CC BY
9
Харченко Антон Витальевич, студент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
RESEARCH OF THE CHANGE IN THE DEFORMED VOLTAGE OF THE BILLET MATERIAL DURING ISOTHERMAL CRIMPING
I.S. Khrychev, A.V. Kharchenko
The article presents the results of the analysis of the deformed state of the workpiece at various values of the compression ratio, deformation rates and the size of the gap between the matrix and the mandrel. Changes in deformations in workpieces from the considered parameters are presented.
Key words: crimping, isothermal deformation, deformation.
Khrychev Ivan Sergeevich, student, mpf-tiilaaramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kharchenko Anton Vitalievich, student, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.7.01; 621.7.79 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-3-19-26
ОЦЕНКА ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЗАГОТОВКИ ПРИ ВЫТЯЖКЕ С УТОНЕНИЕМ СТЕНКИ
С.Н. Ларин, АН. Исаева, П.В. Романов
Проведен расчет деформированного состояния полуфабриката при вытяжке с утонением стенки заготовки из Стали 10 теоретическим методом с привлечением программного комплекса QForm и экспериментального метода делительных сеток. Показано распределение накопленной деформации по сечению формоизменяемой заготовки. Приведены основные достоинства и недостатки выбранных методов исследования.
Ключевые слова: вытяжка с утонением, напряжения, деформации, делительная сетка, моделирование.
Одно из направлений развития машиностроительной и металлообрабатывающей отраслей реализуется путем увеличения удельного веса обработки металлов давлением и повышения роли кузнечно-штамповочного производства. Широкое использование процессов обработки металлов давлением в промышленном производстве дает возможность получать заготовки и изделия с высокой точностью с прогнозируемыми механическими характеристиками при высокой производительности и низкой себестоимости [1-5].
Теоретические методы исследования базируются на прикладной теории пластичности. При этом реальные процессы обработки металлов давлением схематизируются, а реальные свойства материалов идеализируются. Часто результаты теоретического анализа не позволяют полностью ответить на целый ряд вопросов, которые ставит практика перед технологами и конструкторами, занимающимися штамповкой. Следует отметить, что во многих случаях в силу значительных математических трудностей не представляется возможным получить теоретические решения, поэтому встает задача одновременного развития и экспериментальных методов исследования, позволяющих получить практические решения наиболее важных проблем пластического формоизменения металла, а также проверить, если это необходимо, теоретическое решение [2].
19
Оценку результатов теоретического и экспериментального методов исследования проведем на примере многооперационного технологического процесса получения цилиндрического стакана из Стали 10 операциями вытяжки с утонением стенки (рис. 1). Для теоретических исследований будем использовать программный комплекс QForm, базирующийся на методе конечных элементов. Данный комплекс является хорошим инструментом для оценки напряженного и деформированного состояний заготовки, кинематики течения материала, позволяет увидеть дефектообразование при неправильно подобранных технологических параметрах, неоптимальной геометрии заготовки и инструмента, а также разрушение полуфабриката при достижении предельных степеней деформации или потере устойчивости.
Рис. 1. Модель операции вытяжки с утонением стенки: 1 — пуансон; 2 — заготовка; 3 — матрица
При моделировании принимались следующие условия формообразования: коэффициент утонения стенки изделия т8 = 0,6; смазка обеспечивала коэффициент трения т = 0,1; исполнительное оборудование - гидравлический пресс с номинальной силой 50 МН и скоростью перемещения траверсы 5 мм/с; коническая матрица с углом наклона рабочего контура равным 10 градусам; пуансон диаметром 63 мм.
На рис. 2 и 3 приведены картины распределения интенсивности напряжений и накопленной деформации на различных этапах формообразования.
Рис. 2. Распределение интенсивности напряжений на различных этапах операции вытяжки с утонением стенки
20
Рис. 3. Распределение накопленной деформации на различных этапах операции
вытяжки с утонением стенки
Для операций листовой штамповки характерно, что поле напряжений и деформаций неоднородно. Различные точки очага деформации получают различные деформации, а в условиях холодной деформации - и различное упрочнение. В этом случае напряжение текучести является функцией координат. При формообразовании учет изменения механических свойств производился в соответствии с аппроксимированной кривой упрочнения, приведенной на рис. 4.
'1
1 2 4.
• I ,. I"
0.0 02 0 4 0 Б 0 В 1 0 1 2 1.4 1.6 1 3 £
Рис. 4. Зависимость напряжения текучести от величины накопленной деформации Стали 10 при различных скоростях деформации:
1 - Х= 0,01 С-1; 2 - Х= 0,1 С-1; 3 - £= 0,1 с-1; 4 - £= 10 с-1;
5 - Х= 100 С-1; 6 - Х= 500 С-1
С целью проверки количественных и качественных результатов моделирования в программном комплексе QForm3D проведено экспериментальное исследование операции вытяжки с утонением стенки цилиндрического стакана из Стали 10. Экспериментальные работы осуществлялись на испытательной машине ГМС-50 (рис. 5). Вытяжка проводилась на провал.
Рис. 5. Испытательная машина ГМС-50 с записью диаграммы силовых значений
Деформирование осуществлялось с использованием конусно-тороидальной матрицы (рис. 6) диаметром 73 мм, пуансоном - 62 мм. Односторонний зазор составил 5 мм, коэффициент вытяжки т=0,58. Сила вытяжки фиксировалась в диапазоне 234...337 кН. Для получения колпачка использовалась заготовка из Стали 10 диаметром 115 мм и толщиной 5 мм
Колпачки после вытяжки подвергались отжигу, а также фрезеровались с целью получения половинки с размером 36 мм. На каждой половинке колпачка по поверхности среза на инструментальном микроскопе УИМ-23 наносилась делительная сетка, с помощью алмазного индентора. За элементарную ячейку принимается квадрат со стороной 1 мм. Точность нанесения сетки ± 0,005 мм. На рис. 7 показан сваренный образец до формообразования, половинка с нанесенной делительной сеткой и половинка после реализации операции вытяжки с утонением стенки.
|9Ь ' ■ /, - "Л
Рис. 6. Экспериментальная штампован оснастка для проведения экспериментальных исследований: 1 — пуансон, 2 — матрица; 3 — корпус; 4 — прижим; 5 — направляющая втулка
а б в
Рис. 7. Полуфабрикат с нанесенной делительной сеткой: а — сваренный образец до формообразования; б — половинка с нанесенной делительной сеткой; в — половинка после вытяжки с утонением стенки
Затем половины колпачков соединялись хомутами и сваривались в донной части по наружной поверхности. После сварки хомуты снимались, проводилась зачистка сварного шва. Составные колпачки подвергали вытяжке с утонением стенки, как на провал, так и с ограничением рабочего хода.
Первую вытяжку с утонением проводили в матрице с коническим заходным участком диаметром 70 мм, пуансоном диаметром 62 мм (коэффициент утонения т2 = 0,8). Сила вытяжки составляла 226.. .248 кН.
Вторую вытяжку с утонением проводили в конусной матрице с рабочим пояском диаметром 68 мм, пуансоном 62 мм (суммарный коэффициент утонения тг = 0,6). Сила вытяжки на втором этапе достигала величин 256.257 кН.
Колпаки после вытяжки разъединялись на две половинки. На рис. 8 показаны полученные полуфабрикаты с искаженной делительной сеткой (5 продольных рисок).
а
б
Рис. 8. Полуфабрикаты с искаженной делительной сеткой: а — степень утонения т2 = 0,8; б — степень утонения т2 = 0,6
Для изучения характера искажения делительной сетки в зависимости от степени утонения, измерялись координаты делительной сетки на микроскопе УИМ-23. Измерение искаженной делительной сетки сводилась к определению координат узловых точек и угловых искажений в этих точках.
Обработка искаженной деформацией координатной сетки, нанесенной в главной плоскости пластически деформируемого тела, дает более достоверную информацию о характере напряженно-деформированного состояния по сравнению с другими геометрическими методами исследования в тех случаях, когда выполняется на базе теории течения.
Одним из наиболее точных методов обработки ячеек координатной делительной сетки считается метод, разработанный И.П. Ренне [6]. Он подразумевает непрерывное фиксирование изменения ориентации и размера двух базовых значений ячеистой структуры, изображенной в главной плоскости, при ее смещении в очаге формообразования.
На рис. 9 показаны графические зависимости изменения траектории движения в очаге деформации по сечению заготовки.
I
0,97 0,95 0,93 0,91 0,89 0.87
И /| 1 1
5 Г 4 Г || !
1 [ 11 ' 1 1 1 '
1 п 1
31 1 4
, и п
а б
Рис. 9. Графические зависимости изменения траектории движения в очаге деформации: а - степень утонения т2 = 0,8; б - степень утонения т2 = 0,6
Здесь сплошные линии соответствуют расчетным значениям, а пунктирные -экспериментальным, кривая 5 - движение 5 точки, 4 - точка 4, 3 - точка 3, 2 - точка 2, 1 - точка 1.
Проведенный анализа позволил провести оценку деформированного состояния полуфабриката и построить в плоскости нанесения сетки изолинии сдвиговых накопленных деформаций 8д (рис. 10).
а б
Рис. 10. Изолинии сдвиговых накопленных деформаций £д:
а - степень утонения т2 = 0,8; б - степень утонения т2 = 0,6
Сопоставление результатов теоретических расчетов и экспериментальных данных указывают на их удовлетворительное согласование, максимальная величина расхождения не превышает 10 %. Исследования напряженно-деформированного состояния заготовки с применением современных программных комплексов дают возможность относительно быстро и точно провести оценку рассматриваемых операций. Однако, не всегда при теоретическом моделировании возможен учет реальных свойств материа-
24
лов, т.к. могут быть отклонения как в химическом составе, так и в термической обработке. Поэтому всегда необходима экспериментальная поверка проводимых исследований.
Исследование напряженно-деформированного состояния экспериментальным методом делительных сеток является дорогостоящим и трудоемким методом, т.к. требуется не только подготовка образцов, но и изготовление экспериментальной оснастки. Точность проводимых исследований сильно зависит от качества нанесенной сетки и последующих измерений координат деформированных ячеек. К преимуществам данного метода исследования можно отнести наиболее полный учет температурных, скоростных и технологических факторов, оказывающих влияние на протекание процесса деформирования. Кроме того, проведенные исследования позволили установить картину распределения накопленной деформации по толщине полуфабриката.
Выводы
1. Проведенный анализ деформированного состояния заготовки при вытяжке с утонением стенки показал, что наибольшие деформации материал испытывает в донной части, причем по наружной поверхности реализуются максимальные сдвиговые деформации.
2. Методы математического моделирования процессов обработки материалов давлением, реализуемые в программных комплексах, не всегда могут отобразить полную картину реальных перемещений пластических областей в заготовке.
3. Экспериментальные исследования операции вытяжки с утонением стенки с нанесением делительной сетки, позволили выявить распределение величины накопленной деформации не только по высоте, но и по толщине деформируемого образца.
Работа выполнена в рамках гранта НШ-2601.2020.8.
Список литературы
1. Ковка и штамповка: Справочник. Листовая штамповка / под общ. ред. С.С. Яковлева; ред. совет: Е.И. Семенов (пред.) и др. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2010. 732 с.
2. Нечепуренко Ю.Г., Яковлев С.П., Яковлев С.С. Глубокая вытяжка цилиндрических изделий из анизотропного материала. Тула: ТулГУ, 2000. 195 с.
3. Малоотходная, ресурсосберегающая технология штамповки / под ред. В. А. Андрейченко, Л.Г. Юдина, С.П. Яковлева. Кишинев: ишуегекаБ, 1993. 240 с.
4. Яковлев С.С., Трегубов В.И., Нечепуренко Ю.Г. Глубокая вытяжка анизотропного упрочняющегося материала // Заготовительные производства. 2005. № 4. С. 38 - 44.
5. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В.А. Обработка давлением анизотропных материалов. Кишинев: Квант, 1997. 331 с.
6. Ренне И.П. Теория конечных деформаций и экспериментальных методов исследования деформированного состояния: учеб. пособие. Тула: ТПИ, 1985. 76 с.
Ларин Сергей Николаевич, д-р техн. наук, профессор, mpf-tula@rambler. т, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Исаева Анна Николаевна, инженер, mpf-tula@,rambler.т, Россия, Тула, АО ««НПО «СПЛАВ» имени А.Н. Ганичева»,
Романов Павел Витальевич, студент, mpf-tula@,rambler.т, Россия, Тула, Тульский государственный университет
EVALUATION OF THE DEFORMED STATE OF THE WORKPIECE DURING DRAWING WITH THINNING OF THE WALL
S.N. Larin, A.N. Isaeva, P. V. Romanov
The article deals with the calculation of the strain state of semi-finished in the hood with wall thinning billets of steel 10 theoretical method using software package and experimental method of separating meshes. The distribution of the accumulated deformation over the cross-section of the shaped billet is shown. The main advantages and disadvantages of the selected research methods are given.
Key words: thinning hood, stresses, deformations, dividing grid, modeling.
Larin Sergey Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tulaaramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Isaeva Anna Nikolaevna, engineer, mpf-tulaaramhler. ru, Russia, Tula, JSC «SPLAV SPA» namedaftee A.Ganichev»,
Romanov Pavel Vitalyevich, student, mpf-tulaa ramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.77; 621.7.043
АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОМ ОБЖИМЕ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК
И.С. Хрычев, А.В. Харченко
Приводятся результаты исследований влияния коэффициента обжима и величины зазора между матрицей и оправкой на напряженное состояние заготовки в очаге деформации и на выходе из него. Установлены зависимости влияния исследуемых величин на максимальные значения растягивающих и сжимающих напряжений.
Ключевые слова: обжим, изотермическое деформирование, напряженное состояние.
В статье рассмотрена операция обжима трубы из титана ВТ6 через матрицу конического сечения. При реализации обжима ввиду особенностей течения металла происходит рост толщины стенки на выходе из очага деформации. В статье рассмотрена схема деформирования, при которой величина зазора между деформирующим инструментом и оправкой варьировалась от значения равного толщине материала
гл гл 1 ^ ^ ^ , „ нар — Dвн) z = Вматр — °опр = 1,0t и до величины z = Б^^тр — ®опр = 1,4t, где t =---
толщина стенки заготовки. Процесс обжима осуществляется в условиях рекристаллизации. Температура в области деформирования была равна 900°С . Коэффициент обжима варьировался в диапазоне кобж = 0,6...0,8. Скорость перемещения деформирующего инструмента принималась равной 10 мм/мин. Коэффициент контактного трения считался равным 0,1. Исследование выполнено посредством моделирования в программе DEFORM.
