CC BY
18Исследование технологических параметров операции прошивки с радиальным выдавливанием
Кормаков Дмитрий Александрович,
аспирант, Омский государственный технический университет, kuzmichkor@mail.ru
Маркечко Игорь Владимирович
к.т.н. доц., Омский государственный технический университет, kuzmichkor@mail.ru
Исследовался процесс холодной объемной штамповки алюминиевого сплава в коническую матрицу для получения изделия с конической головкой и внутренней полостью. При моделировании применялась схема комбинированного выдавливания в радиальном направлении в полость конической матрицы и в обратном, движению пуансона, - осевом направлении в стержневую часть. Исследовались влияния геометрических параметров инструмента - пуансона и матрицы, а также влияние смазывающих веществ с разными коэффициентами трения на протекание процесса формоизменения цилиндрической заготовки-заполнения ручья матрицы и усилие штамповки. Были выявлены оптимальные параметры, при которых не происходит недозаполнение полости ручья штампового инструмента, а также отсутствует отрицательное формоизменение, которое препятствующее более легкому снятию готового изделия с пуансона
Ключевые слова - выдавливание, моделирование, QForm, производительность, конфигурация.
Основной задачей технологии металлообрабатывающего производства является изготовление деталей с наименьшими трудозатратами, с наибольшей производительностью и коэффициентом использования металла (КИМ), причем качество деталей должно удовлетворять требуемым условиям эксплуатации. Для решения этой задачи предусмотрен ряд производств, в том числе и кузнечно-штамповочное.
Как и любой другой процесс, помимо преимуществ, ХОШ обладает так же рядом недостатков, главным из которых является высокое сопротивление пластической деформации и пониженная пластичность большинства металлов при комнатной температуре. Высокое сопротивление пластической деформации, а, следовательно, и низкая пластичность, связаны с деформационным упрочнением, одним из направлений развития ХОШ является изучение смазочных материалов [1].
Благодаря современным методам расчета на ЭВМ и программным продуктам, таким как QForm-2D/3D [2], можно решить основные проблемы теоретического и экспериментального анализа операций холодной объёмной штамповки- - определение технологической силы деформирования в зависимости от вида напряжённо-деформированного состояния,
Процесс получение полых деталей с конической головкой является достаточно неизученным. В результате этого возникает вероятность нерационального построения технологического процесса и дальнейшей подготовки производства, ухудшения качества конечного изделия или большие потери металла из-за возникающих рисков увеличения количества бракованных деталей.
Для исследования были выбраны следующие исходные параметры:
Матрицы с углами конуса - 550; 600; 650 Форма кромки пуансона - R0,2; R1,5; фаска 450 Смазка с коэффициентом трения -(ideal j=0); (so-al-c j=0,14); 1
Моделирование процесса получения полой детали будет производиться методом конечно-элементного моделирования в программном комплексе QForm 5.1.
Производим расчет. Для определения зависимости усилия выдавливания и заполнения гравюры от различных факторов, при моделировании будет изменяться угол конуса головки, форма пуансона и коэффициент трения смазочного вещества. Помимо этого, проследим за температурой заготовки при каждом эксперименте.
Результаты для процесса, с параметрами угол матрицы =550; фаска на пуансоне = 450; смазка (so-al-c |=0,14), представлены на рис. 1
По данным видно, что гравюра матрицы заполнилась полностью, в радиальном направлении, метал равномерно затекает в полость матрицы, из-за трения на пуансоне метал начинает затекать в полость над калибрующим пояском, что отрицательно скажется на снятии заготовки с пуансона. Так как площадь контактирующих
X X
о
го А с.
X
го m
о
м о м о
о см
0 см
СП
01
о ш т
X
<
т о х
X
поверхностей велика, материал сильно разогревается, но температура не превышает значение температуры рекристаллизации. Усилие резко повышается на этапе доштамповки.
Рис. 1 Результаты первой операции, угол матрицы 550
Результаты для процесса, с параметрами угол матрицы =600; фаска на пуансоне = 450; смазка ^о-а1-с р=0,14), представлены на рис. 2
Рис. 2 Результаты второй операции, угол матрицы 600
Здесь уже видно незаполнение угловой части конуса это можно объяснить тем, что очаг деформации сместился из-за изменённой геометрии и в углу конуса образовалась «мертвая зона». Лагранжевы линии расположены равномерно, но по внешнему контуру, в углу конуса, есть острый перегиб, в дальнейшем это может привести в образованию наружных дефектов. Температура заготовки выше чем в первом моделировании, но поле температуры показывает, что максимальное значение локализуется в зоне перемычки т.е. на припуске, а на основном теле заготовки значение температуры не имеет критических значений. Натекание металла над калибрующим пояском также происходит, что наводит на мысль изменения геометрии рабочей части пуансона.
раздела течения в головку и отросток и в очаге пластической деформации у пуансона она выше.
Далее моделируем ситуацию полного отсутствия смазки. Принимаем коэффициент трения равный 1 и аналогично проводим эксперимент с варьируемыми значениями угла конуса, сохраняя конфигурацию пуансона. При данном коэффициенте трения происходит срез металла заготовки. Следовательно, смоделированная ситуация является максимально критичной из возможных.
Первый расчет проводим с углом конуса 60°.
Рис. 4 Результат при у=1 и угле матрицы =600
После окончания процесса выдавливания, видно, что в гравюре имеется недозаполнение. Максимальное усилие, из графика, равняется 0,1 МН, что практически в 3 раза больше, чем усилие при обычных условиях выдавливания (при первом эксперименте). Температура так же возросла, и ее максимальное значение составило 295,4°.
Второй эксперимент проводим с углом конуса равным 65°
Рис. 5 Результат при у=1 и угле матрицы =650
При увеличении угла конуса до 65°, заполнение гравюры по-прежнему не происходит. График показывает, что значение усилия деформации увеличилось с 0,1МН до 0,12МН. Температурная шкала фиксирует максимальное значение 323,9.
Следующий расчет с углом конуса равным 55°.
I
Рис. 3 Результаты третьего моделирования, угол матрицы =650
На третьем моделировании картина течения металла практически не отличается от предыдущих, единственное отличие, заключается в неравномерном распределении температуры. Заготовка нагревается сильнее прежних, но остается ниже температуры рекристаллизации, ближе к образующей конуса и верхнему торцу выдавленного отростка температура ниже, а на границе
Рис. 6 Результат при 1 и угле матрицы =550
На рисунке 6 видно вновь образовавшееся недоза-полнение. График показывает, что усилие выдавливания вновь равно 0,1МН, при этом температура заготовки снизилась с 295,4° до 281,3°.
Т.к. при угле конуса 60° на всех этапах моделирования возникало недозаполнение, предлагается использовать этот угол, как основной, изменяя конфигурацию пуансона, добиться заполнения гравюры. Смазочное вещество используется с коэффициентом трения 0,14.
Первый вариант конфигурации пуансона - в качестве калибрующего пояска используется радиусный выступ (рисунок 7).
Заполнение гравюры произошло полностью при усилии выдавливания 0,04МН. Температура заготовки равна 225,4°.
Попробуем заменить скругление R1,5 на фаску 2х45°, оставив остальные параметры неизменными.
Рис. 7 Результат при пояске в виде радиального выступа
Как видно из рисунка 7, при проблемном угле конуса 60°, изменение конфигурации пуансона позволяет избавиться от дефекта «недозаполнение». Однако усилие выдавливания повышается, по сравнению с первым экспериментом с 0,04МН до 0,05МН. Максимальная температура заготовки составляет 227°.
В следующем варианте используется пуансон без калибрующего пояска и закругленной рабочей кромкой. Радиус закругления R0,2.
Рис. 9 Результат при пояске с фаской 2х450
Подведем итоги результатов моделирования. При первом эксперименте из рисунка 10 видно, что при использовании стандартной производственной смазки с коэффициентом трения 0,14, с увеличением угла конусной головки, увеличивается и усилие обратного выдавливания и температура заготовки.
Из этого следует, что для достижения наиболее благоприятного результата процесса, рекомендуется использовать наименьший угол конуса головки.
Рис. 8 Результат при пояске со скруглением Н=0,2
Видно, что при радиусе скругления R0,2, вновь возникает недозаполнение рабочей гравюры штампа. Помимо этого, на графике мы можем наблюдать максимальное усилие выдавливания за всю серию экспериментов, равное 1,2МН. Температура заготовки поднимается до 290°. Данное решение крайне неудачно и не рекомендуется к дальнейшему применению.
Увеличим радиус кромки до R1,5 и проведем расчет. Остальные параметры остаются неизменными.
Рис. 9 Результат при пояске со скруглением Я=1,5
Рис. 10 Графики зависимости усилия и температуры от угла конуса матрицы при ^ =0,14
Результаты второго эксперимента на рисунке 11 показывают следующее. При идеальных условиях трения (коэффициент трения смазывающего вещества близок к нулю) рациональнее использовать при операциях обратного выдавливания больший угол. Это объясняется
X X
о
го А с.
X
го т
о
м о м о
тем, что больший угол создает наименьшее сопротивление течению металла заготовки в гравюре штампа. Тем самым гарантируется отсутствие недозаполнений.
о
CN О
сч
СП
О Ш
m
X
<
m о х
X
Рис. 11 Графики зависимости усилия и температуры от угла конуса матрицы при у=0
В третьем ряде экспериментов моделировалась ситуация, при которой отсутствует смазка и коэффициентом трения близок к 1.
На рисунке 12 видно, что при условиях отсутствия смазки, и угле конуса головки равному 55°, наблюдается наименьшая температура заготовки и наименьшее усилие выдавливания из ряда экспериментов. Однако при отсутствии смазки, в гравюрах с тремя моделируемыми углами наблюдается сильное недоза-полнение. Из этого следует, что возникновение такой ситуации на производстве может повлечь за собой большое количества бракованных изделий и быстрый износ пуансона и матрицы за счет высоких температур, больших усилий и налипания материала заготовок на рабочий инструмент.
Последний из экспериментов наглядно показывает, что при использовании угла, при котором возникает недозаполнение, можно, за счет изменения конфигурации пуансона добиться заполнения рабочей гравюры штампа. При этом во время проведения расчета не наблюдалось особого повышения температуры заготовки и повышения усилия выдавливания. Однако следует правильно подбирать конфигурацию для обеспечения наибольшей эффективности штамповки.
Рис. 12 Графики зависимости усилия и температуры от угла конуса матрицы при у= 1
Литература
1. Я.А. Соболев, Ю.К. Филиппов, А.В. Рагулин, А.В. Молодов. Исследование различных типов смазки при холодном обратном выдавливании / Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2012. №2. С.166-170.
2. Исследование возможности изготовления конических заготовок из цветных металлов с помощью технологии обратного выдавливания [Текст] / Д.О. Абаноси-мов, В.А. Гладков, Н.А. Самсонов. [и др.] // Механика моделирования материалов и технологий. - 2017. - № 3 (59). - С. 5-6.
Investigation of technological parameters of the radial
extrusion firmware operation Kormakov D.A., Markechko I.V.
Omsk state technical University
The process of cold volumetric stamping of an aluminum alloy into a conical matrix to produce a product with a conical head and an internal cavity was Studied. In the simulation, the scheme of combined extrusion was used in the radial direction into the cavity of the conical matrix and in the reverse direction, the movement of the punch,- the axial direction into the rod part. The influence of geometric parameters of the tool - punch and matrix, as well as the influence of lubricants with different coefficients of friction on the process of forming a cylindrical billet - filling the matrix stream and the punching force were studied. The optimal parameters were identified in which there is no under-filling of the stream cavity of the die tool, as well as there is no negative shape change that prevents easier removal of the finished product from the punch Keywords: extrusion, modeling, QForm, performance,
configuration. References
1. Ya. A. Sobolev, Yu. K. Filippov, A.V. Ragulin, A.V. Molodov.
Research of various types of lubrication during cold reverse extrusion / proceedings of the Tula state University. Technical science. 2012. no. 2. Pp. 166-170.
2. Study of the possibility of manufacturing conical blanks from non-
ferrous metals using reverse extrusion technology [Text] / D. O. Abanosimov, V. A. Gladkov, N. A. Samsonov. [et al.] / / Mechanics of modeling materials and technologies. - 2017. -№ 3 (59). - Pp. 5-6.
