Исследования некоторых процессов вытяжки полусферических деталей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

-Ф-

УДК 621.7.043

ИССЛЕДОВАНИЯ НЕКОТОРЫХ ПРОЦЕССОВ ВЫТЯЖКИ ПОЛУСФЕРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

Е.Д. Вейнгерова, канд. техн. наук, Е.В. Галкин

(МАТИ-РГТУим. К.Э. Циолковского, e-mail: galkin@mati.ru)

Рассмотрены вопросы изготовления полусферических деталей, которые используются как элементы конструкций, работающих в тяжелых эксплуатационных условиях. Показаны примеры использования конечно-элементных пакетов Ansys и Deform для моделирования процессов листовой штамповки из различных материалов.

Ключевые слова: математическое моделирование, листовая штамповка, метод конечных элементов.

Investigation of Some Semispherical Component Drawing Processes. Ye.D. Vein-gerova, Ye.V. Galkin.

Problems of production of semispherical components used as structure elements served under severe operating conditions are discussed. Examples of the use of Ansys and Deform finite-element method software packages for simulation of sheet forming of various materials are shown.

Key words: mathematical simulation, sheet forming, finite-element method.

Возрастающее стремление к качеству получаемых изделий требует усовершенствования старых и разработки новых способов производства элементов конструкций ответственного назначения, таких как детали полусферической формы из высокопрочных, легких металлических материалов, которые применяют в качестве средств индивидуальной защиты (СИЗ), элементы систем высокого давления. Эти детали должны обладать повышенными эксплуатационными характеристиками. Особенно важным здесь представляются соблюдение требуемой формы, минимизация разнотолщинности, механические свойства изделия, уровень напряженно- деформированного состояния. Все эти характеристики зависят от схемы и параметров технологического процесса.

Производство сферических деталей, изготавливаемых методами листовой штамповки, включает [1]:

- вытяжку в инструментальных вытяжных штампах;

- процессы, основанные на замене одного или нескольких элементов штампа универсальными формообразующими элементами;

- глубокую вытяжку с дифференцированным нагревом заготовки непосредственно в штампе, обкаткой роликом по жесткой оправке;

- изотермическую штамповку в режиме сверхпластичности с нагревом заготовки в атмосфере инертных газов.

Вместе с тем классификация способов изготовления полусферических днищ по виду среды рабочих частей штампов предложена в работе [2]. Наиболее распространенными способами являются:

- штамповка жестким пуансоном по жесткой матрице, включающая вытяжку-формовку в штампах со складкодержателем, вытяжку с обратным конусом, вытяжку с прижимом фланца с формовкой в глухой матрице, вытяжку без прижима формовкой в матрице;

- штамповка эластичным пуансоном по жесткой матрице;

ЮБИЛЕИ КАФЕДР МАТИ

Таблица 1

Характеристики исследованных схем

технологического процесса

Материал Серий-

Название Материал формооб- ность

процесса заготовки разующего произ-

инструмента водства

Штамповка в АМгбМ СКУ-7Л Мелкая

эластичную 12Х18Н10Т СКУ- ПФЛ серия/

матрицу опытное

произ-

водство

Штамповка ПАС-1 Свинец Мелкая

пластичным серия

пуансоном

в жесткую

матрицу

- штамповка жестким пуансоном по эластичной матрице;

- изотермическая формовка газом;

- пневмоформовка;

- штамповка эластичным пуансоном по эластичной матрице ;

- гидроформовка;

- штамповка смешанным пуансоном по смешанной матрице.

На кафедре «Технология обработки металлов давлением» им. А.И. Колпашникова проводились исследования штамповки изделий данного класса по двум схемам (табл. 1).

Штамповка пластичным пуансоном в жесткую матрицу. Одной из задач являлось изготовление полусферических изделий из слоистого материала ПАС-1, состоящего из сплавов 1903 и 1931 системы Л!-7п-Мд и АД1. Его особенностью является пластифицирование за счет применения прослоек из алюминия АД1, что позволяет использовать в качестве основного слоя более прочные, чем существующие, гомогенные свариваемые сплавы.

Слоистые материалы по комплексу физико-механических свойств превосходят гомогенные алюминиевые сплавы аналогичного назначения, что позволяет снизить массу изделия, что особенно актуально для некоторых изделий новой техники [3].

Изготовление изделий новой техники, как правило, сопряжено с мелкосерийным либо

опытным производством, что требует существенных затрат на проектирование, изготовление инструментальных вытяжных штампов. Для снижения затрат на стадии проектирования используют программные средства математического моделирования.

По нашему мнению, одним из эффективных представителей для исследований задач обработки металлов давлением является программный продукт Deform, в котором используется метод конечных элементов.

Схема процесса показана на рис. 1.

Сущность процесса состоит в следующем: контейнер 3 с пластичным металлом 4 прикреплен к ползуну пресса. При рабочем ходе пластичный металл прижимает заготовку 1 к поверхности матрицы 5, в результате чего происходит формовка заготовки в виде полого изделия.

Пластичный металл одновременно играет роль прижима и пуансона. На практике в качестве пластичного пуансона применяют свинец. Это влияет на технологические возможности процесса формообразования полых деталей, существенно расширяя его возможности за счет:

- использования гидропрессов одинарного действия, в то время как при вытяжке в инструментальных штампах требуется пресс двойного действия (деформирование с прижимом фланца);

- большей универсальности штамповой оснастки по сравнению со штамповкой-вытяжкой

Рис. 1. Схема вытяжки полусферической детали пластичным пуансоном по жесткой матрице:

1 - заготовка; 2 - крышка контейнера; 3 - контейнер; 4 - свинцовый пуансон; 5 - матрица

-Ф-

жестким пуансоном в жесткую матрицу, так как пластичный металл, выполняя роль пуансона, одновременно выполняет функции прижима;

- повышения коэффициента использования металла;

- возможности штамповки в одной технологической оснастке изделий заданной геометрии из листовых заготовок различной толщины.

Для снижения вредного воздействия на организм рабочих при применении свинца используется местная и естественная вентиляция помещений.

Особенностью процесса является то, что вытяжка пластичным пуансоном сопровождается совместным пластическим деформированием свинца и материала заготовки. Изделие формируется за счет вдавливания заготовки в ручей матрицы пластичным пуансоном, в результате чего площадь поверхности пуансона, контактирующая с заготовкой, увеличивается, и в материале пуансона возникает пластическое течение, направленное по образующей формируемого изделия в сторону его центра. Это создает условия проявления активных напряжений сдвига на границе пуансон-заготовка, которые способствуют уходу фланцевой части заготовки из-под прижима и прохождению процесса штамповки по схеме свертки. При этом, чем больше коэффициент трения или напряжения сдвига на границе пластичный пуансон-заготовка, тем выше сцепление контактирующих слоев и равномернее их совместное течение.

Температуру объектов модели принимали равной 20 °С, так как процесс реализуется при комнатной температуре. Граничные условия задавали в скоростях перемещения. Для поверхности матрицы заданная скорость составляла 1 мм/с.

В разработанной модели применен усредненный коэффициент вытяжки 0,015. Он позволяет учитывать условия трения/сдвига на границе свинец-заготовка. Скорость деформирования принимали равной 1 мм /с .

Сама задача моделирования является нетривиальной:

1. Необходимо моделировать совместное пластическое деформирование двух разнородных материалов. Данное решение затруд-

нительно получить с достаточной точностью с помощью традиционных методов теории ОМД.

2. При расчете вытяжки детали перед моделированием необходимо определить допустимые степени деформации, количество переходов и рассчитать пооперационные размеры заготовки.

Вначале был поставлен физический эксперимент для определения момента разрушения заготовки при ее вытяжке в реальной оснастке на первом переходе.

После этого проводили обмер разрушенной заготовки с определением диаметра заготовки d1p, при котором произошло разрушение, и ее толщины в сечениях. Далее рассчитывали показатель вытяжки, при котором произошло разрушение:

Kip = d1p/d0. (1)

Технологически предельно допустимый показатель вытяжки принимается как

Ki = Kip/0,9. (2)

В соответствии с этим минимально допустимый диаметр заготовки рассчитывается по формуле

di = Kido. (3)

На следующем этапе проводили конечно-элементный расчет процесса вытяжки, который завершился в тот момент, когда внешний диаметр заготовки стал равным di. Для данной стадии процесса выявлялся характер распределения значений интенсивности напряжений с определением места позиционирования максимально допустимой величины для проектируемого процесса.

В ходе проведения расчета определили предельно допустимое формоизменение заготовки на первом штамповочном переходе при показателе вытяжки mi = 0,75. При невозможности получения полусферического изделия за один переход определяется максимально допустимый показатель вытяжки для второго перехода по формуле:

K2 = d2/di. (4)

Так же установлены предельно допустимые формоизменения для последующих переходов с показателем вытяжки 0,75.

ЮБИЛЕИ КАФЕДР МАТИ

Зная показатель вытяжки, можно рассчитать количество штамповочных переходов для изготовления полусферических изделий. Для этого необходимо рассчитать суммарный коэффициент вытяжки:

заг ■ (5)

Учитывая, что предельно допустимые значения показателей вытяжки на каждом переходе равны между собой, можно записать:

X X ...X n

m2 = m1 m2 mn = mj

(6)

где n - минимально допустимое количество штамповочных переходов.

Таким образом, в результате расчетов при помощи предлагаемой методики проведена количественная оценка уровня НДС заготовки по переходам и установлены некоторые необходимые технологические параметры процесса, а именно количество последовательных операций вытяжки, размеры штамповочных переходов, пооперационные показатели вытяжки.

В табл. 2 приведены значения толщины оболочки в реальном процессе и результаты моделирования. Результаты сравнения экспериментальных и расчетных данных толщины оболочки приведены на рис. 2.

Отклонение результата расчета утонения стенки заготовки при моделировании от реального процесса составило 3-8 %.

По результатам этой работы можно заключить следующее:

1. Разработанная конечно-элементная модель деформационного процесса с применением программного пакета Deform позволяет получать количественные результаты, отражающие процесс формообразования применительно к осесимметричной задаче и эффективно исследовать утонение стенки изделий и его удлинение по образующей.

2. Методика позволяет проводить расчеты требуемых неэнергетических параметров процесса вытяжки корпуса из алюминиевого материала, при этом на основе анализа уровня НДС заготовки определены пооперационные показатели вытяжки, установлено количество последовательных операций вытяжки и определены размеры заготовки по штамповочным переходам.

Другим способом изготовления изделий, в частности, при производстве малогабаритных и среднегабаритных полусферических днищ из алюминиевого сплава АМг6 и стали 12Х18Н10Т является штамповка жестким пуансоном по эластичной матрице. Использование штампов с эластичной средой резко сокращает срок технологической подготовки мелкосерийного и опытного производства. Наиболее часто на предприятиях отечественной промышленности в качестве эластичной среды используют полиуретан марок СКУ-7Л и СКУ-ПФЛ [4]. Полиуретановые матрицы не повреждают поверхности штампуемой детали и поэтому пригодны для штамповки деталей из полированных листов, а также заготовок с защитно-декоративными покрытиями [2].

Таблица 2

Расчетные и экспериментальные значения толщины стенки заготовки после последнего перехода

Номер точки Толщина стенки после штамповки, мм

физический эксперимент моделирование

1 2 3 4 5 2,92 3,05 3,02 3,02 3,02 2,82 2,91 2,91 3,15 3,24

1 2 3 4 5 Номер точки

Рис. 2. Результаты экспериментальных и расчетных данных толщины оболочки:

1, 2, 3, 4, 5 - точки, в которых проводили замеры толщины; ♦ - моделирование; ■ - реальный процесс

-Ф-

-Ф-

Однако штамповка полусферических днищ в полиуретановую матрицу сопряжена с рядом особенностей, которые необходимо учесть при проектировании технологического процесса. Это, прежде всего, факторы, влияющие на поведение металла в процессе вытяжки (усилие прижима, смазки, габариты подушки; коэффициент трения, радиус пуансона, глубина внедрения пуансона; толщина и марка заготовки), а также особенности поведения полиуретано-вой матрицы в процессе вытяжки днищ.

Для определения количественных результатов изменения НДС заготовки необходимо провести анализ схемы вытяжки в штампах с эластичной матрицей. Анализ проводили с помощью программного продукта Дпвув.

Проведение расчетов в этом случае возможно при помощи двумерной конечно-элементной модели рассматриваемой схемы. Создание геометрической модели процесса, основными элементами которой в нашем случае являются матрица, пуансон, кольцевой прижим, заготовка, ведется в программном продукте Дпвув путем объединения примитивов: точек, линий, дуг, поверхностей. Исходными данными для моделирования являются:

- схема вытяжки (рис. 3);

- геометрические размеры пуансона, матрицы и деформируемой заготовки;

- свойства материалов штампа и материалов заготовок.

После создания модели и определения всех ее необходимых характеристик производился расчет.

Успешность математического моделирования зависит от многих факторов, в частности от правильного выбора инструмента моделирования (САЕ-системы), поскольку каждая система имеет свои особенности и предназначена для решения определенного круга задач, что отражается в математическом обеспечении такой системы. Важным является корректное определение свойств материалов, характеристик взаимодействия контактных пар, приложение нагрузок и перемещений, определение температурных режимов процесса и др.

В целях оценки корректности получаемых данных были выполнены проверочные математические эксперименты, моделирующие условия и исходные данные экспериментов,

проведенных в лабораторных условиях. Ведь большие отклонения результатов моделирования и эксперимента ставят под сомнение практическую применимость такой модели.

На рис. 4 представлены результаты математического моделирования и экспериментов. Данные снимались на границе заготовки и матрицы; за нулевую точку принималась точка на оси симметрии заготовки. Заготовка разбивалась по радиусу на 200 элементов, нумерация которых шла от центра к периферии.

Рис. 3. Схема геометрической модели вытяжки полусферических днищ в штампах с эластичной матрицей

Рис. 4. Распределение радиальных напряжений в заготовке из сплавов 12Х18Н10Т (а) и АМг6 (б):

1 - математическое моделирование; 2 - экспериментальные данные

ЮБИЛЕИ КАФЕДР МАТИ

Базовые параметры моделируемого процесса и физико-механические свойства полиуретана, используемые в модели, приведены ниже.

Базовые параметры моделируемого процесса вытяжки полусферических днищ

в штампах с полиуретановой матрицей

Штампуемый материал........... АМг6,

12Х18Н10Т

Марка полиуретана............... СКУ-7Л

Диаметр матрицы, мм............ 300

Высота матрицы, мм.............. 300

Высота днища, мм................ 50

Радиус пуансона, мм............. 50

Диаметр заготовки, мм........... 240

Толщина заготовки, мм........... 2

Давление прижима, МПа.......... 6,28*10-2

Внутренний диаметр прижима, мм. . . 105

Физико-механические свойства полиуретана марки СКУ-7Л

Плотность, кг/м3....................1250

Модуль при 300 %- м растяжении, МПа . . 8-10

Прочность на разрыв, МПа...........50-60

Относительное удлинение, %......... 500-600

Остаточное удлинение, % ............ 2-4

Сопротивление раздиру, МПа......... 5-7

Твердость по ТМ-2 (шкала А).........75-80

Максимальное отклонение результатов экспериментов и математического моделирования составляет 6,4 % при вытяжке полусферических днищ из сплава 12Х18Н10Т и 5,8 % - при вытяжке из сплава АМг6М. Сравнение результатов математического моделирования и экспериментов доказывает корректность созданной математической модели вытяжки днищ в металлическую матрицу.

В процессе исследования такие параметры, как диаметр и высота матрицы, радиус пуансона, толщина заготовки, изменялись по сравнению с базовыми (табл. 3).

Результаты математического моделирования показали, что при глубине внедрения пуансона более чем на треть высоты поли-уретановой подушки напряжения превышают максимально допустимые значения для полиуретана и начинается разрушение поли-уретановой матрицы (выкрашивание). Эти данные подтверждают технические рекомендации по применению эластичной среды в качестве рабочих частей штампов других авторов [2, 4]. Поскольку в процессе вытяжки

днищ основное силовое воздействие на поли-уретановую матрицу оказывают осевые напряжения стм, именно эти напряжения определяют, главным образом, стойкость матрицы. Поэтому необходимо исследовать зависимости осевых напряжений и деформаций в полиуретановой матрице при штамповке полусферических днищ. В результате таких исследований получены следующие зависимости максимальных сжимающих напряжений в полиуретановой матрице от параметров технологического процесса (табл. 4).

Таблица 3

Диапазоны изменения параметров модели

Варьируемый параметр модели

Толщина заготовки й Радиус пуансона г Диаметр матрицы d Высота полиуретановой матрицы Ь

Соотношение диаметра матрицы к радиусу пуансона d/г Коэффициент трения ктр Глубина внедрения пуансона в матрицу dу

Диапазон изменения

1-3 мм 25-55 мм 200-440 мм 200-600 мм

4-8

0,1-0,5 От 5 мм до начала разрушения (1/3 от высоты матрицы)

Таблица 4

Зависимости максимальных сжимающих напряжений в полиуретановой матрице от параметров технологического процесса

Параметр

Диаметр

матрицы

Высота

матрицы

Радиус

пуансона

Коэффициент трения

Глубина вытяжки Толщина материала

Функциональная зависимость

тах = 21^2 - 24,45d + 15,77

тах = -20Ь2 - 20Ь + 14,6

стм тах = -565,41 г2 + 13,94 г + 11,106

тах = -12,75+ 28,25-

тр

- 21,87 к;р + 6,9ктр + 9,6

тр

тах = 467^у + 0,48

тах = 78500Й2 - 837й + 12,175

-Ф-

-Ф-

ЮБИЛЕИ КАФЕДР МАТИ

С помощью многопараметрической аппроксимации получена общая зависимость максимальных сжимающих напряжений, возникающих в полиуретановой матрице, при штамповке полусферических днищ. Для заготовки из сплава АМг6:

стм тах = 4,3d2 - 4^ + 4Ь2 - 4Ь - 113,08г2 +

+ 2,788Г + 93,56dy + 1570052 - 167,45 + 10,82,

где d - диаметр матрицы, м; Ь - высота матрицы, м; г - радиус пуансона, м; dy - глубина внедрения пуансона в матрицу, м; 5 - толщина заготовки, м. Для заготовки из сплава 12Х18Н10Т:

ст

м тах = 4,085 d2 - 4да + 3,8Ь2 - 3,8Ь -

- 107,43г2 + 2,65г + 88,88dy + 1491552 -- 159,035 + 10,82.

По результатам исследований выведены общие зависимости максимальных радиальных напряжений в материале штампуемой заготовки от габаритов полиуретановой матрицы и радиуса полусферического пуансона.

Для сплава 12Х18Н10Т:

ст

- = 1,88Ь- - 11,3Ь +

+ 1,56 — - 1,88 ^ + 105, 2 г

г

(7)

где Ь - высота полиуретановой матрицы; d - диаметр полиуретановой матрицы; г - радиус пуансона. Для сплава АМг6:

сттах г = 1,38 ^ - 10 Ь + г2 г

+ 1,94 - 15,4d + 106. 2г

г

(8)

Представленные формулы могут использоваться также для управления НДС в заготовке. Как отмечалось ранее, уровень радиальных и тангенциальных напряжений в днищах зависит от величины подпора со стороны полиуретановой матрицы. Регулируя уровень напряжений в матрице за счет ее габаритов, можно тем самым управлять уровнем напряжений в штампуемой заготовке, что обеспечивает требуемый уровень нагартов-ки в готовом днище.

В ходе работы были разработаны матема -тические модели вытяжки полусферических изделий с использованием метода конечных элементов. При помощи математической модели изучено распределение НДС заготовки при вытяжке полусферического изделия. Опытная штамповка по рассчитанным технологическим параметрам процесса позволила получить изделия без дефектов заданной геометрии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Мельников Э.Л. Холодная штамповка днищ. -М.: Машиностроение, 1976. - 184 с.

2. Ходырев В.А. Проектирование, изготовление и эксплуатация штампов с полиуретаном. - Пермь: Пермское книжное издательство, 1975. - 365 с.

3. Петров А.П., Галкин В.И., Палтиевич А.Р. Применение аппарата математического моделирования при производстве изделий из гомо- и гетеро-

генных материалов методами обработки металлов давлением // В сб.: Деформация и разрушение материалов. Т. 2. - М.: ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН, 2006. С. 760-763.

4. РТМ 374-73. Штампы листовой холодной штамповки. Рекомендации по применению полиуретана. 1973.

2

г