CC BY
10
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.9.025
О. И. МОРОЗОВ, В. П. ТАБАКОВ, В. Н. КОКОРИН, М. В. ИЛЮШКИН
МОДЕЛИРОВАНИЕ НДС ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ИНСТРУМЕНТА С ИЗНОСОСТОЙКИМ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫМ ПОКРЫТИЕМ В ПРОЦЕССАХ ОМД
В данном исследовании было определено влияние износостойкого покрытия, нанесённого на рабочую кромку штампового инструмента на НДС в зоне деформации. В программном пакете Ansys ЬБ-ёупа были построены модели процессов вырубки с инструментом с износостойким покрытием и без покрытия, получены визуальные интерпретации распределения полей напряжений в материале инструмента, построены графики напряжений и потенциальной энергии в элементах поверхностного слоя в критических точках контакта на характерных этапах процесса вырубки листового материала.
Ключевые слова: штамп, пуансон, матрица, покрытие, износостойкость, математическая модель, LS-dyna, конечно-элементная сетка, напряжённо-деформированное состояние, нитрид титана, ресур-соёмкость.
Исследования выполнены при поддержке гранта РФФИ, проект № 18-48-730011
Одним из факторов, влияющим на износ рабочей поверхности штампового инструмента, является напряжённо-деформированное состояние (НДС) инструментального материала в зоне деформации. В Ульяновском государственном техническом университете (УлГТУ) на кафедрах «Материаловедение и обработка металлов давлением» и «Инновационные технологии в машиностроении» совместно с АО «Ульяновский НИАТ» и АО «Ульяновский патронный завод» проводятся исследования технологии повышения стойкости штампового инструмента с использованием износостойких ионно-плазменных покрытий [1-4].
Для изучения особенностей НДС широко применяется методика построения математических моделей с использованием программных средств, позволяющих производить анализ НДС в зоне контакта рабочих поверхностей инструмента и материала заготовки. С целью определения влияния износостойкого покрытия на основе нитрида титана на напряжённо-деформированное состояние рабочей зоны инструмента были проведены исследования процесса вырубки с использованием метода конечных элементов, реализованного в ПО Ansys LS-dyna [5-8].
© Морозов О. И., Табаков В. П.,
Кокорин В. Н., Илюшкин М. В., 2020
Для моделирования материала износостойкого покрытия была построена конечно-элементная модель процесса определения микротвёрдости образца методом индентирования с использованием пирамиды Кнуппа, для задания материала покрытия была использована модель хрупкого материала Джонсона-Холмквиста (рис. 1). Отклонения размеров отпечатков ин-дентора, полученные при помощи математического моделирования, от реальных размеров, полученных в результате натурного эксперимента на микротвердомере, не превышают 5%.
Моделирование процесса вырубки осуществлялось поэтапно в такой последовательности: построение исходных моделей процессов вырубки-пробивки (оценка НДС); построение моделей инструмента с износостойким покрытием (оценка НДС); сравнение НДС моделей без нанесённого износостойкого покрытия и с нанесённым на инструмент износостойким покрытием на основе нитрида титана. На первом этапе была построена конечно-элементная модель (рис. 2) процесса вырубки (материал инструмента - инструментальная сталь марки Х12М, материал заготовки - алюминиевый сплав Д16). При задании параметров материала инструмента использовался тип материала инструмента без учёта разрушения; пластический тип материала вырубаемой заготовки; применялись справочные и экспериментальные данные, полученные на предыдущем этапе НИР - кривые течения материала, результаты испытаний на растяжение, модуль упругости, коэффициент Пуассона и др.
Рис. 1. Конечно-элементная модель процесса индентирования образца с износостойким покрытием TiN
Рис. 2. Конечно-элементная 3D-модель процесса вырубки: 1 - пуансон (упрощённая модель),
2 - заготовка, 3 - матрица
Представленная модель позволяет оценить НДС рабочей зоны, однако, вследствие наличия большого количества расчётных элементов, требует длительного времени для расчётов (около двух суток) и является достаточно сложной для последующей модификации. Также из-за большого размера ячеек сетки данная модель не позволяет определить НДС в отдельных участках рабочей зоны с достаточной степенью точности - размер ячеек сетки превышает толщину покрытия на два порядка, поэтому для уменьшения времени расчёта при одновременном уменьшении размеров ячеек конечно-элементной сетки был осуществлен переход к двухмерной модели. Согласно данным справочной литературы
[5-10], этот переход позволяет повысить точность получаемых значений НДС без повышения времени расчёта. Также разработанная модель была скорректирована с учётом наличия износостойкого покрытия на основе нитрида титана толщиной около 30 мкм (рис. 3, б). Для этого часть конечно-элементной сетки заданной толщины была отделена от основного материала модели и к ней были приложены параметры материала Джонсона-Холмквиста, определённые на первом этапе исследования. Для увеличения точности расчёта на рабочей кромке был добавлен искусственный радиус скругления R = 0,010 мкм, что обеспечило приближение модели к реальному процессу [9-10].
Двухмерная модель позволяет уменьшить размер ячеек сетки до значений 0,030-0,010 мм, без внесения большого числа изменения преобразовываться в 3D-модель путём поворота вокруг центральной оси на заданный угол, опреде-
лять распределение полей напряжений и деформаций на протяжении всего процесса штамповки с достаточно высокой точностью в отдельном сечении (рис. 4), предугадывать образование критических зон и износа инструмента.
а б
Рис. 3. Модифицированная 2D-модель процесса вырубки: а - визуальное отображение полей напряжений в процессе вырубки, б - модель, модифицированная с учётом добавления износостойкого покрытия
Рис. 4. НДС рабочей зоны инструмента в процессе вырубки: а - без износостойкого покрытия, б - с износостойким покрытием
Рис. 5. Графики изменения напряжения в угловом элементе на поверхности рабочей кромки пуансона: 1 - инструмент с покрытием нитрид титана, 2 - инструмент без покрытия
На рисунке 4 представлено напряжённо-деформированное состояние рабочей зоны в процессе вырубки (32 шаг расчёта из 110) - инструмент без покрытия демонстрирует более высокие и неравномерные значения напряжений. На рисунке 5 представлены графики изменения НДС в очаге деформации на всём протяжении процесса вырубки (для инструмента без покрытия значение пиковых напряжений в элементе габаритными размерами 30х30 мкм — 2,2 ГПа, для упрочнённого инструмента — 1,7 ГПа). При использовании износостойкого покрытия наблюдается снижение пиков напряжений и сглаживание неравномерности НДС в рабочей зоне (площадь поля напряжений уменьшается 1,5-2 раза, пиковые значения напряжений снижаются на 20%).Этот эффект объясняется снижением контактного трения и изменением характера взаимодействия рабочей поверхности инструмента и листовой заготовки под влиянием износостойкого покрытия, в том числе изменением физико-механических характеристик поверхностного слоя, которые происходят в процессе нанесения износостойкого покрытия.
На основании анализа поведения математической модели и полученных графических зависимостей было установлено, что с использованием износостойкого покрытия НДС в зоне деформации в процессе вырубки изменяется благоприятным образом; полученные модели позволят как варьировать схемой НДС, тем самым обеспечивая благоприятные условия нагружения, так и способствовать реализации более «мягких» схем нагружения, снижая уровень растягивающих напряжений в поверхностном слое инструмента, увеличивая адгезионную способность, а, следовательно, и износостойкость покрытия; прогно-
зировать возможные области износа рабочей поверхности инструмента, более точно определять необходимость поверхностного упрочнения конкретных локальных областей, снижая затраты на производственный процесс.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Табаков В. П. Формирование износостойких ионно-плазменных покрытий режущего инструмента. - М.: Машиностроение, 2008. - 311 с.; ил.
2. Табаков В. П., Чихранов А. В. Определение механических характеристик износостойких ионно-плазменных покрытий на основе нитрида титана // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2010. — Т. 12, №4. — С. 292—297
3. Морозов О. И., Табаков В. П., Кокорин В. Н., Титов Ю. А. Повышение стойкости рабочих поверхностей деталей штампов и пресс-форм из теплостойких сталей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 11:в 3 ч. Ч. 1. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2017. - С. 64—68.
4. Морозов О. И., Кокорин В. Н., Табаков В. П., Сагитов Д. И., Илюшкин М. В., Ширманов Н. А. Исследование процесса комплексной модификации поверхностного слоя рабочих деталей штампов и пресс-форм, работающих в условиях повышенного износа // Научные труды 4-й Международной научно-технической конференции, посвящённой 80-летию ИМАШ РАН, «Живучесть и конструкционное материаловедение» (ЖивКоМ-2018). - М.: Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2018. - 298 с.
5. Чернявский А. О. Метод конечных элементов. Основы практического применения: монография. - М. : Машиностроение, 2003. - 24 с., ил.
6. Ansys в руках инженера: Практическое руководство / Каплун А. Б., Морозов Е. М., Ол-ферьева М. А. - М.: Едиториал УРСС, 2003. -272 с.
7. Ansys для инженеров: Справочное пособие / Чигарёв А. В., Кравчук, А. С., Смалюк А. Ф. -М.: Машиностроение, 2004. - 512 с.
8. Курненков А. В., Шурыгин А. Ю. Численное моделирование процессов резанию: учеб. пособие. Ч. 1. Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р. Е. Алексеева. - Нижний Новгород, 2017. -184 с.
9. LS-DYNA analysis for structural mechanics. Predictive engineering. 2014. - 115 с. LSTC Liv-ermore Software Technology Corp.
10. Криворучко Д. В., Залога В. О., Корбач В. Г. Основы 3D-моделирования процессов механической обработки методом конечных элементов: учебное пособие. — Сумы: Изд-во Сум-ДУ, 2009. - 208 с.
11. Илюшкин М. В. Моделирование процессов обработки металлов давлением (осадка цилиндрической заготовки): учебно-методическое пособие. - Ульяновск: УлГУ, 2013. - 112 с.
12. Maresca G., Milella P. P., Pino G. A Critical review of triaxiality based failure criteria. - ANPA-Via V. Brancati, Roma, 1997.
13. Input parameters for metal forming simulation using LS-DYNA. Bradley N. Maker, Xinhai Zhu, LSTC, 2000.
REFERENCES
1. Tabakov V. P. Formirovanie iznosostojkih ionno-plazmennyh pokrytij rezhushchego instrumenta [Formation of wear-resistant ionplasma coatings of the cutting tool]. M ., Mechanical Engineering, 2008, 311 p .; silt
2. Tabakov V. P., Chikhranov A. V. Opredelenie mekhanicheskih harakteristik iznosostojkih ionno-plazmennyh pokrytij na osnove nitrida titana [Determination of mechanical characteristics of wear-resistant ion-plasma coatings based on titanium nitride]. Izvestiya Samarskogo nauchnogo centra Rossijskoj akademii nauk [Bulletin of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences], 2010, v. 12, No. 4, pp. 292-297.
3. Morozov O. I., Tabakov V. P., Kokorin V. N., Titov Yu. A. Povyshenie stojkosti rabochih poverhnostej detalej shtampov i press-form iz teplostojkih stalej [Increasing the resistance of working surfaces of parts of dies and molds made of heat-resistant steels] / Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki [Bulletin of the Tula State University. Technical science]. Issue 11: at 3 pm Ch1. Tula, Publishing house of Tula State University, 2017, pp. 64-68.
4. Morozov O. I., Kokorin V. N., Tabakov V. P, Sagitov D. I., Ilyushkin M. V., Shirmanov N. A. Issledovanie processa kompleksnoj modifikacii poverhnostnogo sloya rabochih detalej shtampov i press-form, rabotayushchih v usloviyah povyshennogo iznosa [Study of the process of complex modification of the surface layer of working parts of stamps and press molds working in conditions of increased wear] / Nauchnye trudy 4-j Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii, posvyashchyonnoj 80-letiyu IMASH RAN, «ZHivuchest' i konstrukcionnoe materialovedenie» (ZHivKoM-2018) [Proceedings of the 4th International Scientific and Technical Conference dedicated to the 80th anniversary of IMASH RAS, "Vitality and structural materials science" (ZhivKoM-2018)]. M ., Izhevsk, Institute for Computer Research. 2018, 298 p.
5. Chernyavsky A. O. Metod konechnyh elementov. Osnovy prakticheskogo primeneniya: monografiya [Method of finite elements. Fundamentals of practical application: monograph]. M., Mechanical Engineering, 2003, 24 p., Ill.
6. Ansys v rukah inzhenera: Prakticheskoe rukovodstvo [Ansys in the Hands of an Engineer: A Practical Guide]. Kaplun A. B., Morozov E. M., Olferyeva M. A., M ., Editorial URSS, 2003, 272 p.
7. Ansys dlya inzhenerov: Spravochnoe posobie [Ansys for Engineers: A Reference Guide] / A. V. Chigarev, A. S. Kravchuk, A. F. Smalyuk, M., Mechanical Engineering, 2004, 512 p.
8. Kurnenkov A. V., Shurygin A. Yu. Chislennoe modelirovanie processov rezaniyu: ucheb. posobie. [Numerical modeling of cutting processes: textbook. Benefit. Part 1]. Nizhny Novgorod. state tech. un-t them. R. E. Alekseeva. Nizh-ny Novgorod, 2017, 184 p.
9. LS-DYNA analysis for structural mechanics. Predictive engineering. 2014, 115 p. LSTC Liver-more Software Technology Corp.
10. Krivoruchko D. V, Pledge V. O., Korbach V. G. Osnovy 3D-modelirovaniya processov me-hanicheskoj obrabotki metodom konechnyh ele-mentov: uchebnoe posobie [Fundamentals of 3D modeling of machining processes by the finite element method: textbook] Sumy, Publishing house of Sumy Department, 2009, 208 p.
11. Ilyushkin M. V. Modelirovanie processov obrabotki metallov davleniem (osadka cilindricheskoj zagotovki): uchebno-metodicheskoe posobie [Modeling of processes of metal processing by pressure (upsetting of cylindrical billets): teaching aid]. Ulyanovsk, UlSU, 2013, 112 p.
12. Maresca G., Milella P. P., Pino G. A Critical review of triaxiality based failure criteria. - ANPA -Via V. Brancati, Roma, 1997.
13. Input parameters for metal forming simulation using LS-DYNA. BradleyN. Maker, XinhaiZhu, LSTC, 2000.
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 инструмента.
Табаков Владимир Петрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Инновационные технологии в машиностроения» ФГБОУ ВО Ульяновский государственный технический университет (УлГТУ), г. Ульяновск, E-mail: vpt1947@yandex.ru. Имеет статьи в области машиностроения и повышения стойкости инструмента.
Кокорин Валерий Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Материаловедение и обработка металлов давлением» ФГБОУ ВО Ульяновский государственный технический университет (УлГТУ), г. Ульяновск, E-mail: vnkokorin@mail.ru. Имеет статьи в области машиностроения и повышения стойкости инструмента.
Илюшкин Максим Валерьевич, кандидат технических наук, зам. директора, АО «Ульяновский НИАТ», г. Ульяновск, E-mail: fzbm@mail.ru. Имеет статьи в области машиностроения и моделирования процессов обработки металлов давлением.
Поступила 14.12.2020 г.
