CC BY
61
УДК. 621.7, 539.3
ПОИСК ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ХОЛОДНОЙ ШТАМПОВКИ ВОЛНОВОДОВ КВАДРАТНОГО СЕЧЕНИЯ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО
СПЛАВА
В. Д. Кухарь,А.Н. Пасько, П.Ю. Бегов
Проведены численные исследования процесса обратного выдавливания деталей «волновод». Выполнено планирование трехфакторного эксперимента. Получены зависимости влияния трения, формы инструмента и скорости рабочего инструмента на силу процесса. Для моделирования механических параметров процесса использован программный комплекс QFrom 20/30. Проведено исследование деформируемости заготовки и выявлены зоны возможного разрушения в процессе обработки.
Ключевые слова: волновод, обратное выдавливание, метод конечных элементов, пластическое течение металла, QForm, факторный эксперимент, контактное трение, форма инструмента, скорость рабочего штампа.
Ранее в статье [1] были приведены результаты исследования напряженно-деформированного состояния заготовки в процессе изготовления детали «волновод» (рис. 1) методом обратного выдавливания с использованием программного комплекса QFrom 2D/3D.
Рис. 1. Волновод квадратного профиля с одним фланцем
Однако в этой работе не были приведены результаты влияния рабочих параметров, геометрии инструмента и материала на силовые параметры процесса, что является основой для выбора рациональных режимов технологического процесса с точки зрения силовых режимов и параметров.
В связи с этим была получена математическая модель и проведен численный эксперимент с целью получения вторичной математической модели, отражающей силу процесса в зависимости от выбранных факторов.
В качестве исходных данных для моделирования принимали:
- материал заготовки - алюминиевый сплав АД [2], кривая упрочнения которой изображена на рис. 2;
- исходная температура заготовки и инструмента - 20°С.
О Н----------1---------1----------1---------1---------1---------1---------1—
О 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
Деформация
Рис. 2. Кривая упрочнения материала АД
Заготовка имеет центрально расположенное отверстие 6,5 мм(рис. 3). Заготовку получают вырубкой. В пуансоне реализован рабочий поясок, формирующий наружную поверхность волноводной трубы. В состав матрицы входит направляющий вкладыш, имеющий размеры центрально расположенного отверстия заготовки.
Рис. 3. Размеры заготовки, пуансона и матрицы
37
С помощью графической системы QShape трехмерные модели заготовки и инструмента были разбиты на пространственные тетраэдральные элементы для последующего моделирования в Qform методом конечных элементов.
Чертеж получаемой детали изображен на рис. 4.
9,5
6,5
Ш
Рис. 4. Чертеж детали «волновод»
В качестве факторов, влияющих на силу процесса, были выбраны фактор трения (т), радиус скругления пуансона (Я) и скорость рабочего штампа (V).
Под фактором трения понимается коэффициент пропорциональности в модели трения, предложенной А.Н.Левановым[3]. Эта модель применяется в системе QFrom для задания граничных контактных условий:
О т
'73'
-к
1 - е
от
О п
где т - контактное касательное напряжение; т - фактор трения; ап - нормальное контактное давление; ат - напряжение текучести материала заготовки; к -коэффициент Леванова.
Предварительный анализ показал, что эти зависимости имеют нелинейный характер, поэтому для их описания использовали полиномиальную модель второго порядка.
В табл. 1 представлена матрица планирования эксперимента, где -1 - нижний уровень, 0 - основной уровень и +1 - верхний уровень рассматриваемых факторов.
Таблица 1
Матрица планирования эксперимента
№ п/п х1 Х2 Хз
1 -1 -1 -1
2 -1 +1 +1
3 +1 -1 +1
4 +1 +1 -1
5 -1 -1 +1
6 +1 -1 -1
7 -1 +1 -1
8 +1 0 0
9 0 +1 0
10 0 0 +1
11 +1 +1 +1
12 -1 0 0
13 0 -1 0
14 0 0 -1
15 0 0 0
В табл. 2 приведены уровни факторов, соответствующие реальным условиям процесса получения детали «волновод».
Таблица 2
Уровни факторов и интервалы варьирования
Фактор Условные обозначения
Обозначение фактора Х1 х2 х3
Наименование фактора т Я, мм V, мм/с
Уровни факторов Область эксперимента
Основной уровень 0,15 3 50
Интервал варьирования 0,15 2 40
Нижнийур овень 0 1 10
Верхнийуровень 0,3 5 90
Обозначим кодовое значение факторовх1, х2, х3.Факторы связаны с действительными значениями следующими соотношениями:
т - 0,15 Я - 3 V - 50
Л! — , Хл — , Хо — .
1 0,15 2 2 3 40
С учетом рассчитанных коэффициентов уравнение регрессии для выходного параметра, характеризующего силу процесса при формообразовании волновода квадратного сечения, имеет вид
у1 —147,78 +14,66х1 - 3,19х2 +19,64х3 + 3,2375х1 х2 + 2,0375х2х3 - 0,7625х1 х3 +
+1,0222х? - 8,2278х2 - 8,4778х32.
Уравнение регрессии для выходного параметра, характеризующего критерий разрушения Кокрофта-Латама при формообразовании волновода квадратного сечения, имеет вид
У2 — 0,33933 + 0,017х1 - 0,148х2 - 0,007х3 + 0,045х1х2 - 0,0375х2х3 -
- 0,045+ 0,028333х2 + 0,14333х| - 0,0016667х2.
Формула критерия разрушения Кокрофта-Латама имеет вид
V (* ^
0 [* '*4 У£е/ — с,
*
где С - разрушение; ееу - эффективная деформация; * / *еу - безразмер-
*
ный коэффициент концентрации напряжений, в котором * - напряжение растяжения.
По полученному уравнению регрессии построены поверхности, позволяющие определить силу процессаобратного выдавливания детали «волновод» в зависимости от факторов эксперимента.
На рисунках показаны полученные зависимости влияния рабочих параметров на силовые характеристика процесса холодного выдавливания детали «волновод».
Влияние фактора трения на силовые параметры процесса линейно. С увеличением фактора трения от 0 до 0,3 сила процесса возрастаетна 20%. В процессе изготовления волновода прямоугольной формы были получены аналогичные результаты [4].
Радиус скругления пуансона неоднозначно влияет на силовые параметры, поэтому максимальный показатель силы процесса расположен в диапазоне от 1 - 3 мм. Влияние радиуса скругления пуансона на силу процесса незначительно и не превышает 9 %.
На графике (рис. 5) показано влияние скорости штампа на силу процесса.В выбранном диапазоне скоростей влияние скорости штампа нелинейно и значительно. Минимальный показатель силы процесса наблюдается при скорости штампа 10 мм/с, а максимальный наблюдается при 90 мм/с. Увеличение силы процесса достигает 40%. Для материала АД при
40
увеличении скорости рабочего штампа в выбранном диапазоне скоростей не достигается область критических температур.
а
б
Рис. 5. Зависимость силы процесса от фактора трения т и скорости пуансона при радиусе скругления пуансона Я=5 мм/с: а - поверхность; б - сечение плоскостями равного уровня
На рис. 6 показаны области максимальных показателей силы процесса при скорости рабочего штампа 80 - 90 мм/с и радиусе скругления пуансона в диапазоне от 1 до 3,5 мм.
а
б
Рис. 6. Зависимость силы процесса от скорости пуансона и радиуса скругления пуансона при т=0,3: а - поверхность; б - сечение плоскостями равного уровня
Рис. 7. Зависимость критерия разрушения от скорости пуансона и фактора трения при Я=3 мм:
а - поверхность; б - сечение плоскостями равного уровня
Проведен анализ повреждаемости материала по критерию Кокрофта-Латама (рис. 7). При выбранном диапазоне величин исследуемых факторов разрушение материала не происходит. Среднее значение критерия разрушения не превышает 0,4. Максимальный показатель критерия разрушения наблюдается при Я=1 мм на всем диапазоне скоростей и составляет 0,75.
Список литературы
1. Кухарь В.Д., Пасько А.Н. Бегов П.Ю., Математическое моделирование процесса изготовления волноводных труб методом обратного выдавливания // Кузнечно-штамповочное производство. Обработ-ка металлов давлением. №14. 2013.
2. Справочник по конструкционным материалам / Б.Н. Арзамасов [и др.]; под ред. Б.Н. Арзамасова, Т.В. Соловьёвой. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005. 640 с.
3. Контактное трение в процессах обработки металлов давлением / А.Н.Леванов[и др.]. М.: Металлургия, 1976, 416 с.
4. Кухарь В. Д., Пасько А.Н. Бегов П.Ю.Влияние трения на процесс обратного выдавливания волноводов с поперечным сечением прямоугольного профиля // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. Вып. 9. Ч. 2. С. 376 - 382.
Кухарь Владимир Денисович, д-р техн. наук, проф., проректор, тр^ ы1а@,гатЫег. ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Пасько Алексей Николаевич, д-р техн. наук, проф., тр№и1а@,гатЫег.ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Бегов Павел Юрьевич, аспирант, тр(-1и1а@,гатЫег.ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет
SEARCH OF OPTIMUM MODES OF COLD STAMPING OF WAVE GUIDES OF SQUARE SECTION FROM THE ALUMINIUM ALLOY
V.D. Kuchar, A.N. Pasko, P. U. Begov
Numerical studies of the process of reverse extrusion parts "waveguide". Achieved planning a three-factor experiment. The dependences of the influence of friction , speed and shape of the tool working tool to force the process. For the simulation of mechanical process parameters used software package QFrom 2D/3D. The study identified and deformability blank area of a possible failure in the treatment process.
Key words: waveguide reverse extrusion, finite element method, the plastic flow of metal , QForm, factorial experiment , contact friction , the shape of the tool , the speed of the punch.
Kuchar Vladimir Denisovich, doctor of technical sciences, professor, prorector, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Pasko Aleksey Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Begov Pavel Yurievich, postgraduete, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.983; 539.374
ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ КУПОЛООБРАЗНЫХ ОБОЛОЧЕК ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ В РЕЖИМЕ ВЯЗКОГО ТЕЧЕНИЯ
С.Н. Ларин, С.С. Яковлев, В.И. Платонов
Изложены основные соотношения и уравнения, необходимые для теоретического анализа процессов медленного горячего деформирования анизотропного материала. Выявлены закономерности влияния анизотропии механических свойств, геометрических размеров заготовки и детали, закона её нагружения на предельные возможности деформирования, связанных с накоплением повреждаемости, при изотермическом деформировании круглой анизотропной мембраны.
Ключевые слова: анизотропия, куполообразные оболочки, высокопрочные материалы, изотермическое деформирование, вязкость, повреждаемость, разрушение.
Рассмотрено деформирование анизотропного материала в условиях вязкого течения материала [1, 2]. Упругими составляющими деформации пренебрегаем. Уравнения состояния с учетом повреждаемости, описывающие поведение материала, подчиняющегося энергетической теории ползучести и повреждаемости, записываются в виде
43
