CC BY
1
ТЕХНОЛОГИИ И МАШИНЫ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.7.043
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-594-595
ОЦЕНКА УСИЛИЙ ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК КОМПЬЮТЕРНЫМ
МОДЕЛИРОВАНИЕМ
Л.В. Каркач
Изделия из металлов и сплавов встречаются повсеместно, практически во всех отраслях промышленности, и существуют множества методов и групп методов для их получения, начиная от современных способов трехмерной печати заканчивая традиционными методами литья и пластического формоизменения. Поэтому в настоящее время существует ряд вопросов по поводу выбора оптимального метода изготовления той или иной детали. Однако это не единственная проблема, с которой сталкивается современная промышленность, так как в производстве существуют отдельные подгруппы методов. Еще более интересной задачей определение оптимальных условий получения конечного изделия в рамках одного способа. Поэтому в данной статье проводится исследование по определению оптимальной формы и размеров заготовки при холодном обратном выдавливании с точки зрения максимального усилия штамповки. Приводятся результаты исследования, а также делаются выводы о том, какая форма заготовки лучше подходит для получения коробчатого изделия.
Ключевые слова: компьютерное моделирование, машиностроение, сталь, обратное выдавливание, усилие.
Металлические детали являются неотъемлемой частью машиностроительной и других отраслей промышленности, они находят широкое применение в различных сферах, начиная от производства автомобилей до аэрокосмической промышленности [1]. Использование металлических деталей обеспечивает надежность, прочность и долговечность конечных изделий. Одним из главных достоинств металлических деталей является их прочность. В машиностроении, где детали подвергается постоянным вибрационным, ударным, циклическим другим нагрузкам, это играет важную роль [2-3]. Металлические детали способны выдерживать значительные механические нагрузки и сохранять свою форму и структуру при экстремальных условиях эксплуатации, благодаря этому они становятся компонентами в создании надежных и безопасных изделий. Кроме того, металлические детали обладают высокой термической стабильностью. Они могут переносить высокие температуры без изменения своих механических свойств. Это очень важно в отраслях, где происходит высокая нагрузка на детали при высоких температурах, таких как автомобильные двигатели или тепловые электростанции.
Кроме отрасли машиностроения, металлические детали широко применяются в аэрокосмической промышленности. Здесь они должны соответствовать самым строгим требованиям прочности, легкости и надежности. Металлические детали, такие как сплавы титана или алюминия, способны выдерживать огромные нагрузки при минимальной массе изделия, что позволяет достичь высокой эффективности и экономии топлива в воздушном транспорте.
Металлические детали также находят применение в робототехнике, судостроении, нефтегазовой отрасли и других областях промышленности. Везде, где требуется сочетание прочности, надежности и долговечности, они находят свое применение.
В основном детали из металлов и сплавов на их основе применяются в машиностроении, так эта отрасль включает в себя многие другие, такие как автомобилестроение, судостроение, авиастроение, энергетическое строение, сельскохозяйственные и другие виды производств. При этом номенклатура изделий, которая используется в отрасли бескрайне велика и все детали отличаются по форме, массе, механическим свойствам, материалу, размерам, устойчивости к различным средам и т.д. И для каждого типа изделия существуют свои оптимальные методы изготовления. В частности, для штучного производства возможно применение трехмерной печати или обработки резанием, для массового и крупносерийного производства лучше подходит литье и обработка давлением [4-5]. Однако стоит учитывать и возможности этих методов, экономическую эффективность, свойства конечного изделия и пр.
Одним из изделий машиностроительного производства являются толстостенные изделия типа прямоугольная «коробка». Ее можно изготовить методам штамповки, а именно горячим или холодным выдавливанием. И заготовкой в этом случае может послужить поковка разной формы поперечного сечения, например, круглая, квадратная, прямоугольная, сложной формы и т.д. поэтому в данной работе проводится оценка нескольких типов заготовок для выявления оптимальной с точки зрения усилия пластического формоизменения при холодном обратном выдавливании. Ранее проводились работы по компьютерным моделированиям процессов штамповки [6-10], однако данная проблематика в них не рассматривалась.
Технологии и машины обработки давлением
Для проведения этого исследования было выполнено компьютерное моделирование процессов с помощью программного комплекса QForm. В этом случае были выбраны 3 типа заготовок, отличающиеся как формой поперечного сечения, так и размерами. Первый тип представляет собой заготовку квадратного сечения, второй и третий вариант имеют круглую форму сечения и разные габаритные размеры (высоту и диаметр). В результате пластического формоизменения обратным выдавливанием стальных заготовок из стали 10 были получены сведения об усилии, требуемом для холодного деформирования, который представлен в виде графика на рисунке.
2,5 2
¡1.5
0,5 0
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Время, с
График силы при штамповке разных заготовок: 1 - квадратного сечения, 2 - высокая цилиндрическая меньшего диаметра, 3 - низкая цилиндрическая большего диаметра
Согласно кривым, представленным на приведенном рисунке, можно установить, что использование цилиндрической заготовки снижает необходимую силу для штамповки, относительно применения заготовки квадратного сечения. Также установлено, что для получения требуемого по форме изделия использование большего диаметра цилиндрической заготовки позволит снизить усилие. В данном случае разница в усилиях между квадратной заготовкой и низкой цилиндрической составляет около 30%. Также установлено, что любая по форме заготовка позволяет получить требуемое изделие, что способствует расширению возможности данного метода и в случае производственной необходимости изменить тип заготовок. Однако следует отметить, что в любом случае такое технологическое усилие является очень большим, и в данном случае возможно целесообразнее использовать методы горячей штамповки, поэтому в дальнейших работах этот вопрос будет прорабатываться и исследоваться.
Список литературы
1. Ковка и штамповка: Справочник. В 4-х т. / Ред. совет: Е.И. Семенов (пред.) и др. М.: Машиностроение, 1987. Т. 3. Холодная объемная штамповка / Под ред. Г.А. Навроцкого, 1987. 384 с.
2. Никифоров А.Д. Современные проблемы науки в области технологии машиностроения / А.Д. Никифоров. М.: Высшая школа, 2006. 392 ^
3. Бурцев В.М. Технология машиностроения. В 2-х т. Т. 1. Основы технологии машиностроения: Учебник для вузов / В.М. Бурцев. М.: МГТУ им. Баумана, 2011. 478 ^
4. Мельников А.С. Научные основы технологии машиностроения: Учебное пособие / А.С. Мельников, М.А. Тамаркин и др. СПб.: Лань, 2018. 420 ^
5. Производство заготовок в машиностроении М.Г. Афонькин, М.Р. Магницкая. Л.: Машиностроение, 1987. 256 с.
6. Пугаев П. В. Исследование операции бокового выдавливания компьютерным моделированием // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. Вып. 8. С. 84-87. EDN HYFMHD.
7. Пасынков А. А., Яковлев Б. С., Чекмазов Н. М. Прямое выдавливание титановой трубы в коническом инструменте // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 4. С. 433-438. EDN GKEWRV.
8. Ларин С. Н., Бессмертная Ю. В., Платонов В. И. Силовые режимы многооперационной вытяжки в ленте // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 9. С. 329-333. EDN QTWNVY.
9. Гасанов А. И. Напряженное и деформированное состояние при получении изделия типа «стакан» // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. Вып. 5. С. 400-403. EDN JHKQSE.
10. Экспериментальное исследование погрешности высоты контура коробчатых деталей, полученных вытяжкой из сварных разнотолщинных заготовок / А. Н. Малышев, С. А. Бысов, А. Г. Орлик, Ю. В. Бессмертная // Черные металлы. 2020. № 12. С. 49-54. EDN LYPTM.
Каркач Леонид Витальевич, магистрант, [email protected]. Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Научный руководитель: Пасынков Андрей Александрович, канд. техн.наук., доцент, Россия, Тула, Тульский государственный университет
Известия ТулГУ. Технические науки. 2023. Вып. 12
ASSESSMENT OF FORMING EFFORTS OF STEEL BILLETS BY COMPUTER SIMULATION
L. V. Karkach
Products made of metals and alloys are found everywhere, in almost all industries, and there are many methods and groups of methods for their production, ranging from modern methods of three-dimensional printing to traditional methods of casting and plastic shaping. Therefore, at present there are a number of questions regarding the choice of the optimal method for manufacturing a particular part. However, this is not the only problem that modern industry faces, as there are separate subsets of methods within the industry. An even more interesting task is to determine the optimal conditions for obtaining the final product within one method. Therefore, this paper conducts a study to determine the optimal shape and size of the workpiece during cold reverse extrusion from the point of view of the maximum stamping force. The results of the study are presented, and conclusions are drawn about which form of the workpiece is best suited for producing a box-shaped product.
Key words: computer modeling, mechanical engineering, steel, reverse extrusion, force.
Karkach Leonid Vitalevich, undergraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Scientific advisor: Pasynkov Andrej Aleksandrovich, candidate of technical science, docent, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.9; 621.7.044.7
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-596-597
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ ИНДУКТОРНЫХ СИСТЕМ НА «ОБЖИМ» СО СПИРАЛЬЮ СВАРНОГО
ТИПА
И.В. Зверев, А.Н. Пасько, Н.Н. Архангельская
Статья посвящена вопросу снижения себестоимости изготовления индукторных систем для операции "обжим ". Рассматриваются различные способы изготовления спирали индуктора при магнитно-импульсной обработке осесимметричных металлических заготовок.
Ключевые слова: магнитно-импульсная штамповка, обжим или запрессовка, установка, индуктор, заготовка, спираль сварного типа.
Одной из важнейших задач при внедрении технологии МИОМ в серийном производстве является снижение себестоимости изготовления индукторных систем за счет уменьшения времени их изготовления и упрощения конструкции данного инструмента. Одним из вариантов решения данной задачи может служить применение стальных спиралей сварного типа. Преимуществами предлагаемой конструкции перед известными аналогами является упрощение технологии изготовления спирали, в том числе больших габаритных размеров по высоте и диаметру, т.к. она изготавливается из отдельных сегментов, а не обрабатывается целиком. Индуктор обладает универсальностью применения за счет варьирования разностью диаметров спирали, ее материалом и межвитковым расстоянием. Минимальный внешний диаметр витков, рекомендуемый изготовлением данным способом 50 мм, максимальный 1 м.
Конструкция индуктора для магнитно-импульсной обработки полых осесимметричных заготовок включает спираль, состоящую из отдельных сегментов. Каждый сегмент представляет собой разрезное кольцо, изогнутое в виток с постоянным шаговым расстоянием (см. рис. 1). Также конструкция индуктора включает токоподводы, приваренные к крайним сегментам. Сварные швы зачищены до шероховатости не грубее, чем поверхность витка, а спираль подвергнута термообработке отпуском.
Спираль индуктора для магнитно-импульсной обработки осесимметричных металлических заготовок собирается следующим образом. На круглых кольцевых заготовках, вырезанных из листового металла по числу витков спирали с обточенными наружными и внутренними фасками, вырезают сектор, соответствующий 10...90°, определяемый межвитковым расстоянием и удобством проведения сварки. Затем разгибают концы образуя идентичные витки с одинаковым шаговым расстоянием, зависимым от мощности индуктора и габаритов обрабатываемых деталей. Обточив на кромках витков скосы их соединяют в спираль и сваривают в стык, зачищая в последующем сварные швы и выравнивая их заподлицо с поверхностями витков во избежание появления концентраторов электрического сопротивления. К готовой спирали приваривают токоподводы.
Далее проводят термообработку готового индуктора отпуском для снятия остаточных напряжений после сварки по режиму, зависящему от марки материала спирали. Рекомендуемые стали для изготовления спирали индуктора: Ст. 3, сталь 08кп, сталь 45, сталь 03Н18К9М5ТЮ-ВИ (ЧС4-ВИ).
Особенностью конструкции является открытое с двух сторон межвитковое пространство, соответственно возможно изолирование витков любым известным способом, например, использования плоских пластин из стеклотекстолита, навивка лавсановой лентой и т.д. Спирали данной конструкции могут быть использованы в индукторной системе как с радиальным бандажом, так и без него. Прочность получаемого токоподвода, также может быть рассчитана по методике, предлагаемой в работе [2, 3]. Расчет параметров индукторных систем со спиралью сварного типа производится также, как и для спиралей, изготовленных другим способом.
