ИССЛЕДОВАНИЕ УТОНЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ДНА ПОЛУФАБРИКАТА ПРИ ПЕРВОЙ КОМБИНИРОВАННОЙ ВЫТЯЖКЕ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-6-390-397

ИССЛЕДОВАНИЕ УТОНЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ДНА ПОЛУФАБРИКАТА ПРИ ПЕРВОЙ КОМБИНИРОВАННОЙ ВЫТЯЖКЕ

Д.Х. Чан, A.A. Пасынков, Д.З. Лай, Т.Ч. Нгуен, К.М. Нгуен, МАТ. Дао, Д. Фан

Проведено исследование утонения толщины дна полуфабриката при при первой комбинированной вытяжке. Использование плана моделирования с помощью программного обеспечения Deform 2D для построения уравнения, описывающего степень утонения в центре и радиус закругления донной части полуфабриката, в зависимости от ряда параметров, включая коэффициент вытяжки, радиус закругления пуансона, относительную толщину заготовки. Результаты показывают, что коэффициент вытяжки имеет наибольшее влияние на степень утонения толщины на донной части полуфабриката, затем относительная толщина заготовки и радиус закругления пуансона. Сравнение результатов полученных уравнений с экспериментами процесса первой комбинированной вытяжки показывает, что отклонения степени утонения в центре составляет примерно 5,1%, а в положении радиуса закругления около 0,7%. Следовательно, полученное уравнение позволяет спрогнозировать степень утонения в рассматриваемых местах и рекомендовать при проектировании технологического процесса изготовления деталей методом комбинированной вытяжки.

Ключевые слова: комбинированная вытяжка, утонение, моделирование, план моделирования.

Технология комбинированной вытяжки широко применяется при изготовлении цилиндрических изделий, имеющие стенки тоньше дна. Полуфабриката с относительно большими высотами требуют выполнение многооперационной вытяжки. Фактически, при вытяжке в целом и комбинированной вытяжке в частности показывается утонение толщины дна полуфабриката по сравнению с исходной заготовкой [1]. Это утонение происходит из-за напряженного состояния двустороннего растяжения и одностороннего сжатия, присутствующих на дне в процессе вытяжки [1], [2]. Эта степень утонения за многие операции будет накапливаться и увеличиваться. Это влияет на качество полуфабриката, точность полуфабриката, а также на последующие операции формовки на дне полуфабриката [1], [2].

В процессе первой комбинированной вытяжки, утонение толщины на дне полуфабриката зависит от многих факторов, таких как коэффициент вытяжки, коэффициент утонения, относительная толщина заготовки, радиус закругления пуансона, угол конусности матрицы, коэффициент трения между заготовкой и инструментами, температура обработки, скорость инструмента [3]. В данной работе рассматривается операция первой комбинированной вытяжки из листовой заготовки стали AISI1010 толщиной S0=3 мм. Матрица вытяжки представляет собой коническую матрицу с углом ската а=15° и диаметром выходного отверстия конуса Dk=0,9D0. Коэффициент трения между заготовкой и пуансоном составляет Цз=0,2, а с матрицей - цм=0,1. Коэффициент утонения выбран в сочетании с первой операцией вытяжки ms = 0,8 соответствует толщине стенки полуфабриката S1=2,4 мм. Чтобы оценить влияние некоторых основных параметров, включая коэффициент вытяжки, относительную толщину и радиус закругления пуансона, на степень утонения толщины в донной части полуфабриката, были использованы опыты моделирования в программном обеспечении Deform 2D. Задача моделирования поставлена в виде осевой симметрии со скоростью движения пуансона, эквивалентной скорости прессования гидравлического пресса YH-32 (15 мм/с), расположенного в лаборатории обработки металлов давлением Военно-технической академии. Модель материала получается из библиотеки программного обеспечения в состоянии холодной штамповки. Геометрическая модель процесса первой комбинированной вытяжки показана на рис. 1.

\ Г

-£ „ г

г --1

т а КС ж

ШШ1

- -в!

Рис. 1. Геометрическая модель вытяжки в сочетании с первой операцией

Опыты моделирования в сочетании с методом ортогонального экспериментального плана I порядка позволяют создать математическую модель, описывающую зависимость степени утонения в донной части полуфабриката от рассматриваемых факторов. Интервалы варьирования и кодирования входных факторов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Факторы и их интервалы варьирования__

Факторы Кодирования Интервалы варьирования Уровни изменений

-1 0 1

Коэффициент вытяжки, та , % Х1 10 55 65 75

Радиус закругления пуансона, , мм Х2 1,5 3 4,5 6

Относительная толщина заготовки, £ , % а Х3 2,5 5 7,5 10

Целевые функции определяются как степень утонения толщины в донной части полуфабриката, рассчитываемая по формуле:

до = .100%

(1)

где So - исходная толщина заготовки, мм; S - толщина нижней части полуфабриката в рассматриваемом положении, мм.

Целевая функция описывается в зависимости от входных факторов по формуле:

У = Ь0 + Ь1Х1 + Ь2 Х2 + Ь3 Х3 + Ь12 Х1Х2 + Ь13 Х1Х3 + Ь23 Х2 Х3 (2)

Матрица ортогонального плана 1-го порядка показана в табл. 2.

Матрица плана моделирования

Таблица 2

№ Х0 Х1 Х2 Х3 Х1Х2 Х2Х3 Х1Х3 У

1 + - - - + + +

2 + + - - - + -

3 + - + - - - +

4 + + + - + - -

5 + - - + + - -

6 + + - + - - +

7 + - + + - + -

8 + + + + + + +

9 + 0 0 0 0 0 0

10 + 0 0 0 0 0 0

11 + 0 0 0 0 0 0

Исследуя результаты опыта моделирования в центре плана (опыт №10), можно увидеть, что напряженное состояние в точке P1, показанной на рис. 2, представляет собой равные двусторонные растяжения ( < и <), одностороннее сжатие (< ), соответствующее деформированное состояние равных двусторонных растяжений с равными значениями (Ев и 8Г), односторонного сжатия (Бг ).

30 40 Время, о

Рис 2. Напряженное состояние в точке Р1

В точке P2 в зоне радиуса закругления дна имеется напряженное состояние двусторонного растяжения с равными значениями (< и <), односторонного сжатия

(<) в начале процесса деформации (изгибающего момента), а затем трехстороннее состояние растяжения (этап, когда заготовка входит в конус матрицы), за которым следует напряженное состояние двусторонного растяжения, односторонного сжатия (этап в рабочей зоне матрицы) и наконец, напряженное состояние трехсторонного растяжения (этап после прохождения рабочей зоны матрицы) (рис. 3). Из этого видно, что напряженно-деформированное состояние в очаге радиуса закругления в донной части полуфабриката очень сложное. Это затрудняет построение математической модели для определения степени утонения толщины в этом месте аналитическими методами.

Рис. 3. Напряженное состояние в точке Р2 в очаге радиуса закругления

в нижней части

Из этого результата можно увидеть, что толщина в донной части полуфабриката неравномерно утончается от центра до места радиуса закругления. Это утонение было исследовано во многих точках, как показано на рис. 4. Легко видеть, что степень утонения в очаге дна разделена на 3 зоны:

Зона 1 (позиции с 1 по 6): нижняя часть полуфабрикатов имеет небольшую степень утонения толщины (около 2,8%).

Зона 2 (позиции с 6 по 14): зона радиуса закругления в донной части полуфабриката имеет большая степень утонения толщины и наибольшее значение в позиции измерения 10 (около 12,5%).

Зона 3 (позиции с 14 по 18): часть радиуса закругления переходит к стенке полуфабриката, на этом участке степень утонения большая, потому что эта часть прилегается к стенке полуфабриката, входящей в рабочая полость матрицы и утончается с выбранным коэффициентом утонения ms = 0,8.

о

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Vi 11 i (lo

Рис. 4. Степень утонения донной части полуфабриката

С целью исследования степени утонения толщины в донной части полуфабриката от позиции 0 до 10, в этой работе рассматриваются две целевые функции: функция yi - это степень утонения в центре донной части полуфабриката (позиция 0), а функция y2 - это наибольшая степень утонения в точке, соответствующей позиции 10. Моделирование проводится в соответствии с таблицей матрицы плана, полученные результаты в виде табл. 3.

Результаты по матрице плана моделирования

№ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

У1 3,533 0,133 3,77 1,1 5,17 2,67 9,63 3,4 2,73 2,8 2,9

У2 18,37 8,47 15,53 7,2 22,4 9,4 22,1 9,9 12,85 12,5 12,22

Таблица 3

Обработка данных в программном обеспечении МткаЬ 19 дала следующие результаты:

Для функции у1

у = 3,44 _ 1,85х1 +1,542х3, (3)

у = 10,84_0,185та + 0,617. (4)

Для функции У2

у2 = 14,171 _5,429х1 _0,489х2 + 1,779х3 _0,87Ц х3 + 0,539х2х3, (5)

у2 = 33,45 _ 0,2815та _ 1,403Я, + 2,33£а _ 0,03485та£а + 0,1437^. (6)

Очевидно, что степень утонения толщины в центре дна (функция у1) имеет небольшое значение, описываемая уравнением (3) и (4). Только коэффициент вытяжки и относительная толщина заготовки оказывают на нее существенное влияние, а радиус закругления пуансона не оказывает существенного значительного влияния. Степень влияния этих двух факторов показана на рис. 5.

Степень утонения толщины дна наибольшая в зоне радиуса закругления (функция у2) описывается уравнением (3) и (4). Все три рассматриваемых фактора

влияют на значение функции у2. Однако степень влияния коэффициента вытяжки наибольшая, затем относительная толщина заготовки и радиус закругления пуансона (рис. 6).

Диаграмма Парето стандартизованных эффектов

(отклика у 1, а = 0.05)

Терм

Стандартизированный эффект

Рис. 5. Влияние факторов на степень утонения толщины в центре дна

Диаграмма Парето стандартизованных эффектов

(отклика у2, а = 0.05)

Терм

А С АС ВС

Фактор Им,

А

В ьр

С Эй

О 5 10 15 20 30

Стандартизированный эффект

Рис. 6. Влияние факторов на степень утонения толщины в зоне радиуса закругления дна

Эксперимент проведен с входными факторами и соответствующими значениями переменных кодирования, как показано в табл. 4.

Экспериментальные входные параметры

Таблица 4

So, мм D0, мм шй, % Rp, мм й, % Х1 Х2 Х3

3,04 61 55 3,5 5 -1 -0,667 -1

Эксперимент проводился в лаборатории обработки металлов давлением Вьетнамского государственного технического университета им. Ле Куй Дона на гидравлическом прессе YH-32 с характеристиками, указанными в табл. 5.

Таблица 5

Характеристики гидравлического пресса УИ-32_

№ Параметр Значение Единица измерения

1 Номинальная сила 1000 кН

2 Ход слайд 600 мм

3 Открытая высота 800 мм

4 Общие размеры стола 630x630 мм

5 Скорость штамповки 15 мм/с

В штампе для первой комбинированной вытяжки с коэффициентом утрненения ms=0,8, углом конусности матрицы 15° показан на рис. 7, а. Загатовка и полуфабрикат показаны на рис. 7, б и 7, в.

в

Рис. 7. Штамп (а), заготовок (б) и полуфабрикат (в) в первой комбинированной вытяжке: 1 — пуансон; 2 — заготовка; 3 - матрица

Толщина в центре дна и в зоне радиуса закругления дна были измерены штангенциркулем (рис. 8) и сравнены с полученными целевыми функциями.

Рис. 8. Измерение толщины на рассматриваемой позиции: а — в центре дна (81=2,92); б — в позиции радиуса закругления дна (82=2,50)

В табл. 6 показано сравнение результатов эксперимента и моделирования, показывающее, что погрешность между экспериментом и моделью степени утонения толщины дна 5,1% в центре и 0,7% в радиусе закругления.

Таблица 6

Сравнение моделирования с экспериментом _

Показатели По плану моделирования По эксперименту Погрешность, %

Степень утонения толщины дна в центре, % 3,748 3,95 5,1

Степень утонения толщины в зоне радиусу закругления дна, % 17,635 17,76 0,7

Таким образом, можно увидеть, что коэффициент вытяжки имеет наибольшее влияние на степень утонения толщины дна полуфабриката, за которым следует относительная толщина заготовки и радиус закругления пуансона. Уравнения, описывающие зависимость степени утонения толщины дна в центре и зоне радиуса закругления от рассматриваемых параметров (уравнения (4) и (6)), позволяют прогнозировать значения этой степени утонения. Проверка путем сравнения с экспериментом показывает, что погрешность уравнения (4) составляет примерно 5,1 %, уравнения (6) составляет примерно 0,7 %. Это позволяет использовать полученные уравнения для рекомендации при расчете и проектировании технологического процесса изготовления деталей по комбинированной вытяжке.

Список литературы

1. H. Zein, M. El Sherbiny, M. Abd-Rabou, and M. El shazly, "Thinning and spring back prediction of sheet metal in the deep drawing process // Mater. Des. 2014. Vol. 53. P. 797-808. doi: 10.1016/j.matdes.2013.07.078.

2. L. Li et al. Variations of Energy Demand with Process Parameters in Cylindrical Drawing of Stainless Steel // J. Manuf. Sci. Eng. Trans. ASME, 2019. Vol. 141. No. 9. doi: 10.1115/1.4043982.

3. Агеев Н.П., Зиновкин В.И., Масляев Н.М. Справочник по технологии патронного производства. Санкт-Петербург, 2011. Том I. 643 с.

Чан Дых Хоан, канд. техн. наук, доцент, tranduchoan@lqdtu.edu.vn, Вьетнам, Ханой, Вьетнамского государственного технического университета им. Ле Куй Дона,

Пасынков Андрей Александрович, канд. техн. наук, доцент, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Лай Данг Занг, канд. техн. наук, доцент, tranduchoan@,lqdtu.edu.vn, Вьетнам, Ханой, Вьетнамского государственного технического университета им. Ле Куй Дона,

Нгуен Куанг Ман, канд. техн. наук, доцент, tranduchoan@,lqdtu. edu. vn, Вьетнам, Ханой, Вьетнамский институт оборонных технологий, Главное управление оборонной промышленности,

Нгуен Тхань Чунг, канд. техн. наук, доцент, tranduchoan@,lqdtu. edu. vn, Вьетнам, Хайфонг, Военно-морской инженерный институт, Армия ВМС Вьетнама,

Дао Ман Ань Туан, студент, tranduchoan@,lqdtu.edu. vn, Вьетнам, Ханой, Вьетнамского государственного технического университета им. Ле Куй Дона,

Фан Дык, студент, tranduchoan@,lqdtu.edu.vn, Вьетнам, Ханой, Вьетнамского государственного технического университета им. Ле Куй Дона

INVESTIGATION OF THE THINNING OF THE THICKNESS OF THE BOTTOM OF THE SEMI-FINISHED PRODUCT DURING THE FIRST COMBINED DRAWING

D.H. Tran, A.A. Pasynkov, D.G. Lai, T.C. Nguyen, Q.M. Nguyen, M.A.T. Dao, D. Phan

In the work, a study of the thinning of the thickness of the bottom of a semi-finished product at the first combined drawing was carried out. Using a simulation plan with Deform 2D software to construct an equation describing the degree of thinning in the center and the radius of rounding of the bottom of the semi-finished product, depending on a number of pa-

396

rameters, including the drawing coefficient, the radius of the punch rounding, and the relative thickness of the workpiece. The results show that the drawing coefficient has the greatest influence on the degree of thinning of the thickness at the bottom of the semi-finished product, then the relative thickness of the workpiece and the radius of rounding of the punch. Comparison of the results of the obtained equations with the experiments of the first combined drawing process shows that the deviation of the degree of thinning in the center is about 5.1%, and in the position of the radius of rounding of the bottom of the semi-finished product about 0.7%. Consequently, the obtained equation makes it possible to predict the degree of thinning in the places under consideration and to recommend it when designing a technological process for manufacturing parts by the method of combined drawing.

Key words: combined drawing, thinning, modeling, modeling plan.

Chan Dykh Hoan, candidate of technical sciences, docent, trandu-choan@,lqdtu.edu.vn, Vietnam, Hanoi, Vietnam State Technical University named after Le Cui Dona,

Pasynkov Andrey Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Lai Dang Zang, candidate of technical sciences, docent, tranduchoan@,lqdtu.edu.vn, Vietnam, Hanoi, Vietnam State Technical University named after Le Cui Dona,

Nguyen Quang Man, candidate of technical sciences, docent, trandu-choan@,lqdtu.edu.vn, Vietnam, Hanoi, Vietnam Institute of Defense Technology, General Directorate of Defense Industry,

Nguyen Thanh Chung, candidate of technical sciences, docent, trandu-choan@,lqdtu.edu.vn, Vietnam, Haipong, Naval Engineering Institute, Vietnam Navy Army,

Dao Man Anh Tuan, student, tranduchoan@,lqdtu.edu.vn, Vietnam, Hanoi, Vietnam State Technical University. Le Cui Dona,

Phan Duc, student, tranduchoan@,lqdtu. edu. vn, Vietnam, Hanoi, Vietnam State Technical University. Le Cui Dona

УДК 621.73.01 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-6-397-400

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ШТАМПОВКИ НА ПРОЦЕСС ВЫДАВЛИВАНИЯ ВТУЛКИ

С.Б. Богданов

Рассмотрен процесс объемного формоизменения стальной заготовки с целью получения детали типа «Втулка» с глухим отверстием при различных температурных условиях проведения штамповки.

Ключевые слова: технологическая сила, втулка, глухое отверстие, штамповка, объемное деформирование.

Детали типа «Втулка» с глухим отверстием можно получить различными способами, в числе которых обработка резанием, электрохимические способы, обработка металлов давлением. Наибольшее распространение получили последние методы, а именно объемная штамповка [1-3].