CC BY
6
УДК 621.77.01; 621.01:531.3
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-4-458-464
ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ НИЖНЕГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ТОРЦЕВОЙ РАСКАТКЕ
А.С. Морозов, С.А. Морозов, А.В. Щенятский
Исследовано разрушение нижнего инструмента деталей типа «Цилиндрическая с фланцем» с помощью моделирования в программе QForm. Исследование проведено в три этапа. На первом этапе осуществлено сравнение напряженно-деформированного состояния заготовки и инструмента при торцевой раскатке и обычной штамповке. На втором этапе проанализировано изменение напряжения в нижнем инструменте при разных параметрах относительной подачи. На третьем этапе изучено изменение значений напряжений в разных точках нижнего инструмента. Приведены выводы по исследованию и указаны направления дальнейшей работы.
Ключевые слова: торцевая раскатка, QForm, напряженно-деформированное состояние, пуансон, матрица.
Торцевая раскатка имеет преимущества по сравнению с обычной штамповкой [1,2], однако есть ряд нерешённых вопросов, которые сдерживают широкое применение торцевой раскатки в массовом производстве деталей. В данной статье мы подробнее остановимся на одной из таких проблем, а именно на разрушении инструмента. Сложная кинематика инструмента в сочетании с несбалансированной смещенной нагрузкой и эффектом крутящего момента может привести и часто приводит к разрушению инструмента [2].
В 2017 году группа учёных из Великобритании уже частично исследовала этот вопрос [3]. Они отмечали, что скорость и подача влияют на деформационную нагрузку и выходную геометрию. Причина этого заключается в том, что «размер закусывания»
(the bite size) - проникновение инструмента в заготовку за один оборот (ft / и) - определяет площадь контакта, создаваемую между инструментом и заготовкой во время каждого оборота заготовки (Щ- угловая скорость вращения матрицы, а и - подача верхнего инструмента). Это, в свою очередь, влияет на поток материала и прилагаемую нагрузку. Исходя из текста статьи, мы предполагаем, что под «размером закусывания» понималось отношение: s = и/ Ш\, а не наоборот.
В результате исследования был сделан вывод, что при использовании более высоких «размеров закусывания» (увеличение s ), более вероятно разрушение инструмента. В работе они приводят рисунок, где нижний инструмент «срезался» из-за очень высокого крутящего момента сопротивления, создаваемого в нижнем инструменте.
В данной статье мы углубились в исследовании этого вопроса; как и учёные из Великобритании мы моделировали процесс в программе QForm, а в качестве основного фактора для анализа использовали то же отношение - и / ft . В отличие от их работы
мы в качестве материала заготовки взяли сталь 20Х, а не 100CrMo7-3 и моделировали горячую штамповку, а не холодную. Несмотря на эти отличия, мы предположили, что фундаментальная зависимость значения «размера закусывания» на разрушение инструмента останется той же. Вместо «размера закусывания» мы используем термин -«относительная подача», физический смысл которого - какое расстояние проходит пуансон за один оборот матрицы вокруг своей оси.
Исследование проводилось для детали типа «Цилиндрическая с фланцем»[4]. На первом этапе сравнивалось напряженно-деформированное состояние заготовки и инструмента при обычной штамповке и торцевой раскатке с углом наклона пуансона
458
относительно оси заготовки в 2°. Было выявлено недопустимо высокое напряжение в заготовке и инструменте при обычной штамповке при разных значениях хода верхнего инструмента в 5,7,10,14 и 30 мм/с (рис. 1).
Рис. 1. Напряжения при обычной штамповке: а — распределение средних напряжений заготовки в конце операции; б — распределение интенсивности напряжений инструмента в конце операции
Материал заготовки - 20Х, максимальная температура в конце операции « 980° С, максимальное среднее напряжение заготовки при разных параметрах находится в диапазоне (Гт е (-894;-836)МПа. Материал инструмента - 4Х5МФС, максимальная температура в конце операции~ 715° С , максимальная интенсивность напряжения инструмента а е (1166;1210) МПа.
При торцевой раскатке максимальное среднее напряжение заготовки при разных параметрах находится в диапазоне ат е (-358; -270)МПа, на НДС инструмента
мы остановимся подробнее. В ходе анализа было выявлено, что напряжение в нижнем инструменте меняется по циклу. Цикл соответствует 1 обороту матрицы - 180 шагов (1 шаг - 1,111 мс.). Данная зависимость наглядно видна на рис. 2.
Из графика видно, что усилие имеет восходящий тренд, а среднее нормальное напряжение нижнего инструмента имеет по 2 пика внутри каждого цикла с ростом значений к концу операции. Аналогичная зависимость наблюдается при изменении значений хода пуансона и угловой скорости матрицы.
На втором этапе исследования мы анализировали изменения напряжения в нижнем инструменте при разных параметрах относительной подачи (см. таблицу). На данном этапе вместе с интенсивностью нормальных напряжений мы сравнивали и значения модуля среднего нормального напряжения сжатия, отметим, что на последнем цикле часто наблюдаются и высокие значения напряжения растяжения, которые иногда превосходят максимальные напряжения сжатия.
Исходя из данных представленных в таблице, мы сделали вывод, что изменение относительной подачи не влияет на значения пиков напряжений. Кроме того, оно не влияет и на значение медианы напряжений.
Подробнее остановимся на том, каким образом меняется зона максимальных напряжений внутри одного цикла:
- Во время первого пикового значения происходит локализация напряжений примерно в области перехода из ножки во фланцевую область.
- Далее напряжение остаётся в той же области, но становится более протяжённым.
- Примерно через 60-70 шагов от первого пика наблюдается второй пик.
- Потом область напряжений начинает «спускаться в ножку» и в какой-то момент вся зона напряжений находится в этой области.
- После зона напряжений начинает снова двигаться вверх и перед следующем пиковым значением цикл заканчивается.
напряжение среднее, МПа Напряжения в матрице 2;10;300 Усилие, ми
8СО
7 GO
м»
4®
if»
iCO
15со гам 2юо гмо гзоо г«» им нон то ¡яоо
Рис. 2. Зависимость среднего нормального напряжения (основная ось ординат) и усилия (вспомогательная ось ординат) от номера шага процесса (ось абсцисс) при угле наклона пуансона относительно оси заготовки в 2°, ходе пуансона — 10 мм/с и угловой скорости матрицы - 300 об/мин
Напряжения в нижнем инструменте при угле наклона в 2°
n S мм/об V , мм/с; С , об/мин МПа , МПа Номер шага с C^max (^m ) / общее число шагов
1 1 5;300 832 737 5366(5365)/5493
2 1 2;120 603 486 5368(5430)/5493
3 1 7;420 680 622 5365(5365)/5493
4 1,5 5;200 727 625 3567(3635)/3662
5 1,5 10;400 741 593 3569(3634)/3662
6 2 10;300 718 694 2735(2735)/2747
7 2 14;420 1079 828 2666(2666)/2747
8 2,5 5;120 689 635 2128(2195)/2198
9 2,5 10;240 753 605 2127(2127)/2198
10 3 10;200 631 705 1769(1768)/1832
11 3 12;240 685 569 1768(1772)/1832
12 3 14;280 752 644 1767(1768)/1832
13 3 20;400 836 676 1768(1831)/1832
14 3,5 7;120 737 651 1407(1475)/1570
15 3,5 14;240 769 590 1475(1475)/1570
16 4 16;240 813 530 1292(1293)/1374
17 4,5 15;200 725 521 1112(1052)/1222
18 4,5 30;400 721 730 1114(1110)/1222
— Нл1||»НЖГНИ4' сррдшч', М П,|
— Усилие, МН
На третьем этапе мы проанализировали изменение значений напряжений в разных точках матрицы. Для этого мы взяли 18 точек (по 9 с каждой стороны) на одинаковой высоте (одинаковая координата z) в зоне перехода из ножки во фланцевую область (рис. 3).
Для сбора данных из QForm были написаны две основные программы и несколько вспомогательных на языке AutoIt. Язык AutoIt используется для автоматизации действий пользователя в системе Windows. Для сбора использовался инструмент распознавания текста «ScreenTranslator-3.2.1». В статье приведём одну из двух программ (рис. 4).
j flts". 'ИГ ijtjp-
а б
Рис. 3. Положение точек на нижнем инструменте: а — вид спереди; б — вид сверху (значения углов между точками определены из скалярного
произведения векторов)
1. Si = О
2. Sk = О
3. Do
4. Sx = PixclGelColorf 120. 600)
5. ifSx = 3S48105 then
6. MouseClickfleft-, 130,675.1, 30)
7. 5leep(700>
8. Sk += 1
9. Si+-1
10. else
11. M on seClick( "right", 1195.280. I. 10)
12. MouseClick( "left". 120?. 290.1, 10)
13. sleep(50D)
14. Scnd("A!z")
15. sleep(500)
16. MousedickDrag("left", 1215, 298. 1262.327.40)
17. sleep(500)
18. Send("A!c")
19. sleep(500)
20. MouseC"lick("left", 410. 880, 1,20)
21. while Sk>0
22. Scnd("{ ENTER}")
23. Sk -= 1
24. wend
25. Send("Av")
26. MouseClickf'loft". 252, 147. 1.20) 27 Send("{DEL)")
28. Send("{DEL5") 29 Send(" {ENTER}") 30. MouseClick{"left". 410, 880. 1.20) 31 MouseCIick("lefi", 130,675, 1. 30)
32. sltep(500)
33. Si+"1
34. ClipPut { "" )
35. Endlf
36 Until Si = 811
Рис. 4. Программа на языке Autolt для сбора данных из QForm
В программе использованы циклы: с постусловием - Do...Until и цикл с предусловием - While...WEnd. Кроме того, был использован условный оператор If...Then...Else. Программа нужна для автоматического переноса данных о напряжениях в точках из программы QForm в Excel. В ходе программы «накапливаются» две переменные: i и k. Переменная i отвечает за количество шагов, с которых необходимо собрать напряжения, а переменная k за количество «Энтеров», которые необходимо нажать, для того, что вставить распознанное значение в нужную ячейку. Напряжения посчитаны не для всех точек процесса, поэтому для оптимизации программы использован «Принцип Анны Карениной» («Все счастливые семьи похожи друг на друга, каждая несчастливая семья несчастлива по-своему»). Аналогично каждая матрица без полей напряжений похожа друг на друга, каждая матрица с полями напряжения отличается. Чтобы программа не пыталась распознать значения там, где их нет, в коде присутствуют строчки 4-10. Программа «смотрит» цвет пикселя на матрице с помощью функции PixelGetColor (возвращает цвет указанного пикселя). Если пиксель соответствует значению без полей, программа переходит на следующий шаг QForm, в противном случае распознаёт значение напряжения и вставляет это значение в Excel. В статье приведена программа для точек 8 и 17. Остальные 8 программ отличаются значениями в строчках 11, 12 и 16.
Программе «ScreenTranslator-3.2.1» не удаётся распознать однозначные числа при любой зоне захвата, поэтому появилась необходимость в написании программы с использование программы «Ножницы». Помимо этого, были написаны программы для базирования картинки на экране, программа для связи нескольких точек (для сбора данных с нескольких точек одной программой) и ряд других программ.
Приведём полученные результаты в виде графиков зависимостей среднего нормального напряжения от номера шага для точек 3 и 18 (рис. 5).
Напряжение среднее, 176 МПа
50
180
Точка 3
1900 / 2000 2100 2200 _ 2300 2400 2500 2600
номер шага
2800
'"«Г
• т *
■ *** I • м •
г IД *Ж
т Ч
178
180
183
177
Напряжение среднее, МПа
300
Точка 18
177
181
180
181
б
Рис. 5. График зависимости среднего нормального напряжения в нижнем инструменте от номера шага: а — для точки 3; б — для точки 18
а
В результате анализа полученных значений были сделаны следующие выводы: пиковые значения напряжения находятся около области перехода из ножки во фланцевую часть (часто несколько ниже данной области), характер изменения напряжений в каждой из 18 точек также имеет циклический характер, после пикового значения «вниз» наблюдается пиковое значение «вверх», Ближе к концу операции максимальный и минимальный пик приходятся на противоположные точки, а иногда на точки, расположенные близко друг к другу.
В данной статье мы не будем останавливаться на сравнении напряжений в зависимости от положения точек: этому будут посвящены следующие работы.
В данном исследовании мы изучали один из факторов, сдерживающих массовое внедрение торцевой раскатки на производстве - разрушение инструмента. Было установлено, что напряжение в нижнем инструменте при торцевой раскатки ниже, чем
при обычной штамповке. Напряжение меняется циклически: один цикл соответствует одному обороту матрицы. Внутри каждого цикла наблюдается по два пиковых значения напряжения, не было установлено связи между размером напряжений и величиной относительной подачи. Циклический характер максимальных напряжений в матрице в целом сохраняется при рассмотрении точек матрицы в отдельности. В следующих работах мы будем исследовать причины такой циклической зависимости и подробнее рассмотрим влияние положения точки на матрице от тех напряжений, которые в ней возникают.
Список литературы
1. Shivpuri R. Past Developments and Future Trends in the Rotary or Orbital Forging Process // Journal of Materials Shaping Technology, 1988. 6(1). P. 55-71.
2. Standring P.M. Characteristics of rotary forging as an advanced manufacturing tool, Proc. Instn. Mech. Engrs., 2001. 215(B). P. 935-944.
3. Krishnamurthy B., Bylya O., Muir L., Conway A., Blackwell P. On the specifics of modelling of rotary forging processes. Computer Methods in Materials Science, 2017. 17(1). P. 22-29.
4. Морозов А.С., Морозов С.А., Щенятский А.В. Параметрическая оптимизация процесса торцевой раскатки детали класса "цилиндрическая с фланцем" // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 4. С. 425433.
Морозов Александр Сергеевич, аспирант, sashamor2@mail.ru, Россия, Ижевск, Ижевск государственный технический университет имени М.Т. Калашникова,
Морозов Сергей Александрович, канд. техн. наук, доцент, доцент, msa-omd@,mail.ru, Россия, Ижевск, Ижевск государственный технический университет имени М. Т. Калашникова,
Щенятский Алексей Валерьевич, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой, bkkupol@istu.ru, Россия, Ижевск, Ижевск государственный технический университет имени М.Т. Калашникова
RESEARCH OF THE BOTTOM TOOL FRACTURE DURING ROTARY
FORGING
A.S. Morozov, S.A. Morozov, A.V. Schenyatsky
Failure of the bottom tool of "Cylindrical with flange" type parts was investigated by means of simulation in QForm software. The research was carried out in three stages. At the first stage comparison of stress-strain state of blank and tool at rotary forging and conventional die forging has been realized. At the second stage change of stress in the bottom tool at different parameters of relative feed is analyzed. At the third stage change of stress values at different points of the bottom tool is studied. Conclusions on the research are given and directions for further work are indicated.
Key words: rotary forging, QForm, stress-strain state, upper die, bottom tool.
Morozov Aleksandr Sergeevich, postgraduate, sashamor2@,mail.ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University,
Morozov Sergey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, associate professor, msa-omd@,mail.ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University,
Schenyatsky Alexey Valerevich, doctor of technical sciences, professor, bkkupol@istu.ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University
УДК 621.73.01
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-4-464-467
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО И ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ ОТБОРТОВКЕ С УТОНЕНИЕМ
Г.А. Вобликов
В работе рассматривается технологический процесс, представляющий собой совокупность отбортовки и утонения отбортуемого материала, в результате которого реализуется комбинированная отбортовка. Оценивается возможность получения деталей таким методом при различной степени утонения металла. Исследуются интенсивности напряжений и степени деформаций и их величины, а также затрагивается величина повреждаемости металла при его формоизменении. Анализ проводится при различных степенях утонения и одинаковых остальных начальных условиях: температура, трение, геометрия и конфигурация инструмента и заготовки, а также при стандартных настройках компьютерного расчета. Приводятся результаты компьютерного моделирования, которое было проведено в рамках данного исследования. Моделирование проводилось в программно-аналитическом комплексе QFORM, основанном на методе конечных элементов, в котором и были получены необходимые данные и изображения. Приводятся схемы напряженно-деформированного состояния и табличные данные о максимальных их величинах. Делаются выводы о влиянии степени утонения на степень деформации, интенсивность напряжений и повреждаемость материала по критерию разрушения Кокрофт-Латам при отбортовке.
Ключевые слова: отбортовка, утонение, повреждаемость, напряжения, деформации, деформирование, обработка, давление.
Обработка металлов давлением является частью заготовительного производства и ей выполняют большое число деталей или заготовок под последующую обработку [1, 2]. Большое разнообразие получаемых изделий делают процессы ОМД практически незаменимыми [3-4]. Так, например, получение деталей с вертикальной стенкой и широким фланцем из тонколистового материала возможно с помощью операции отбортовки, при этом остальными методами получение такой детали затруднено.
Отбортовка может проводиться еще и при утонении отбортумого материала, что усложняет схему напряженного и деформированного состояния и механику формоизменения. Поэтому изучение протекания данного процесса является сложной задачей, особенно важное значение имеет исследование операции при различной степени утонения материала. Поэтому в данной работе будет проведено исследование напряжений, деформаций при отбортовке с утонением. Исследование будет проводиться в компьютерной программе QForm [5-10] с помощью задействованной компьютерной модели. Деформироваться будет стальная плоская листовая заготовка с центральным сквозным отверстием. Пуансон и матрица сконфигурированы таким образом, чтобы проходила и отбортовка и утонение материала. Заготовка имела изотропию механических свойств, деформация проходила без предварительного нагрева заготовки или инструмента. Для более просто моделирования использавались 3 объекта расчета: матрица, пуансон и заготовка. Причем для последней оценивались интенсивности напряжений и деформаций, схемы которых приведены на рис. 1 и 2 соответственно. Также представлены на рис. 3 схема повреждаемости.
