CC BY
9
Drawing rectangular box products requires careful selection of the workpiece to ensure the required geometry and exclude the possibility of destruction of the material. In addition, when drawing relative to the overall parts, the deformation forces are significant, which should be taken into account when selecting equipment. In view of this, I use the complex for CAE calculations, modeling of the extraction of a profile blank was performed to obtain a rectangular part in two transitions. The evaluation of power modes and stresses in the part was performed. The influence of the working profile of the matrix on the deformation forces is established.
Key words: drawing, rectangular boxes, force, tension, stamping.
Gerasimova Olga Mikhailovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Gryazeva Elena Dmitrievna, candidate of physical and mathematical sciences, do-cent, Russia, Tula, Tula State University,
Hrychev Ivan Sergeevich, student, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.9; 621.7.044.7
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-8-691-692
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ «ОБТЮРАТОР» МЕТОДОМ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОИ ШТАМПОВКИ
И.В. Зверев, Д.Г. Черников, А.Н. Пасько, Н.Н. Архангельская
Проведены расчеты показателей процесса изготовления детали «обтюратор» методом магнитно-импульсной штамповки, представлены аспекты компьютерного моделирования данного процесса, представлены технические решения повышения прочности оправки. При моделировании процесса обжима использовали комплекс LS-DYNA.
Ключевые слова: магнитно-импульсная штамповка, обжим или запрессовка, установка, индуктор, заготовка, компьютерное моделирование.
Исследованию процесса изготовления деталей методом магнитно-импульсной штамповки (МИШ) в настоящее время посвящено большое число научных работ и статей. Высокий интерес промышленности связан с неоспоримыми технологическими и экономическими преимуществами данной технологии обработки материала [1]. Рассмотрим применение данной технологии для изготовления детали типа «обтюратор», применяемой в специзделиях (рис. 1).
Данная деталь состоит из медного пояска и стального кольца. По требованию технической документации при запрессовке не допускаются пустоты и раковины в соединении, что трудновыполнимо при выполнении этой операции на гидравлических прессах. Для решения данной задачи были разработаны технологическая оправка (рис. 2), а также многовитковый индуктор и механизм прижима (рис. 3).
691
Ф162 ш
Рис. 1. Деталь «Обтюратор»
0170
Рис. 2. Оправка для сборки
Рис. 3. Индуктор с механизмом прижима
Оправка изготовлена из текстолита ПТК 25 мм ГОСТ 5-78 и служит для зане-воливания деталей перед сборкой (или запрессовкой). Оборудование, применяемое для выполнения данной операции — установка МИУ-30-4 (производства Самарского университета, г. Самара) с максимальной запасаемой энергией 32 кДж. Основные параметры магнитно-импульсной установки приведены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры магнитно-импульсной установки_
Максимальная запасаемая энергия Напряжение заряда накопителя Собственная частота Индуктивность Емкость накопителя энергии
32 кДж 2. ..16 кВ. 24 кГц 0,17 ■ 10-6 Гн 254 мкФ.
Применяется восьмивитковый индуктор (сечение витка 8*19 мм, материал то-копровода бронза БрАЖ 9-4), с осевым бандажом, выполненным из стеклонити.
В результате проведенной серии экспериментов было установлено, что оптимальное напряжение разряда МИУ-30-40 для данной операции составляет 14,5 кВ, что соответствует энергии разряда 27 кДж.
На рис. 4 показан полученный опытный образец. Из рисунка видно, что в процессе магнитно-импульсной запрессовки произошло полное заполнение металлом ведущего медного пояска паза, выполненного в стальном кольце.
В процессе внедрения данного метода в производство, было установлено, что оправка из текстолита не выдерживает механических напряжений, возникающих при операции и выходит из строя через 4-5 выстрелов (рис. 5).
Рис. 5. Примеры выхода из строя оправки
Для анализа данной проблемы было проведено компьютерное моделирование процесса с помощью многоцелевого конечно-элементного комплекса LS-DYNA [2]. Для этого было построена конечно-элементная модель, состоящая из 4 частей (рис. 6).
693
Рис. 6. Конечно-элементная модель
При моделировании подобных задач необходимо учитывать влияние больших скоростей деформации металла заготовки. В настоящей работе для этого использовалась модель материала *МАТ_018: MAT_POWER_LAW_PLASTICITY (MPL). Данная модель предполагает изотропный материал и позволяет учитывать деформационное и скоростное упрочнение металла.
Модель MPL использует степенной закон деформационного упрочнения. При этом для учета динамического упрочнения степенную зависимость корректируют скоростным коэффициентом К [3]
°5 =Вае-п; Ва =КаВ, где о5 - напряжения текучести; ££ - интенсивность деформаций; В,т - коэффициенты аппроксимации; Ка - коэффициент динамичности.
В табл. 2 представлены модели материалов, применяемые для каждой из частей конечно-элементной модели, а также задаваемые характеристики. При этом коэффициент динамичности для материала ведущего пояска составляет Ка = 2,733 [4].
В качестве нагрузки использовалась токовая кривая, полученная экспериментальным путем с помощью пояса Роговского (рис. 7).
Таблица 2
Характеристики материалов ведущего медного пояска, токопровода индуктора, _корпуса и направляющей оправки, задаваемые в моделях материалов_
Ведущий медный поясок Токопровод индуктора Корпус Направляющая оправка
Модель материала MAT POWER LAW PLASTICITY MAT_ELASTIC MAT_RIGID MAT_RIGID
Плотность, кг/м3 8960 7500 7900 1400
Модуль Юнга, Па 1,23^10" 1,161с11 2,06-Ю11 1,7-1010
Коэффициент Пуассона 0,35 0,34 0,28 0,2
Параметры кривой деформационного упрочнения В, Па 1,33109 - - -
т 0,327
Электрическая проводимость, См/м 5,62-107 1,47-107 - -
Теплопроводность, 387 58 - -
Теплоемкость, 390 423 - -
На рис. 8 приведено распределение плотности тока в системе «индуктор-ведущий поясок» и сил Лоренца для момента времени, равному 75 мкс, что соответствует максимальной амплитуде тока. Из рисунка видно, что максимальная плотность тока, а, следовательно, и силы Лоренца наблюдается на ребрах, расположенных на поверхности пояска, обращенной к индуктору. Это вызвано скин-эффектом и наличию свободных витков токопровода индуктора.
I, МКС
Рис. 7. Токовая кривая
ь
о
Current density А/м2
2.715е»10 г.4Д4е+10_ 2.172е+10_ 1.в01е*10_ 1.б2Ве+10_ 1.353е+10_ 1.0Йве+10_
5.430е*0в _ О.ОООе+ОО
а б
Рис. 8. Распределение плотности тока в системе «индуктор-поясок» (а)
и сил Лоренца (а)
На рис. 9 показан график разгона ведущего пояска под действием сил Лоренца. Максимальная скорость перемещения пояска составила 155 м/с.
140 154
Рис. 9. Зависимость скорости перемещения ведущего пояска от времени
На рис. 10 показан разогрев системы «индуктор-ведущий поясок» под действием импульсных токов для характерных моментов времени.
Кинематика процесса перемещения ведущего пояска и заполнения им паза в корпусе боеприпаса приведена на рис. 11.
75 мкс 154 мкс
Рис. 10. Температура разогрева системы «индуктор-ведущий поясок»
75 мкс 154 мкс
Рис. 11. Кинематика процесса запрессовки ведущего пояска в паз корпуса боеприпаса
2000
о
4, мкс
Рис. 12. Зависимость силы контактного взаимодействия ведущего пояска с направляющей оправкой от времени
696
Выводы:
Произведенное моделирование показало:
1. Неравномерность в перемещении пояска (рис. 11) - одна часть перемещается быстрее, что объясняется расположением индуктора относительно пояска, а также спиральной формой индуктора;
2. Напряжения, возникающие на контактных площадях текстолитовых оправок, достигают 2000 кН. При этом площадь каждого кольца при внешнем диаметре 0,170 мм и внутреннем 0,152 мм составляет 0,00455 м2. При пересчете в давление это составляет примерно 440 МПа что превышает предел прочности текстолита (140 МПа).
Заключение: Для решения выявленных проблем было реализовано следующее техническое решение: контактный поясок верхней оправки был заменен на кольцо из полиуретана для компенсации при расширении меди и возникающих напряжений, а контактный поясок нижней составляющей оправки на кольцо из стеклопластика, предел прочности которого составляет 1700 МПа (рис. 13).
Рис. 13. Доработанная оправка для запрессовки
Применение данного технического решения позволило увеличить в разы стойкость оправки. В настоящее время количество операций, произведенных на данном приспособлении, составляет более 350 выстрелов без разрушения.
Список литературы
1. Глущенков В.А. Юсупов Р.Ю., Зверев И.В. Многопостовые магнитноим-пульсные установки промышленного назначения // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2020. №2. С. 20-27.
2. Hallquist J.O. LS-DYNA theoretical manual. Livermore Software Technology Corporation: Livermore, SA, 2006. 498 p.
3. Арсентьева К.С., Мамутов В.С. Динамическая кривая деформационного упрочнения при расчетах электрогидроимпульсной вытяжки-формовки в комплексе LS-DYNA® // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2018. Т. 24. № 1. С. 130-140.
4. Глущенков В.А., Карпухин В.Ф. Инженерная методика расчета процессов магнитно-импульсной обработки. Самара: Издательский дом «Федоров», 2018. 45 с.
Зверев Иван Вячеславович, заместитель начальника производства, [email protected], Россия, Тула, ПАО «ИТОЗ»,
697
многопрофильного
Черников Дмитрий Генадьевич, научный руководитель научно-исследовательской лаборатории прогрессивных технологических процессов пластического деформирования, Россия, Самара, Самарского университета им. Королева,
Пасько Алексей Николаевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Архангельская Наталья Николаевна, канд. техн. наук, доцент, Россия, Тула, Тульский государственный университет
EVALUATION OF THE POSSIBILITY OF MANUFACTURING OF THE DETAIL "OBTURATOR"" USING THE METHOD OF MAGNETIC-PULSED FORGING
I.V. Zverev, D.G. Сhernikov, A.N. Pasko, N.N. Arhangelskaya
Calculations of indicators of the manufacturing process of the "obturator" detail using the method of magnetic-pulse stamping are carried out, aspects of computer modeling of this process are presented, technical solutions for increasing the strength of the mandrel are proposed. The LS-DYNA software package was used to model the crimping process.
Key words: magnetic-pulse forging, crimping or pressing, magnetic pulse installation, inductor, billet, computer modeling.
Zverev Ivan Vyacheslavovich, deputy head of multidisciplinary production, [email protected], Russia, Tula, PJSC «ITOZ»,
Chernikov Dmitry Gennadievich, scientific director of the research laboratory of advanced technological processes of plastic deformation, Russia, Samara, Samara University named after Korolev,
Pasko Alexey Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Arkhangelsk Natalia Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, Russia, Tula, Tula State University
