CC BY
63
УДК 621.4
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫТЯЖКИ В КОНИЧЕСКУЮ МАТРИЦУ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ DEFORM-2D.
© 2013 А.Г. Шляпугин, Д.А. Цыцорин
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)
Поступила в редакцию 02.12.2013
В данной статье рассмотрен процесс вытяжки в коническую матрицу, приведены графики зависимостей от различных факторов.
Ключевые слова: вытяжка с утонением, коэффициент вытяжки, моделирование.
Для изготовления деталей конической формы применяется большое количество методов обработки металлов давлением. Существенный недостаток наиболее распространенной операции - вытяжки в том, что давление пуансона передаётся лишь небольшой поверхности в центре заготовки, вызывая значительное местное утонение, а иногда и обрывы материала. Для уменьшения местного утонения вытяжку осуществляют в несколько переходов. С целью снижения числа переходов возможно использование вытяжки в коническую матрицу [1].
В последнее время, для оценки технологии изготовления деталей, широкое применение получили системы инженерных расчетов (CAE), в частности система DEFORM. Программа DEFORM компании SFTC позволяет решать задачи, учитывающие объемное напряженное состояние заготовки (прокатка, волочение, прессование, ковка и др.). Задачи листовой штамповки не являются характерными для решения с помощью данной программы, поскольку в листовой штамповке пренебрегают напряжениями, действующими по толщине листа, хотя их решение в DEFORM возможно [2-5].
Целью работы является оценка возможности применения программы DEFORM для моделирования вытяжки в коническую матрицу в два перехода.
На первом переходе происходит давление конического прижима на заготовку; прижим движется с постоянной скорость 1 мм/с (рис 1а), до момента пока плоская заготовка полностью не свернется в коническую чашку (рис 1б).
На втором переходе конический прижим остается неподвижным, а пуансон, за счет движения в отрицательно направлении по оси Y с по-
Шляпугин Алексей Геннадьевич, кандидат технических анук, доцент кафедры ОМД. E-mail: alex_shag@mail.ru Цыцорин Дмитрий Алексеевич, инженер кафедры ОМД. E-mail: dimabandit@mail.ru
стоянной скорость 1 мм/с придает заготовке окончательную форму (рис 1в).
При проведении вычислительного эксперимента в качестве заготовки использовался круг, толщиной 2 мм из сплавов Д16 и ОТ4. Данные о механических свойствах материала, в соответствии с ГОСТ 4784-97 и ГОСТ 26492-85, в табличном виде были введены в DEFORM. В ходе выполнения эксперимента не учитывались: упругие свойства материала и влияние температуры. Трение подчинялось закону Кулона, коэффициент трения принимался равным: 0.2; 0.12; 0.05. Радиусы заготовок задавались из ряда 41,25 мм, 46,75 мм, 52,25 мм, что соответствует коэффициентам вытяжки равным: 1.5; 1.7; 1.9, при постоянном радиусе пуансона равном 27.5 мм.
Размеры инструментов показаны на рисунке 2. Все инструменты в программе DEFORM являлись жесткими элементами. Радиус скругления пуансона задавался равным: 6 мм и 22 мм.
В ходе моделирования было установлено, что в конце первого этапа из-за локального воздействия прижима на внутреннюю поверхность заготовки высока вероятность образования дефекта - «вмятина» (рис 3).
Толщина на участке «вмятины» по окончании первого этапа, остается наименьшей.
По результатам моделирования 1-го этапа деформирования (рис. 2а) построены графики: распределения толщин заготовки вдоль образующей и изменение длины образующей в зависимости от коэффициента вытяжки с учетом коэффициента трения, марок материала (рис. 4,5). Замеры производился по 3-м точкам: в центральной части (на оси симметрии), наименьшей толщины заготовки, во фланцевой части (вблизи торцевой части заготовки). На графиках принято, что точка, соответствующая оси симметрии, расположена в начале отсчета длины образующей.
Как видно из графиков (рис. 4,5) при заданных значениях коэффициента трения на измене-
а б
Рис. 1. Геометрия элементов друг относительно друга: а, б, в - положение заготовки перед штамповкой, после первого перехода и в заключительный момент деформирования
а б в
Рис. 2. Схема с размерами инструмента: а - коническая матрица, б - конический прижим, в - пуансон
А(5:1)
Рис. 3. Иллюстрация к образованию дефекта
ния толщины вдоль образующей не наблюдается (менее 1%).
С увеличением значения коэффициента вытяжки заметно, что толщина в центральной части полуфабриката уменьшается, а ближе к фланцевой части увеличивается. В целом, влияние коэффици-
ента вытяжки на изменение толщины вдоль образующей полуфабриката составляет не более 6-9%.
Как видно из графика, показанного на рис. 5, изменение длины образующей не зависит от материала заготовки, коэффициента трения и значения коэффициента вытяжки, таким образом,
в
1.05 1.04 1.03 1.02 1.01 1
0.99 0.98 0.97 0.96 0.85
о • Тр ю ение= ),2 — 1 Кв=1 5
<л -- ¡-Тр Тп ение= ),'\2 1 ПР> К Д1 6
Тр ение= ),2 — J
—Тр ение= 1.12 ОТ 4
-•-Тр ение= >.0Ь \
—4
и Ьисх
1.05 1.04 1.03 1.02 1.01 1
0.99 0.98 0.97 0.96 0.95
о —*—Тр (0 яние0 2 I к в=1, Т
СО -»-Тр Зние0 12 Д16
'Н г—Тп А
—Тр >НИ9 0 12 ОТ \ //
-•-Тр эние 0 0В_ \
1 Ьисх
0 1 0.2 0.3 0.4 0 5 06 07 0.8 0.9 1.05
1 1.1 а 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 О.Е 0.9 1
1.04 1.03 1.02 1.01 1
0.89
0.98
0.97
0.6
0.95
о -» ч-Тр ениеО 2 КВ =1,9 {
»-1р Тр ениеи \1 ОБ Д16 /
Тр ениеО 2 /
»-Тр ениеС 12 — ОТ 4
«-|р ениеО
|}|.исх
О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 О.а 0.9 1 1.'В
а - Кв=1,5; б - Кв=1,7; в - Кв=1,9;
Рис. 4. Распределение толщин вдоль образующей заготовки: толщина полуфабриката в точке, после моделирования первого этапа; 8о - толщина заготовки
б
8
X V -1 Первый переход
о _1
Трение 0.2
Г Трение 0.12 "рение0.05 ^ \ Д16
"рениеО.12 рениеО.ОБ \ ОТ4 Кв
1.5 1.6 1.7 1.8 1.9
Рис. 5. Изменение длины образующей полуфабриката после первого перехода в зависимости от коэффициента вытяжки : Ьобщ - длина образующей полуфабриката, после первого этапа моделирования;
Ьисх - радиус заготовки Кв - коэффициент вытяжки
деформациями заготовки после первого перехода можно пренебречь.
По результатам моделирования 2-го этапа (рис. 1в) построены графики: распределения толщин вдоль образующей в зависимости от коэффициента трения, марок материала, радиуса скругления пуансона. Замер производился по 4-м точкам: в центральной части (на оси симметрии), наименьшей толщины (место касания ра-
диуса скругления пуансона на полуфабрикат), толщина после первого этапа моделирования (дефект - «вмятина»), во фланцевой части (вблизи торцевой части) (рис. 7,8). Схема снятия размеров на втором этапе представлена на рис. 6.
Из графиков, показанных на рис. 7, 8, видны следующие закономерности:
1. Влияние значения коэффициента трения на распределении толщин у получаемой детали невелико.
2. Увеличение радиуса скругления пуансона с 6 до 22 оказывает на распределение толщин вдоль образующей следующее влияние:
1.2 1.15 1.1 1.05 1
0.95 0.9 0.85 0.8 1.2 1.15 1.1 1.05 1
0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 1.2 -1.1
^ —Трение=0, г 4 Д16 Кв=1,5;1?п=6
Трение=0. 35 Д1С
—Трение=0. 2 э— ОТ 4
• Трение=0,
/
/ У
— у
1_Ж6
О ТрениеО 2 Кв=1,7 ;Р!п=6 ¿Г
и -»-ТрениеО ,2 ^ Д1( 6 //
н /У
■'' Трение 0 121 1— ОТ4
—•— ТрениеО 05 У //
— V
иже
б
0.8 0.8
о —•— Тре И ние=0,2 ние=0.12 Кв=1 ,9;Рп=6 а
Тре ние=0,05 Д 16
~Тре ние=0,12 О Г4
~~1Р9 ние=0,0Ь
«Vх- 1-/1*6
1.2 1.15 1.1 1.05 1
0.95 0.9 0.85 0.8 1.2 1.15 1.1 1.05 1
0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 1.2
о —♦— Трение=0. п Кв=1,5:Яп=2 Л Ьг-
Трение=0. 35 Д1 Д1 /
— Трение=0. ОТ 4
• Тренив=0. 05 ^ /
.............
\-IR6
Г 2
о »—Трет е=0.2 Кв=1 7;Кп=22 Д
й —Трет 6=0.12 Д16
ж Тренъ е=0.12 ОТ4
—♦—Трет е=0.05
и!»
1.1
о — Тре ние=0.2 --- тт Кв=1 £ ,9;Рп=22у
Тре ние=0.05 Д 6
— Тре ние=0.12 О 4
— |ра ние=0.05
иже
0.7 0.6 0.5
2.5 I 1.5 2 2 5 в 2 0 2.5 I 1.5 2
Рис. 7. Распределение толщин вдоль образующей детали: а, б, в - Кп=6; г, д, е - Кп=22; 8 - толщина детали в точке, после моделирования второго этапа; 8о - толщина заготовки; Кб - радиус пуансона (равен 27.5 мм); Ь - длина образующей детали, после второго этапа моделирования
1.43
о —*—Трение 0.2 (?п=22 Л
'о Трение 0.05 Д Д 16
Трение —ч— Трение 0.2 0.12 О О ТА уС' Т4
• Трение 0.05__
Кв
б
Рис. 8. Изменение длины образующей детали после второго перехода в зависимости от коэффициента вытяжки: Ьобщ - длина образующей детали, после второго этапа моделирования; Ьисх - радиус заготовки; Кв - коэффициент вытяжки
• Центральная часть (начало отсчета) утоняется на 1-3%.
• Участок с наименьшей толщиной у получаемой детали смещается к центральной части, а
ее значение уменьшается на 1-3%.
• Толщина на участке дефекта «вмятина» увеличивается на 1-3%. Значение толщины на участке дефекта не является наименьшим для детали.
е
3. Увеличение коэффициента вытяжки оказывает следующее влияние распределение толщин у получаемой детали:
• Центральная часть детали утоняется на 11-26%.
• Наименьшая толщина у детали уменьшается на 12-28%.
• Толщина заготовки на участке дефекта «вмятина» утоняется на 7-20%.
Длина образующей, при увеличении радиуса скругления пуансона, увеличивается на 1-3%, а при увеличении коэффициента вытяжки - на 13-33%.
Участок заготовки с наименьшей толщиной после первого этапа, сохраняет наименьшее значение и после второго этапа.
На основании выполненных с помощью программы DEFORM исследований для моделирования вытяжки в коническую матрицу в два перехода, можно сделать следующие выводы:
1. Влиянием трения при использовании традиционных смазок (диапазон значений коэффициента трения 0.05-0.2) на процесс изменения толщины стенки можно пренебречь.
2. При изготовлении деталей необходимо уделить особое внимание возможности образования дефекта появляющегося после первого перехода.
3. Распределение толщин у получаемой детали имеет следующие закономерности:
а) толщина в центральной части детали утоняется на 11-26%, при увеличении значения коэффициента вытяжки в диапазоне значений 1,51,9, а при увеличении радиуса скругления пуансона с 6 до 22 - на 3-5%;
б) наименьшая толщина, при увеличении значения коэффициента вытяжки в диапазоне зна-
чений 1,5-1,9, уменьшается на 12-28%, а при увеличении радиуса скругления пуансона с 6 до 22 стремится ближе к центральной части и утоняется на 1-3%;
в) с ростом коэффициента вытяжки в диапазоне значений 1,5-1,9 на участке дефекта произ-ходит уменьшение толщины на 7-20%.
4. Длина образующей стенки детали с ростом коэффициента вытяжки в диапазоне значений 1,5-1,9 может увеличиваться на 13-33%. Влиянием радиуса скругления пуансона с 6 до 22 на изменение длинны образующей можно принебречь (удлинение 1-3%).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Маслов В.Д., Чистяков В.П., Попов И.П. Повышение равномерности толщины стенки штампованных конических оболочек // Кузнечно-штамповочное производство. 1986. № 6. С. 14-15.
2. Использование программы Deform 2D для описания процессов листовой штамповки. /
Ф.В., Шляпугин А.Г., Николенко К.А. Деп. ВИНИТИ 15.06.2006, №804-В2006.
3. Оценка с помощью программы DEFORM-2D возможностей изменения характера распределения толщин у деталей полученных вытяжклй и вытяжкой и вытяжкой отбортовкой / Шляпугин А.Г., Блинова О.Ю. Деп. ВИНИТИ 17.01.2012, №9 - В2012.
4. Моделирование процесса обжима в программе DEFORM-2D / Шляпугин А.Г., Блинова О.Ю. Деп ВИНИТИ 17.01.2012 №8-В2012.
5. Харламов А., Уваров А. DEFORM — программный комплекс для моделирования процессов обработки металлов давлением [Электронный ресурс] // САПР и графика. URL: http://www.sapr.ru/ Article.aspx?id=7481#begin (дата обращения 4.11.2013).
INVESTIGATION PROCESS HOODS SLIDE IN CONICAL MATRIX USING DEFORM-2D
© 2013 A.G. Shlyapugin, D.A. Tsytsorin
Samara State Aerospace University named after Academician S.P. Korolyov (National Research University)
This article describes how to draw a conical matrix shows the dependence on various factors. Keywords: draw with thinning, draw ratio, modeling.
Aleksey Shlyapugin, Candidate of Technics, Associate Professor at the Plastic Working of Metal Department. E-mail: alex_shag@mail.ru
Dmitry Tsytsorin, Engineer Plastic Working of Metal Department. E-mail: dimabandit@mail.ru
