CC BY
5
МАШИНОСТРОЕНИЕ
Научная статья УДК 621.981
Моделирование штампового инструмента с износостойким покрытием на основе нитрида титана
Олег Игоревич Морозов1 Владимир Петрович Табаков2 Валерий Николаевич Кокорин
1 2,3Ульяновский государственный технический университет, Ульяновск, Россия. 1 olmorozov-rabota@yandex. ru. 2vpt73@yandex. ru. 3vnkokorin@mail. ru.
Аннотация. Рассмотрены вопросы математического моделирования процессов износа штампового инструмента с износостойкими покрытиями (ИП) на основе нитрида титана.
Ключевые слова: стойкость, эффективность, покрытие, ионно-плазменное напыление, нитрид титана, моделирование, математическая модель, LS-Dyna, износ, напряжённо-деформированное состояние.
MACHINE-BUILDING Scientific article
Modeling of stamping tools with wear-resistant titanium nitride coating
Oleg I. Morozov1 Vladimir P. Tabakov2 Valery N. Kokorin3
1,2 3Ulyanovsk State Technical University, Ulyanovsk, Russia. 1 olmorozov-rabota@yandex.ru. 2vpt73@yandex. ru. 2vnkokorin@mail. ru.
Abstract. The issues of mathematical modeling of the processes of wear of die tools with wear-resistant coatings based on titanium nitride are considered.
Keywords. durability, efficiency, coating, plasma ion sputtering, titanium nitride, modeling, mathematical model, LS-Dyna, wear, deformed stress.
Рабочий инструмент штампов (пуансоны и матрицы) работает в тяжёлых условиях ударных и знакопеременных нагрузок, высоких значений сил трения, контактных нагрузок, что приводит к интенсивному износу его рабочих поверхностей.
Основным фактором, влияющим на износ рабочей поверхности штампового инструмента (ШИ), является напряжённо-деформированное состояние (НДС) инструментального материала
© Морозов О. И., Табаков В. П., Кокорин В. Н., 2022
в очаге деформации. Одним из инструментов для изучения особенностей НДС является построение математических моделей с использованием программной среды LS-Dyna.
Было проведено моделирование двух процессов листовой штамповки: вытяжка с утонением (формоизменяющие операции) и вырубка (разделительные операции). При разработке математических моделей использовали программные продукты KOMPAS-3D и LS-Dyna.
Для определения величины износа ШИ использовали закон Джона Ф. Арчарда, который заложен в расчётном модуле «Wear Process» пакета LS-Dyna. Учитывая, что материал ИП
отличается от материала ШИ по своим механическим свойствам и механизму изнашивания, его моделирование выполнялось отдельно. Для этого была выбрана модель Джонсона-Холмквиста , учитывающая образование трещин в хрупком материале.
При численном моделировании процесса изнашивания ШИ при вытяжке с утонением исследовали влияние ИП на износ рабочей поверхности, контактные касательные (т) и нормальные (о) напряжения и стойкость (К) ШИ. Установлено (рис.1), что нанесение ИП уменьшает величину контактных напряжений в 1,4-2 раза, в зависимости от состава покрытий. При этом в большей степени уменьшаются контактные касательные напряжения, а большее снижение имеет место при нанесении покрытия По срав-
нению с покрытием ТК оно составило 5% и 16%, соответственно, для нормальных и касательных напряжений.
Нанесение ИП снижает длину изношенной зоны (Ьи) и максимальную глубину износа (аи). Так, после 600 000 циклов работы ШИ с ИП длина изношенной зоны меньше в 1,25 раза, а максимальная глубина износа на 30% (рис. 2). При этом максимальное снижение износа наблюдалось при использовании покрытия Повышение
стойкости ШИ при нанесении покрытий при глубине износа, равной 0,15 мм, составило 30%.
При численном моделировании процесса изнашивания ШИ на операции вырубки исследовали влияние ИП на износ рабочей поверхности, контактные касательные (т) и нормальные (о) напряжения при различной величине межинструментального зазора и стойкость (К) ШИ.
Установлено (рис. 3), что нанесение ИП уменьшает величину контактных касательных напряжений на 30% и нормальных напряжений на 7%. При этом, как и в случае с операцией «вытяжка с утонением», большее снижение значений контактных напряжений имело место при использовании покрытия ТйгК
Нанесение ИП снижает износ рабочих поверхностей ШИ (рис. 4). Так, после 400000 циклов работы ШИ снижение износа рабочих поверхностей по цилиндрической (1ц) и торцовой (1т) поверхностям составило (11-28) %, а глубины износа (аи) - (23-27) %. Повышение стойкости ШИ при нанесении ИП при глубине износа аи = 0,1 мм составило 1,22-1,26 раза. При этом наибольшее снижение износа рабочей поверхности и повышение стойкости ШИ наблюдалось при нанесении покрытия
Рис. 1. Зависимость касательных тмах и нормальных омахнапряжений от времени рабочего хода Т
10
' 2 3
1
1 г
а.,., икн 120
200000
IV, уд
40 20 О
I 2
1 2
1 2
Л^.шт 940500,—
704000
200000
600000
И.уд.
1 2
400000 тоооо ...... """"" ............°'15
а 6 в
Рис. 2. Влияние покрытий на износ рабочей поверхности (а, б) и стойкость ШИ (в): 1 - без покрытия, 2 - ТШ, 3 -Т12гК
a. MHa
O/n j
/ j/ у r/N f—
/ TiZi)
2 Г. с
Рис. 3. Зависимость касательных тмах и нормальных смах напряжений от времени рабочего хода Т при максимальной величине межинструментального зазора Ъ
Рис. 4. Влияние покрытий на длину износа по цилиндрической (1ц), по торцовой (1и) поверхности и глубину износа цилиндрической поверхности (ац) при максимальной величине межинструментального зазора Ъ:
1 - без покрытия, 2 - 3 - Тй^
Сотрудниками машиностроительного факультета УлГТУ совместно с АО «Ульяновский патронный завод» и АО «Ульяновский НИАТ» были проведены экспериментальные испытания штампового инструмента с ИП. Отклонение результатов моделирования и эксперимента не превышают 4 и 13% для операций вытяжки с утонением и вырубки, соответственно.
Выводы.
1. Разработаны математические модели разрушения ИП и изнашивания рабочих поверхностей ШИ с ИП на операциях вытяжки и вырубки, учитывающие особенности разрушения хрупкого материала ИП и формирования зон разрушения в условиях ударных и сдвиговых нагрузок.
2. Проведено численное моделирование процесса изнашивания рабочих поверхностей ШИ и разрушения ИП с использованием программных комплексов KOMPAS-3D и LS-Dyna. Результаты исследований, полученных численным моделированием, подтверждены экспериментальными данными. Отклонения результатов моделирования и эксперимента не превышают 13%.
3. На основе результатов численного моделирования установлено влияние ИП на контактные напряжения, износ рабочих поверхностей и стойкость ШИ. Установлено, что на операции
вытяжки нанесение ИП уменьшает величину контактных напряжений в 1,4-2 раза, снижает износ рабочих поверхностей на (25-30)% и повышает стойкость ШИ на 30%; на операции вырубки снижение контактных напряжений составило до 30%, износа рабочих поверхностей (11-28)% и повышение стойкости ШИ в 1,22-1,26 раза. При этом наибольшую эффективность независимо от вида операции имеет покрытие ШгК
4. Результаты численного моделирования подтверждены экспериментальными данными.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Табаков В. П. Повышение эффективности режущего инструмента путём направленного изменения параметров структуры и свойств материала износостойкого покрытия: диссертация ... степени доктора технических наук : 05.03.01. Ульяновск, 1992. 584 с.
2. Повышение стойкости штампового инструмента с износостойким покрытием на формоизменяющих операциях / В. П. Табаков, В. Н. Кокорин, Е. Л. Корняков, О. И. Морозов, А. С. Алешин, Д. И. Сагитов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. №6. С. 352-358.
3. Моделирование напряжённо-деформированного состояния штампового инструмента с износостойким покрытием на разделительных операциях листовой штамповки с использованием программного пакета LS-DYNA / О. И. Морозов, В. П. Табаков, В. Н. Кокорин, М. В. Илюш-кин, Ю. А. Титов, Д. И. Сагитов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2020. Т. 22, №3. С. 5-11.
4. Морозов О. И. Моделирование процесса предварительной механической активации подложки композиции покрытие-металл и исследование напряжённого и деформированного состояния рабочих поверхностей штампового инструмента / В. П. Табаков, В. Н. Кокорин, О. И. Морозов, А. С. Алешин, Аль К.М.Ф.Д., Д. И. Сагитов // Упрочняющие технологии и покрытия. 2019. Т. 15, №11 (179). С. 523-528.
5. Повышение стойкости рабочих поверхностей деталей штампов при использовании комплексной модификации / О. И. Морозов, В. Н. Кокорин, В. П. Табаков, Д. И. Сагитов, М. В. Илюшкин, Н. А. Ширманов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. №3. С. 317-326.
6. Повышение стойкости рабочих поверхностей деталей штампов и пресс-форм из теплостойких сталей / В. П. Табаков, В. Н. Кокорин, Ю. А. Титов, О. И. Морозов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. №1-1. С. 64-68.
7. Improvement of the working surface resistance of a stamping tool with coating and SSS modeling of the preliminary mechanical activation of the surface layer of the stamp working parts. Tabakov V. P., Kokorin V. N., Morozov O. I., Titov Y. A., Ilyushkin M. V., Kornyakov E. L. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 21, Technologies, Innovation, Quality.Сер. «XXI International Scientific and Research Conference on Metallurgy: Technologies, Innovation, Quality, Metallurgy 2019» 2020. С. 012049.
8. Моделирование напряжённо-деформированного состояния материала инструментальной оснастки процессов ОМД с износостойким ион-но-плазменным покрытием / О. И. Морозов, В. П. Табаков, В. Н. Кокорин, М. В. Илюшкин // Инновационные технологии в машиностроении : Международная научно-практическая заочная конференция, Ульяновск, 30 ноября 2020 года. Ульяновск: Ульяновский государственный технический университет, 2020. С. 227-232.
9. John F. Archard. Contact and Rubbing of Flat Surface, J. Appl. Phys. 24 (8):981-988, 1953.
10. Simulation of Wear Processes in LS-DYNA®, Thomas Borrvall, Anders Jernberg and
Mikael Schill, 14th International LS-DYNA Users Conference, June 12-14, 2016.
11. Research on Tribological Characteristics of Hard Metal WC-Co Tools with TiAlN and CrN PVD Coatings for Processing Solid Oak Wood? Deividas Kazlauskas, Vytenis Jankauskas, and Simona Tuckute, Coatings 2020, 10, 632; doi:10.3390/coatings10070632
Информация об авторах
О. И. Морозов - старший преподаватель кафедры «Материаловедение и обработка металлов давлением» Ульяновский государственный технический университет (УлГТУ, г. Ульяновск). Имеет статьи в области машиностроения и повышения стойкости штампового инструмента;
В. П. Табаков - профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Инновационные технологии в машиностроении» (УлГТУ, г. Ульяновск). Имеет статьи в области машиностроения и повышения стойкости штампово-го и режущего инструмента; В. Н. Кокорин - профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Материаловедение и обработка металлов давлением» (УлГТУ, г. Ульяновск). Имеет статьи в области машиностроения и повышения стойкости штампово-го инструмента.
REFERENCES
1. Tabakov V. P. Povyshenie effektivnosti rezhushchego instrumenta putyom napravlennogo izmeneniya parametrov struktury i svojstv materiala iznosostojkogo pokrytiya: dissertaciya ... stepeni doktora tekhnicheskih nauk [Increasing the efficiency of the cutting tool by directional changes in the parameters of the structure and properties of the wear-resistant coating material: dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences]: 05.03.01. Ulyanovsk, 1992, 584 p.
2. Povyshenie stojkosti shtampovogo instrumenta s iznosostojkim pokrytiem na formoizmenyayushchih operaciyah [Increasing the durability of a die tool with a wear-resistant coating on shaping operations] / Tabakov V. P., Kokorin V. N., Kornyakov E. L., Morozov O. I., Aleshin A. S., Sagitov D. I. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki. [Izvestiya Tula State University. Technical sciences]. 2020, No. 6, pp. 352-358.
3. Modelirovanie napryazhyonno-deformiro-vannogo sostoyaniya shtampovogo instrumenta s iznosostojkim pokrytiem na razdelitel'nyh operaciyah listovoj shtampovki s ispol'zovaniem programmnogo paketa LS-DYNA [Modeling of the stress-strain state of a die tool with a wear-resistant coating on the separation operations of sheet stamping using the LS-DYNA software package] / Morozov O. I., Tabakov
V. P., Kokorin V. N., Ilyushkin M. V., Titov Yu. A., Sagitov D. I. Vestnik Permskogo nacional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Mashinostroenie, materialovedenie [Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Mechanical engineering, materials science]. 2020. Vol. 22, No. 3, pp. 5-11.
4. Modelirovanie processa predvaritel'noj mekhanicheskoj aktivacii podlozhki kompozicii pokrytie - metall i issledovanie napryazhennogo i deformirovannogo sostoyaniya rabochih poverhnostej shtampovogo instrumenta [Modeling of the process of preliminary mechanical activation of the substrate of the coating - metal composition and the study of the stressed and deformed state of the working surfaces of the stamping tool]. Tabakov V. P., Kokorin V. N., Morozov O. I., Aleshin A. S., Al K.M.F.D., Sagitov D. I. // Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya [Hardening technologies and coatings]. 2019. Vol. 15, No. 11 (179), pp. 523-528.
5. Povyshenie stojkosti rabochih poverhnostej detalej shtampov pri ispol'zovanii kompleksnoj modifikacii [Increasing the durability of the working surfaces of stamp parts when using complex modification] / Morozov O. I., Kokorin V. N., Tabakov V. P., Sagitov D. I., Ilyushkin M. V., Shirmanov N. A. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya Tula State University. Technical sciences]. 2019, No. 3, pp.317-326.
6. Povyshenie stojkosti rabochih poverhnostej detalej shtampov i press-form iz teplostojkih stalej [Increasing the resistance of the working surfaces of parts of stamps and molds made of heat-resistant steels] / Tabakov V. P., Kokorin V. N., Titov Yu. A., Morozov O. I. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya Tula State University. Technical sciences]. 2017, No. 11-1, pp. 64-68.
7. Improvement of the working surface resistance of a stamping tool with coating and SSS modeling of the preliminary mechanical activation of the surface layer of the stamp working parts / Tabakov V. P., Kokorin V. N., Morozov O. I., Titov Yu. A., Ilyushkin M. V., Kornyakov E. L. In the collection: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 21, Technologies, Innovation, Quality.Ser. «XXI International Scientific and Research Conference on Metallurgy: Technologies, Innovation, Quality, Metallurgy 2019» 2020, pp. 012049.
8. Modelirovanie napryazhyonno-deformiro vannogo sostoyaniya materiala inst-rumental'noj osnastki processov OMD s iznosostojkim ionno-
plazmennym pokrytiem [Modeling of the stressstrain state of the material of the tooling of OMD processes with a wear-resistant ion-plasma coating] / O. I. Morozov, V. P. Tabakov, V. N. Kokorin, M. V. Ilyushkin // Innovacionnye tekhnologii v mashinostroenii: Mezhdunarodnaya nauchno-praktiches-kaya zaochnaya konferenciya, Ulyanovsk, 30 noyabrya 2020 goda. Ulyanovsk, Ul'yanovskij gosudarstvennyj tekhnicheskij universitet [Innovative technologies in mechanical engineering : International scientific and practical correspondence Conference], Ulyanovsk, November 30, 2020. Ulyanovsk: [Ulyanovsk State Technical University], 2020, pp. 227-232.
9. John F. Archard. Contact and Rubbing of Flat Surface, J. Appl. Phys. 24 (8):981-988, 1953.
10. Simulation of Wear Processes in LS-DYNA ®, Thomas Borrvall, Anders Jernberg and Mikael Schill, 14th International LS-DYNA Users Conference, June 12-14, 2016.
11. Research on Tribological Characteristics of Hard Metal WC-Co Tools with TiAlN and CrN PVD Coatings for Processing Solid Oak Wood? Deividas Kazlauskas, Vytenis Jankauskas, and Simona Tuckute, Coatings 2020, 10, 632; doi:10.3390/ coatings10070632.
Information about the authors O. I. Morozov - Senior lecturer of the Department «Materials Science and Metal Processing by Pressure» Ulyanovsk State Technical University (UlSTU, Ulyanovsk). Has articles in the field of mechanical engineering and improving the durability of stamping tools;
V. P. Tabakov - Professor, Doctor of Technical Sciences, Head of the Department of «Innovative Technologies in Mechanical Engineering» (UlSTU, Ulyanovsk). He has articles in the field of mechanical engineering and improving the durability of stamping and cutting tools;
V. N. Kokorin - Professor, Doctor of Technical Sciences, Head of the Department «Materials Science and Metal Processing by Pressure» (UlSTU, Ulyanovsk). He has articles in the field of mechanical engineering and improving the durability of die tools.
Статья поступила в редакцию 10.06.2022; одобрена после рецензирования 28.08.2022; принята к публикации 04.09.2022.
The article was submitted 10.06.2022; approved after reviewing 28.08.2022; accepted for publication 04.09.2022.
