CC BY
101
Khrisanov Evgeny Olegovich, student, ieka20.08@mail.ru, Russia, Moscow, MSTU N.E. Bauman,
Serezhkin Mikhail Alexandrovich, assistant, pehobatop@gmail. com, Russia, Moscow, Moscow Bauman State Technical University,
Stupnikov Vadim Vladimirovich, assistant, vlastuamail. ru, Russia, Moscow, Moscow Bauman State Technical University,
Miniseva Louisa Khalisovna, assistant, miluiza@yandex. ru, Russia, Moscow, MSTU N.E. Bauman
УДК 621.983
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ВЫТЯЖКЕ
С УТОНЕНИЕМ И ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ
ДЕФОРМАЦИЕЙ
С. С. Яковлев
Предложена методика определения силовых параметров при вытяжке с утонением через матрицы, имеющиеклиновые выступы по периметру рабочего пояска, позволяющие получить интенсивную пластическую деформацию со значительными сдвиговыми деформациями и мелкозернистую структуру готовой детали. Определены силовые параметры расчётным путём по уточнённой методике и компьютерным моделированием с использованием программного комплекса QForm. Результаты расчётов и компьютерного моделирования показали удовлетворительную сходимость результатов.
Ключевые слова: вытяжка с утонением, интенсификация пластических деформаций, ИПД при вытяжке, цилиндрические оболочки, очаг деформации, мелкозернистая структура, корончатость, сдвиговые деформации, сила вытяжки, математическое моделирование, клиновые выступы.
Вытяжка с утонением находит широкое применение в тех отраслях машиностроения, в которых требуется изготавливать цилиндрические оболочки с большим отношением высоты к диаметру с толстым дном и тонкой стенкой. При вытяжке с утонением стенки величина зазора между пуансоном и матрицей меньше толщины стенки полой заготовки. Схема напряжений и смещений на стационарной стадии вытяжки с утонением приведена на рис. 1 [1].
В процессе формоизменения полой заготовки происходит изменение траектории движения её точек при входе и выходе из очага деформации, внешняя граница которого определяются радиусом Я, а внутренняя, радиусом г. Величина сдвига тем больше, чем меньше коэффициент уто-
212
нения стенки т = — и больше угол конусности матрицы а. Коэффициент
утонения зависит от пластических свойств материала заготовки и не принимается менее 0,5 за одну операцию, а увеличение угла конусности за-ходной части матрицы приводит к увеличению силы формоизменения и ухудшению условий деформирования, поэтому угол конусности заходной части матрицы принимается равным 10...20°. Вытяжка с утонением стенки осуществляется с хорошей смазкой, поэтому касательные напряжения, действующие в очаге деформации сравнительно малы. Реализуемая схема напряжений и смещений недостаточна для получения деталей ответственного назначения с мелкозернистой структурой. Достигнуть равномерную мелкозернистую структуру в готовом изделии можно, если использовать способ обработки с интенсивной пластической деформацией (ИПД), при котором происходит измельчение микроструктуры до наноразмеров за счёт значительных сдвиговых деформаций. В настоящее время для получения аналогичных деталей с мелкозернистой структурой широко используется способ ротационной вытяжки [2], в котором ИПД реализуется за счёт локального деформирования материала заготовки роликовыми или шариковыми давильными элементами. Ротационную вытяжку осуществляют с использованием специальных раскатных станков, или токарных станков с шариковыми или роликовыми раскатными устройствами. Способ ротационной вытяжки позволяет получать высокоточные оболочки с высокими эксплуатационными характеристиками. Однако его производительность по сравнению со способом вытяжки с утонением значительно меньше.
Рис. 1. Схема напряжений
213
Актуальной задачей являются разработка и исследование способа вытяжки с утонением и ИПД, в котором имеется возможность значительного увеличения сдвиговых деформаций не только на входе или выходе из очага деформации, но и в самом очаге.
Для увеличения сдвиговых деформаций при вытяжке с утонением рассмотрим стационарную стадию процесса при использовании матрицы 1, имеющей клиновую форму выступов по периметру рабочего пояска (рис. 2).
В матрице по сечению оа зазор между впадиной и пуансоном равен или больше толщины стенки заготовки £0, а по сечению оЬ зазор между
пуансоном 2 и выступом матрицы 1 равен £ 1. Таким образом, при вытяжке происходит локальное утонение стенки в полой заготовке с уменьшением формы и размеров очага деформации по сравнению с принятым в производстве способом вытяжки с утонением. В сечении оЬ схема напряжений и смещений будет соответствовать обычной вытяжке с утонением (рисунок 1), а в сечении оа очага деформации не будет (рис. 3).
В промежуточных сечениях внешняя граница очага деформации постоянна и равна радиусу Я, а внутренняя граница переменна с радиусом г> г >0, интенсивность изменения которого зависит от угла выступа на рабочем пояске матрицы в и глубины внедрения выступа в материал заготовки. При вытяжке через такую матрицу возникнут дополнительно сдвиговые деформации, вызванные силой трения ц2в направлениях от впадины к вершине выступов (см. рис. 2), а также сдвиговые деформации в осевом направлении из-за разности скоростей течения материала заготовки через переменный зазор между инструментом для вытяжки. В результате
/
Рис. 2. Схема матрицы
этого в полученном полуфабрикате возникает корончатость на краевом участке полуфабриката, а на наружной поверхности рифли, форма которых определяется формой и размерами выступов на матрице вытяжки. На последующей операции или переходе вытяжки с утонением для получения наружной нерифлёной (гладкой) поверхности используется обычная без выступов на рабочем пояске матрица, которая создаёт равномерный зазор с пуансоном равный или меньше величины 5'1. При этом также реализуется схема ИПД за счёт возникновения в очаге дополнительных сдвиговых деформаций, как в окружном, так и в осевом направлениях.
Рис. 3. Схема очага деформации
Для исследования силовых параметров процесса вытяжки с утонением и ИПД осуществлялось математическое моделирование в QForm 7 [3].Выбирались основные физико-температурные параметры вытяжки с утонением: материал заготовки - Сталь 10, температура процесса 20 °С, материал изотропный, предел прочность 372 МПа, предел текучести 205 МПа - с последующим запуском расчетов. При вытяжке применялась матрица с рабочим отверстием по выступам диаметром32мм. Диаметр отверстия по впадинам 36 мм.Использовалась заготовка - стакан с толщиной стенки 3 мм и наружным диаметром 36 мм; диаметр цилиндрического пуансона был постоянен и составлял 30 мм. Для обеспечения оптимальных условий вытяжки с утонением, заходный участок матрицы выполнялся конусным под углом 15 градусов. Рабочий торец пуансона имел радиус закругления, равный 3 мм. Число клиновых выступов на рабочем пояске матрицы 16 высотой 2 мм.
График изменения силы вытяжки в зависимости от перемещения пуансона показан на рис. 4.
0,12
ОД
0,08
га 0;06
г
0,04
0,02
1 2
10 15 20 25
Перемещение, мм
30
35
40
Рис. 4. График изменения силы вытяжки с утонением и ИПД заготовки из Стали 10 в матрице с 16 клиновыми выступами
Из графика видно, что пика силы при деформации донной части не происходит и максимальная нагрузка возникает при деформировании стенки заготовки. Сила в точках 1 и 2 может определяться зависимостью [2]
Р - Р,
(п+1)/а(п+1)/'с(п+1)/'
(1)
где ^(п+1)/ - площадь поперечного сечения детали после (п+1)-й вытяжки; а(п+1)1 - удельная работа деформации; с(п+1)/ - составляющая, учитывающая влияние трения по пуансону и матрице;
с(п+1)/' =1 + т м (1 - гп/ )(1 + ^о) + 0,75гш|1 псг^а,
(|м и тп - соответственно коэффициенты трения по матрице и пуансону)
1ш = 1 - %^;а(п+1), = А(£ш)'+п;
А
1 + п
2,718
\п
п
п - 1п
1+
25
10_о5
5 Л
100
где ав - предел прочности материала заготовки; п - показатель степени кривой упрочнения; 5ю и 55 - относительные удлинения соответственно десятикратного и пятикратного образца;
2
£
т
л/3
1п
1 т
Я
(п+1)/'
Площадь поперечного сечения заготовки
p
Fn =~(D -dП),
4
где dni - диаметр пуансона.
Площадь поперечного сечения детали определяется для матрицы с клиновыми выступами как разность площади поперечного сечения заготовки и площади клиновых выступов, внедрённых в материал заготовки:
F(n+1)7 = Fn - 0,5DnN
. p
sin —
N
DS - 0,5D
n
1
1
' P > 2
vNy
+
с
+ 0,5D
n
v
pp
--sin — -,
N N\
1-
p2
v N y
(2)
где N - число выступов по периметру матрицы вытяжки.
Следует отметить также другую особенность вытяжки с интенсивным пластическим деформированием - возможность более интенсивного локального утонения стенки, при которой благодаря возрастанию сдвиговых деформаций между деформируемыми и малодеформируемыми участками заготовки происходит залечивание микроповреждений. Однако характеристика деформации n может быть больше, чем при известном способе вытяжки с утонением.
Математическое моделирование силовых параметров и расчеты по зависимостям показало удовлетворительное согласование. Например, по результатам расчетов были получены следующие значения:
F(n+1)7 =192,12 мм 2;
Fn = 311мм2;
rm = 0,38;
7 = 256;
Р = F
I/ = 88530Я.
- - а(п+1)7
с(п+1)7 =1,8 ;
7 +1)7а(п+1)7с(п+1)7 Предложенная методика расчёта [2] с учётом влияния клиновидных выступов на рабочем пояске матрицы и результаты математического моделирования силовых параметров на первой операции вытяжки с утонением и ИПД показали удовлетворительную сходимость по величине силовой нагрузки.
Список литературы
1. Попов Е. А. Основы теории листовой штамповки: учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1977. 278 с.
217
2. Ковка и штамповка: справочник в 4 т. Т.4. Листовая штамповка / под общ. ред. С.С. Яковлева; ред. совет: Е.И. Семёнов (пред.) и др. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2010. 732 с.
3. Яковлев С.С., Коротков В. А. Моделирование интенсивной пластической деформации при вытяжке с утонением // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 5. С. 31 -37.
Яковлев Сергей Сергеевич, студент, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DETERMINA TION OF PO WER PARAMETERS A T THE EXHA UST WITH DEPRIVA TION AND INTENSIVE PLASTIC DEFORMA TION
S.S. Yakovlev
A technique for determining the power parameters for stretching with thinning through matrices having wedges along the perimeter of the working belt is proposed, which makes it possible to obtain intense plastic deformation with significant shear deformations and a fine-grained structure of the finished part. Power parameters were determined by calculation using a refined method and computer simulation using the QForm software. The results of calculations and computer simulations showed satisfactory convergence of the results.
Key words: stretching with thinning, intensification of plastic deformations, SDI for drawing, cylindrical shells, deformation center, fine-grained structure, crowning, shear deformations, drawing force, mathematical modeling, wedge protrusions.
Yakovlev Sergey Sergeevich, student, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
