значение
Ходползуна 55 мм
Высотавытяжки 50 мм
Силаприжима 15 кН
Размерызаготовки 150x150 мм
Радиусы скругления матрицы 3, 5, 7 мм
Радиусы скругления пуансона 5 мм
Толщиназаготовки 1 мм
Скоростьползуна 1.5 мм/с
Геометрическая модель детали изображена на рис. 3.
Рис. 3. Геометрическая модель для изучения зависимости между напряжением и температурой вытягиваемой заготовки
Рис. 4. Математическое моделирование вытяжки с элементом
Далее, измерялась шероховатость поверхностии нструмента. Для-этого, вставки матрицы располагались по дуглом а по отношению к горизонтальной плоскости, наконечник был сориентирован под тем же углом к радиусу скругления пуансона (рис. 5).
Радиуспу-ансона
Областькон-такта
Рис 5. Измеряемая поверхность инструмента
Параметры материала для эксперимента приведены в табл. 3.
Таблица 3
Параметры материала и процесса
Параметр Значение
Типстали Высококачественная горячекатанная двух фазная
590 МПа
Усилиевытяжки 7 275 МПа
Температура подогретой заготовки 200-300 0С
Качество поверхности на наличие поверхностных дефектов было проанализировано с помощью оптических измерений. На основе получен-
148
ных результатовможет быть построена диаграмма пластичности для дальнейшего математического анализа.
Рис. 6. Глубина вытяжки элемента в зависимости от температуры детали
Анализполученныхрезультатов. Вариационный анализ полученных результатов тестов из табл. 1 на глубину вытяжки элемента детали, см. рис. 1, проводился с помощью однофакторного дисперсионного анализа.
Рис. 7. Результаты вытяжки с различными параметрами
149
Изучали зависимость технологических параметров от температуры нагрева перед вытяжкой. На основе выполненнойсерии экспериментов вытяжки детали исследовано её поведение в зависимости от глубины элемента (рис. 7). Показано, что с ростом температуры растёт деформационная возможность металла и возможно осуществления вытяжки без возникновения дефектов.
Зависимости напряжений, температуры и радиусами инструмента-приведены на рис. 8 и рис. 9.
400
го
| 380
| 360
Л 340
ее
320
го
х 300
Рис. 8. Зависимость между максимальным напряжением и температурой детали и различной температуре и радиусом матрицы и пуансона для стали (200 МПа, \-=0.3)
Рис. 9. Различные зоны и аномалии для стали (200 МПа, у=0.3)
Был описан принцип управления технологическими факторами и методы моделирования характеристических параметров, оказывающих влияния на технологию в объемной листовой штамповке. Указанные методы могут быть практически реализованы в системах компьютерного моделирования и проектирования процессов в области листовой объемной штамповки для достижения высокого качества изделий и повышения коэффициент использования металла.
Радиус матрицьтУ пуансона, плм
Список литературы
1. Schmidt A.A. Numerical Prediction And Sequential Process Optimization In Sheet Forming Based On Genetic Algorithm. // Materials and Manufacturing Processes. 2011. Vol. 26. P. 521-526.
2. Deb K., Pratap A., Agarwal S., Meyarivan T. A fast and elitist multi-objective genetic algorithm: NSGA-II // IEEE Transactions on Evolutionary Computation. 2002. 2 : Vol. 6. P. 182-197.
3. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М. : Мир, 1975. 542 с.
4. Шмидт А.А. Принцип условной оптимизации технологии в объемной листовой штамповки. Наука и технологии. Избранные труды Российской школы. Технологии и машины обработки давлением. М.: РАН, 2005. 204 с.
Шмидт Александр Александрович, асп., me@alexschmidt.net, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,
Володин И.М., д-р техн. наук, проф., me@alexschmidt.net, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет
INVESTIGATION OF THE PARAMETERS STAMPING PARTS STEEL USING ANALYSIS OF VARIANCE
A.A. Shmidt, I.M. Volodin
The problem of technological factors control plays a major role in the modern production and sheet metal stamping. The problem of finding the solution for the technological factors control, control of the characteristic parameters, which are playing a key role in the ability of producing of the high quality parts, which satisfy the requirements and ability to withstand the stress in conditions emerging in auto industry is considered. The problem of development of the system of control of technological factors is described using the examples. The methodology of modeling of the sheet metal stamping is reviewed. Based on the examples it is shownthat the theoretical research and practical results are coherent, which suggests that developed methodologies are an effective tool for solving sheet forming problems.
Key words: technological factors; mathematical system; sheet metal stamping, variance analysis.
Shmidt Aleksandr Aleksandrovich, postgraduate, me@alexschmidt.net, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Volodin I.M., doctor of technical sciences, professor, me@alexschmidt.net, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University
