CC BY
15
УДК 621.983; 539.374
ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ИЗДЕЛИЯ ПРИ КОМБИНИРОВАННОМ ВЫДАВЛИВАНИИ ПРУТКОВОЙ ЗАГОТОВКИ
С.Н. Ларин, А. А. Пасынков, С.В. Недошивин, А.Н. Исаева
Рассмотрен процесс комбинированного выдавливания стальной прутковой заготовки инструментом с конической рабочей частью. Моделирование проводилось в программном комплексе, основанном на конечно-элементной среде. Принималось, что деформирование осуществляется на механическом прессе. В процессе моделирования варьировались параметры трения, температуры заготовки и инструмента, геометрические параметры инструмента. Степень деформации не изменялась. По результатам моделирования были выполнены исследования, позволившие установить величину влияния различных технологических параметров на характер истечения металла, силу выдавливания, напряжения и деформации, формирующиеся в изделии.
Ключевые слова: комбинированное выдавливание, обработка давлением, формоизменение, металл.
Процесс выдавливания наряду с вытяжкой часто бывает применим при изготовлении цилиндрических пустотелых изделий [1 - 3]. Однако когда речь идет об изготовлении цилиндрических изделий со стенками в верхней и нижней частях и дном в центре выдавливания выглядит бескомпромиссным. В целях снижения удельных давлений при обратном выдавливании применяют различные методы, начиная с изменения рабочей геометрии инструмента и заканчивая применением различных смазок для снижения трения [4 - 6]. Рассмотрим процесс комбинированного выдавливания прутковой заготовки с деформирующим инструментом с конусной поверхностью. На рис. 1 представлена схема процесса.
I
Рис. 1. Схема комбинированного выдавливания
454
Исследование выполним в программном комплексе DEFORM. Деформируемая деталь имеет следующие размеры: d о = 40 мм; = 35 мм; d 2 = 25 мм; d 3 = 30 мм; h = 5 мм; c = 1...3 мм. В качестве материала заготовки использовалась сталь 20.
На рис. 2 представлены схемы к оценке максимальных нормальных напряжений, действующих в изделии в конечный момент деформирования для разных значений радиуса скругления кромки инструмента в холодном состоянии.
а б
д е
Рис. 2. Схемы к оценке максимальных нормальных напряжений:
а - ri = 0,5 мм; Г2 = 0,5 мм; б - ri = 0,5 мм; Г2 = 2 мм; в - ri = 1 мм; Г2 = 0,5 мм; г — ri = 1 мм; Г2 = 2 мм; д — ri = 2 мм; Г2 = 0,5 мм;
е — ri = 2 мм; r2 = 2 мм 455
Анализ полученных результатов показал, что величины напряжений при изменении радиусов скруглений практически не изменяются. Однако увеличение радиуса скругления нижнего пуансона дает положительный с точки зрения снижения растягивающих напряжений эффект. При увеличении радиуса г наблюдается снижение площади критических растягивающих напряжений. Увеличение радиуса Г2 приводит, наоборот, к заметному увеличению площади критических растягивающих напряжений.
На рис. 3 представлены схемы к оценке максимальных нормальных напряжений, действующих в изделии в конечный момент деформирования для разных значений коэффициента трения.
а
б
Рис. 3. Схемы к оценке максимальных нормальных напряжений
(г = 2 мм; Г2 = 2 мм): а - Ц = 0,05; б - Ц = 0,12; в - Ц = 0,25
Анализ полученных схем показал, что увеличение трения негативно сказывается на напряженном состоянии изделия. С ростом коэффициента трения растут площади зон опасных растягивающих напряжений.
На рис. 4 представлены схемы к оценке интенсивностей деформаций, действующих в изделии в конечный момент деформирования для разных значений радиуса скругления кромки инструмента.
Анализ полученных результатов показал, что величины интенсив-ностей деформаций при изменении радиусов скруглений слабо изменяются. Рост радиусов скруглений пуансонов приводит к росту интенсивностей деформаций в среднем на 10.. .20 %.
В целом, анализируя результаты моделирования по напряженно-деформированному состоянию материала, можно сказать, что как изменение параметров трения заготовки, так и изменение геометрических характеристик инструмента не обеспечивает снижения растягивающих напряжений, величины которых в рассматриваемых случаях более чем на порядок превышают допускаемые. Поэтому было выполнено дополнительное исследование, которое заключалось в применении нагрева инструмента и заготовки.
в
в
Strain - Effective (mm/mm)
n
I
д
е
Рис. 4. Схемы к оценке интенсивностей деформаций: а - г1 = 0,5 мм;
г2 = 0,5 мм; б - г1 = 0,5 мм; г2 = 2 мм; в - г1 = 1 мм; г2 = 0,5 мм; г - г1 = 1 мм; г2 = 2 мм; д - г1 = 2 мм; г2 = 0,5 мм; е - г1 = 2 мм; г2 = 2 мм
На рис. 5 представлены схемы к оценке максимальных нормальных напряжений, действующих в изделии в конечный момент деформирования для разных значений температуры заготовки, а также вариант с нагревом инструмента и заготовкой в холодном состоянии.
Из рис. 5 видно, что нагрев инструмента до температуры Тинстр = 200 °С положительно влияет на формирование напряженного состояния изделия. Однако напряжения здесь имеют величины, близкие к критическим. Рост же температуры до Тзаг = 400 °С приводит к снижению растягивающих напряжений до допустимых величин.
457
г
а
б
в
Рис. 5. Схемы к оценке максимальных нормальных напряжений
(г1 = 2 мм; г2 = 2 мм): а - Т3аг = 20 °С; б - Т3аг = 20 °С, Тинстр = 200 °С;
в - Тзаг = 200 °С; г - Тзаг = 400 °С
Кроме того, было выполнено исследование влияние температурных режимов процесса на силу. На рис. 6 представлены зависимости, позволяющие установить изменение силы выдавливания в процессе перемещения инструмента для разных температурных условий деформирования.
Рис. 6. Зависимость силы процесса от относительной величины хода:
1 - Тзаг = 20 С? Тинстр = 20 С; 2 - Тзаг = 20 С? Тинстр = 200 С; 3 Тзаг 200 С, Тинстп 20 С; 4 Тзаг 400 С, Тинстп 20 С
Выявлено, что при относительном ходе инструмента до 0,35 наблюдается интенсивный рост силы. Затем происходит ее плавное снижение на 15 %, продолжающееся до конца хода инструмента. Увеличение температуры заготовки положительно сказывается на снижении силы выдавливания. При повышении температуры Тзаг с 20 до 400 °С сила снижается на 50 %.
На рис. 7 представлены зависимости, позволяющие установить влияние радиусов скругления нижнего и верхнего пуансонов на силу комбинированного выдавливания.
Р,Н
ЗЗООООО 3280000 3260000 3210000 3220000 3200000 3180000 3160000 3140000 3120000 3100000
А
---__ /
Рис. 7. Зависимость силы процесса от величин радиусов скруглений пуансонов: 1 - г2 = 0,5 мм; 2 - г2 = 1,0 мм; 3 - г2 = 2,0 мм
Из рис. 7 видно, что увеличение радиуса скругления неподвижного пуансона г с 0,5 до 2 мм приводит к уменьшению силы при радиусе скругления деформирующего пуансона Г2 = 0,5 мм на 5 %, к снижению силы при радиусе скругления деформирующего пуансона Г2 = 1,0 мм на 2 % и к росту силы при радиусе скругления деформирующего пуансона г2 = 2,0 мм на 2 %.
В целом, анализируя полученные результаты для рассматриваемого изделия, можно сказать, что для обеспечения допустимых напряжений в изделии требуется обеспечить нагрев заготовок до Тзаг = 400 °С, уменьшить влияние трения и обеспечить комбинацию радиусов скругления г\ = 1 мм; Г2 = 0,5 мм.
Работа выполнена в рамках гранта РФФИ 20-08-00401.
Список литературы
1. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В.А. Обработка давлением анизотропных материалов / С.П. Яковлев, Кишинев: Квант, 1997. 332 с.
2. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки. М.: Машиностроение, 1968. 283 с.
3. Чудин В.Н., Пасынков А. А. Нестационарные процессы изотермической штамповки // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением, 2018. №6. С. 23-28.
4. Пасынков А.А., Борискин О.И., Ларин С.Н. Теоретические исследования операции изотермической раздачи труб из труднодеформируемых цветных сплавов в условиях кратковременной ползучести // Цветные металлы. 2018. №2. С. 74-78.
5. Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин А.М. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. Справочник. М.: Металлургия, 1976. 488 с.
6. Методика экспериментального определения механических и пластических свойств материала при растяжении с повышенной температурой / В. А. Демин, А.В. Черняев, В.И. Платонов, В. А. Коротков // Цветные металлы. 2019. №5. С. 66-73.
Ларин Сергей Николаевич, д-р техн. наук, профессор, mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Пасынков Андрей Александрович, канд. техн. наук, доцент, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Недошивин Сергей Владимирович, канд. техн. наук, доцент, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Исаева Анна Николаевна, соискатель, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Россия, Тула, Тульский государственный университет
PRODUCTS IN COMBINED EXTRACTION OF BAR S.N. Larin, A.A. Pasynkov, S. V. Nedoshivin, A.N. Isaeva
The process of combined extrusion of a steel bar stock with a tool with a conical working part is considered. Modeling was carried out in a software package based on a finite element environment. It was assumed that the deformation is carried out on a mechanical press. During the simulation, the parameters of friction, the temperature of the workpiece and the tool, and the geometric parameters of the tool were varied. The degree of deformation did not change. Based on the simulation results, studies were performed that made it possible to establish the magnitude of the influence of various technological parameters on the nature of the outflow of metal, the extrusion force, stress and strain formed in the product.
Key words: combined extrusion, pressure treatment, shaping, metalLarin Sergey Ni-kolaevich, doctor of technical sciences, professor, Russia, Tula, Tula State University
Larin Sergey Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Pasynkov Andrey Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Nedoshivin Sergey Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Isaeva Anna Nikolaevna, postgraduate, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
