CC BY
17
УДК 621.7.01; 621.7.04
К ВОПРОСУ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНОГО КОНТУРА
ПЛОСКОЙ ЗАГОТОВКИ ПРИ ВЫТЯЖКЕ НИЗКИХ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ КОРОБОК С БОЛЬШИМИ УГЛОВЫМИ
РАДИУСАМИ
В. Д. Кухарь, А.Н. Малышев, Ю.В. Бессмертная
Представлены теоретические результаты по вытяжке низких прямоугольных коробок с большими угловыми радиусами, позволяющие получать рациональный контур заготовки для деталей без дефектов. Проведен анализ изменения силы, распределения напряжений и деформаций при получении низких прямоугольных коробок с большими угловыми радиусами. Выполнена оценка вероятности повреждения деталей с использованием методики прогнозирования разрушения металла Кокрофта - Латама. Полученные результаты позволяют разработать рекомендации по проектированию технологического процесса вытяжки низких прямоугольных коробок с большими угловыми радиусами, обеспечивающие уменьшение трудоемкости изготовления деталей, металлоемкости заготовок и позволяющие повысить экономические показатели производства.
Ключевые слова: вытяжка, прямоугольная коробчатая деталь, сила, напряжение, деформация, разрушение.
В данной статье представлены результаты теоретических исследований, основанные на базе метода конечных элементов, процессов вытяжки низких прямоугольных коробок с большими угловыми радиусами. Имеющиеся в настоящее время методы расчета и построения заготовок для вытяжки прямоугольных коробок охватывают лишь частные случаи без четкого указания пределов их применения. Данные методы заключаются в проведении расчетов длин отгибаемой части стенок, радиуса заготовки в углах и геометрическом построении плавного контура заготовки путем сопряжения полученных линий. Как правило, на практике получается так, что методы расчета и построения заготовок, применяемые в одном случае, не пригодны при вытяжке аналогичных коробок, но с другим соотношением размеров. Определение рационального контура заготовок для получения деталей без дефектов является актуальной задачей.
Низкие прямоугольные коробки получают однооперационной вытяжкой, при этом должно выполняться соотношение высоты детали с учетом припуска на обрезку и ширины (длины) Нпр /В £ 0,6...0,8. Согласно
рекомендациям В.П. Романовского, при выполнении условия Гул /(2Ау - Н) > 0,4 прямоугольные коробки относятся к типу коробки с
большими угловыми радиусами, формой заготовок для которых является овал с криволинейными большими сторонами (рис. 1) [1, 2, 3, 4].
2 Ву ^
^ 1
Рис. 1. Форма заготовки для вытяжки прямоугольной коробки с большими угловыми радиусами
Исследования выполнены в среде программного комплекса Qform2D/3D для стали 08кп.
Рассмотрим процесс вытяжки прямоугольной коробки со сторонами 45 и 80 мм, высотой 20 мм, толщиной 1 мм, угловыми радиусами 10 мм.
На рис. 2 приведены 3D-модели заготовки и инструмента. Использовался процесс вытяжки без прижима материала с применением простого вытяжного штампа, состоящего из матрицы и пуансона.
Рис. 2. ЗБ-модели инструмента и заготовки: 1 - пуансон; 2 - заготовка; 3 - матрица
В качестве оборудования был выбран гидравлический пресс номинальной силы 50 МН, скорость ползуна 50 мм/с [5]. Коэффициент трения ц=0,15.
На рис. 3 показано поэтапное получение низкой прямоугольной коробки с большими угловыми радиусами.
1
2
3
4
5
Рис. 3. Этапы получения низкой прямоугольной коробки
Необходимо отметить наличие неровностей верхнего края детали. Для устранения этого дефекта было проведено исследование по уточнению формы заготовки. Выполнили сечение детали таким образом, чтобы получились ровные края. На разрезе были проставлены трассируемые точки (рис. 4).
Исходная деталь Деталь после среза выступов
Рис. 4. Сечение детали
181
После создания трассируемых точек необходимо просчитать их положение на других шагах расчета, а в данном случае - в начале операции. Проведя трассировку, получили уточненный контур заготовки (рис. 5).
Рис. 5. Схема расчета (вид сверху)
Далее был смоделирован процесс вытяжки прямоугольной коробки с большими угловыми радиусами с использованием заготовки новой формы.
На рис. 6 показано поэтапное получение низкой прямоугольной коробки с большими угловыми радиусами из заготовки уточненной формы.
12 3
4 5
Рис. 6. Этапы получения низкой прямоугольной коробки из заготовки уточненной формы
Как видно, была получена прямоугольная коробчатая деталь с ровным контуром стенок.
Проведен сравнительный анализ силового режима и характера распределения напряжений и деформаций при получении низких прямоугольных коробок с большими угловыми радиусами.
На рис. 7 представлена зависимость изменения силы вытяжки от времени при получении низких прямоугольных коробок с большими угловыми радиусами из различных заготовок. Рассматривая силовой режим, следует отметить, что максимальное значение силы, необходимой для деформирования заготовки с уточненным контуром, меньше на 20 % по сравнению с максимальным значением силы, затрачиваемой для получения прямоугольной коробки из исходной заготовки. Характер изменения силы процесса вытяжки для исследуемых заготовок одинаковый.
р, мн
0.025
0.02
0,015
0,01
0.005
0
0 0:1 0.2 0,3 0.4 0.5 0:6 0,7 1, С
Рис. 7. Зависимость изменения силы Р в процессе деформирования: кривая 1 - исходная заготовка; кривая 2 - уточненный контур
заготовки
На рис. 8 приведены схемы расположения координатных осей для оценки главного напряжения ахх, картины распределения которого представлены на рис. 9.
Вариант 1 Вариант 2
Рис. 8. Схемы расположения координатных осей Исходная заготовка
X
Макс. 469 Мин. -834
Вариант 1
Вариант 2
Уточненный контур заготовки
Вариант 1 Вариант 2
Рис. 9. Главное напряжение &хх в различных направлениях
Анализируя рис. 9, можно сделать вывод, что в случае расположения координатных осей по варианту 1 в прямоугольной коробчатой детали с большими угловыми радиусами, полученной из исходной заготовки, наблюдается большой очаг растягивающих напряжений в донной части коробки, при этом растягивающие и сжимающие напряжения меньше, чем в варианте 2. Причем сжимающее напряжение в варианте 1 меньше на 25 % по сравнению с вариантом 2. Необходимо отметить, что в прямоугольной коробчатой детали с большими угловыми радиусами, полученной из заготовки с уточненным контуром в варианте 1, также имеется наличие в донной части области растягивающих напряжений иприсутствуют максимальные значения сжимающих напряжений.
Сравнивая схемы напряженного состояния в деталях, полученных из разных заготовок, было выявлено, что максимальное растягивающее и сжимающее напряжения наблюдаются в случае использования уточненного контура заготовки. Но, в целом, изучая картину распределения напряжений, можно сделать вывод, что процесс вытяжки коробчатой детали из заготовки уточненного контура протекает благоприяно.
Далее представлены схемы, позволяющие оценить интенсивность напряжений (рис. 10) и накопленную деформацию (рис. 11).
а б
Рис. 10. Схема к оценке интенсивности напряжений: а - исходная заготовка; б - уточненный контур заготовки
Следует отметить, что очагов с максимальным значением интенсивности напряжений в детали, полученной из заготовки с уточненным контуром, наблюдается меньше, чем в исходном варианте.
Исследуя схемы на рис. 11, выявили, что максимальные значения накопленной деформации в вытянутой прямоугольной коробке из заготовки с уточненным контуром меньше на 30 % в сравнении с коробкой, полученной из овала с криволинейными большими сторонами.
185
а б
Рис. 11. Схема к оценке накопленной деформации:
а - исходная заготовка; б - уточненный контур заготовки
Из рис. 10 и 11 видно, что максимальные значения исследуемых параметров достигаются в угловых зонах краевых участков прямоугольных коробок.
Таким образом, можно сделать вывод, что в прямоугольной коробчатой детали с большими угловыми радиусами, полученной из заготовки с уточненным контуром по разработанной методике, наблюдается благоприятное напряженно-деформированное состояние.
Было проведено исследование возможности нарушения сплошности материала в процессе формообразования. Величины критических значений критерия Кокрофта - Латама идентифицируют появление трещин.
Оценить вероятность повреждаемости материала в процессе пластической деформации в программном комплексе QForm 2Б/3Б позволяет методика прогнозирования разрушения металла Кокрофта - Латама.
Так как данный критерий является качественным, то разрушение более вероятно в местах с его максимальным значением.
На рис. 12 представлена картина распределения значений показателя критерия разрушения Кокрофта - Латама в прямоугольной коробке с большими угловыми радиусами, полученной из различных заготовок.
Невысокие значения показателя критерия разрушения Кокрофта -Латаматакже позволяют судить о благоприятной схеме напряженно-деформированного состояния. Как видно из рис. 12, опасные зоны расположены в углах деталей. Максимальное значение показателя критерия разрушения Кокрофта - Латама наблюдается в угловой зоне перехода от дна к стенке в прямоугольной коробке. Максимальное значение показателя кри-
терия разрушения составляет 0.24, что на 10 % меньше показателей для прямоугольной коробки, полученной из первоначальной заготовки с криволинейными сторонами.
- 0.24
- 022 - 0.20 - 0.18 - 0.16
- 0.14
- 0.12 - 0.10 - 0.08 - 0.06
- 0.04
- 0.02 - 0.00
024 0.00
а б
Рис. 12. Распределение значений показателя критерия разрушения Кокрофта - Латама:
а - исходная заготовка; б - уточненный контур заготовки
Разработанная методика определения рационального контура профильной заготовки при вытяжке коробок прямоугольного сечения на базе программного комплекса QForm 2D/3D с использованием трассируемых точек заключается в создании исходного контура заготовки исходя из конечных размеров вытянутой детали с ровным контуром.
Использование уточненного контура плоской заготовки позволит обеспечить снижение силы процесса, напряженно-деформированных показателей и повреждаемости, уменьшения трудоемкости изготовления прямоугольных коробчатых деталей за счет уменьшения объема, а в некоторых случаях и отказа от механической обработки, уменьшение металлоемкости заготовок.
Полученные результаты можно использовать при проектировании технологических процессов вытяжки низких прямоугольных коробок.
Список литературы
1. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение, 1979. 520 с.
2. Головлев В. Д. Расчет процессов листовой штамповки. М.: Машиностроение, 1974. 136 с.
3. Листовая штамповка: Расчет технологических параметров: справочник / В.И. Ершов [и др.]. М.: Изд-во МАИ, 1999. 516 с.
187
4. Колмогоров В. Л. Механика обработки металлов давлением. Екатеринбург: Уральский государственный технический университет, 2001. 836 с.
5. Биба Н.В., Стебунов С.А. QForm 5.0 - программный инструмент для повышения эффективности производства в обработке металлов давлением. 2008.
Кухарь Владимир Денисович, д-р техн. наук, проф., Vladimir.D.Kuchar@,tsu. tula. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Малышев Александр Николаевич, канд. техн. наук, доц., Im-kf.mgtu a inhox.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана,
Бессмертная Юлия Вячеславовна, канд. техн. наук, доц., mpf-tulaaramhler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
TO THE QUESTION OF DETERMINING THE RATIONAL PLANE CIRCUIT BREAKING A T THE EXHA UST LOW RECTANGULAR BOXES WITH LARGE CORNER RADIUSS
V.D. Kuchar, A.N. Malyshev, Yu. V. Bessmertnaya
Theoretical results on the drawing of low rectangular boxes with large angular radii are presented, which make it possible to obtain a rational contour of the workpiece for details without defects. The analysis of the change in force, distribution of stresses and deformations in obtaining low rectangular boxes with large angular radii is carried out. The probability of damage to parts was estimated using the Cokroft-Latam metal fracture prediction technique. The obtained results make it possible to develop recommendations on the design of the technological process for drawing low rectangular boxes with large angular radii, which ensure a reduction in the laboriousness of manufacturing parts and the metal consumption of blanks, and which make it possible to increase the economic indicators of production.
Key words: hood, rectangular box-like part, force, tension, deformation, destruction.
Kukhar Vladimir Denisovich, doctor of technical sciences, professor, Vladimir.D.Kuchar@,tsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Malyshev Aleksandr Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, lm-kf.mgtuginbox.ru, Russia, Kaluga, Kaluga Branch of "Moscow State Technical University named after N.E. Bauman,
Bessmertnaya Yuliya Vyaceslavovna, candidate of technical sciences, docent, mpf-tulaqrambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
