CC BY
40
прочности в готовой гильзе, а обеспечить лучшее качество поверхности при вытяжке можно, используя твердосплавный инструмент.
Проведенные исследования позволили установить оптимальные режимы термомеханической обработки, выявить требуемые механические свойства металла и исключить образование трещин на гильзе после выстрела.
R.A Touchin.
EFFECT OF HEAT TREATMENT OF MATERIAL ON THE PERFORMANCE OF THE SLEEVES
The analysis of mechanical properties and defect formation in the pocket when incorrectly selected heat-treatment conditions brass shell casings at the given conditions of deformation semis is presented.
Key words: annealing, deformation, brass, crack shot
Получено 07.02.12
УДК 621.777.21
Ву Хай Ха, асп., 963-695-73-26, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
Н.Д. Тутышкин, д-р техн. наук, проф., 960-613-94-15, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛЫ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОБРАТНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПО СХЕМЕ ПОДВИЖНОГО КОНТЕЙНЕРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММЫ DEFORM-3D
Рассматривается сила процесса обратного выдавливания деталей по схеме подвижного контейнера и сравнение его с результатом использования программы DEFORM-3D.
Ключевые слова: напряжение, степень деформации, сила деформации, материал, заготовка.
Возникновение активных сил трения позволяет получать более качественные изделия путём выдавливания. Материал заготовки, выдавливаемый из-под торца пуансона, течет в зазор между пуансоном и контейнером. Если относительная скорость контейнера возрастает, то силы трения, приложенные к заготовке, также возрастают. Обратное выдавливание с активными силами трения при различных скоростях контейнера позволяет снизить силы деформирования до 30 %. Если же контейнер не закреплен и под действием сил трения, вызванных течением металла деформируемой
131
заготовки, перемещается в направлении течения, то возможно снижение силы выдавливания только до 8 % по сравнению с обычным выдавливанием [2].
При обратном выдавливании наблюдается сложное напряженное состояние. Напряжения изменяются от одноименной схемы всестороннего сжатия до разноименной схемы с преобладающими напряжениями растяжения вблизи зоны свободного течения металла (рис. 1).
Сложный характер распределения по объему заготовки имеет также и деформация. Наибольшую деформацию получают зоны заготовки, лежащие вблизи поверхности инструмента, передающего давление на полуфабрикат. Различные зоны заготовки претерпевают различную деформацию как по величине, так и по направлению.
Величина неравномерности деформации по диаметральному сечению детали больше при малых степенях обжатия. В зонах вблизи поверхности инструмента, передающего давление, и в очаге интенсивной деформации наблюдается значительная неравномерность деформации. Остальной объем заготовки проталкивается в формообразующую полость инструмента, практически не деформируясь.
Рис. 1. Механическая схема напряженно-деформированного состояния процесса обратного выдавливания по схеме подвижного контейнера: 1 - пуансон; 2 - контейнер; 3 - выталкиватель
С ростом степени деформации зона наибольших деформаций уменьшается, но увеличивается величина деформации остального объема заготовки. Неравномерность деформаций по сечению снижается, а в конечной стадии процесса практически исчезает. Очагом пластической де-
2
формации охватывается не вся заготовка, а лишь зоны, прилегающие к формообразующим полостям инструмента.
Применение закона трения Амонтона - Кулона при анализе процессов выдавливания приводит к неудовлетворительным результатам, особенно при анализе объемных процессов деформирования. Это связано с наличием значительных нормальных напряжений, в результате чего происходят пластическая деформация контактной поверхности и потеря линейной зависимости силы трения от нормальной нагрузки [2]. Поэтому в теоретических исследованиях процессов выдавливания желательно использовать закон постоянного трения (закон Зибеля).
Согласно теории пластичности величина предельного касательного напряжения не может превышать 0,5■ Из этого следует, что максимальное значение коэффициента трения равно 0,5, что подтверждает факт прилипания материала к инструменту с последующим его срезом в зоне контакта. Кроме этого, в приведенных выше работах принимали ряд допущений математического характера.
Штамповку выдавливанием стремятся применять для изготовления поковок из труднодеформируемых металлов и сплавов, напряжение текучести которых более 1000 МПа. Удельная сила деформирования, приложенная к торцу пуансона, при выдавливании таких материалов может быть высокой. В этом случае трудно ожидать удовлетворительной стойкости рабочих элементов штамповой оснастки.
В связи с указанным целесообразно выбирать такие схемы деформирования при штамповке выдавливанием, которые можно осуществить при приложении меньших удельных сил деформирования. В работах [1] и [2] указано, что изменение характера приложения внешних сил, в частности сил трения, приводит к изменению схемы напряженного состояния и к уменьшению удельных сил деформирования на контактных поверхностях заготовки и рабочего инструмента.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что выбор наиболее удачной схемы деформирования способствует повышению стойкости рабочего инструмента. В частности, при таких внешних силах пластические деформации будут равномерны в объеме заготовки. В этом случае направление касательных напряжений на боковой поверхности заготовки и течение материала совпадают.
Ниже приведем выражения основных параметров процесса обратного выдавливания, т. е. удельной силы деформирования и относительной высоты очага пластической деформации, полученных Л.А. Шофманом [1] и А.Г. Овчинниковым [2].
У Л.А. Шофмана
0,5 ий
д = 2ав(2 + —(1)
О
где с1- диаметр пуансона; толщина детали, /л- коэффициент трения. По Л. А. Шофману сила при обратном выдавливании определяется по формуле
Р = кст 1п Р (2)
где Г и Рп - площади поперечного сечения заготовки и пуансона; к-коэффициент упрочнения, к = 3,5...4,0 для алюминия и к = 2,5...3,0 для меди, латуни и малоуглеродистой стали; ав - временное сопротивление У А.Г. Овчинникова 1
Ча
| (1-2jukR)hy | 3
4 h
2(i?2-l) V3 Vä4 + 3
+ 0,82.
(3)
где h
y^- [l + ky (l - 0,2<Г - 0, Se~5J)] P = тс.t~ .qa .as, (4)
2(1-2 jukR]
где R = R/ г- относительный радиус контейнера; e - основание натурального логарифма; J- относительная величина рабочего хода выталкивателя, отнесенная к радиусу пуансона; ку - коэффициент упрочнения,
учитывающий влияние среднего угла наклона кривой упрочнения на высоту очага пластической деформации; hy - начальная высота очага пластической деформации; ¡ик - коэффициент трения по контейнеру; -коэффициент трения по пуансону; Р- сила деформирования; г - Радиус пуансона; (Js - напряжение текучести деформируемого материала.
Исходные данные для моделирования холодного процесса
1. Моделирование процесса выдавливания проводилось для половины детали, так как стакан является осесимметричным изделием.
2. Температура материала заготовки и инструмента равнялась
20° С.
3. Кривая упрочнения стали 60 в программном комплексе Deform 3D отсутствует, поэтому ее заменили кривой упрочнения соответствующего американского аналога стали 60 - AISI-1060.
4. Заготовку разбили на 20 000 конечных элементов (рис. 2 и
рис. 3).
5. В качестве модели перемещения был принят закон скоростей: При осуществлении моделирования процесса обратного выдавливания по схеме подвижного контейнера считалось, что выталкиватель перемещается со скоростью, равной 4 мм/с, при неподвижном пуансоне. Контейнер также перемещается в направлении движения течения металла с постоянной
скоростью 5 мм/с. Коэффициенты трения задавались для всех вариантов задач и полуфабриката заданного диаметра равными 0,18. В качестве сравнения толщина дна полуфабриката бралась 5 мм.
Результаты расчета выборочно представлены в виде графиков (рис. 4-6).
Рис. 2. Разбивка заготовки (Ф=36 мм) на 20 000 конечных элементов
Рис. 3. Разбивка заготовки (Ф=60 мм) на 20 000 конечных элементов
Рис. 4. Панель задания свойств материала при задании свойства
стали А181-60
7. 1_оас1 (74)
1 Зе+006
1 04е+006
7.83е+005
5.22е+005
2 61 е+005
-1—I-1-1—I-1—I-1-1—I-1—I-1—|-1-1—I-1—|-1—I-1-г-
ХЛ/огкр1€?с« ОЬ}есг 4
I I I 1 I I
|||||||
0.000 2.10 4.20 6.30
31гоке (тт)
8.40 10.5
Рис. 5. График зависимости силы процесса обратного выдавливания
с диаметром заготовки 36 мм
Load Prediction
Y Load (N)
8.67e+006 _
—;—;—i—i—|—i—i—i—;—j—i—i—i—;—|—i—;—i—i—j—i—i—i—г
6.93e-t006 _ Object 4
F ' '
: /
5.2e-ii06 _
3U7e-iiC6
1,73е-Ю06
|-(0.000 ,0)
g I- i t i i < j_
С ODD 5.25 10.5 15.7 21.С .26.2
Stroke (mm)"
Рис. 6. График зависимости силы процесса обратного выдавливания
с диаметром заготовки 60 мм
В конечном итоге результаты расчетов силы были сведены в таблицу.
Методы расчета силы и отклонение (Л, %) расчетных значений от значений, полученных в программе DEFORM-3D
Метод расчета силы Значения силы Р, Н
Диаметр полуфабриката 36 мм Диаметр полуфабриката 60 мм
ц=0,18 Д,% ц=0,18 Д,%
Метод Овчинникова 1,3.106 5,80 6,7 • 106 3,32
Метод Шофмана 1,6.106 -15,94 8,5 • 106 -22,66
Сила, рассчитанная в программе DEFORM-3D 1,38 • 106 - 6,93 • 106 -
Результаты расчета, полученные в DEFORM-3D, близки к результатам А.Г. Овчинников в работе [2] в пределах 1...6 % в зависимости от коэффициента трения. Такое сближение результатов расчета связано с учетом тянущей силы подвижного контейнера.
Процесс обратного выдавливания с активными силами трения получил широкое применение при изготовлении полуфабрикатов. Активные силы трения создаются в результате движения контейнера в сторону истечения металла.
Результаты расчетов, полученные в DEFORM-3D, позволят быстрей подойти к отладке процесса изготовления стаканов из стали 60 на специализированном прессе с подвижным контейнером и установить оптимальные силовые параметры.
Список литературы
1. Овчинников А.Г. Основы теории штамповки выдавливанием на прессах: учебное пособие для вузов. М.: Машиностроение, 1983. 200 с.
2. Шофман Л.А. Теория и расчеты процессов холодной штамповки: учебное пособие для вузов. М.: Машиностроение, 1964. 368 с.
3. Комплексные задачи теории пластичности / Н.Д. Тутышкин [и др.]; под ред. Н.Д. Тутышкина, А.Е. Гвоздева. Тула: ТулГУ- «Тульский полиграфист», 2001. 377с.
4. Шестаков Н.А. Расчеты процессов обработки металлов давлением. Решение задач энергетическим методом: учеб. пособие. М.: МГИУ, 2008. 344 с.
5. DEFORMTM 3D Version 10.0 User's Manual.
Vu Hai Ha, N.D. Tutyshkin
FORCE DEFORMATION STUDY OF RETURN EXTRUSION PARTS OF THE PLAN FOR MOBILE CONTAINER USING THE PROGRAM DEFORM-3D
Examines the process of reverse extrusion force components under the scheme of rolling the container on the theory and its comparison with the results of the program DEFORM-3D has a broad meaning in practice the design process and technology.
Key words: Stress, strain, force deformation, material, workpiece.
Получено 07.02.12
