CC BY
2
10. Яковлев С.С., Коротков В.А. Инновационные методы повышения эксплуатационных характеристик цилиндрических оболочек // Стратегическое развитие инновационного потенциала отраслей, комплексов и организаций: Сборник статей IX Международной научно-практической конференции, Пенза, 22-23 октября 2021 года. Пенза: Пензенский государственный аграрный университет, 2021. С. 169171.
Гребенщиков Иван Владимирович, студент, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Научный руководитель - Коротков Виктор Анатольевич, канд. техн. наук, доцент, Россия, Тула, Тульский государственный университет
STUDY OF THE OPERATION OF HEADING THE FLANGED PART OF ALUMINUM BLANK
I.V. Grebenschickov
The temperature regime of plastic deformation plays an important role in the formation of the final product and can affect not only the force modes, but also the quality of the product. Therefore, in this work, an analysis is made of how the forging temperature during the upsetting of the flange part of a cylindrical product affects the power modes and the quality of the resulting product using computer simulation in the QForm program. Quality assessment is carried out according to the criterion of damageability and probability fields of defect formation. In this work, the landing of a cylindrical aluminum sample, which was installed in a matrix, was simulated, the pressure on the workpiece was carried out by the flat end of the punch, followed by an assessment of the obtained quantitative and qualitative data. The article presents graphs of the technological force, as well as the fields of damage distributions and the Hartfield field along the outer surface of the semi-finished product and along its volume. Conclusions are drawn about how the forging temperature affects the characteristics studied in the work, recommendations are given for the design of the upsetting process.
Key words: aluminum, upsetting, stamping, damageability, defects, quality.
Grebenschickov Ivan Vladimirovich, student, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State
University,
Scientific supervisor - Korotkov Victor Anatolievich, candidate of technical science, docent, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.7.043
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-350-355
ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВЫХ РЕЖИМОВ ОПЕРАЦИЙ ОБЖИМА ТОЛСТОСТЕННЫХ
ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК
Д.А. Левачева
С целью исследования силовых режимов операций обжима без утонения было проведено моделирование обжима трубной заготовки в конической матрице при различных значениях угла конусности, коэффициента трения и коэффициента обжима. Перед проведением исследований были созданы твердотельные модели деталей штамповой оснастки и заготовок. Далее они загружались в программный комплекс QFORM, в котором выполнялось моделирование операций обжима. Технологические параметры моделирования: материал детали - сталь 10, диаметр заготовки - 80 мм, толщина - 8 мм, высота детали - 110 мм. Далее расчетным методом были определены высота заготовки и перемещение пуансона для различных значений деформируемой части детали. В ходе проведения моделирования установлены зависимости относительной величины силы операции обжима от различных технологических параметров, определены рациональные углы конусности матрицы.
Ключевые слова: обжим без утонения, силовые режимы, конусность матрицы, коэффициент обжима, коэффициент трения, трубная заготовка, моделирование.
В объемной штамповке довольно эффективной операцией является обжим толстостенных трубных заготовок коническими матрицами [6].
Обжим представляет операцию, при которой происходит сужение поперечного сечения прутков и труб, а также концевой части полых или объемных изделий путем обжатия материала снаружи и уменьшения диаметра [7, 10].
Для изготовления ступенчатой конической детали при выполнении операции обжима элементы заготовки должны изменить форму срединной поверхности с конической на цилиндрическую [1, 2]. Расширение границ технологических возможностей, а также уточнение существующих сведений о формоизменении и силовых режимах данной операции в настоящее время является актуальной задачей [6].
С целью исследования силовых режимов операций обжима без утонения была поставлена задача: провести моделирование обжима трубной заготовки в конической матрице при различных значениях угла конусности матрицы, коэффициента трения и коэффициента обжима.
Исследование операций обжима выполнялось для трубной заготовки из стали 10 диаметром Б0 = 80 мм, толщиной 5о = 8 мм в конической матрице для различных углов конусности а = 10°, 20°, 30° коэффициентов трения ц = 0,1, 0,2, 0,3 и коэффициентов обжима тоб = 0,6, 0,7, 0,8.
На рис. 1 представлена схема получаемой детали после операции обжима трубной заготовки без
утонения.
Перед моделированием операций обжима с помощью программы КОМПАС 3D построим представленную на рис. 1 деталь со следующими параметрами: коэффициент обжима тоб = с1об/с1 = 0,6, угол конусности а = 10, длина деформируемой части Н2 = 10, длина Н = 20 мм, общая высота получаемой детали Я =110 мм.
11
1 У у \ О . X
1 т \ * У /
<1* 1
Рис. 1. Схема детали, получаемой с помощью операции обжима
Задав материалом построенной детали сталь 10 с плотностью р = 0,0078 г/мм3, измерим ее объем Уд = 146326,77 мм3.
Далее для полученной детали определим высоту заготовки и рабочий ход пуансона.
Поскольку при выполнении операции обжима без утонения отход материала не осуществляется, то справедливо равенство сохранения объема: Узаг = Уд.
Объем заготовки можно найти по формуле Узаг = Р * Н0, где ^ - площадь поперечного сечения, а Н0 - высота заготовки.
Площадь поперечного сечения можно найти по формуле [8]:
_ (Р%- (О, - 25„)'\
'-Ч-4-}
Исходя из этого, определим высоту заготовки:
_ 47д _ 4 * 146326,77 _
Но ~ пф1 - (О0 - 250)2) " 3,14 * (802 - (80 - 2 * 6)2) " 103,56 ММ
Реальную высоту заготовки необходимо увеличивать в диапазоне 20...25% относительно расчетной [4]: Но = Но + 20.. ,25%Но = 123.128 мм.
На основе полученных результатов выбираем высоту заготовки Н0 равной 125 мм.
Отсюда находим величину перемещения пуансона АН = Н0 - Н2 = 125 - 10 = 115 мм.
Далее, аналогично проведенным расчетам, определяем величину перемещения АН (см. таблицу) для различных вариантов коэффициента обжима, угла конусности матрицы и длины деформируемой части.
После проведения необходимых расчетов в программном комплексе КОМПАС 3D были созданы модели геометрии деталей штамповой оснастки и трубной заготовки, представленные на рис. 2.
Разработанные модели были загружены в программный комплекс QForm 3D, основанный на методе конечных элементов и, далее в нем выполнялось компьютерное моделирование операций обжима [5].
При проведении исследований в среде QFORM параметры моделирования задавались следующие: материал заготовки - сталь 10, температура - 20 0С, реологическая модель заготовки - упругопласти-ческая, материал штамповой оснастки - L6 HRC42, число конечных элементов сетки - 200 .450 тыс., размер конечных элементов - 0,25.0,6 мм, скорость деформирования - 6 мм/сек, шаг интегрирования - 0,035 мм.
Деталь на различных этапах выполнения операции обжима в процессе моделирования представлена на рис. 3.
Величина перемещения в зависимости от технологических параметров
№ т„б а, ° h1, мм h2, мм Ah
1 0,6 10 115
2 0,7 10 45 80
3 0,8 65 60
4 0,6 55 70
5 0,7 20 20 65 60
6 0,8 75 50
7 0,6 60 65
8 0,7 30 70 55
9 0,8 80 45
Рис. 2. Модели в среде QFORM 3D: 1 - заготовка; 2 - пуансон; 3 - матрица
Рис. 3. Деталь на различных этапах обжима
В ходе проведения исследований были выявлены зависимости силы операции обжима от относительной величины перемещения пуансона, угла конусности матрицы, коэффициента обжима и коэффициента трения. Полученные результаты были представлены графически.
На рис. 4 приведены зависимости изменения относительной силы Р =Р/(jrD0s0aT) от относительной величины хода пуансона h = h/s0 для следующих параметров: а = 10°, тоб = 0,6, р = 0,1.
В ходе проведения анализа полученных результатов выявлено, что изменение силы обжима можно разбить на четыре этапа.
На первом этапе происходит подгибание краевой части заготовки, в процессе которого воздействие матрицы осуществляется только на узкую часть у самого края заготовки. Между контактной частью и недеформируемой частью (в промежутке) происходит образование участка свободного изгиба. Относительная сила обжима увеличивается при увеличении перемещения заготовки [3, 9].
На втором этапе сила обжима увеличивается равномерно. Этот этап соответствует скольжению заготовки по конической части матрицы.
На третьем этапе интенсивность возрастания силы уменьшается. Здесь край заготовки начинает выходить за пределы конической части матрицы.
На четвертом этапе сила обжима увеличивается до максимального значения и остается неизменной до конца операции. В процессе обжима происходит свободный изгиб заготовки, после которого начинает образовываться цилиндрический участок.
На рис. 5 - 6 приведены результаты исследования влияния коэффициента трения р на величину максимальной относительной силы Ртах для коэффициента обжима m„в = 0,6...0,8 и углов конусности матрицы а = 10°, 30°.
р
0.9
0.7 01 0.2 0
О 2 4 6 3 13 12 14 16 18 h
Рис. 4. Зависимость изменения силы Р от величины h: 1 - [ = 0,1; 2 - [ = 0,15; 3 - [ = 0,2
f~
0.97 0.04 0.70 0.57 0.44
0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 р
Рис. 5. Зависимость силы Ртах от коэффициента [ при угле а = 10°: 1 - тоб = 0,6; 2 - тоб = 0,7;
3 - тоб = 0,8
122 104 0.86 0.6В 05
01 0.12 014 0.16 018 Р
Рис. 6. Зависимость силы Ртах от коэффициента [/ при угле а = 30°: 1 - тоб = 0,6; 2 - тоб = 0,7;
3 - тоб = 0,8
1.27 1.14 1,01 о.ве
0.75
10 15 а 25 а
Рис. 7. Зависимость силы Ртах от угла а при коэффициенте тоб = 0,6:
1 -¡ = 0,1; 2 - ¡ = 0,15; 3 - ¡ = 0,2
Рис. 8. Зависимость силы Ртах от угла а при коэффициенте тоб = 0,8:
1 - j = 0,1; 2 - j = 0,15; 3 - j = 0,2 353
3 Ч Г
i i
В ходе анализа полученных результатов установлено, что максимальная относительная сила обжима пропорционально возрастает с увеличением значения трения: с увеличением коэффициента трения ц с 0,1 до 0,2 значение силы Ртах увеличивается на 40 - 55 %.
Также установлено, что при увеличении коэффициента обжима с 0,6 до 0,8 значение силы Ртах уменьшается на 30 - 45%.
На рис. 7 - 8 показаны зависимости изменения относительной величины силы Ртах от угла конусности матрицы О при значениях коэффициента трения в диапазоне р = 0,1...0,2 для значений коэффициента обжима 0,6 и 0,8 соответственно.
В ходе анализа полученных результатов установлено, что с увеличением угла конусности матрицы а с 10° до 30° максимальная относительная величина силы Ртах изменяется на 20.25%, причем существуют рациональные значения углов конусности в диапазоне от 18° до 22°, при которых величина Ртах будет наименьшей.
Установлено, что при изменении коэффициента трения р и коэффициента обжима тоб характер зависимости максимальной величины Ртах от угла конусности а сохраняется.
В ходе проведения моделирования в программном комплексе QFORM 3D был рассмотрен характер и выявлены отличительные особенности изменения силы обжима на четырех этапах деформирования трубной заготовки, было рассмотрено влияние технологических параметров обжима трубной заготовки на величину силы операции, а также определены рациональные значения углов конусности матрицы, при которых сила операции будет минимальной.
Полученные результаты имеют практическое значение при выполнении операций обжима толстостенных трубных заготовок коническими матрицами.
Список литературы
1. Аверкиев Ю.А. Исследование обжима полых цилиндрических заготовок // Инженерные методы расчета процессов обработки давлением. Сб. науч. трудов. М.: Машгиз, 1957. С. 167 - 196.
2. Аверкиев Ю.А. Холодная штамповка. Формоизменяющие операции. Ростов-на-Дону: РГУ, 1984. 288 с.
3. Агеев Н.П., Кривицкий Б.А. Анализ условий устойчивости тонкостенных заготовок при обжиме в конической матрице // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 1980. №1. С. 96 -100.
4. Бубнова Л.В. Расчет формоизменения тонкостенных труб // Известия вузов. Машиностроение. 1965. №11. С. 139 - 142.
5. Информационные технологии в металлургии и машиностроении: лабораторный практикум / М.М. Скрипаленко, M.H. Скрипаленко, А.В. Данилин, Чан Ба Хюи. М.: Изд. Дом МИСиС, 2014. 234 с.
6. Коновалов В.А., Чугунова Ю.А. Оценка факторов ограничения технологических возможностей обжима коническими матрицами заготовок из толстостенных труб // Омский научный вестник, 2019. № 3. С. 11-15.
7. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение, 1979. 520 с.
8. Селедкин Е.М., Гвоздев А.Е. Математическое моделирование процессов формоизменения заготовок. М.: Академия проблем качества; ТулГУ, 1998. 225 с.
9. Силовые и деформационные параметры обжима анизотропной трубной заготовки / О.В. Пи-липенко, А.А. Жарков, Н.В. Купор, В.А. Андрейченко // Известия ТулГУ. Серия. Актуальные вопросы механики. Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. Вып. 1. С. 18-26
10. Фролов В.Н. Обжим полых цилиндрических заготовок. М.: Машгиз, 1957. 24 с.
Левачева Дарья Александровна, магистрант, darenkal990@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский Государственный Университет
INVESTIGATION OF POWER MODES OF CRIMPING OPERATIONS OF THICK-WALLED PIPE BLANKS
D.A. Levacheva
In order to study the power modes of crimping operations without specification, a simulation of the crimping of a pipe billet in a conical matrix was carried out at different values of the taper angle, friction coefficient and crimping coefficient. Before conducting the research, solid-state models of die tooling parts and work-pieces were created. Then they were loaded into the QFORM software package, in which the simulation of crimping operations was performed. Technological parameters of modeling: part material - steel 10, workpiece diameter - 80 mm, thickness - 8 mm, part height - 110 mm. Further, the height of the workpiece and the length of the movement of the punch were determined by the calculation method for various values of the deformable part of the part. In the course of the simulation, the dependences of the relative magnitude of the force of the crimping operation without thinning on various technological parameters were established, the rational angles of the taper of the matrix were determined.
Key words: crimping without thinning, power modes, matrix tapers, crimping coefficient, friction coefficient, pipe billet, modeling.
Levacheva Darya Aleksandrovna, master, darenka1990@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State
University
УДК 621.77; 621.7.043
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-355-358
ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ ВЕЛИЧИН НАПРЯЖЕНИЙ И СИЛ ПРИ ВЫДАВЛИВАНИИ
КОЛЬЦЕВОЙ ЗАГОТОВКИ
А.В. Алексеев, И.С. Хрычев
Важной задачей при проектировании технологий холодного выдавливания является снижение силовых нагрузок на рабочий инструмент, которые ввиду схемы деформирования имеют значительные величины. Ввиду этого в статье представлены результаты исследования сил и напряжений, возникающих на инструменте и в заготовке при реализации выдавливания кольцевой заготовки. На базе выполненного компьютерного моделирования произведена количественная оценка изменения сил деформирования, максимальных значений напряжений в зависимости от технологических параметров. Предполагается что материалом кольцевых заготовок является сплав алюминия В95. Температурный режим штамповки -деформирование в холодных условиях. Установлены режимы деформирования, позволяющие обеспечить снижение силовой нагрузки. Получены зависимости влияния степеней деформирования, условий контактного трения, характеристик геометрии инструмента на силу и напряжения.
Ключевые слова: холодное выдавливание, сила, геометрия, деформирование.
Холодное выдавливание сопровождается значительным повышением силовой нагрузки на рабочий инструмент и соответственно его стойкость [1-4]. Значительные давления при выдавливании оказывают свое влияние и на стойкость инструмента. Поэтому актуальным является обеспечение таких режимов деформирования и характеристик инструмента, которые смогли бы снизить силы на рабочем инструменте. Снижения силовой нагрузки можно добиться подбором рациональной степени деформации, упрощением геометрии рабочих элементов инструмента или подбирая рациональные режимы трения. В статье рассмотрена операция получения фланцевых изделий с массивной фланцевой частью и цилиндрической частью с тонкой стенкой. На базе выполненного компьютерного моделирования произведена количественная оценка изменения сил деформирования, максимальных значений нормальных напряжений в зависимости от технологических параметров.
Предполагается что материалом кольцевых заготовок является сплав алюминия В95. Температурный режим штамповки - деформирование в холодных условиях. На рис. 1 представлен эскиз операции с указанием исследуемых параметров. Заготовкой под выдавливание принимали кольцо диаметром Ввн = 100 мм; Бвнутр = 70 мм. Толщина заготовки tзаг = 15 мм. Диаметр оправки Оопр = Овнутр = 70
мм. Толщина получаемой стенки изделия tст = Оматр -Овн)тр = 1...7 мм. Величина рабочего хода перемещающегося элемента 0.10 мм. Коэффициент трения ц = 0,08. Рассматривалось деформирование заготовки с величиной хода инструмента Д = 10 мм. Радиус скругления кромки матрицы 0,5 мм. Исходная
температура заготовки 20°С.
Анализ данных моделирования позволил получить зависимости влияния степеней деформирования, условий контактного трения, характеристик геометрии инструмента на силу и напряжения. На рис. 2 даны графики изменения сил при выдавливании от относительного хода пуансона для разных значений величины редукции, определяемой как r = tст /(йвн - Овнутр).
Процесс деформирования характеризуется резким ростом сил на начальном этапе процесса, что соответствует относительной величине хода 0,1 h . В оставшееся время процесса сила практически не меняется. С ростом степени деформаций сила возрастает в 2 раза.
На рис. 3 дан график изменения сил выдавливания от величины редукции для значений трения.
355
