Моделирование получения толстостенных трубных заготовок методом комбинированного выдавливания сдвигом Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.777.04

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛУЧЕНИЯ ТОЛСТОСТЕННЫХ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК МЕТОДОМ КОМБИНИРОВАННОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ СДВИГОМ

Ю.П. Катрич, М.А. Куликов, В.И. Воронков

Сделана попытка на основе компьютерного моделирования определить геометрию инструмента и заготовки, позволяющую получать толстостенные трубы длиной более двух диаметров, при минимальной силе операции.

Ключевые слова: выдавливание, штамповка сдвигом, трубные заготовки.

Схема деформирования комбинированного выдавливания сдвигом (КВС) даёт возможность получать полые трубчатые заготовки длинной более двух диаметров [1]. При определенных соотношениях высоты и диаметра заготовки, диаметра пуансона течения материала навстречу пуансону нет, материал заготовки выдавливается только в отверстие дна контейнера, а верхний торец изделия остается неподвижным.

Процесс КВС нашёл применение при изготовлении деталей замковых соединений трубонефтепроводов «Муфта» и «Ниппель», используется как усовершенствованный метод получения автомобильных деталей типа «Цапфа» [2]. При возможности проводить процесс с большими степенями накопленной деформации можно добиться производства таких деталей как толстостенные трубы. Расширение возможностей метода позволит найти ему большее применение на производстве и получать детали с меньшими энергетическими затратами.

Для сокращения стоимости и времени, потраченного на оптимизацию технологий, в основе которых лежит процесс КВС, целесообразно использовать специальные программы, позволяющие моделировать процессы объёмной штамповки. Для корректного моделирования процесса важно правильно поставить задачу, и минимизировать возможные погрешности расчёта, вызванные ошибками при задании различных параметров сетки конечных элементов, свойств материала, условий нагружения и т. д.

В данной работе сделана попытка на основе компьютерного моделирования определить геометрию инструмента и заготовки, позволяющую получать толстостенные трубы длиной более двух диаметров, при минимальной силе операции.

Первой задачей было оценить точность получаемых при моделировании результатов на основе сравнения с экспериментальными данными, сделать корректировки в постановке задачи расчёта процесса КВС, иными словами, «научить» программу считать правильно: определить модель трения при которой получаем наиболее точный результат расчёта, пара-

278

метры сетки КЭ, свойства материала. Расчёты проводили в программе Qform У8.0.5. При корректировке параметров постановки задачи было воспроизведено три эксперимента:

- выдавливание свинцовой заготовки диаметром 60 мм, длиной 75 мм и углом конусности 5° пуансоном диаметром 30 мм;

- выдавливание алюминиевой (А7) заготовки диаметром 60 мм, длиной 100 мм и углом конусности 3° пуансоном диаметром 23 мм;

- выдавливание алюминиевой (А7) заготовки диаметром 60 мм, длиной 100 мм и углом конусности 3° пуансоном диаметром 27 мм.

Корректируя параметры постановки задачи, было достигнуто соответствие результатов расчёта и эксперимента. Точность моделирования выдавливания свинцовой заготовки оценивалась по совпадению расчётной и реальной геометрии (рис. 1) - отклонения расчёта не превышают 2.. .3 %. Точность расчёта деформирования алюминиевых заготовок оценивалась по совпадению расчётного и экспериментального графиков силы (рис. 2) -отклонения расчёта не превышают 6%. Данные отклонения являются приемлемыми и могут быть объяснены неточностями при задании свойств материала [3,4].

Следующей задачей был поиск угла конусности матрицы при котором, при прочих равных, получается заготовка с наибольшей глубиной отверстия при минимальной силе. Исследование проводилось при помощи компьютерного моделирования с использованием найденных параметров постановки задачи. Деформировали заготовки из свинца и алюминия А7 диаметром 60 мм и высотой 100 мм, пуансонами диаметрами 23, 27 и 30 мм при углах конусности матрицы 1, 3, 5 и 7°. Угол конусности заготовки был равен углу конусности матрицы. На рис. 3 показаны этапы формирования заготовки при моделировании. На рис. 4 и 5 представлены полученные графики. Сравнение по силе и глубине получаемого отверстия приведены в таблице. Стоит отметить, что при деформации свинцовой заготовки с углом конусности 1° и диаметрами пуансона 27 и 30 мм происходит проскальзывание заготовки по каналу матрицы в результате чего глубина отверстия небольшая, а сила скачкообразно увеличивается в момент окончания проскальзывания. Вариант деформации с углом конусности 7° и диаметром пуансона 30 мм не рассматривали, т.к. данные геометрические соотношения (диаметр заготовки 60 мм) принципиально не дают возможности получить глубокое отверстие. Из таблицы и рис. 4, 5 можно сделать вывод, что наиболее стабильный процесс в плане получения глубокого отверстия при минимальной силе является процесс с углом конусности 3°.

Следующий этап исследования - выяснить,как повлияет переменная конусность заготовки на глубину получаемого отверстия и величину силы деформации. Исходя из предыдущих исследований брали заготовку диаметром 60 мм, пуансон диаметром 23 мм и матрицу с конусностью 3°. Основываясь на исследованиях [2], определили соотношение угла конус-

ности на длине участка заготовки - чертёж заготовки показан на рис. 6, а. Для сравнения провели расчёты для заготовки с другими углами конусности (рис. 6, б), а также для заготовок той же длины, что и заготовки с переменной конусностью но с постоянным углом в 1 и 3°. Графики силы, полученные при моделировании, показаны на рис. 7.

Рис. 1. Оценка точности моделирования по геометрии деформированной заготовки (эксперимент слева, расчёт справа)

Таблица 1

Результаты моделирования с изменяемой конусностью матрицы и изменяемым диаметром пуансона

Угол конусности 1° 3° 5° 7° Материал/диаметр пуансона [мм]

Глубина отверстия [мм] 94 97 112 131 РЬ/23

Сила операции шт < < шах

Глубина отверстия [мм] 85 115 127.5 133 РЬ/27

Сила операции шах шт < <

Глубина отверстия [мм] 40 123 127 - РЬ/30

Сила операции шах шт < -

Глубина отверстия [мм] 105 117 130 133 А7/27

Сила операции > шт < шах

а

б

Рис. 2. Оценка точности моделирования по графикам силы: а -сравнениерасчётного и экспериментального графиков силы при деформировании алюминиевой заготовки диаметром 60 мм, длиной 100 мм и углом конусности 3° пуансоном диаметром 23 мм; б -сравнениерасчётного и экспериментального графиков силы при деформировании алюминиевой заготовки диаметром 60 мм, длиной 100 мм и углом конусности 3° пуансоном диаметром 27 мм

Рис. 3. Этапы формирования заготовки методом КВС

Диаметр пуансона 023 [мм]

Глубина отверстия [мм]

б

Рис. 4. Графики силы при деформации свинцовой заготовки для различных диаметров пуансона и углов конусности: а -диаметр пуансона 23 мм; б -диаметр пуансона 27 мм;

(начало)

282

Диаметр пуансона РЗО [мм]

а 20 40 60 80 НИ 120

Глубина отверстия [мм] в

Рис. 4. Графики силы при деформации свинцовой заготовки для различных диаметров пуансона и углов конусности: в -диаметр пуансона 30 мм (окончание)

Диаметр пуансона Р27 [мм]

0 20 40 60 ВО 100 120 140

Глубина отверстия [мм]

Рис. 5. Графики силы при деформации алюминиевой заготовки для различных углов конусности пуансоном диаметром 27мм

283

а

б

Рис. 6. Чертёж заготовки с переменной конусностью: а - конусность 3...5...70; б - конусность 1...3...50

Диаметр пуансона D23 [мм]

та С

та с

s О

—Угол заготовки 1° 3° 5° ^Угол заготовки 3° 5° 7° Угол матрицы 1е 225[мм] —Угол матрицы 3° 225[мм] -

Глубина отверстия [мм]

Рис. 7. Сила деформации для заготовок диаметром 60 мм и длиной 225 мм при различной геометрии конусности образующей

Оценка результатов моделирования по глубине получаемого отверстия даёт следующие результаты:

- заготовка с конусностью 3.. .5... 7°- глубина отверстия 254 мм;

- заготовка с конусностью 1.3.5°- глубина отверстия255 мм;

- заготовка с постоянной конусностью 1°- глубина отверстия255 мм;

- заготовка с постоянной конусностью 3° - глубина отверстия280 мм. Таким образом, можно сделать вывод, что пользуясь диаграммой

определения оптимального соотношения длин и углов заготовки составленной в работе [2], проводя выдавливание в матрице с углом конусности

284

3°, можно добиться максимальной длины получаемого отверстия (4,2 диаметра заготовки) при минимальной силе относительно других вариантов угла конусности заготовки и угла конусности матрицы.

Список литературы

1. Катрич Ю.П. Комбинированное выдавливание сдвигом // Заготовительные производства в машиностроении 2005. № 3. С. 22 - 28.

2. Катрич Ю.П., Петров А.Н., Петров П.А.Комбинированное выдавливание сдвигом//Обработка материалов давлением // Сборник научных трудов. Краматорск: Донбасская государственная машиностроительная академия. 2010.№1 (22). С. 148 - 154.

3. Получение уточненных данных по сопротивлению пластической деформации при горячей объемной штамповке алюминиевых сплавов АД35 и АД31 / В.И.Воронков, К.Е.Потапенко, П.А.Петров, С.В. Выдумки-на// Авиационные материалы и технологии. 2017. № 1 (46). С. 3 - 10.

4. Потапенко К. Е., Воронков В. И., Петров П. А. Определение модели сопротивления деформации по найденным изотермическим кривым текучести с применением современных компьютерных программ. // Заготовительные производства в машиностроении. 2013. № 8. С. 32 - 38.

Катрич Юрий Павлович, вед.инж. лаборатории, petrov_p@,mailru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,

Куликов Максим Александрович, магистрант, petrov_p@mail. ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,

Воронков Виктор Иванович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Москва, Московский политехнический университет

SIMULATIONOFPRODUCTIONOFTHICK-WALLED TUBESWITHTHEMETHODOFCOMBINEDSHEAREXTRACTION

Yu.P. Katrich, M.A. Kulikov, V.I. Voronkov

In this paper, an attempt is made, based on computer modeling, to determine the geometry of the tool and workpiece, which makes it possible to obtain thick-walled pipes with a length of more than two diameters, with the minimum strength of the operation.

Key words: extrusion, shear stamping, pipe billets.

Katrich Yuri Pavlovich, Leading Engineer of the Laboratory, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,

Kulikov Maksim Aleksandrovich, master, [email protected], Russia, Moscow, Moscow University of Technology,

Voronkov Victor Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, petrov_p@,mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University