CC BY
70
УДК 621.774.37
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПЕРАЦИИ ДВУХУГЛОВОЙ ГИБКИ В ШТАМПЕ С УПРУГИМ ЭЛЕМЕНТОМ
© 2016 И.П. Попов, Е.С. Нестеренко, А.О. Кузин
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва
Статья поступила в редакцию 25.04.2016
В данной работе предложена новая схема процесса двухугловой гибки в штампе с упругой планкой, проведен анализ ее напряженно-деформированного состояния в БЕРОКМ-2Б. Ключевые слова: двухугловая гибка; упругие свойства; деформация; напряжение; форма пуансона; упругая планка; упругое пружинение; ширина планки.
Гибка листового металла осуществляется в результате упругопластической деформации, протекающей различно с каждой из сторон изгибаемой заготовки [1].
Слои металла внутри угла изгиба (со стороны пуансона) сжимаются и укорачиваются в продольном и растягиваются в поперечном направлении. Наружные слои (со стороны матрицы) растягиваются и удлиняются в продольном и сжимаются в поперечном направлении. Между удлиненными и укороченными слоями (волокнами) находится нейтральный слой, длина которого равна первоначальной длине заготовки. При гибке узких полос происходит сильное искажение поперечного сечения, заключающееся в уменьшении толщины в месте изгиба, уширении внутри угла с образованием поперечной кривизны и сужении с наружной стороны (рис. 1).
В результате утонения материала и искажения формы поперечного сечения нейтральный слой в месте изгиба не проходит посередине сечения, а смещается в сторону малого радиуса. При гибке широких полос и листов также происходит утонение материала, но почти без искажения поперечного сечения, так как деформации в поперечном направлении противодействует сопротивление материала большой ширины. Лишь по краям широких полос происходит деформация, аналогичная поперечной деформации узких полос.
В большинстве случаев гибка происходит при большой величине деформаций, когда в металле кроме продольных растягивающих и сжимающих напряженки образуются радиальные напряжения сжатия, которые возникают в результате давления крайних слоев металла на внутренние и достигают наибольшей величины у нейтрального слоя.
Попов Игорь Петрович, доктор технических наук, профессор. E-Mail: [email protected] Нестеренко Елена Сергеевна, кандидат технических наук, доцент. E-Mail: [email protected] Кузин Александр Олегович, аспирант. E-Mail: [email protected]
На рис. 2 приведены схемы напряженно-деформированного состояния при изгибе. При изгибе узких заготовок (рис. 2, а) деформированное состояние — объемное, так как поперечное сечение образца деформируется во всех трех направлениях.
По мере увеличения ширины изгибаемой заготовки поперечная деформация постепенно уменьшается и становится весьма малой в результате значительного сопротивления, оказываемого большой шириной заготовки (рис. 2, б).
С целью упрощения при изгибе широких заготовок деформацией боковых поверхностей можно пренебречь и рассматривать деформацию всего сечения как деформацию сдвига.
Как известно, в процессе при двухугловой гибке возникает упругое пружинение [1]. Формула для приближённого определения упругого пружинения (П-образная гибка) [1]:
tgP = 0,375-А-, (1)
кЬ Е
где р - угол пружинения;
к = 1 - х - коэффициент, определяющий положение нейтрального слоя в зависимости от т/Б;
I, = г + г + 1,25Ь - плечо гибки, мм;
1 м п ' ' '
(Ут - предел текучести, МПа;
Е - модуль упругости, МПа.
На кафедре обработки металлов давлением Самарского национального исследовательского университета ведется работа по исследованию упругих свойств штамповой оснастки, в частности, процесса гибки листового материала [2].
В результате работы была разработана модель штампа с упругой планкой, которая позволяет сделать процесс двухугловой гибки более технологически и экономически выгодным. Данный штамп предназначен для угла гиба 90° и 90°-р и не учитывает утонение штампуемой заготовки в зоне гиба. Схема процесса представлена на рис. 3.
В начале процесса заготовка 3 фиксируется на матрице 5 и выталкивателе 4, который находятся в верхнем положении. При движении пуансона 1
Рис. 1. Схема процесса гибки
Рис. 2. Схемы напряженно-деформированного состояния при изгибе: ст — напряжение; в — деформации
вниз выталкиватель 4 опускается, упругая планка 2 начинает прижимать вертикальные полки заготовки 3 к пуансону 1, создавая дополнительную нагрузку на заготовку 3. При обратном ходе выталкиватель 4 выводит заготовку из матрицы 5, при этом упругая планка 2 на протяжении всего процесса прижимает заготовку 3 к пуансону 1. После окончания процесса заготовку 3 снимают с пуансона 1 пинцетом.
Применение данного способа позволит: использовать упругие свойства штамповой оснастки, повысить качество детали, снизить упругое пружинение за счет формы упругой планки и
формы пуансона, исключить из технологического процесса операции калибровки.
Для подтверждения был смоделирован процесс деформации упругой планки и процесс двух-угловой гибки с использованием упругой планки в программном комплексе 0ЕР0КМ-2Б. На рис. 4 указана геометрия объектов при моделировании процесса двухугловой гибки с использованием упругой планки.
Моделирование проводилось для процесса деформации прямого и обратного хода. Анализ результатов проводился в постпроцессоре программного комплекса. Для оценки условий
Рис. 3. Схема процесса двухугловой гибки с использованием упругой планки (слева окончание процесса, справа начало процесса): 1 - пуансон; 2 - упругая планка; 3 - заготовка; 4 - выталкиватель; 5 - матрица; h - высота планки; b - ширина планки; R - радиус гиба; S - толщина заготовки; d - длина заготовки; h- высота пуансона; a - ширина пуансона, dt - ширина выталкивателя.
процесса рассматривались поля распределений напряжений и деформаций по объёму планки в момент начала деформации, в середине процесса деформации и по окончании деформации.
В результате для заготовки толщиной 8=1мм было получено, что максимальные напряжения в начале деформации равны 0,375 МПа (для Б=6мм, ст =0,519МПа), они возникают в месте
' max '
контакта заготовки с пуансоном, упругой планки с выталкивателем и упругой планки с матрицей. Значительных пластических деформаций ещё не возникает, однако в заготовке в месте контакта с пуансоном степень пластической деформации достигает 36 % для 8=1мм и 22,4% для 8=6мм. В середине процесса деформации максимальные напряжения возникают в большем объёме заготовки и упругой планки, а именно в местах контакта заготовки и упругой планки, а также в месте контакта упругой планки и матрицы равны: для 8=1мм, сттах=0,375 МПа; для 8=6мм ст =0,519МПа. Максимальные значения пла-
max
стических деформаций при этом наблюдаются в месте скругления заготовки (контактная поверхность « заготовка- пуансон»), их уровень достигает 36 % для Б=1мм и 67,3% для Б=6мм, а также в месте контакта заготовки с упругой планкой и на внешнем радиусе скругления: 24 % для 8=1мм; 44,9% для Б=6мм. По окончании прямого хода пуансона максимальные напряжения в упругой планке наблюдаются по сечению упругой планки на уровне
контакта матрицы и выталкивателя и равны: для Б=1мм, ст =0,748МПа; для 8=6мм, ст =1,12МПа. В
max max
основном же уровень напряжений в этой области составляет 0,249 МПа для 8=1мм и 0,749МПа для s=6 мм. Таким образом, пластические деформации в планке не возникают, в заготовке же на данном этапе максимальное значение пластической деформации достигает 36 % для s=1мм и 67,3% для s=6мм (в области внутреннего радиуса скругления). На рис. 5 показаны поля распределения напряжений (а) и деформаций (б) по объёму заготовки и планки в момент начала, середины и по окончанию деформации при прямом ходе.
При начале обратного хода деформации в упругой планке не возникают. По окончании обратного хода пуансона, то есть после снятия нагрузки напряжения, как и пластические деформации, в планке отсутствуют. В заготовке деформации составляют 39,7 % для s=1мм и 67,3% для s=6мм. На рисунке 6 показаны поля распределения напряжений (а) и деформаций (б) по объёму заготовки и планки в начале, середине и по окончании деформации при обратном ходе.
Таким образом, напряжения, возникающие в планке и заготовке, имеют допустимый уровень для материалов, из которых они изготовлены. Пластическая деформация активно проходит в заготовке, в планке же она отсутствует (что подтверждает её упругую модель).
Step -1
Рис. 4. Геометрия объектов при моделировании процесса двухугловой гибки с использованием упругой планки
Рис. 5. Поля распределения напряжений (а) и деформаций (б) по объёму заготовки и планки в начале, середине и по окончании деформации
Результаты замера толщины заготовки в конце Также был проведен анализ напряжения по
прямого хода, показали, что толщина постоянна ширине планки в месте максимального изгиба
(Б1=1 мм и Б2=6 мм) и равна начальной, кроме места упругой планки и анализ напряжения на поверх-
перегиба, где наблюдается небольшое утонение за ности планки по длине образующей.
счет пластической деформации (0,98 мм и 5,89 мм). Рис. 5 показывает, что максимальные на-
Рис. 6. Поля распределения напряжений (а) и деформаций (б) по объёму заготовки и планки в начале, середине и по окончании деформации при обратном ходе
пряжения возникают в точках соприкосновения планки с заготовкой и матрицы с планкой и не превышают предела текучести ст. = 0,4 МПа << стх = 460 МПа - для стали 45, ст. =0,56 МПа << стт =460 МПа для стали 45.
Из рис. 5 видно, что распределение имеет максимальное значение в месте изгиба планки и не превышает предел текучести ст. = 0,56 МПа << стт = 460 МПа - для стали 45, ст. = 0,58 МПа << = ст =460 МПа - для стали 45.
Штамповую оснастку целесообразно изготавливать из инструментальных сталей, предназначенных для штампов холодной штамповки. Размеры пуансона и матрицы соответствуют размерам детали. Пуансон корректируется в зависимости от геометрических параметров детали, угла пружинения, минимального радиуса гибки и материала заготовки.
Таким образом при моделирование процесса были рассчитаны напряжения и деформации, которые показали, что упругая планка пластически не деформируется. Разработанная модель штамповой оснастки с упругой планкой показала перспективность технологического процесса и рекомендована к внедрению в производство.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. 6 изд. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1979. 520 с.
2. Попов И.П., Нестеренко Е.С., Кузин А.О. Исследование упругих свойств штамповой оснастки при операции двухугловой гибки в штампе с упругой планкой // Заготовительные производства в машиностроении. 2013. №4, 2013. С. 20-23.
3. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением: учебник для вузов. 4-е изд., переработ. и доп. М.: Машиностроение, 1977. 423 с.
4. Справочник по сопротивлению материалов / Г.С. Писаренко, А.П. Яковлев, В.В. Матвеев. Киев: На-укова думка 1988. 2-е изд. 736 с.
5. Гуляев АП. Металловедение. М.: Металлургия, 1986.544с.
PROBE OF STRAINS AND THE VOLTAGES ARISING AT TWO-ANGLE BENDING IN A DIE WITH ELASTIC PLATE
© 2016 I.P. Popov, E.S. Nesterenko, A.O. Kuzin
Samara National Research University named after Academician S.P. Korolyov
In the current work the scheme of two-angle bending in a die with elastic plate is proposed, results of elastic stringiness angle simulation in software DEFORM-2D are analyzed.
Keywords: two-angle bending, elastic properties, punch shape, an elastic plate, elastic stringiness, width of plate.
Igor Popov, Doctor of Technics, Professor. E-Mail: [email protected]
Elena Nesterenko, Candidate of Technics, Associate Professor. E-Mail: [email protected]
Alexander Kuzin, Graduate Student. E-Mail: [email protected]
