Оптимизация геометрии рабочего инструмента с целью предотвращения образования складки на этапе осадки заготовки в процессе прямого выдавливания Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.777

ОПТИМИЗАЦИЯ ГЕОМЕТРИИ РАБОЧЕГО ИНСТРУМЕНТА С ЦЕЛЬЮ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ СКЛАДКИ НА ЭТАПЕ ОСАДКИ ЗАГОТОВКИ В ПРОЦЕССЕ ПРЯМОГО

ВЫДАВЛИВАНИЯ

П.В. Крутиков, Д.О. Абаносимов, А.С. Иванов

Исследуется явление складкообразования при выдавливании осесимметричных корпусов. Проведенные экспериментальные исследования позволили оптимизировать геометрию матричной полости, что, в свою очередь, исключает складкообразование на этапе осадки заготовки при холодном выдавливании.

Ключевые слова: складкообразование, прямое выдавливание, потеря устойчивости, дефекты, дислокации.

В ходе моделирования технологического процесса получения тонкостенных корпусов авторами было проведено варьирование диаметров заготовки с целью установления возможности максимального увеличения диаметра в процессе прямого выдавливания [1]. Стоит отметить, что разработанные твердотельные модели инструмента и заготовки (формат stl) помещаются в подпрограмму Qshape (для 3D-расчета), затем происходит разбитие на конечно-элементную сетку с последующим решением задачи в программном комплексе Qform 2D/3D. Модель заготовки на трех этапах выдавливания с полями распределения интенсивности напряжений, полученная в ходе расчета, представлена на рис. 1 [2].

Рис. 1. Распределение интенсивности напряжений в заготовке

62

Отметим, что в данной схеме выдавливания (классическое обратное выдавливание с диаметром заготовки, равным диаметру матричной полости) при соблюдении определенных технологических рекомендаций наблюдается достаточно равномерное распределение напряжений и деформаций, а также отсутствие значимых дефектов при формировании вертикальной стенки. В процессе анализа технологии и способа получения подобных деталей встал вопрос о снижении технологической силы деформирования, повышении стойкости штамповой оснастки (ввиду высоких удельных сил деформирования при холодном выдавливании) и уменьшении диаметра прутковой заготовки, а также прутка в целом (ввиду большего удобства хранения, транспортирования и использования в изготовлении деталей прутка как можно более меньшего диаметра). Была предложена схема деформирования, сочетающая в себе за один ход ползуна пресса одновременную осадку с раздачей заготовки и свободное прямое выдавливание.

В ходе моделирования предлагаемой технологии авторы столкнулись с проблемой образования складки на этапе осадки исходной заготовки до требуемых размеров детали (рис. 2) [3,4,5].

Рис. 2. Явление образования складки в процессе деформирования

цилиндрической заготовки

Экспериментальные исследования проводились для материала Сталь 10 при температуре инструмента и заготовки 20 °С. Модель инструмента для расчета МКЭ - абсолютно жесткий инструмент. В дальнейшем образовавшаяся складка начинает негативно влиять на процесс истечения металла, что существенно снижает прочностные и эксплуатационные ха-

рактеристики готового изделия (рис. 3). Кроме того, нарушается симметричность осадки и образования стенок, что неизбежно приведет к существенному повышению коэффициента использования металла. Основываясь на описанных ранее тезисах, можно говорить о необходимости борьбы со складкообразованием в приведенном способе выдавливания.

Рис. 3. Явление образования складки в процессе деформирования

цилиндрической заготовки

На основании проведенных экспериментальных исследований было установлено, что явление образования складки при осадке цилиндрической заготовки в процессе выдавливания наступает при углах наклона конусного участка матрицы к вертикали более 20° с учетом фиксированной высоты конусного участка матрицы, равной 20 мм, при начальном диаметре заготовки, составляющем 9 мм. Была выдвинута гипотеза, подтвержденная дальнейшими опытами, что геометрическим параметром, наиболее сильно влияющим на наличие складкообразования и потерю устойчивости при выдавливании подобных заготовок, является угол наклона конуса матрицы к вертикали [6, 7]. Проведя оптимизацию геометрии матричной полости, авторам удалось исключить явление образования складки на заготовке

без изменения соотношения диаметра заготовки к диаметру детали (рис. 4).

Была увеличена высота вертикального участка матрицы, формирующего внешнюю часть стенки детали, а также уменьшен угол наклона матрицы к вертикали до 15°.

ti Г <71 vM ги

I

Рис. 4. Исключение складкообразования путем оптимизации

геометрии инструмента

Проведенные исследования будут служить основой для разработки рекомендаций по проектированию штамповой оснастки для изготовления всевозможных осесимметричных корпусов с помощью способа прямого выдавливания, совмещающего в себе одновременно и раздачу прутковой заготовки. Данный способ обладает существенными экономическими и техническими преимуществами перед существующими. Представленная работа имеет важное отраслевое значение и дает широкие возможности для развития высокоэффективных методов обработки металлов давлением.

Список литературы

1. Овчинников А. Г. Основы теории штамповки выдавливанием на прессах. М.: Машиностроение. 1983. 200 с.

2. Кудрявцев Е.М. КОМПАС-3Б V10. Максимально полное руководство: в 2 т. М.: ДМК Пресс, 2008. 1184 с.

3. Джонсон У., Меллор П. Теория пластичности для инженеров / пер. с англ. А.Г. Овчинникова. М.: Машиностроение, 1979. 567 с.

4. Рыбин Ю.И., Рудской А.И., Золотов А.М. Математическое моделирование и проектирование технологических процессов обработки металлов давлением. СПб.: Наука, 2004. 644 с.

5. Чумаченко Е.Н., Логашина И.В. Математическое моделирование и оптимизация материалов при обработке давлением. М.: ООО «НПП «ЭКОМЕТ», 2008. 400 с.

6. Дель Г.Д. Технологическая механика. М.: Машиностроение, 1978. 174 с.

7. Третьяков А.В., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. 2-е изд. М.: Металлургия, 1973. 224 с.

Крутиков Петр Валерьевич, асп., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Абаносимов Денис Олегович, магистрант, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Иванов Алексей Сергеевич, студент, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE OPTIMIZATION OF THE GEOMETRY OF THE WORKING TOOL WITH THE AIM OF PREVENTION THE FORMA TION OF FOLDS A T THE STA GE OF PRECIPITA TION OF THE WORKPIECE IN THE PROCESS OF DIRECT EXTRUSION

P. V. Krutikov, D.O. Abanosimov, I.A. Ivanov

The paper examines the phenomenon of wrinkling when squeezing axisymmetric cases. Experimental studies have allowed to optimize the geometry matrix of the cavity, which in turn eliminate the folding activity at the stage of precipitation of the workpiece by cold extrusion.

Key words: folding activity, a direct squeezing, buckling, defects, dislocations.

Krutikov Pyotr Valeryevich, postgraduate, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Abanosimov Denis Olegovich, postgraduate, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University

Ivanov Alexey Sergeevich, student, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University