CC BY
16
УДК 621.7.044.7 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-6-401-406
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗДАЧИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
И.В. Зверев, Н.Е. Проскуряков, Д.Г. Черников
Проведены расчеты показателей процесса раздачи корпусных деталей методом магнитно-импульсной штамповки, представлены аспекты математического моделирования данного процесса. При моделировании процесса раздачи использовали комплекс Ь8-ВУЫЛ и программный комплекс собственной разработки.
Ключевые слова: магнитно-импульсная штамповка, раздача, установка, индуктор, заготовка, математическое моделирование, программный комплекс
Одним из перспективных методов калибровки корпусных деталей из сплавов алюминия является магнитно-импульсная обработка материалов (МИОМ). К преимуществам данного метода можно отнести: экологическую безопасность, отсутствие контакта заготовки с инструментом (индуктором), высокую точность дозирования энергии, повторяемость результата, возможность автоматизации процесса.
Использована заготовка, полученная методом ротационной вытяжки, с последующей токарной обработкой торца детали. После этих операций заготовка имеет значительную овальность, в связи с чем необходимо произвести калибровку цилиндрической части детали «Корпус» (рис. 1) на оправке (рис. 2) по схеме «раздача». Далее необходимо сравнить результаты математического моделирования с экспериментальными данными.
360
220*1__
Рис. 1. Деталь «корпус»
о
см ю
¡а
250-,.3
Рис. 2. Оправка
401
Материал заготовки - алюминиевый сплав АМг6. Механические свойства по результатам испытаний: предел текучести - 279,5 МПа, предел прочности - 491,9 МПа, относительное удлинение - 4,0%.
Внутренний контур заготовки - эллипс, который описывается выражением:
+ ■
= 1
74.072 74.52
Выражение для наружного контура заготовки имеет вид:
+ ■
= 1.
(1)
(2)
75.372 75.82
Уравнения (1) и (2) записаны в миллиметрах. Размеры эллипсов получены аппроксимацией, на основании измерения геометрических параметров партии из 10 заготовок.
Для выполнения данной операции был использован четырех заходный восьми витковый индуктор (общее количество витков равно 32), витки намотаны на ребро. Материал индуктора - медь М1. Размеры шины - 4x8 мм2.
Диаметр индуктора наружный (по меди) - 143,5 мм. Диаметр индуктора внутренний (по меди) - 135,5 мм.
Рис. 3. Индуктор для раздачи: 1 — индуктор; 2 — основание
Рис. 4. Деталь в оправке и на индукторе: 1 — оправка; 2 — основание; 3 — заготовка
Оборудование, применяемое для выполнения данной операции — установка МИУ-30-4 (производства фирмы «Заряд» г. Самара) с максимальной запасаемой энергией 32 кДж [1].
Решение задачи с помощью разработанных программ компьютерного моделирования:
На основе исходных данных по установке, индуктору и заготовке, с помощью разработанных программ для ЭВМ [2, 3], выполнили расчет операции калибровка.
В программе расчета электротехнических параметров процесса МИОМ [2], зависимость между напряжением текучести ст5 и интенсивностью тензора логарифмических деформаций для материала заготовки (сплав АМг6) задавалась степенным соотношением:
а5 =КаВг?, (3)
где Ка - корректирующий коэффициент динамичности; Ка = 2,402; В, т - параметры кривой деформационного упрочнения, которые принимались по рекомендациям [4].
Далее проводили уточненный расчет по программе «Моделирование и проектирование технологических операций обжима, раздачи и калибровки трубчатых деталей магнитно-импульсной штамповкой» [3].
Уравнение для разрядного тока в индукторе, полученное в результате расшифровки экспериментальных осциллограмм (рис. 5, кривая 1), имеет вид:
/ = 44,73 • sin (39,2 • -^Ц •е(~2'72'^). (4)
V 1000/
где / - разрядный ток в индукторе, кА; t¿ - время разряда, мкс.
Данная токовая кривая далее применяется для расчета и уточнения механических параметров операции калибровки в программном комплексе LS-DYNA.
Анализ наложения токовых кривых показывает, что при расчете по программе [4] (рис. 5, кривая 2) затухание колебаний получается интенсивнее, но в первый полупериод, когда происходит калибровка, это отличие незначительно.
Время, мкс
Рис. 5. Токовые кривые, полученные в результате эксперимента (1) и расчета (2)
Решение задачи с помощью программного комплекса LS-DYNA. Для описания материала заготовки (сплав АМг6) использовалась модель MAT_POWER_LAW_PLASTICITY (МАТ_018) [5]. Данная модель предполагает материал изотропным и позволяет учитывать деформационное и скоростное упрочнения материала.
Деформационное упрочнения материала учитывали по формуле (3), а влияние скорости деформации - на основе модели Каупера и Симонса, которая масштабирует предел текучести с коэффициентом
— =1 + (?)*, (5)
где - динамическое значение напряжения текучести, Ё - скорость деформации, С и р - экспериментально определенные константы материала.
В формуле (5) постоянная материала С — это скорость деформации, при которой напряжение течения в два раза превышает квазистатическое эталонное напряжение. Параметры материала С и р для АМгб были взяты согласно рекомендациям [6].
Материал токопровода индуктора (медный сплав М1) задавался моделью MAT_ELASTIC, оправки (сталь Ст. 3) - 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.
В табл. 1 приведены электромеханические характеристики материалов заготовки, индуктора и оправки.
Далее, используя полученную методом аппроксимации кривую тока в индукторе, решаем задачу расчета механических параметров процесса калибровки с помощью программного комплекса LS-DYNA.
На рис. 7, а показано распределение эквивалентных напряжений в детали после калибровки, а на рис. 7, б - приведены результаты расчетов калибровки с учетом пру-жинения детали. Видно, что при учете пружинения эквивалентные напряжения снижаются практически в 2 раза.
Рис. 6. Конечно-элементная модель: 1- индуктор; 2- оправка; 3- заготовка
Таблица 1
Характеристики материалов заготовки, индуктора и матрицы, задаваемые в моделях материалов
Модель материала Плотность, кг/м3 Модуль Юнга, Коэффициент Пуассона Параметры кривой деформационного упрочнения Электрическая проводимость,
МПа B, МПа m См/м
Заготовка
*MAT POWER LAW PLASTICITY 2700 0,7Ы05 0,33 1378 0,236 14Д-106
Индуктор
*MAT ELASTIC 8960 1,23-105 0,35 - - 56,2-106
Оправка
*MAT RIGID 7900 2,06-105 0,28 - - -
б
Рис. 7. Эквивалентные напряжения по Мизесу: а — после импульса разряда; б — с учетом пружинения
Полученные результаты геометрических размеров детали после калибровки экспериментальным путем и с помощью программного комплекса LS-DYNA приведены в табл. 2. Фактические размеры приведены усредненными, на основании измерения партии из 10 деталей.
Таблица 2
Анализ геометрических размеров, мм_
Место измерения Исходная заготовка После калибровки (с учетом пружинения) (расчетные) После калибровки (фактические)
D1, Плоскость Y-Z D2, Плоскость X-Z D1, Плоскость Y-Z D2, Плоскость X-Z D1, Плоскость Y-Z D2, Плоскость X-Z
1-й торец 151,6 (150,3) 150,74 (148,14) 150,958 (148,359) 150,892 (148,307) 150,970 (148,371) 150,910 (148,31)
Середина 151,375 (148,777) 151,495 (148,899) 151,392 (148,792) 151,487 (148,887)
2-й торец 151,116 (148,513) 151,093 (148,494) 151,520 (148,92) 151,465 (148,865)
В результате проведенных исследований и расчетов можно сделать следующие
выводы:
1. Применяемые программы расчета электротехнических параметров [2], моделирования и проектирования технологических операций обжима, раздачи и калибровки трубчатых деталей магнитно-импульсной штамповкой [3] показали адекватные результаты расчета по сравнению с экспериментом и программным комплексом LS-DYNA.
2. Учет при расчете в программном комплексе LS-DYNA пружинения детали после калибровки (см. табл. 2) практически совпадает с фактическими размерами, а их расхождения составляют менее трети допуска на размеры, что подтверждает адекватность моделирования.
Список литературы
1. Глущенков, В.А. Юсупов Р.Ю. Зверев И.В. Многопостовые магнитно-импульсные установки промышленного назначения // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2020. №2. С. 20-27.
2. RU 2021614234 - Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ «Программа расчета электротехнических параметров операций обжима и раздачи трубчатых деталей магнитно-импульсной штамповкой» // Проскуряков Н.Е., Зверев В.И. и др. Опубликовано 22.03.2021.
3. RU 2021614180 - Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ «Моделирование и проектирование технологических операций обжима, раздачи и калибровки трубчатых деталей магнитно-импульсной штамповкой» // Проскуряков Н.Е., Зверев В.И. и др. Опубликовано 19.03.2021.
4. Глущенков В.А., Карпухин В.Ф. Инженерная методика расчета процессов магнитно-импульсной обработки. Самара: Издательский дом «Федоров», 2018. 45 с.
5. LS-DYNA keyword user's manual. Volume II. Material Models. 2014. 1265 p.
6. Song W.Q., Beggs P., and Easton M. «Compressive strain-rate sensitivity of magnesium-aluminum die casting alloys» Mater. Design, 30 (2009). P. 642-648.
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. 8596.
Зверев Иван Вячеславович, магистр, ouivz@mail.ru, Россия, Тула, ПАО «Императорский Тульский оружейный завод»,
Проскуряков Николай Евгеньевич, д-р техн. наук, профессор, vippne@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Черников Дмитрий Геннадьевич, канд. техн. наук, доцент, orange071@me.com, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева
THE EXPANSION PROCESS MODELING OF SPECIAL-PURPOSE TUBE PARTS I.V. Zverev, N.E. Proskuriakov, D.G. Chernikov
Calculations of the parameters of the expansion process of tube parts by the method of magnetic pulse stamping are carried out, aspects of mathematical modeling of this process are presented. When modeling the distribution process, we used the LS-DYNA complex and a software package of our own development.
Key words: magnetic pulse stamping, expansion process, magnetic pulse equipment, inductor, workpiece, part, mathematical modeling, software package.
Zverev Ivan Vyacheslavovich, master, ouivz@mail.ru, Russia, Tula, PJSC «Imperial Tula Arms Factory»,
Proskuriakov Nikolay Evgenievich, doctor of technical sciences, professor, vippne@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Chernikov Dmitry Gennadievich, candidate of technical sciences, docent, orange071@me.com, Russia, Samara, Samara National Research University named after Academician S.P. Korolev
УДК 621.983
ГОРЯЧАЯ ОБЪЕМНАЯ ШТАМПОВКА СЛОЖНОПРОФИЛЬНОЙ ДЕТАЛИ
А.В. Алексеев
В работе анализируется возможность и целесообразность применения различных типов заготовок при горячей объемной штамповке сложнопрофильного изделия. Приводятся результаты моделирования: технологическая сила, получаемые заготовки, температура в заготовке.
Ключевые слова: технологическая сила, горячая штамповка, сложнопрофиль-ная заготовка, деталь, штамповка, объемная штамповка.
Сложнопрофильные детали и полуфабрикаты встречаются повсеместно в машиностроении, промышленности и других отраслях. Однако их получение довольно затруднительно, необходимо применение комбинаций сложных технологических операций таких как обработка резанием, обработка давлением, литье [1-6]. Однако обработка резанием и литье не всегда целесообразно по причине высокого отхода материала у первого и недостаточной точности изделия второго метода. В таких случаях используются методы ОМД.
