CC BY
1
УДК 621.9; 621.7.044.7
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-603-604
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБЖИМА КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ МЕТОДОМ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ШТАМПОВКИ
И.В. Зверев, А.Н. Пасько, Н.Н. Архангельская, А.О. Романов
В работе приведены расчеты показателей процесса обжима корпусных деталей методом магнитно-импульсной штамповки. При моделировании процесса обжима применен комплекс LS-DYNA. На основе результатов расчета для калибровочных и сборочных операций разработан участок магнитно-импульсной обработки деталей на ПАО «Императорский тульский оружейный завод».
Ключевые слова: магнитно-импульсная штамповка, обжим или запрессовка, установка, индуктор, заготовка, компьютерное моделирование.
В настоящее время значительное число научных работ и статей посвящено методам магнитно-импульсной штамповки. Высокий интерес промышленности к исследованию процесса изготовления деталей связан с неоспоримыми технологическими и экономическими преимуществами данной технологии обработки материала. Широкое внедрение технологии магнитно-импульсной обработки материала (МИОМ) сопряжено с некоторыми ограничениями (требования к материалу и геометрии заготовки, долговечность индуктора, прогнозирование свойств материала при высокоскоростном нагружении и т.п.). Поэтому для изготовления сложных образцов новых деталей, которые являются ответственными элементами конструкций, необходимо проводить теоретические и экспериментальные исследования. В данный момент отсутствует единая расчетная методика параметров МИОМ, основанная на комплексном междисциплинарном исследовании данного процесса. В тоже время, существует ряд программных комплексов, позволяющих моделировать процесс МИОМ и проводить оптимизацию системы «установка-индуктор-заготовка».
Исходная производственная задача состояла в выполнении операции обжима детали «Корпус». Технологический процесс МИОМ для ее изготовления состоит из следующих этапов:
1. Анализ чертежа детали, чертежа заготовки.
2. Предварительный расчет индуктора.
3. Разработка чертежа оснастки.
4. Расчет интегральных показателей.
5. Теоретическое моделирование процесса «установка-индуктор-заготовка».
6. Оптимизация параметров системы «индуктор-заготовка».
Для решения данной производственной задачи на основе технологии МИОМ по заказу ПАО «ИТОЗ» в Самарском национальном исследовательском университете имени академика С.П. Королева была спроектирована и изготовлена четырехпостовая магнитно-импульсная установка МИУ 30/4 (рис. 1) [1, 3, 4].
а б
Рис. 1. Установка МИУ 30/4 (а) и ее пульт управления (б)
К несомненным плюсам данного оборудования можно отнести:
1. Габариты установки, позволяющие разместить производственный участок в небольшом помещении.
2. Возможность последовательного выполнения различных операций на разных постах.
3. Возможность настройки каждого поста на фиксированное напряжение, которое запоминается после переключения на другой пост, а также при выключении установки.
4. Снижение время переналадки постов за счет передвижных столов и т.д.
Для обеспечения безопасности оператора, МИУ и пульт управления находятся в разных помещениях, разделенной между собой металлической дверью с окном, выполненным из монолитного поликарбоната толщиной 8 мм. Данный материал не уступает по прозрачности стеклу, но при этом способен выдержать частицы, летящие со скоростью до 200 м/с, а также обладает звукопоглощающем свойством. На двери расположен концевой выключатель, предотвращающий выполнение операции при ее открытии. Сама установка снабжена ключ-биркой, при его отсутствии в пульте МИУ выполнение операции технически невозможно. При выполнении работ по установке и съёма деталей на постах МИУ, согласно инструкции по охране труда, оператор вытаскивает ключ из пульта и берет его с собой, для обеспечения безопасности (случайное включение МИУ). Кроме того, в качестве дополнительной меры безопасности, МИУ снабжена световой и звуковой сигнализацией о начале выполнения операции.
Согласно правилам устройства электроустановок потребителей (ПУЭ-7), операторы должны иметь третью группу допуска до 1000 в и выше. Количество операторов - 2 человека.
Средняя производительность участка - 80 операции за 8 часов.
Для разработки технологического процесса МИОМ детали «Корпус» применялось компьютерное моделирование.
Деталь «Корпус» (рис. 2) изготовлена из сплава алюминия АМГ6М методом ротационной вытяжки. Толщина стенки в зоне обжима 1,2 мм. Производственная задача: разработать технологический процесс, индуктор и технологическую оснастку для выполнения операции «обжим» согласно чертежу. Контролируемые размеры: Внутренний диаметр и длинна зоны деформации, переходной радиус R3 мм, зону выхода на номинальный диаметр не более 20 мм. Программа выпуска: 350-500 штук в месяц.
При изготовлении детали «Корпус» имеют место два лимитирующих условия. Необходимо обеспечить формовку меньшего цилиндрического участка, а также сформировать переходную зону между двумя цилиндрическими участками.
Е>
Рис. 2. Деталь «Корпус»
При принятии решения о применении технологии выполнения данной операции, были рассмотрены следующие варианты:
1. Раскатка роликом на токарном станке.
2. Прессование на гидравлическом прессе.
3. Магнитно-импульсная штамповка.
При проведении практических экспериментальных было выяснено следующее:
1. При раскатке роликом не выполняются размеры «входа» на обжимаемую поверхность (не более 5 мм) и внешняя поверхность имеет видимую волнистость, что не допускается по требованию заказчика.
2. При обжиме на гидравлическом прессе остаются следы с двух сторон в месте контакта пуансона и матрицы, что также не допускается.
В качестве технологии изготовления была выбрана МИОМ.
На этапе предварительного расчета параметров обработки детали «Корпус» была вычислена величина минимального давления, обеспечивающая формирование цилиндрического участка при малых перемещениях, рассчитывается по формуле [5]:
1.5 • сг02 •ка ^ 1.5 • 16.5 • 107 • 1.66 • 0.0012
Рт =-Ц,—-— =-——-= 164,34 МПа.
т й 0.003
Внутренний диаметр индуктора, учитывая толщину воздушного зазора, толщину изоляции витка, а также основную изоляцию между внутренним диаметром спирали и заготовки, согласно рекомендациям [3]: 153 мм. Так как, для данной детали установлены требования на точные размеры на краях обжимаемой поверхности ^3, линейные размеры «входа» и «выхода» не более 5 и не более 20 мм) предварительная длинна индуктора выбирается 1,2 зоны деформирования, т.е. 36 мм. В качестве вариантов, для изготовления токопровода индуктора были выбраны материалы: медь М1, сталь 45, бронза БрБ2, как наиболее часто используемые для данной операции.
Начальное значение коэффициента К1 принимаем равное 0,9. Полученное значения Fo= 7589.46 Гц, глубина проникновения тока в материал заготовки Дэз=1,4 мм. Индуктивность системы «индуктор-заготовка» 1с=9*120*10"9=108*10"8Гн. Значения полученных зазоров и количества витков в табл. 1.
Расчет электрических параметров выполнялся в программе для ЭВМ [8, 9].
Таблица 1
Предварительные значения полученных зазоров и количества витков _
Материал спирали А Гц Глубина проникновения тока в материал индуктора Дэ1, мм Эквивалентный зазор между индуктором и заготовкой йе, мм Расчетное количество витков, N
Медь М1 7589,46 0,77 1,885 6,9
Сталь 45 2,88 2,94 5,58
Бронза БрБ2 1,5 2,25 6,38
Для всех трех индукторных систем принимаем количество витков равное 7, сечения витка 4*8 мм. Согласно рекомендациям [2, 5], в качестве изоляционного материала используется лавсановая нить. Материал основной изоляции текстолит толщиной 0,3 мм. Длина индуктора, с учетом изоляции составляет 7*4,9=34,3 мм.
Уточнение эквивалентной индуктивности, а также величин «скин-слоя», коэффициента и частоты обработки производится с помощью метода приближения. Начальный зазор принимается равным физическому, т.е. 0,8 мм. Результаты расчета в программе приведены в табл. 2-3.
Таблица 2
Результаты уточненных параметров __
Материал спирали /, Гц го, Гц 1с*10"6, Гн Дэз, мм Дэ1, мм йе, мм
Медь М1 7268 46666,2 1,718 1,4 0,79 1,99
Сталь 45 5620 35311,5 2,93 1,71 3,3 3,37
Бронза БрБ2 6601 41475,3 2,12 1,65 1,65 2,44
Таблица 3
Результаты уточненных параметров___
Материал спи- Qo Кз К4 W, Дж Ц в
рали
Медь М1 4,877 0,908 0,74 0,974 0,995 8234 8052
Сталь 45 3,252 0,945 0,647 0,95 0,992 16020 11230
Бронза БрБ2 4,23 0,924 0,709 0,96 0,994 10690 9173
Дальнейшее уточнение результаты расчетов было проведено с применением программного комплекса LS-DYNA [6, 10]. Электрические параметры обработки были заданы на основании полученных данных (табл. 2-5). Для описания материала заготовки (сплав АМГ6) использовалась модель MAT_POWER_LAW_PLASTICITY [7]. Данная модель предполагает материал изотропным и позволяет учитывать деформационное и скоростное упрочнение металлов. Зависимость между напряжением текучести а5 и интенсивностью тензора логарифмических деформаций е£ для данного материала задавалась степенным соотношением:
а5 = Ка-В- г™,
где Ка - корректирующий коэффициент динамичности; Ка = 2,402 [2]; B, m - параметры кривой деформационного упрочнения [2].
Рис. 3. Конечно-элементная модель: 1 - модель заготовки, 2 - модель индуктора, 3 - модель оправки
Материал токопровода индуктора (медный сплав М1) задавался моделью MAT_ELASTIC, а материал матрицы (Ст. 30ХГСА) - МАТ_КЮГО [6]. Для работы электромагнитного решателя LS-DYNA [7] задавались дополнительные карты, в том числе с моделью материала EM_MAT_001 для задания электрической проводимости проводников - заготовки и токопровода индуктора. Элементно-конечная модель представлена на рис. 3. Она рассчитывает такие характеристики процесса обжима, как силу магнитного поля, механическое напряжение, температуру заготовки и плотность тока, температуру индуктора. Результаты представлены на рисунках 4-9.
605
1898919
5оио_споир
Рис. 4. Распределение магнитного поля (для медного индуктора)
ЙСиО '.Р'. Р
Рис. 5. Распределение механического напряжения (для медного индуктора)
Рис. 6. Распределение плотности тока (для медного индуктора)
оЬдЛт егп
1I умлс
Рис. 7. Распределение температуры заготовки (для медного индуктора)
606
180 S 160
140 120 а юо
1 40 £ 20 0
«ÎÎÎ f ^ ^ ^ ^ Время, мкс
-Cu1 -Br1 Sti
Рис. 8. График температур индукторов (поверхность, обращенная к заготовке)
140
3 120
Q.
u„ 100 го
S 80 С 60 ё 40 | 20 О
ъ ^ ^ t»1" <о" Л5* ^ ^ ^ ^ ^
Время, мкс
-Cu2 -Вг2 St2
Рис. 9. График температур индукторов (внешняя поверхность)
Рис. 10. Участок детали «Корпус» после обжима
Анализ с помощью LS-DYNA показал, правильность аналитических расчетов, кроме того, после анализа полученных данных, принято решение о использовании индуктора с медным токопроводом по следующим причинам:
1. Минимальное напряжение разряда.
2. Минимальная температура разогрева токопровода, что существенно влияет на электроизоляционные и прочностные свойства изоляции.
Поверхность, полученная после операции МИОМ, представлена на рис. 10. Производственная задача выполнена, параметры детали соответствуют технологической карте - параметры по геометрии и толщине стенки.
Список литературы
1. Юсупов Р. Ю., Глущенков В. Ф., Зверев И. В. Многопостовые магнитно-импульсные установки промышленного назначения // Кузнечно-штамповочное производство, 2020. Вып. 2. С. 20-27.
2. Глущенков В.А., Карпухин В.Ф. Инженерная методика расчета процессов магнитно-импульсной обработки. Самара: Издательский дом «Федоров», 2018. 64 с.
3. Зверев И.В. Моделирование и прочностной расчет спирального индуктора с использованием программы ANSYS // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 12. 2021, С. 159-163.
4. Зверев И.В., Проскуряков Н.Е. Расчет на прочность спирального индуктора с использованием методов планирования эксперимента // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 12. 2021, С. 159-163.
5. Карпухин В. Ф. Определение параметров магнитно-импульсной формовки // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. Вып. 5, 2012. С. 228-230.
6. LS-DYNA keyword user's manual volume I, II, III.
7. L'Eplattenier P., Cook G., Ashcraft C. Introduction of an Electromagnetism Module in LS-DYNA for Coupled Mechanical Thermal Electromagnetic Simulations // Proceedings of the 3 International Conference "High Speed Forming 2008", Dortmund, 2008, p. 85-96.
8. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2021614234 Российская Федерация. Программа расчета электротехнических параметров операций обжима и раздачи трубчатых деталей магнитно-импульсной штамповкой : № 2021610716 : заявл. 26.01.2021 : опубл. 22.03.2021 / Н. Е. Проскуряков, В. Ф. Карпухин, В. М. Разномазов [и др.] ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тульский государственный университет».
9. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019666161 Российская Федерация. Программный комплекс расчета операций обжима и раздачи трубчатых деталей магнитно-импульсной штамповкой : № 2019664729 : заявл. 19.11.2019 : опубл. 05.12.2019 / Н. Е. Проскуряков, Н. Н. Архангельская, А. В. Володин, И. В. Зверев ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тульский государственный университет» (ТулГУ).
10. Зверев И.В., Проскуряков Н.Е., Черников Д.Г. Моделирование процесса раздачи корпусных деталей специального назначения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 6. 2021, С. 401-405.
Зверев Иван Вячеславович, заместитель начальника многопрофильного производства, [email protected]. Россия, Тула, ПАО «ПТОЗ»,
Пасько Алексей Николаевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Архангельская Наталья Николаевна, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Романов Андрей Олегович, Генеральный директор, in [email protected], Тула, АО «ТОЗ-Метиз» MODELING OF THE CRIMPING PROCESS CASE PARTS USING THE METHOD OF MAGNETIC PULSE STAMPING
I. VZverev, A.N. Pasko, N.N. Arhangelskaya, A.O. Romanov
The article presents calculations of the process indicators for crimping body parts using the magnetic pulse stamping method. During modeling the crimping process, the LS-DYNA was used. Based on the calculation results for calibration and assembly operations, a section for magnetic-pulse testing of parts at Imperial Tula Arms Plant was developed.
Key words: magnetic-pulse stamping, crimping or pressing, magnetic pulse installation, inductor, billet, computer modeling.
Zverev Ivan Vyacheslavovich, deputy head of multidisciplinary production, [email protected], Russia, Tula, PJSC
«ITOZ»,
Pasko Alexey Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected]. Russia, Tula, Tula State University,
Arkhangelskaya Natalia Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, Russia, arhangel [email protected]. Tula, Tula State University,
Romanov Andrey Olegovich, General Director, [email protected], Tula, JSC «TOZ-Metiz»
