CC BY
48
-□ □-
Розглянуто основш прогресивш мето-ди утворення скоЫв i зняття фасок на листових заготовках перед зварюванням. Визначено напружено-деформований стан системи «тж-заготовка» в штампах з симетричним навантаженням i штампах з ковзаючим пуансоном. Здшснено вибiр бшьш ращональног схеми рiзання по най-меншим навантаженням, що дють на тструмент
Ключовi слова: рiзання, штамп, напру-жено-деформований стан, ковзаючий пуансон, метод сктченних елементiв
□-□
Рассмотрены основные прогрессивные методы разделки скосов и снятия фасок на листовых заготовках перед сваркой. Определено напряженно-деформированное состояние системы «нож-заготовка» в штампах с симметричным нагружени-ем и штампах со скользящим пуансоном. Осуществлен выбор более рациональной схемы резки по наименьшим нагрузкам, действующим на инструмент
Ключевые слова: резка, штамп, напряженно-деформированное состояние, скользящий пуансон, метод конечных элементов -□ □-
УДК 621.77.014
|DOI: 10.15587/1729-4061.2015.39999|
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СНЯТИЯ ФАСКИ РЕЗКОЙ В ШТАМПАХ
С. В. Шлык
Доцент, кандидат технических наук* Е-mail: svshlyk@gmail.com В. Л. Хорольский
Соискатель** Е-mail: vova_men25.ru@inbox.ru М. И. Наумова
Кафедра технологии машиностроения Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» пр. Победы, 37, г. Киев, Украина, 03056 Е-mail: rock-scorpions@yandex.ru *Кафедра технологии машиностроения*** **Кафедра транспортных технологий*** ***Кременчугский национальный университет им. М. Остроградского ул. Первомайская, 20, г. Кременчуг, Украина, 39600
1. Введение
Широкое применение сварки в машиностроении обусловлено ее технико-экономическими преимуществами по сравнению с другими способами соединения металлических заготовок и деталей. Разделка скосов и снятие фасок перед сваркой делаются для того, чтобы получить шов, имеющий не менее 80 % прочности целой детали. Обработка и скос кромок под сварку сегодня в основном производятся механическим путем на кромкострогальных, продольно-строгальных и фрезерных станках или газокислородным пламенем [1]. Прогрессивным способом обработки кромки является холодный способ обработки при помощи кромкообра-батывающего оборудования. Подготовка кромки под сварку с помощью механической обработки обеспечивает более высокое качество сварного шва при более низких затратах по сравнению с другими способами подготовки.
2. Анализ литературных данных и постановка проблемы
Одним из путей повышения производительности труда является применение разделительных операций листвой штамповки для обработки кромки в специальных штампах на прессовом оборудовании. Высокая производительность и отработанные технологии
позволяют получать высокое качество при невысокой квалификации персонала [2].
Для правильного проектирования штамповой оснастки необходимо иметь ясное представление о механике процесса отрезки и нагрузках, действующих на рабочий инструмент, а также о напряжениях, возникающих в нем при отрезке.
При кромкообразовании (отрезке) в штампах возможно использовать схемы с несимметричным (рис. 1, а) и симметричным (рис. 1, б) нагружением.
Рис. 1. Кромкообразование по схеме с несимметричным (а) и симметричным (б) нагружением
Из двух представленных схем кромкообразования листовых заготовок предпочтение следует отдавать второй схеме, т. к., несмотря на более высокие сило-
©
вые параметры штамповки, с точки зрения стоикости штамповой оснастки и качества получаемых деталеИ эта схема является более рациональной [3, 4].
Другим способом кромкообразования может быть применение штампов (рис. 2), разработанных в Кременчугском национальном университете имени М. Остроградского конструктором Р. С. Ревишвили. Эти штампы оснащены скользящим пуансоном, совершающим поступательное движение одновременно в двух направлениях - горизонтальном и вертикальном.
Д^
(1)
где а - характерный размер конечного элемента, р -плотность материала, Е - модуль упругости материала. Поэтому пакет LS-DYNA сам определяет размер
шага по времени, нарушался [7].
чтобы критерий Куранта не
Рис. 2. Конструкция штампа со скользящим пуансоном
Численное моделирование быстропротекающих процессов резки позволяет получить дополнительную информацию о сложных физических явлениях, которая недоступна при экспериментальных методах исследований. При решении таких задач широкое распространение получили программные комплексы, использующие явный метод решения уравнений механики сплошной среды [5].
В настоящее время наиболее перспективным методом расчета таких задач является метод конечных элементов (МКЭ). Среди пакетов, позволяющих решать существенно нелинейные задачи МКЭ с реалистическими математическими моделями материалов лидером является LS-DYNA. Возможности этого пакета позволяют решать задачи как в квазистатической, так и в динамической постановке. LS-DYNA является, по существу, лишь решателем, данные для которого готовятся в других программных пакетах. То же самое можно сказать и об анализе результатов расчета (пост-процессинге). Наиболее удачным в настоящий момент препроцессором является ANSYS/LS-DYNA, который по геометрической модели делает сетку конечных элементов необходимого для упруго-пластических задач качества [6]. К достоинствам данного пакета относится также и возможность выполнения постпроцессорной обработки, позволяющей обратиться к результатам решения и интерпретировать их нужным образом, используя набор команд и возможностей интерфейса.
Существенно нелинейные задачи решают явным методом, который реализован в решателе LS-DYNA. Недостатком явного метода является его условная устойчивость, то есть решение задачи не будет зависеть от шага по времени, только если он меньше определенного значения. Это значение определяется из критерия Куранта:
3. Цель и задачи исследования
Целью настоящего исследования является проведение расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) системы «нож-заготовка» в процессе отрезки с применением двух приведенных схем, и выбрать более рациональную схему.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- определение оптимальных параметров частей моделей конечно-элементного анализа;
- выбор рациональной схемы кромкообразования по принципу наименьших нагрузок, действующих на инструмент;
- установить влияние геометрии и направления перемещения режущих частей приведенных схем на качество получаемой фаски.
4. Материалы и методы исследования влияния схемы
кромкообразования на интенсивность и картину распределения напряжений в заготовке и инструменте
При подготовке исходных данных для составления исходного к-файла в данном исследовании руководствовались рекомендациями, изложенными в [8, 9]. Геометрические параметры использованных моделей и направление перемещений их частей в вертикальной секущей плоскости представлены на рис. 3, 4.
Рис. 3. Геометрические параметры схемы отрезки в штампе с несимметричным нагружением
Таблица 2
Примеры согласованных единиц измерений
№ Масса Длина Время Усилие Напряжение Плотность Модуль Юнга Ускорение свободного падения
1 кг м с Н Па 7,83е+3 2,1е11 9,8
2 тонна мм с Н МПа 7,83е-9 2,1е5 9,8е3
Рис. 4. Геометрические параметры схемы отрезки в штампе со скользящим пуансоном
В обеих схемах моделировалось снятие фаски с уклоном 45° и высотой катета 4 мм на заготовке размером 80x10 мм. В качестве материала заготовки принималась сталь 45, инструмента - сталь У8. Для заготовки принималась билинейная изотропная модель материала (Bilinear Kinematic). Данная модель используется для описания упругопластических деформаций, ее кривая состоит из двух элементов - упругой и пластической составляющих. Поскольку деформациями инструмента можно пренебречь (они обрабатываются до высокой твердости), они считались абсолютно твердыми (Rigid). Так как инструмент считается недеформируемым, при создании моделей ножа и матрицы схемы с несимметричным нагружением они выполнялись в виде одной цельной модели. Все части модели вытягивались на 30 мм вдоль оси z. Свойства используемых в моделях материалов приведены в табл. 1. При выборе данных свойств материалов использовались данные ресурса [10] и работ [11, 12]. Следует отметить, в данном случае использовались единицы измерения, отличные от применяемых в системе СИ и их производных. Сравнение этих единиц измерения приведено в табл. 2.
Параметры частей моделей конечно-элементного анализа
Таблица 1
Схема Часть Материал Параметр Название Обозначение Величина Количество узлов
DENS плотность Р 7,83е-9
нож сталь У8 ЕХ модуль Юнга Е 2,05е5 1000
NUXY коэффициент Пуассона Ц 0,28
DENS плотность Р 7,83е-9
матри- сталь У8 ЕХ модуль Юнга Е 2,05е5 1040
Несимме- ца NUXY коэффициент Пуассона Ц 0,28
нагружение DENS плотность Р 7,85е-9
ЕХ модуль Юнга Е 2,05е5
заго- сталь 45 NUXY коэффициент Пуассона Ц 0,29 3000
товка Yield Stress предел текучести OS 310
Tangent Modulus модуль пластичности G 550
DENS плотность Р 7,83е-9
нож сталь У8 ЕХ модуль Юнга Е 2,05е5 390
NUXY коэффициент Пуассона Ц 0,28
Штамп со скользящим пуансоном DENS плотность Р 7,85е-9
ЕХ модуль Юнга Е 2,05е5
заго- сталь 45 NUXY коэффициент Пуассона Ц 0,29 3000
товка Yield Stress предел текучести OS 310
Tangent Modulus модуль пластичности G 550
Верхняя строка приведенной таблицы соответствует системе СИ. Система единиц измерений во второй строке принята в выполненных расчетах и является наиболее удобной в процессах пластического деформирования.
В случае схемы с несимметричным нагружени-ем кромка ножа имеет уклон 6°, ножу задавалось перемещение вдоль оси Y со скоростью 1 м/с и запрещались перемещения во всех остальных направлениях. К матрице также прикладывались ограничения на перемещения вдоль оси, перпендикулярной плоскости основания (предполагалось, что матрица находится на жестком основании). Для моделирования работы штампа со скользящим пуансоном задавалось поступательное перемещение ножа вдоль биссектрисы прямого угла, образуемого осями X и Y, со скоростью 1 м/с. К заготовке прикладывались ограничения на перемещения вдоль оси, проходящей перпендикулярно нижней горизонтальной плоскости заготовки (заготовка лежит на жестком основании). В обеих схемах был определен тип контакта «поверхность - поверхность» между инструментом и заготовкой (Surface to surface - Automatic contact). Данный тип контакта применяется для произвольно расположенных тел, которые могут иметь большие области контакта, и эффективен для
тел, которые подвержены большому относительному скольжению относительно друг друга [12-14]. Полученные модели с сеточным разбиением показаны на рис. 5.
Из практики решения подобных задач известно, что приблизительно 1000 шагов интегрирования на один миллиметр продвижения инструмента достаточно для получения адекватного решения. Для решения указанных задач использовался персональный компьютер с центральным процессором Intel Core i5 с тактовой частотой 2,60 ГГц, а объем оперативной памяти машины составлял 4 Гб. При указанных параметрах расчетных моделей решение одной задачи занимало около двух часов непрерывной работы, а общее количество занимаемого дискового пространства составляет около 500 МБ.
Рис. 5. Полное сеточное разбиение моделей при кромкообразовании несимметричным методом (а) и скользящим
пуансоном (б)
5. Результаты исследований распределения напряжений при отрезке кромки по несимметричной схеме и в штампе со скользящим пуансоном
На рис. 6, 7 (а-в) приведены картины распределения напряжений на последних этапах активного нагружения (непосредственное отделение части заготовки пуансоном) с указанными зонами максимальных (МХ) и минимальных (М^ напряжений в массиве пуансона.
На рис. 8, а, б показан график изменения эквивалентных напряжений на кромке пуансона.
Приведенные графики были получены с использованием внутреннего интерпретатора результатов расчета пакета LS-DYNA выполнением команд просмотр-щика «Время - переменная», где в качестве последней задавались суммарные эквивалентные напряжения, а в качестве точек анализа указывались точки, принадлежащие режущей кромке инструмента.
1111II /
г ш
/
ьз-отал изЕЯ 1нрш
в
Рис. 6. Картина распределения эквивалентных (по Мизесу) напряжений при кромкообразовании несимметричным методом в момент времени: а — 0,012 с (касание инструмента); б — 0,019 с; в — 0,025 с
а
б
а
в
Рис. 7. Картина распределения эквивалентных (по Мизесу) напряжений при кромкообразовании скользящим пуансоном в момент времени: а — 0,003 с (касание инструмента); б — 0,004 с; в — 0,005 с
СЬкв, МПа
1800
1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 О
-200
л
/ \
1 /
s 1 \
V
О-жв, МПа
1000
t, сек
(кЮ**-2)
а б
Рис. 8. График изменения эквивалентных (по Мизесу) напряжений аэкв по времени t на режущей кромке пуансона: а — при несимметричной схеме отрезки; б — при отрезке со скользящим пуансоном
с
6. Обсуждение результатов расчета НДС при моделировании кромкообразования при несимметричной схеме отрезки и отрезке со скользящим пуансоном
Как видно из полученных эпюр и графиков на-гружения, при кромкообразвании по схеме со скользящим пуансоном, напряжения, возникающие на режущейкромке пуансона, ниже таковых при использовании несимметричной схемы отрезки примерно на 400 МПа, а также исключается образование
заусенца. Кроме того, в случае кромкообразования по несимметричной схеме, усилие отрезки приводит к возникновению в массиве заготовки напряжений, вызывающих образование поперечных гофр на заготовке и ее изгибу, что делает обязательным применение прижимов.
Результаты проведенного численного моделирования позволили выбрать предпочтительную схему процесса получения фасок в штампах. Разработанная конструкция штампа внедрена и успешно работает на ПАО «Крюковский вагоностроительный завод».
Стойкость этого штампа, вероятнее всего, в сотни раз превышает стойкость ранее используемых штампов. В последних использовалась традиционная схема резки с вертикальным движением пуансона и наклонной заготовкой. В этом случае смена пуансона обычно проводилась раз в 3-4 смены.
7. Выводы
Проведено исследование напряженно-деформированного состояния заготовок по методу конечных элементов при кромкообразовании с применением схемы с несимметричным нагружением и схемы, реализуемой конструкцией штампа со скользящим пуансоном. Расчеты проводились с применением программного комплекса ANSYS/LS-DYNA. Для этого были составлены расчетные схемы моделей, определены оптимальные параметры частей моделей и типы их контактного взаимодействия.
На основании полученных с помощью возможностей постпроцессора ANSYS эпюр эквивалентных напряжений и графиков напряжений в точках режущих кромок сделан вывод о более высоких нагрузках, действующих на режущую кромку в случае схемы с несимметричным нагружением.
Также было установлено, что применение штампов со скользящим пуансоном позволяет избежать образование заусенцев и гофр на заготовке, характерных для схемы с несимметричным нагружением.
Полученные результаты говорят о повышении стойкости режущей кромки инструмента и более высоком качестве получаемых фасок при использовании при кромкообразовании штампов со скользящим пуансоном.
Схема кромкообразования со скользящим пуансоном реализована в конструкции штампа, успешно применяемого в заготовительном производстве на ПАО «Крюковский вагоностроительный завод».
Литература
1. Гырдымов, Г. П. Автоматизация технологической подготовки заготовительного производства [Текст] / Г. П. Гырдымов, Л. И. Зильбург, И. Д. Савченко, В. Н. Шалышин. - Л.: Машиностроение, 1990. - 350 с.
2. Драгобецкий, В. В. Сопоставление энергетических параметров, процессов термической и механической резки листовых заготовок [Текст] / В. В. Драгобецкий, О. Б. Марцинюк // Вюник КДПУ. - 2005. - Вип. 1 (30). - С. 64-66.
3. Драгобецкий, В. В. Количественный анализ процесса резки листового металла в штампах [Текст] / В. В. Драгобецкий, О. Б. Марцинюк, Е. А. Наумова, Д. Л. Пирогов // Вюник Схщноукра'шського нацюнального ушверситету iменi Володимира Даля. - 2008. - № 6 (124), Ч. 1. - С. 85-88.
4. Драгобецкий, В. В. Новые методы снижения работы пластической деформации в операциях пробивки и вырубки [Текст] / В. В. Драгобецкий, О. Б. Марцинюк // Вюник КДПУ. - 2005. - Вип. 1 (30). - С. 67-69.
5. Cleary, P. W. Modelling of Metal Forging Using SPH [Text] / P. W. Cleary, M. Prakash, R. Das, J. Ha // Applied Mathematical Modeling. - 2012. - Vol. 36, Issue 8. - P. 3836-3855. doi: 10.1016/j.apm.2011.11.019
6. Gerber, B. Making an impact. [Text] / B. Gerber, T. C. Yang // ANSYS Advantage. - 2008. - Vol. 2, Issue 4. - P. 40-42.
7. Тыняный, А. Ф. Численное моделирование контактной задачи в рамках квазистатического упругопластического деформирования в пакете AnSYS/LS-DYNA [Текст] / А. Ф. Тыняный // Журнал «Нефтегазовое дело». - 2004. - Вып. 1.
8. Илюшкин, М. В. Моделирование процессов обработки металлов давлением в программе ANSYS/LS-DYNA. Учебно-методическое пособие [Текст] / М. В. Илюшкин. - Ульяновск: УлГУ, 2012 - 91 с.
9. Криворучко, Д. В. Основи 3D-моделювання процеав мехашчно! обробки методом скшчених елемен^в: навчальний поаб-ник [Текст] / Д. В. Криворучко, В. О. Залога, В. Г. Корбач. - Суми: Вид-во СумДУ, 2009. - 208 с.
10. MatWeb, Your Source for Materials Information [Electronic resource] / Available at: http://www.matweb.com/
11. Jones, N. An Experimental Study Into the Dynamic Plastic Behaviour of Wide Beams and Rectangular Plates [Text] / N. Jones, R. N. Griffin, R. E. Van Duzer // International Journal of Mechanical Sciences. - 1971. - Vol. 13, Issue 8. - P. 721-735. doi: 10.1016/0020-7403(71)90072-5
12. Jones, N. Higher Modal Dynamic Plastic Bahaviour of Beams Loaded Impulsively [Text] / N. Jones, C. G. Soares // International Journal of Mechanical Sciences. - 1978. - Vol. 20, Issue 3. - P. 35-147. doi: 10.1016/0020-7403(78)90001-2
13. Sturgess, C. E. N. Estimation of Dynamic Forces In High-Speed Compression Using a Free-Flight Impact Forging Device [Text] / C. E. N. Sturgess, M. G. Jones // International Journal of Mechanical Sciences. - 1971. - Vol. 13, Issue 4. - P. 309-322. doi: 10.1016/0020-7403(71)90056-7
14. Jones, N. Post-Failure Behaviour of Impulsively Loaded Circular Plates [Text] / N. Jones, M. Alves // International Journal of Mechanical Sciences. - 2010. - Vol. 52, Issue 5. - P. 706-715. doi: 10.1016/j.ijmecsci.2009.11.014
