ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОФОРМОВКИ Т-ОБРАЗНОГО ПЕРЕХОДНИКА МЕТОДОМ ТАГУЧИ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 539.374

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОФОРМОВКИ Т-ОБРАЗНОГО ПЕРЕХОДНИКА МЕТОДОМ ТАГУЧИ

В статье методом численного моделирования исследована технология гидроформовки детали Т-образного переходника. Применен метод Тагучи с ортогональным планом для исследования влияния технологических параметров (давление жидкости, скорость осевого пуансона, толщина трубы) на утонение и разнотолщин-ность стенки выступного отвода. На основе этого определены оптимальные технологические параметры для получения детали с лучшим качеством.

Ключевые слова: гидроформовка, переходник, утонение, разнотолщинность, моделирование, оптимизация.

Гидроформовка трубной заготовки - это процесс формоизменения деталей в двух закрытых половинах штампа под действием высокого гидростатического давления внутри трубы. Эта технология широко используется во многих областях, таких как автомобилестроение, авиастроение для изготовления трубчатых деталей сложной формы. Метод гидроформовки трубных заготовок позволяет значительно снизить стоимость продукции, затраты на инструмент, увеличить экономию материалов, а также значительно повысить производительность и механические свойства изделия по сравнению с традиционными методами, такими как литье, сварка, механическая обработка [1,2]. Т-образные отводы - одна из сложных деталей, изготавливаемых по технологии гидроформовки. Существует множество схем гидроформовки, из которых обычно используются схемы с осевым сжатием заготовки без противодавления или с противодавлением [1-3]. В таких схемах создаваемое напряженно-деформированное состояние благоприятно для процесса пластической деформации.

Хотя напряженное состояние, создаваемое при гидроформовке с осевым сжатием, является благоприятным, деформация в выступе части Т-образной детали является сложной, что приводит к неравномерному распределению толщины. На качество продукции оказывают влияние такие факторы, как давление жидкости, скорость осевого пуансона, толщина трубы, коэффициент трения, противодавление. В данной статье исследована оптимизация трех параметров: давление жидкости, скорость осевого пуансона, толщина трубы в схеме с осевым сжатием заготовки с целью получения наименьшего утонения и разнотолщинности выступного отвода.

Деталь «Тройник» с размерами показана на рис. 1.

Д.Х. Чан, В Т. Нгуен, М.Т. Нгуен, В.Ж. Лыонг

а

б

Рис. 1. Деталь «Тройник»

Размеры трубной заготовки приведены в табл. 1.

Таблица 1

Размеры трубной заготовки__

№ заготовки Внешний диаметр, мм Толщина, мм Длина, мм

1 33,4 1,7 170

2 33,4 1,8 170

3 33,4 1,9 170

Материал заготовки - углеродистая сталь марки Л181 1010, имеющая следующие характеристики (табл. 2).

Таблица 2

Механические характеристики стали АШТ1010__

Характеристики МПа оъ МПа 6 % % Твердость НВ

Сталь Л1Ш11010 304 365 20 40 100

Согласно [1, 7, 8], можно рассчитать отрицательную противодействующую силу, для этого необходимо использовать только схему гидроформовки с осевым сжатием без противодавления. Такая схема представлена на рис. 2. Заготовка 1 помещается в полость матрицы 2. Два пуансона 3 движутся по оси заготовки, осуществляя ее сжатие до положения, показанного на рис. 2 и формируя внутреннюю полость заготовки. Верхняя половина штампа опускается в соответствии с установочными штифтами, нажимая на нижнюю половину штампа с достаточным усилием для закрытия двух половин штампов. Жидкость подается во внутреннюю полость трубы, поднимая давление до заданного значения, в то время как два осевых пуансона продолжают движение с заданной скоростью. Труба деформируется по полости штампов до остановки процесса штамповки.

1 р

Л I

1 ЯШ/к г

-!>-- • -ДО--

™ Ж - ШЁ

1у 3

Рис. 2. Схема гидроформоеки детали «Тройник» с осевым сжатием: 1 - заготовка; 2 - матрица; 3 - пуансоны.

Метод Тагучи - довольно часто используемый метод в планировании эксперимента, позволяющий минимизировать количество опытов, необходимых для изучения влияния параметров на качество изделий. Следовательно, можно быстро оптимизировать параметры процесса изготовления обработанных деталей [10].

Этот метод основан на оценке отношения сигнал/шум (Ш/Ы), которое представляет уровень рассеивания около целевого значения. Чем больше коэффициент шума, тем меньше уровень рассеяния. Формула для расчета отношения сигнал/шум устанавливается в соответствии с тремя различными характеристиками: «Чем меньше, тем лучше», «Чем больше, тем лучше» и « Номинальное - наилучшее значение»:

«Чем меньше, тем лучше». Этот тип соответствует нежелательным характеристикам (дефектам), значение которых в идеале равно нулю.

528

Б/Ы = л = -101о§(м);

1 п 2

м = - !у2; (1)

п1=1

«Чем больше, тем лучше». Этот тип соответствует желательным характеристикам, значения которых должны быть как можно больше.

Б/Ы = л = -101ое(м);

M

1 n 1 ■ I <-) ;

(2)

п1=1УГ

«Номинальное - наилучшее значение». Соответствует характеристикам, для которых наиболее предпочтительно определенное значение.

Б/Ы = л = -101ое(м);

1п

м =11(у - уо )2, (3)

п1=1

где М - это среднеквадратическое отклонение.

Согласно работе [9], давление жидкости принадлежит диапазону от 60 - 70 МПа, скорость осевого пуансона составляет 6...10 мм/с. Для исследования была выбрана ортогональная матрица Ь9 (33) в соответствии с методом Тагучи, которая представляет собой 9 наборов экспериментов и содержит 3 трехуровневых фактора, расчетные значения которых приведены в табл. 3.

Значения уровней

Таблица 3

Уровни факторов Кодовые переменные 1 2 3

Давление жидкости, Мпа A 60 65 70

Скорость осевого пуансона, мм/с B 6 8 10

Толщина трубы, мм C 1,7 1,8 1,9

Ортогональный план эксперимента приведен в табл. 4.

Таблица 4

__Матрица плана эксперимента__

№ опыта A B C

1 1 1 1

2 1 2 2

3 1 3 3

4 2 1 2

5 2 2 3

6 2 3 1

7 3 1 3

8 3 2 1

9 3 3 2

Целевыми функциями являются качественные характеристики изделия: относительное утонение ( ASq), отклонение толщины стенки (DSXy) выступного отвода,

рассчитаны по следующим формулам:

AS0 = Stb ,i00% (4)

S0 Sx _ S y

ASxy = M S S }-100% (5)

' Max\Sx, Sy\

Целевые функции оптимизированы в сторону «чем меньше, тем лучше».

Эксперименты проводились путем численного моделирования в программном комплексе DEFORM 3D, геометрическая модель была построена, как показано на рис. 3.

Нижняя половина матрицы

Рис. 3. Геометрическая модель для моделирования процесса гидроформовки

Условия моделирования: коэффициент трения между заготовкой и инструментом равен 0,12, давление жидкости и скорость осевого пуансона постоянные в течение процесса гидроформовки. Заготовка разбивается на большое количество элементов (около 220 000 элементов) небольшого размера, обеспечивающих сходимость результатов расчета. Материал выбран в библиотеке программного комплекса DEFORM - сталь AISI 1010 (сталь 10 по ГОСТ 8733-87). Условие остановки: два осевых пуансоны перемещаются на дистанцию 40 мм.

Резутаты измерения целевых функций получены при обрезке выпуклой части до необходимого размера (рис. 4).

Damage

0.000 Min 1.008 Мах

Рис. 4. Измерение значений целевых функций

Проведены 9 опытов по матрице плана эксперимента с использованием программного комплекса DEFORM 3D, результаты приведены в табл. 5.

Таблица 5

Резутаты целевых функций по матрице плана эксперимента _

№ опыта 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Sx (мм) 1,754 1,845 2,005 1,796 1,986 1,747 2,002 1,741 1,761

Sy (мм) 1,218 1,418 1,570 1,332 1,464 1,208 1,450 1,141 1,284

Stb (мм) 1,486 1,632 1,788 1,564 1,725 1,478 1,725 1,441 1,522

So (мм) 1,7 1,8 1,9 1,8 1,9 1,7 1,9 1,7 1,8

ASö (%) 12,57 9,332 5,896 13,08 9,170 13,05 9,163 15,19 15,40

ASxy (%) 30,56 23,10 21,66 25,81 26,28 30,83 27,51 34,42 27,06

Обработка данных с помощью программного комплекса Minitab 19 позволяет получить следующие результаты:

Для целевой функции относительное утонение толщины ( Д£0 ). Из графика на рис. 5 видно, что при повышении давления жидкости (р) относительное утонение выступного отвода (Д^) резко увеличивается, при увеличении исходной толщины заготовки - резко снижается, при этом скорость осевых пуансонов существенно не влияет на Д^0.

Рис. 5. График влияния входных параметров на относительное утонение толщины

выступного отвода

Уровень влияния входных параметров на Д£0 оценивается в программном комплексе Minitab 19, как показано в табл. 6.

Таблица 6

Таблица отклика (Д^) для отношения сигнал к шуму

Уровень Р v So

1 -18,9324 -21,1865 -22,6434

2 -21,2973 -20,7593 -21,8274

3 -22,2074 -20,4913 -17,9664

Mean -20,8124 -20,8124 -20,8124

Delta 3,2750 0,6953 4,6769

Rank 2 3 1

Из табл. 6 видно, что толщина заготовки имеет наибольшее влияние на относительное утонение выступного отвода ( ASq), за ней следует давление жидкости и наименьшее влияние оказывает скорость осевых пуансона.

С целью оптимизации ASq в сторону «чем меньше, тем лучше», оптимальное отношения сигнал/шум рассчитано по формуле:

S/Nopt = S/ (N • pmax) + S/ (N • vmax)+S/ (N • Somax)-2 • Mean =

= -18,9324 - 20,4913 -17,9664 + 2 • 20,8124 = -15,7653. Оптимальное относительное утонение толщины выступного отвода (ASop0) ожидается:

S/Nopt

ASopQ= 10 20 = 6,14% Таким образом, оптимальные параметры соответствуют опыту №3, то есть p = 60МПа ; v = 10 мм / с; Sq = 1,9 мм.

Для целевой функции отклонение толщины стенки выступного отвода ( DSxy ).

с-

£ 30.0 й

« 27.5 «

S 25.0 S

и

Рис. 6. График влияния входных параметров на отклонение толщины стенки

выступного отвода (DSXy)

Из графиков на рис. 6 видно, что при повышении давления жидкости (р) отклонение толщины стенки выступного отвода ( DSXy ) резко увеличивается, при увеличении исходной толщины заготовки - резко снижается, при этом с увеличением скорости осевых пуансона DSXy незначительно снижается.

Уровень влияния входных параметров на DSxy показан в табл. 7.

Таблица 7

Таблица отклика (Д£ху) для отношения сигнал к шуму

Уровень P v So

1 -27,8962 -28,9095 -30,0729

2 -28,8026 -28,8003 -28,0515

3 -29,3909 -28,3797 -27,9652

Mean -28,6965 -28,6965 -28,6965

Delta 1,49 0,53 2,11

Rank 2 3 1

Из табл. 7 видно, что толщина заготовки имеет наибольшее влияние на ( DSXy ), за ней следует давление жидкости и наименьшее влияние оказывает скорость

осевых пуансонов.

С целью оптимизации DSXy в сторону «чем меньше, тем лучше», оптимальное отношения сигнал/шум рассчитано аналогично для DSXy :

Оптимальное отношения сигнал/шум для отклонения толщины стенки выступного отвода ( DSXy ):

S/Np = S/ (N • pmax ) + S/ (N • vmax ) + S/ (N • Somax )-2 • Mean =

= -27,8962 - 28,3797 - 27,9652 + 2 • 28,6965 = -26,848.

Отклонение толщины стенки выступного отвода (DS(°pt ) ожидается:

- S/Np

DS°Jyt = 10 20 = 21,999% Оптимальные параметры тоже соответствуют опыту №3, то есть p = 60МПа ; v = 10 мм / с ; So = 1,9 мм.

p, МПа V, мм/с

60 65 70 6 8 10

Таким образом, для получения наименьших величин утонения и отклонения толщины стенки выступного отвода при гидроформиге детали Т-образного переходника, входные параметры составляют соответственно p = 60МПа ; v = 10 мм / с;

Sq = 1,9 мм. Применение планирования Тагучи позволяет не только оценить влияние параметров входной технологии на качество продукции, но и быстро найти оптимальное значение. Вместе с тем, проведение экспериментов с помощью численного моделирования помогает снизить затраты на испытания, повысить эффективность проектирования и разработки продукта.

Список литературы

1. Pham Van Nghe, Cong nghe dap tMy tinh. NXB BHBK Ha Noi (2006).

2. Muammer Koc. Hydroforming for Advanced Manufacturing. Woodhead Publishing in Materials, 2008. 412 p.

3. Bathina Sreenivasulu. Development of Empirical Model for Tube Hydroforming Process using RSM // International Journal of Applied Engineering Research. Volume 12. Number 12 (2017). P. 3416-3425.

4. Bathina sreenivasulu, Prasanthi G. FEA Simulation analysis of tube hydroforming process using DEFORM-3D // 12th Global congress on manufacturing and management. Procedia Engineering 97. 2014. P. 1187 - 1197.

5. Ray P., Mac Donald B.J. Experimental study and finite element analysis of simple X- and T-branch tube hydroforming processes // International Journal of Mechanical Sciences 47 (2005). P. 1498-1518.

6. Vishnu P. Sharma, Kamlesh Kushwaha, et al. Effect on finite element simulation of tube hydroforming process // International Journal of Science & Technology Vol. 5 Issue 2. August 2015.

7. Богоявленский К.Н., Вагин В.А., Мамутов B.C., Рис В.В., Чалев Д.И., и др. Гидропластическая обработка металлов. Л.: Машиностроение, София: Техника. 1988. 256 с.

8. Богоявленский К.Н., Серяков Е.И., Кобышев А.Н., Воронина Н.Ф.; под ред. Богоявленского К.Н. Изготовление полых сложных деталей. Л.: Машиностроение, 1979. 218 с.

9. Luong V.G., Tran D.H., Nguyen M.T. A study on numerical simulation of t -shape tube hydroforming process // Journal of Military Science and Technology. 2020. 9.

10. Krishnaiah K., Shahabudeen P. Applied design of experiments and taguchi methods // PHI Learning Private Limited Ltd., New Delhi, 2012. 371 p.

Чан Дык Хоан, канд. техн. наук, доцент, duchoan1012@,gmail. com, Вьетнам, Ханой, Вьетнамский государственный технический университет имени Ле Куй Дона,

Нгуен Ван Тинь, аспирант, tinhnguyenvan1003@gmail.com, Россия, Тула, Туль-ский государственный университет,

Нгуен Мань Тиен, магистр, duchoan 1012@gmail. com, Вьетнам, Ханой, Вьетнамский государственный технический университет имени Ле Куй Дона,

Лыонг Ван Жой, сотрудник, duchoan1012@,gmail. com, Вьетнам, Куангнинг, Завод X48 - Технический отдел военно-морского флота - Армия ВМС Вьетнама

533

OPTIMIZATION OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF HYDROFORMING PROCESS

OF T-PIECE BY THE TAGUCHIMETHOD

D.H. Tran, V.T. Nguyen, M.T. Nguyen, V.G. Luong

The article investigates the technology of hydroforming of a T-piece adapter by numerical simulation. The Taguchi method with an orthogonal plan was applied to study the effect of technological parameters (fluid pressure, axial punch speed, pipe thickness) on thickness thinning, deviation of the wall thickness of the protruding branch. On this basis, the optimal technological parameters were determined to obtain a part with the best quality.

Key words: hydroforming, modeling, technological parameter, optimization.

Tran Duc Hoan, candidate of technical sciences, docent, duchoan1012@,gmail. com, Vietnam, Hanoi, Le Quy Don Technical University,

Nguyen Van Tinh, postgraduate, tinhnguyenvan1003@gmail. com, Russia, Tula, Tula state University,

Nguyen Manh Tien, master, duchoan1012@,gmail. com, Vietnam, Hanoi, Le Quy Don Technical University,

Luong Van Gioi, employee, duchoan1012@,gmail. com, Vietnam, Quang Ninh, Factory X48 - Navy Technical Department - Vietnam Army

УДК 621.77; 621.7.043

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА НАПРЯЖЕНИЯ В ДЕТАЛИ ПРИ ОРТОГОНАЛЬНОМ ВЫДАВЛИВАНИИ

С.Н. Михальченко, Н.С. Мальцева

В статье приведены результаты исследований напряженного состояния изделий при ортогональном горячем деформировании титановых заготовок. Исследования базируются на основе конечно-элементного моделирования.

Ключевые слова: горячее формоизменение, ортогональное выдавливание, напряжения, исследование.

Рассмотрим формоизменяющую операцию, позволяющую получать полуфабрикаты под пустотелые титановые тройники. Она заключается в вдавливании вертикального отростка путем перемещения двух рабочих пуансонов в горизонтальном направлении. В статье изучено влияние степеней деформации, скоростей деформирования на напряжения в детали. На рис. 1 представлена схема операции.

Исследование напряженного состояния детали основывалось на результатах моделирования в программе DEFORM. При расчетах принимались следующие размеры и их соотношение: D0 = 40 мм; D = 15...45 мм. Исследовалось влияние величин скоростей перемещения пуансонов V = 0,03...10 мм/с и трения m = 0,1...0,4. Материал заготовки - слав ВТ6. Температура деформирования 900°С .

На рис. 2 дана зависимость, устанавливающая влияние относительного диаметра выдавливаемого отростка на максимальные по абсолютной величине растягивающие и сжимающие напряжения в детали.