CC BY
32
Puzyreva Vera Mihajlovna, candidate of technical sciences, docent, chief technologist, p pv 7171@,mail.ru, Russia, Tula, Ltd. "Fast and Furious",
Pushilina Julija Nikolaevna,candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Demicheva Julija Lvovna, assistant, Demicheva [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.777
КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПРЕССОВАНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ
СТОЕК СТАБИЛИЗАТОРА
И.Г. Гун,А.В. Смирнов, Е.И. Гун, В.И. Куцепендик, В.В. Сальников
Рассмотрен процесс создания неразъемных соединений при производстве стоек стабилизатора путем прессования пластиковых деталей в условиях ультразвуковых колебаний деформирующего инструмента. Создана и описана конечно-элементная модель процесса ультразвукового прессования.
Ключевые слова: конечно-элементное моделирование, стойка стабилизатора, ультразвуковое прессование.
В связи с происходящими в России процессами импортозамещения и технологического перевооружения на предприятии ЗАО НПО «БелМаг» освоено производство стоек стабилизатора поперечной устойчивости автомобиля с применением процесса прессования пластиковой детали со значительными степенями деформации с целью получения неразъемного соединения с ответной стальной деталью [1-4].
Особенность процесса заключается в использовании ультразвуковых колебаний для разогрева материала деталис целью придания материалу пластичности, обеспечивающей возможностьего эффективного формоизменения последующим прессованием (рис. 1).
Источник колебаний 1 генерирует высокочастотные электрические колебания, которые в конвертере 2 преобразуются в механические ультразвуковые колебания. Бустер 3 (механический трансформатор) преобразует колебания и передаёт их на пуансон 4, который передаёт продольные (вдоль вертикальной оси) механические колебания в зону прессования, вызывая нагрев материала детали 5 и осуществляя его прессование. В резуль-
83
тате процесса должен быть получен бурт требуемых геометрических размеров без нарушения целостности материала, обеспечивающий заданные прочностные показатели.
Предлагаемый технологический цикл ультразвукового прессования состоит из следующих операций: подача пуансона без генерации ультразвуковых колебаний до достижения определённого усилия поджатия; генерация ультразвуковых колебаний источником по команде управляющего компьютера; дальнейшая подача пуансона с усилием прессования одновременно с ультразвуковым воздействием до достижения необходимого критерия; прекращение генерации ультразвуковых колебаний, обратный ход пуансона.
5
6
7
И
Рис 1. Принципиальная схема процесса ультразвукового прессования: 1 - источник колебаний; 2 - конвертер; 3 - бустер; 4 - пуансон; 5 - опрессовываемая деталь - вкладыш стойки стабилизатора; 6 - корпус стойки стабилизатора; 7 - шаровой палец стойки
стабилизатора
Форму деформированного бурта во многом определяет геометрия пуансона. В связи с этим для сокращения временных и финансовых затрат при выборе рациональной формы пуансона выявлена необходимость создания модели, описывающей течение процесса. Для выполнения этой задачи была разработана конечно-элементная модель ультразвукового прессования.
Для сокращения затрат машинного времени рассматриваласьмодель 1/12 части шарнира с наложенными граничными условиями симметрии. Динамический расчет с учетом физической и геометрической нелинейности проводился методом конечных элементов по явной схеме интегрирования. Упруго-пластическое поведение материала описывалось билиней-
ной диаграммой напряжения-деформации. Кроме того, для учета воздействия ультразвука в процессе прессования в модели была выделена область материала, обладающего пониженными модулем упругости и пределом текучести (рис. 2, а).
В состав конечно-элементной модели входят модели шарового пальца, корпуса, вкладыша и пуансона. Модели указанных деталей составлены из объемных восьмиузловых гексаэдров, имеющихтри степени свободы в узле для вычисления действующих силовых факторови перемещений, и одну точку интегрирования в центре элемента для определения напряжений и деформаций.
а б
Рис. 2.Конечно-элементная модель процесса: а - зона материала спониженными прочностными свойствами (выделена темным цветом); б - контактныеограничения, наложенные на модель
В модель введены дополнительные балочные элементы для опреде-ленияусилия прессования, по которому проводится проверка адекватности модели.
В модельвключены следующие нагружения и граничные условия:
1. Осесимметричность задачи.
2. Заделка в узле балочного элемента, исключающая перемещения вдольтрёх координат.
3. Контактные ограничения (пуансон - вкладыш, вкладыш - корпус, вкладыш - палец),смоделированные по принципу «Мастер - поверхность -зависимые узлы» (Master - Surface - SlaveNodes), реализующему метод штрафных функций: поверхность, образованная внешнимиграницами конечно-элементной сетки корпуса, может передавать нагрузкупри контакте с зависимыми узлами пальца. В модели заданы возможные места контактов парами контактирующих поверхностей и узлов (рис. 2, б).
4. Принудительное перемещение с постоянной скоростью, приложенное кпуансону.
Проведенное моделирование показало характер течения материала вкладыша, приведенный на рис. 3.
Рис.3. Полученный при моделировании характер деформации материала вкладыша;а - в - последовательные стадии ультразвукового прессования
На рис. 4 приведен характер протекания процесса, полученный экспериментально путем остановки пуансона на различных стадиях процесса и фотографирования профиля опрессовываемой детали. Сравнение профиля той части вкладыша, которая подвергалась ультразвуковому прессованию, с профилем, полученным с использованием разработанной математической модели на аналогичных стадиях процесса, показало удовлетворительное совпадение формы.
Рис. 4. Полученный экспериментально характер деформации материала вкладыша; а - в - последовательные стадии ультразвукового прессования
В процессе моделирования выявлены существенные различия по времени протекания процесса между смоделированным и экспериментальным значением, которые объясняются выбором скорости движения пуансона в конечно-элементной модели. Повышенная по сравнению с реальной скорость выбрана для сокращения затрат машинного времени с учетом того, что в задачи модели не входит расчет времени осуществления процесса.
Таким образом, в условиях ЗАО НПО «БелМаг»разработана математическая модель с использованием метода конечных элементов, позволяющая адекватно описывать изменение формы детали при ультразвуковом прессовании. Полученную модель планируется использовать для аналитического исследования процесса ультразвукового прессования вкладыша стойки стабилизатора с целью определения рациональной формы рабочей части пуансона и конечной формы опрессованного вкладыша, влияющей на прочностные параметры получаемого неразъемного соединения.
Список литературы
1. Разработка, моделирование и совершенствование процессов производства шаровых шарниров автомобилей / И.Г.Гун, И.А.Михайловский, Д.С.Осипов, В.И.Куцепендик, В.В.Сальников, Е.И.Гун, А.В.Смирнов, А.В. Смирнов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2014. №1 (45). С.52 - 57.
2. Разработка процесса планетарно-поворотной обкатки. Михалов-ский И.А., Куцепендик В.И., Гун Е.И., Гун И.Г., Сальников В.В. Металлургические процессы и оборудование. 2014. №1 (35). С. 39-45.
3. Комплексная оценка эффективности процессов производства шаровых пальцев:монография/И.Г. Гун [и др.]. Магнитогорский государст-венныйтехнический университет им. Г.И. Носова. Магнитогорск, 2008.
4.Развитие процессов ОМД в производстве автокомпонентов / В.И. Куцепендик, И.Г. Гун, И. А. Михайловский, Д.С. Осипов, В.В. Сальников, Е.И. Гун, Ар.В. Смирнов, Ал.В. Смирнов // XIV International Scienti-ficconference «New technologies and achievement sinmetallurgy, material engineering and production engineering»: Collective monograph; ed. by H.Dyja, A.Kawalek. Series: monographs. №31. Czestochowa. 2013. P. 309 - 316.
Гун Игорь Геннадьевич, д-р техн.наук, проф., генеральный директор, Россия, Магнитогорск, ЗАО НПО «БелМаг»,
Смирнов Алексей Вячеславович, асп.,Россия, Магнитогорск,Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Гун Евгений Игоревич, асп., Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
87
Куцепендик Вячеслав Иосифович, канд.техн.наук, доц., Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Сальников Виталий Владимирович, канд.техн.наук,доц., главный технолог, Россия, Магнитогорск, ЗАО НПО ««БелМаг»
FINITE ELEMENT MODELING OF ULTRASONIC PRESSING PROCESS USED IN PRODUCTION OF STABILIZER LINKS
I.G.Gun, A.V.Smirnov,E.I. Gun, V.I.Kutsependik, V.V.Salnikov
Process of creating a permanent connection during production of stabilizer links by pressing plastic parts under ultrasonic vibrations of a deforming tool is observed. Finite element model of an ultrasonic pressing process is developed and described.
Key words: finite element modeling, stabilizer link, ultrasonic pressing.
Gun Igor Gennadievich, doctor of technical sciences, professor, general director, Russia, Magnitogorsk, BelMagCJSC,
Smirnov Alexey Vyatcheslavovich, postgraduate, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov,
Gun EvgenyIgorevich, postgraduate, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov,
KutsependikVyatcheslavIosiphovich, candidate of technical sciences, docent, Russia, Magnitogorsk,Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov,
SalnikovVitaly Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent,Russia, Magnitogorsk, chief engineering manager of BelMagCJSC
