CC BY
46
Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Travin Vadim Yurievich, candidate of technical sciences, associate professor, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Platonov Valeriy Ivanovich, candidate of technical sciences, associate professor, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.983; 539.374
МОДЕЛИРОВАНИЕ СОВМЕЩЕНИЯ ОПЕРАЦИЙ ОБЖИМА, ОБЖИМА С УТОНЕНИЕМ И ОБРАТНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ ТОЛСТОСТЕННЫХ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК
О.Н. Митин
Приведены результаты теоретических исследований, выполненных на основе программного комплекса QFORM 2В-3В V. 7, совмещения операций обжима, обжима с утонением и обратного выдавливания толстостенных трубных заготовок. Выявлены закономерности влияния технологических параметров и геометрии рабочего инструмента на напряженное и деформированное состояния, силовые режимы, неоднородности распределения средних напряжений, интенсивности напряжений и степени деформации по толщине детали.
Ключевые слова: моделирование, совмещение операций, обжим, обжим с утонением, выдавливания, матрица, пуансон, сила, коэффициент обжима, коэффициент утонения, напряжение, степень деформаций.
Современные тенденции развития различных отраслей промышленности характеризуются резким повышением требований к качеству и эксплуатационным свойствам изделий при снижении себестоимости их производства. Это стимулирует разработку высокоэффективных технологий, отвечающих указанным требованиям и реализующих экономию материальных и энергетических ресурсов, трудовых затрат.
Одним из путей повышения эффективности процессов холодной объемной штамповки является совмещение ряда технологических операций в одном переходе. К числу таких процессов относится совмещение
24
операций обжима, обжима с утонением и обратного выдавливания толстостенных трубных заготовок, которое позволяет значительно увеличить эффективность получения детали переменного диаметра и толщины стенки за счет повышения коэффициента использования материала и снижения трудоемкости последующих доводочных работ. Использование совмещения операций обжима, обжима с утонением и обратного выдавливания для изготовления полых сложнопрофильных осесимметричных деталей из трубных заготовок позволяет обеспечить соединение труб с разными диаметрами - переходниками.
Теоретическим и экспериментальным исследованиям операции обжима тонкостенных заготовок посвящен целый ряд работ [1 - 7]. В этих работах принималось, что операция реализуется в условиях плоского напряженного состояния. Получены аналитические выражения для определения деформированного и напряженного состояний, силовых режимов и предельных возможностей операции обжима. В работах [8, 9] выполнено моделирование операции обжима и обжима с утонением трубных заготовок конической матрицей методом конечных элементов. Выявлено влияние технологических параметров на силовые режимы операции обжима и обжима с утонением толстостенных трубных заготовок.
В настоящее время разработка технологических процессов изготовления полых сложнопрофильных осесимметричных деталей из толстостенных трубных заготовок (00/з0<10... 15, где О0 и 80 - наружный диаметр и толщина трубной заготовки) должна проводиться с минимальными сроками освоения выпуска продукции. Это возможно только при использовании современных методов подготовки производства, требующих применения более совершенных математических моделей, описывающих процессы деформирования материалов, и достижений вычислительной техники. В связи с этим, широкое использование прикладного программного комплекса Qform 2Б/3Б при моделировании операций обработки металлов давлением (ОМД) для изготовления полых сложнопрофильных осесим-метричных деталей из толстостенных трубных заготовок является перспективным направлением изучения операций ОМД, позволяющей назначить рациональные технологические параметры [10, 11].
На рис. 1 приведен чертеж детали «переходник» после совмещения операций обжима с утонением и обратного выдавливания толстостенных трубных заготовок.
Для определения силовых режимов операций совмещения обжима с утонением и выдавливания используем модель, которая представляет собой полую осесимметричную заготовку в формате 3Б. В связи с указанными факторами для моделирования выбран программный комплекс Qform 2Б/3Б у.7, позволяющий моделировать процессы объемной штамповки с использованием 3Б-конечных элементов пирамидальной формы. Для создания геометрии деталей экспериментальных штампов и заготовок
используем программный комплекс КОМПАС 3Э. На рис. 2 представлены модели заготовки и инструментов в формате 3Э перед моделированием в среде программы Qform 2Э/3Э у.7.
Рис. 1. Деталь «переходник»
Рис. 2. Модели заготовки и инструментов на 3В перед моделированием: 1 - заготовка; 2 - пуансон; 3 - матрица; 4 - оправка; 5 - выталкиватель
Компьютерное моделирование выполнялось на трубных заготовках из стали 10 ( St = 210МПа; se = 340МПа; П = 750МПа): диаметр заготовки 134 мм, толщина 14 мм, высота 170 мм в конической матрице с углами конусности a = 10, 20 и 30°; коэффициенты трения m = 0,1; 0,15; 0,2; коэффициенты обжима тоб = 0,7 ; 0,8; 0,9; коэффициенты утонения тут = 0,8; 0,9; 1; глубина выдавливания h = 10мм и степени деформации по изменению поперечного сечения E = 67,5; 70; 72,5; 75; 77,5 % в среде программы Qform 2D/3D v.7. Здесь т ут = s / s°; тоб = D°;
2 2
E = (d / D°)100%. Материал толстостенной трубной заготовки упруго-пластический.
Заготовка в этапах операции совмещения обжима с утонением и выдавливания толстостенных трубных заготовок представлена на рис. 3.
При совмещении операций обжима с утонением и выдавливания трубных заготовок в зависимости от сочетания технологических параметров и геометрии рабочего инструмента течение материала может осуществляться по двум вариантам:
1) По первому варианту происходит последовательность операций: операция обжима - операция выдавливания - операция утонения (рис. 3, а);
2) По второму варианту происходит последовательность операций: операция обжима - операция утонения - операция выдавливания (рис. 3, б).
а б
Рис. 3. Вид заготовки на стадиях при совмещении операций обжима, обжима с утонением и обратного выдавливания толстостенных
трубных заготовок (тоб = 0,9; тут = 0,8; а = 100; т = 0,1^
27
Графические зависимости изменения относительной силы при совмещении операций обжима с утонением и выдавливания толстостенных трубных заготовок P = P / (pdCp s°St ) от относительной величины перемещения пуансона h = h / s° с технологическими параметрами a = 10°; тоб = 0,9; тут = 0,8 и m = 0,1: при E = 67,5% (вариант 1) и E = 72,5% (вариант 2) приведены на рис. 4.
Анализ графических зависимостей, приведенных на рис. 4, а, показывает, что изменение относительной величины силы P при совмещении операций обжима, обжима с утонением и выдавливания может условно разделиться на 5 стадий. На первой стадии (I) операций обжима с утонением и выдавливания трубная заготовка обжимается на конической поверхности матрицы. В этой стадии относительная величина силы операций Р плавно увеличивается с ростом относительной величины перемещения h . На второй стадии (II) операций реализуется операция выдавливания. На этой стадии относительная величина силы Р резко увеличивается с ростом относительной величины перемещения h . На третьей стадии (III) осуществляется формирование зоны утонения, и относительная величина силы операции Р увеличивается по мере формирования зоны утонения, а далее остается постоянной величиной с ростом относительной величины перемещения h . На следующей стадии (IV) осуществляются операции обжима с утонением и выдавливания трубной заготовки. Относительная величина силы операции интенсивно увеличивается с ростом относительной величины перемещения h . На конечной стадии (V) реализуется операция обжима с утонением, и относительная величина силы операции Р остается постоянной величиной. Анализ графических зависимостей, приведенных на рис. 4, б, аналогичен предыдущим рассуждениям.
Сравнение изменения относительной величины силы совмещения операций совмещения (рис. 4, а, б) показывает, что максимальная относительная величина силы операций находится на заключительной стадии.
На рис. 5 приведены графические зависимости изменения максимальной относительной величины силы совмещения операций обжима, обжима с утонением и обратного выдавливания трубных заготовок Рмах = мах(р) от угла конусности матрицы a. Установлены рациональные углы конусности матрицы в диапазоне 12...200, соответствующие минимальной относительной величине силы операции.
Анализ результатов расчетов показывает, что с ростом коэффициента трения m от 0,1 до 0,2 максимальная относительная величина силы
Рмах увеличивается на 30.40 %. Установлено, что с ростом коэффициента утонения тут от 0,8 до 1,0 максимальная относительная величина силы
Рмах увеличивается на 45.50 %. Выявлено, что с увеличением коэффициента обжима тоб от 0,7 до 0,9 максимальная относительная величина силы Рмах уменьшается на 75.85 %. Показано, что с увеличением степени деформации при выдавливании Е от 67,5 до 77,5% максимальная относительная величина силы Рмах повышается на 40 .50 %.
1.2
0.9
0.6
0.3
н 1
-- - -1— / 1 !
II / 1III / 1 ¡/И V
/ 1 / / 1 1
/ 1 1
а
1
1 \\ \
1 1
I 11 / III л 1 у
1 1
1
0,2
б
Рис. 4. Зависимости изменения Р от И
тоб = 0,9; т ут = 0,8; а = 10°; т = 0,1: а - вариант 1 (Е = 67,5%); б - вариант 2 (Е = 72,5%)
Выявлено влияние технологических параметров (коэффициента трения на контактных поверхностях рабочего инструмента и заготовки, коэффициента обжима, коэффициента утонения, угла конусности матрицы, степени деформации) на неоднородность распределения интенсивности напряжений, средних напряжений и деформаций по толщине сложнопро-фильных осесимметричных деталей, изготовленных операциями обжима, обжима с утонением и обратного выдавливания.
Для исследования влияния технологических параметров на неоднородность распределения напряжений и деформаций по толщине детали при совмещении операций обжима, обжима с утонением и обратного выдавливания толстостенных трубных заготовок рассматривалось напряженное и деформированное состояния в характерных четырех точках Р0, Р1, Р2, соответствующих внутренней поверхности утонения, контактной поверхности рабочего инструмента и трубной заготовки, и р - в зоне выдавливания. На рис. 6 представлена схема положений элементов в конечно-элементной сетке при совмещении операций обжима, обжима с утонением и обратного выдавливания толстостенных трубных заготовок.
Рис. 5. Зависимости изменения Рмах от a (тоб = 0,9; тут = 0,8; |! = 0,1 и E = 67,5%)
Распределение средних напряжений s (а), интенсивности напряжений öj (б) и степени деформации e (в) в пластической области на заключительной стадии при совмещении операций представлены на рис. 7. Расчеты выполнены при a = 100; тоб = 0,9; тут = 0,9; E = 72,5% и m = 0,1.
Из приведенных рисунков видно, что наибольшие значения средних напряжений ö, интенсивности напряжений öj и степени деформации e сосредоточенны в элементах, прошедших через зону утонения и выдавливания и неравномерно распределены по толщине детали.
Неоднородность распределения средних напряжений по толщине трубной заготовки ö оценивалась коэффициентом неоднородности величины средних напряжений kö и коэффициентом неоднородности величины интенсивности напряжений köj:
kö = (|ömax| — |ömin|У 0ср ; (1)
köi = (öi max — öi min )/ öi ср , (2)
где о
тах
о
тт
о
ср
- соответственно абсолютная максимальная, ми-
нимальная и средняя величины средних напряжений; о^ тах, о^ т^п, о^ ср -
соответственно максимальная, минимальная и средняя величины интенсивности напряжений.
Рис. 6. Положение элементов в конечно-элементной сетке по толщине детали: 1 - элемент №1 (Р0); 2 - элемент №2 (Р1); 3 - элемент №3 (Р2); 4 - элемент №4 (Р3)
а
б
в
Рис. 7. Распределение средних напряжений о (а), интенсивности напряжений о^ (б) и степени деформации е (в)
при совмещении операций
Неоднородность распределения степени деформации по толщине трубной заготовки оценивалась коэффициентом неоднородности степени деформации:
ке = (ешах — еш1п)/ еср, (3)
где ешах, еш1п, еср - соответственно максимальная, минимальная и средняя
величины степени деформации.
Графические зависимости изменения коэффициента неоднородности величины средних напряжений ка от коэффициента
обжима тоб представлены на рис. 8. Расчеты выполнены при а = 100;т = 0,1,тут = 0,9;Е = 72,5%. Установлено, что с увеличением коэффициента обжима тоб от 0,7 до 0,9 коэффициент ка возрастает в зависимости от рассматриваемой точки очага пластической деформации в зоне утонения на 45...60 %, а в зоне выдавливания - на 17...27 % с ростом коэффициента обжима тоб.
Рис. 8. Зависимости изменения ка от тоб: кривая 1 - Р0; кривая 2 - Р1; кривая 3 - Р2; кривая 4 - Р3
Анализ результатов расчетов показывает, что величины коэффициентов неоднородности распределения средних напряжений, интенсивности напряжений и степени деформации изменяются на 25.55 % в зависимости от рассмотренных слоев заготовки и различных сочетаний технологических параметров.
Список литературы
1. Аверкиев А.Ю. Формоизменение трубной заготовки при раздаче и обжиме // Кузнечно-штамповочное производство. 2000. №1. С. 6 - 9.
2. Аверкиев Ю.А., Аверкиев А.Ю. Технология холодной штамповки: учебник для вузов. М.: Машиностроение, 1989. 304 с.
3. Попов Е.А., Ковалев В.Г., Шубин И.Н. Технология и автоматизация листовой штамповки. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 480 с.
4. Пилипенко О.В. Обжим и раздача трубных заготовок из анизотропных материалов. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. 150 с.
5. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. 6-е изд. Л.: Машиностроение, 1979. 520 с.
6. Евсюков С. А. Влияние напряженного состояния на изменение длины образующей заготовки // Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. 1996. № 2. С. 94 - 100.
7. Яковлев С.С., Нгуен К.Х. Исследование силовых режимов процесса обжима цилиндрических заготовок // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 4. С. 64 - 69.
8. Митин О.Н., Нуждин Г. А., Нгуен К.Х. Моделирование операции обжима с утонением толстостенных трубных заготовок // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 5. С. 57 - 65.
9. Нгуен К.Х., Митин О.Н. Неоднородность распределения деформаций по толщине детали при обжиме с утонением толстостенных трубных заготовок // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 10. Ч.1. С. 163 - 168.
10. Биба Н.В., Стебунов С.А. QForm 5.0 - программный инструмент для повышения эффективности производства в обработке металлов давлением. 2008.
11. Теория обработки металлов давлением: учебник для вузов / В. А. Голенков, С.П. Яковлев, С.А. Головин, С.С. Яковлев, В. Д. Кухарь / под ред. В.А. Голенкова, С.П. Яковлева. М.: Машиностроение, 2009. 442 с.
Митин Олег Николаевич, канд. техн. наук, докторант, mpf-tiila aramhler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
SIMULATION OF THE COMBINED OPERATIONS OF CRIMPING, CRIMPING WITH THINNING AND BACK EXTRUSION WALLED ROUND BILLETS S
O.N. Mitin
The results of theoretical research carried out on the basis of software QFORM 2D-3D v. 7, combining operations crimp crimping with thinning and reverse extrusion thick-walled tube blanks. The regularities of the influence of process parameters and geometry of the working tool in the stress and strain state power modes, inhomogeneous distribution of medium voltage, the stress intensity and the degree of deformation of the part thickness.
Key words: modeling, combination of operations, crimp, crimping with thinning, extrusion die, punch, strength, coefficient of crimp ratio thinning, stress, the degree of deformation.
Mitin Oleg Nikolaevich, candidate of technical sciences, associate professor, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.983
ФОРМИРОВАНИЕ НАПЛЫВА ПРИ РОТАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКЕ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ
С.С. Яковлев, М.В. Ларина, В.И. Трегубов
Приведены математические модели формирования наплыва от технологических параметров, геометрических характеристик инструмента ротационной вытяжки цилиндрических деталей из сталей 10 и 12Х3ГНМФБА на специализированном оборудовании роликами с разделением очага деформации, полученные методами математической статистики и теории планирования эксперимента. Выявлены рациональные технологические режимы обработки, обеспечивающие минимальные величины наплыва.
Ключевые слова: ротационная вытяжка, труба, ролик, оправка, шага подачи, степень деформации, угол, деталь, наплыв.
Особенностью процесса ротационной вытяжки является образование наплыва материала перед фронтом давильных элементов при относительно небольших изменениях толщины стенки и увеличении в месте образования наплыва диаметра заготовки [1 - 4]. Величина и форма наплыва зависят от свойств обрабатываемого материала, режимов обработки, толщины стенки исходной заготовки и геометрических параметров деформирующих роликов.
Для толстостенных заготовок характерен наплыв, который представляет собой увеличение толщины стенки исходной заготовки перед очагом деформации, а для тонкостенных заготовок наплыв связан с потерей устойчивости стенки заготовки, отрывом её от поверхности оправки. В практике обычно имеет место образование наплыва, содержащего элементы того и другого типов при наиболее ярко выраженных признаках одного из них.
Нерегламентированное образование наплыва отрицательно влияет на обеспечение качественных характеристик деталей, изготавливаемых ротационной вытяжкой. В частности, чрезмерное увеличение наплыва приводит к перенаклепу металла, появлению поверхностных дефектов в виде чешуйчатости поверхности, трещин, закатов. Образование наплыва сопро-
34
