CC BY
28
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.98.044:539.3 О. И. МОРОЗОВ
МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ НДС РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ ОПЕРАЦИЙ ЛИСТОВОЙ ШТАМПОВКИ
Представлены результаты анализа влияния величины межинструментального зазора и марки материала на качество вырубаемых изделий. Рассмотрены вопросы по определению диапазона рациональных значений величины межинструментального зазора с учетом результата моделирования процесса разделения в системе ЬБ-ОУЫА.
Ключевые слова: вырубка, межинструментальный зазор, заусенцы, царапины, моделирование, напряжения.
Одним из факторов, влияющих на износ рабочей поверхности штампового инструмента, является напряжённо-деформированное состояние (НДС) инструментального материала в зоне деформации. Разделительные процессы листовой штамповки характеризуются как многостадийные процессы [1-8], имеющие характерные особенности на каждом из этапов. В связи с этим целесообразно использовать процедуру моделирования процесса вырубки, т. к. использование математических моделей позволит проводить неограниченное количество повторений эксперимента без существенных трудозатрат.
Анализ программных продуктов, используемых при моделировании процессов ОМД, позволил выделить в качестве основной - многоцелевую программу конечно-элементного анализа ANSYS/LS-DYNA, которая позволяет дать оценочную характеристику поэтапного деформирования при вырубке [9].
Процесс вырубки характеризуется неоднородной схемой НДС с линейным неравенством уровня как растягивающих, так и сжимающих напряжений. При этом в различных участках по толщине материала и этапах деформации наблюдаются как плоская, так и объёмная схемы НДС[10]. Значения и знак напряжений и деформаций «растяжение-сжатие» в очаге разделения определяют качество боковой поверхности среза, что может обеспечено варьируя величиной межинструментального зазора. Таким образом, можно прогнозировать продолжительность этапа разделения металла и характер разрушения в очаге деформации процесса вырубки при различных значениях
© Морозов О. И., 2021
межинструментальных зазоров [11-13].
Для анализа напряжённо-деформированного состояния в системе «заготовка - рабочий инструмент» в очаге деформирования была разработана расчётная конечно-элементная модель вырубки по наружному контуру для тонколистового материала при реализации плоской деформации.
Расчёт НДС с использованием программной среды LS-Dyna проводился на базовой кафедре «Технология заготовительно-штамповочного производства» Ульяновского государственного технического университета. В качестве исходного материала использовались стали 08, 20 и 45, толщина материала S = 1мм. Вырубка производится при зазорах между матрицей и пуансоном, равных (5, 10 и 15)% от толщины материала. Варьирование марки материала и величин зазоров в данных диапазонах использован для оценки рациональных их величин при обеспечении минимальной высоты заусенца ^заус) и минимального усилия деформирования (Р).
Моделирование процесса вырубки с использованием программного обеспечения LS-DYNA осуществлялось в такой последовательности. Была построена конечно-элементная модельпро-цесса разделения (рис. 1) со следующими параметрами: диаметры пуансонов - (24,5; 24,6; 24,7) мм, диаметр рабочего отверстия матрицы 24,8 мм, межинструментальный зазор соответственно (0,15; 0,1; 0,05) мм, толщина вырубаемой заготовки 1 мм.
Были заданы следующие параметры процесса вырубки: тип материала - упруго-пластический, размер конечно-элементной сетки - (0,03X0,03) мм.
а)
б)
Рис. 1. Моделирование процесса вырубки: а) 2D-модель процесса вырубки (1 - заготовка, 2 - пуансон, 3 - матрица); б) блок-схема моделирования процесса вырубки (пробивки)
а)
б)
в)
Рис. 2. Результаты моделирования в характерных стадияхпроцесса деформирования стали 08:
а) 2=(5%^; б) 2=(10%^; в) 2=(15%^
Оптимизированная модель при перестроении в 2D позволяет уменьшить размер ячеек конечно-элементной сетки до значений 0,01 мм, при этом модель, выполненная в виде сечения, позволяет без внесения большого числа итерации преобразовывать данную модель под конкретные операции и габаритные размеры инструмента; определить НДС в отдельном сечении и произвести анализ распределения полей напряжений и деформаций на протяжении всего процесса штамповки с достаточно высокой точностью, что позволяет предугадывать образование критических зон разделения листового металла и износа инструмента.
При расчётах применён метод конечных элементов, который позволяет определить напряженно-деформированное состояние на различных этапах деформирования. Для уменьшения погрешности вычисления использована сетка в виде правильных многоугольников.
Заготовка разбивалась на 11374 прямоугольных конечных элемента. Алгоритм расчёта: область, в которой ищется решение дифференциальных уравнений, разбивается на конечное количество подобластей (элементов). В каждом из элементов произвольно выбирается вид аппроксимирующей функции. Вне своего элемента аппроксимирующая функция равна нулю. Значения функций на границах элементов (в узлах) являются решением задачи. На рисунке 9представлена блок-схема моделирования процесса вырубки (пробивки).
В результате расчётов выявлено пять характерных стадий процесса вырубки, отличающихся между собой как характером деформации ме-талла(упругая, упругопластическая, срез), так и величиной пластических напряжений в очаге деформации. На рисунках 2-4 представлены результаты анализа напряжённо-деформированного состояния материала в очаге деформации (разделения) при различных значениях межинструментального зазора для сталей 08, 20,45 и деформацией по толщине металла (25, 50,75)%.
1-я стадия: момент касания пуансона с деталью (деформация металла заготовки по толщине составляет:0 < е < 2 5 %). Наблюдается появление упругой деформации, при этом пуансон производит сжатие металла, наблюдается упругий прогиб, металл вдавливается в рабочее отверстие матрицы. В конце стадии - упругопла-стическая деформация. Максимальные напряжения не превышают: а)378 МПа; б) 405 МПа; в) 490 МПа.
2-я стадия: момент начала отделения детали от заготовки (деформация металла заготовки по толщине составляет 2 5 < е < 5 0 %:). Наблюда-
ется появление упругопластической деформации. Максимальные напряжения не превышают: а) 564 МПа; б) 598 МПа; в) 651 МПа.
3-я стадия: появление заусенца на поверхности среза детали (деформация металла заготовки по толщине составляет: 5 0 < е < 7 5 %). Образование и развитие скалывающих трещин. Максимальные напряжения не превышают: а) 687 МПа; б) 699 МПа; в) 733 МПа.
4-я стадия: продолжение процесса разделения металла (деформация металла заготовки по толщине составляет е=90%). При дальнейшем опускании пуансона происходит полное отделение вырубаемого контура (хрупкий скол). Максимальные напряжения не превышают:а) 865 МПа; б) 892 МПа; в) 925 МПа.
5-я стадия: окончание процесса вырубки, часть заусенца удаляется за счёт пластического контакта поверхности разделения с матрицей.
Результаты анализа напряжённо-деформированного состояния в зоне разделения металла при вырубке позволили выявить характер распределения полей главных нормальных напряжений в очаге деформации, установлено наличие пяти характерных стадий процесса вырубки, отличающихся как характером деформации металла (упругая, упругопластическая, срез), так и величиной напряжений в очаге деформации.
Использование результатов численного моделирования позволило установить, что при различных технологических зазорах по мере увеличения нагрузки растёт очаг деформации и концентрация напряжений у режущих кромок. По мере перемещения верхнего инструмента интенсивность напряжений распространяется вглубь очага деформации.
Анализ результатов моделирования позволил сделать вывод, что основные этапы механизма разделения при вырубке (пробивки) остаются постоянными в пределах рассматриваемых величин межинструментального зазора, при этом наблюдается соответственно увеличение величины напряжений.
Установлен «суженый» диапазон рациональных величин межинструметального зазора для сталей марок 08, 20, 45, соответствующий (5...7) % от толщины материала, при котором обеспечивается повышение качества поверхности разделения, уменьшение максимальных напряжений в очаге деформации, и как следствие, повышение стойкости инструментальной оснастки.
Применение граничного диапазона величин зазоров позволит существенно снизить трудоёмкость переналадок штампового инструмента в условиях массового и крупносерийного производств.
Стадия вырубки
Деформация по толщине
г=5%
2-10%
г=15%
Опгечаток а^ОЗМТп
Огтечаток о,^23МЪ
Отпектк о&53НТа
Образование и разбитие скал, трещин о*(598МЪ
Образование и развитие скал, трещин а(628МПа
Образабоше и разбитие скал трещщ о*66ТПа
Разбитие скал, трещин а*699МПп
Разбаш скал, трещин о*79МЪ
Развитые скал трещщ агвЮМПа
Разбитие скал трещинхрипкий скол 0'(892МПа
Разбитие скал трщинхрцпкий скол а*929МПа
Окончите процесса бырудки Осанчаше процесса бырудки Окончание процесса бырфки
а) б) в)
Рис. 3. Результаты моделирования в характерных стадиях процесса деформирования стали 20:
а) 2=(5%^; б) 2=(10%^; в) 2=(15%^
Стадия бырудки
1=5%
Ъ= 10%
7=15%
е=25%
Отпечаток. а^ЭОМПа
Оёразобаив и развитие аапщзешн а&ЗШа
Оплечагтвк в*587№1а
с=50%
Образование и разбитие скал.трещин. о*651МПа
Разбитие скал, трещин, а<689М7а
Офазобание и развитие скал трещщ а*711М1а
€=75%
Развитие скал, трещин. 0£733РПа
Разбитие скал, трещин. тШПа
РазОипие скал трещин 7№а
Разбитие скал, трещин хрупкий скол о*925МПа
е скал трещин хрупкий скол о&шна
РазЬшюе скал, трещин •руо*9ММЬ
Окончание процесса бырудки Окончание процесса бырудки
Окончание процесса бырудки
а)
б)
в)
Рис. 4. Результаты моделирования в характерных стадиях процесса деформирования стали 45:
а) 2=(5%^; б) 2=(10%^; в) 2=(15%^
Выявлена сходимость результатов экспериментального исследования и моделирование процесса разделения металла по схеме вырубки по наружному контуру:диапазон межинструментального зазора, обеспечивающего высокое качество боковой поверхности среза для сталей марок 08, 20 и 45, составляет (5. 7)% от толщины материала. Тем самым достигнуто сужение диапазона рациональных величин зазора для сталей различных групп твердости, что обеспечивает снижение трудоемкости переналадок штампового инструмента в условиях массового и крупносерийного производств.
Использование результатов экспериментальных исследований и моделирования НДС позволяет осуществлять анализ и минимизирование причин возникновения заусенцев на кромке широко используемых сталей машиностроительного назначений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шенбергер П. Н. Совершенствование процесса разделительных операций изготовления крупногабаритных заготовок из тонколистового материала и проектирование оснастки для их получения: Автореферат дисс. канд. техн. наук. -Тольятти, 2018. - 16 с.
2. Головин Р. А., Навроцкий А. Г. и др. Технология и оборудование холодной штамповки. -М.: Машиностроение, 1987. - 352 с.
3. Илюшкин М. В. Моделирование процессов обработкиметаллов давлением: Теория и семинары. - Ульяновск, 2017. -125 с.
4. Зубцов М. Е. Листовая штамповка: учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности «Машины и технология обработки металлов давлением». - 3-е изд., перераб. и доп. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1980. — 432 с.
5. Кокорин В. Н., Подмарев Д. Р., Храмов М. А., Мишов Н. В., Шиллер Н. В. Исследование напряженно-деформированного состояния материала заготовки при нагружении клиновидным инструментом // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2020. - №7. - С. 13.
6. Табаков В. П., Кокорин В. Н., Корняков Е. Л., Морозов О. И., Алешин А. С., Сагитов Д. И. Повышение стойкости штампового инструмента с износостойким покрытием на формоизменяющих операциях // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2020. - №6. - С. 352-358.
7. Аверкиев Ю. А., Аверкиев А. Ю. Технология холодной штамповки: учебник для вузов. -М.: Машиностроение, 1989. - 303 с.
8. Морозов О. И., Кокорин В. Н., Табаков В. П., Сагитов Д. И., Илюшкин М. В., Ширманов Н. А. Физическая модель структурирования системы «подложка - покрытие» в процессах комплексного модифицирования поверхностного слоя рабочих частей штампов и пресс-форм // Наукоёмкие технологии в машиностроении. -2018. - №11 (89). - С. 35-41.
9. Морозов О. И., Табаков В. П., Кокорин
B. Н., Илюшкин М. В., Титов Ю. А., Сагитов Д. И. Моделирование напряжённо-деформированного состояния штампового инструмента с износостойким покрытием на разделительных операциях листовой штамповки с использованием программного пакета LS-DYNA // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. - 2020. - Т. 22, №3. -
C. 5-11.
10. Морозов О. И., Мишов Н. В., Шиллер Н. П., Бузыцкий А. М. Физическая модель структурирования в процессах комплексного модифицирования поверхностного слоя рабочих частей штампов и пресс-форм // XXX Международная инновационная конференция молодых учёных и студентов (МИКМУС-2018). Сборник трудов конференции (Москва, 20-23 ноября 2018 года). - М., 2019. - С. 39-41.
11. Табаков В. П., Кокорин В. Н., Морозов О. И., Алешин А. С., Аль Кадхими М. Ф. Д., Са-гитов Д. И. Моделирование процесса предварительной механической активации подложки композиции покрытие - металл и исследование напряжённого и деформированного состояния рабочих поверхностей штампового инструмента // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2019. - Т. 15, №11 (179). - С. 523-528.
12. Морозов О. И., Кокорин В. Н., Табаков В. П., Сагитов Д. И., Илюшкин М. В., Ширманов Н. А. Повышение стойкости рабочих поверхностей деталей штампов при использовании комплексной модификации // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2019. - №3. - С. 317-326.
13. Кокорин В. Н., Табаков В. П., Григорьев А. А., Морозов О. И. Исследование комплексного модифицирования поверхности рабочего штампого инструмента при использовании механической активации сортового металлопроката // Наука, теория, практика авиационно-промышленного кластера современной России: Материалы III Международной научно-производственной конференции, приуроченной ко Дню Российской науки и 95-летию гражданской авиации России (Ульяновск, 8 февраля, 2018 года). - Ульяновск, 2018. - С. 39-42.
REFERENCES
1. Schoenberger P. N. Sovershenstvovanie processa razdelitel'nyh operacij izgotovleniya krupnogabaritnyh zagotovok iz tonkolistovogo materiala i proektirovanie osnastki dlya ih polucheniya: Avtoreferat diss. kand. tekhn. nauk [Improvement of the process of dividing operations for the manufacture of large-sized blanks from thin-sheet material and the design of tooling for their production: Abstract of the thesis. for the degree of Cand. tech. sciences]. Togliatti, 2018, 16 p.
2. Golovin R. A., Navrotsky A. G. and other Tekhnologiya i oborudovanie holodnoj shtampovki [Technology and equipment for cold stamping]. Moscow, Mashinostroenie [Mechanical Engineering], 1987,352 p.
3. Ilyushkin M. V. Modelirovanie processov obrabotkimetallov davleniem: Teoriya i seminary [Modeling of metal forming processes: Theory and seminars]. Ulyanovsk, 2017, 125 p.
4. Zubtsov M. E. Listovaya shtampovka: ucheb-nik dlya studentov vuzov, obuchayushchihsya po special'nosti «Mashiny i tekhnologiya obrabotki metallov davleniem». [Sheet stamping: A textbook for university students enrolled in the specialty «Machines and technology for metal forming»]. -3rd ed., Rev. and add. L ., Mashinostroenie. Leningr. otd-nie, [Mechanical engineering. Leningrad. department], 1980, 432 p.,
5. Kokorin V. N., Podmarev D. R., Khramov M. A., Mishov N. V., Shiller N. V. Issledovanie napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya materiala zagotovki pri nagruzhenii klinovidnym instrumentom [Investigation of the stress-strain state of the workpiece material when loaded with a wedge-shaped tool]. Uprochnyayushchie tekhnologii ipokrytiya. 2020, No. 7. P. 13.
6. Tabakov V. P., Kokorin V. N., Kornyakov E. L., Morozov O. I, Aleshin A. S., Sagitov D. I. [Increasing the durability of a stamping tool with a wear-resistant coating on shaping operations]. [Bulletin of the Tula State University. Technical science]. 2020, No. 6, pp. 352-358.
7. Averkiev Yu. A., Averkiev A. Yu. [Cold stamping technology: a textbook for universities]. M., [Mechanical Engineering]. 1989, 303 p.
8. Morozov O. I, Kokorin V. N, Tabakov V. P, Sagitov D. I, Ilyushkin M. V., Shirmanov N. A. [Physical model of structuring the system "substrate - coating" in the processes of complex modification of the surface layer of the working parts of dies and molds]. [Science-intensive technologies in mechanical engineering]. 2018. No. 11 (89), pp. 35-41.
9. Morozov O. I., Tabakov V. P., Kokorin V. N., Ilyushkin M. V., Titov Yu. A., Sagitov D. I. [Modeling the stress-strain state of a stamping tool with a
wear-resistant coating in the separation operations of sheet stamping using the LS-DYNA software package]. [Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Mechanical engineering, materials science]. 2020, Vol. 22, No. 3, pp. 5-11.
10. Morozov O. I., Mishov N. V., Shiller N. P., Buzytskiy A. M. [Physical model of structuring in the processes of complex modification of the surface layer of the working parts of dies and molds. XXX International Innovative Conference of Young Scientists and Students (MIKMUS-2018). Proceedings of the conference], 2019, pp. 39-41.
11. Tabakov V. P., Kokorin V. N., Morozov O. I., Aleshin A. S.,. Al Kadhimi M. F. D., Sagitov D. I. [Simulation of the process of preliminary mechanical activation of the substrate of the coating -metal composition and investigation of the stressed and deformed state of the working surfaces of the stamping tool]. [Strengthening technologies and coatings (Moscow, November 20-23, 2018)], 2019, Vol. 15, No. 11 (179), pp. 523-528.
12. Morozov O. I., Kokorin V. N., Tabakov V. P., Sagitov D. I., Ilyushkin M. V., Shirmanov N. A. [Increasing the resistance of the working surfaces of die parts when using a complex modification]. [Bulletin of the Tula State University. Technical science], 2019, No. 3, pp. 317-326.
13. Kokorin V. N., Tabakov V. P., Grigoriev A. A., Morozov O. I. [Investigation of the complex modification of the surface of the working stamping tool using mechanical activation of high-quality metal rolling]. [Science, theory, practice of the aviation-industrial cluster of modern Russia. Materials of the III International Scientific and Production Conference, timed to coincide with the Day of Russian Science and the 95th anniversary of Russian civil aviation], Ulyanovsk, 2018, pp. 39-42.
Морозов Олег Игоревич, старший преподаватель кафедры «Материаловедение и обработка металлов давлением» ФГБОУ ВО Ульяновский государственный технический университет (УлГТУ), г. Ульяновск, E-mail: olmorozov-rabota@yandex. ru. Имеет статьи в области машиностроения и повышения стойкости штампового инструмента.
Поступила 23.08.2021 г.
