CC BY
20
Lavrukhin Vyacheslav Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, docent SPVIVTS@ rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Traetyakov Nikolay Viktorovich, deputy head of department, SPVIVTS@ rambler.ru, Russia, JSC «Instrument Design Bureau n. by A.G. Shipunov»
УДК 621.983
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СОСТОЯНИЯ ВЫСОКОТОЧНЫХ ЛАТУННЫХ ИЗДЕЛИЙ НА ОПЕРАЦИИ ДВУХСТОРОННЕГО ХОЛОДНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ
Представлены основы методики решения задач осесимметричного течения жестко-
пластических сред. Проведен расчёт параметров, характеризующих процесс реализации двухстороннего холодного выдавливания ответственных изделий из латуни, а также выявлены закономерности формоизменения, определяемые особенностями способа выдавливания.
Ключевые слова: двухстороннее выдавливание, баланс мощностей, напряженно-деформированное состояние, имитационное моделирование.
Поведение металла формоизменяемого тела методами обработки давлением в общем виде описывается совокупностью взаимосвязанных характеристик: силовых, деформационных и механических. Их прогнозирование в настоящий момент представляет особый интерес, поскольку предопределение качественных и количественных параметров процесса формоизменения обеспечит возможность существенного сокращения расходов на производство, в частности, ответственных высокоточных изделий массового характера, требующего значительных затрат дорогостоящих материалов. Одним из таких изделий выступает латунный элемент типа «стакан» с полой осесимметричной выемкой в центре донной части (рис. 1), изготавливаемый из цилиндрической заготовки.
В.М. Лялин, С.М. Зыков
>
<
>
< <
Рис. 1. Изделие типа «стакан» с выемкой в центре донной части
21
Приведенное изделие может быть получено двумя способами: 1) за один переход, например, при реализации двухстороннего выдавливания; 2) путем проведения совокупности операций, например, включающей прямое выдавливание и штамповку донной части.
Двухстороннее выдавливание, по своей сути, представляет собой формообразующую операцию, сопровождающуюся последовательным перемещением металла заготовки в двух противоположных направлениях. Из рис. 2 видно, что на первой стадии процесса осуществляется формирование донной части, при котором металл заготовки 2, находящейся в матрице 3, под воздействием пуансона 1 перемещается в сторону неподвижного выталкивателя 4, а после того как дно полуфабриката принимает окончательный вид начинается вторая стадия процесса, на которой при дальнейшем перемещении пуансона металл осуществляет перемещение в сторону ему противоположную.
1
6 в)
Рис. 2. Схема процесса двухстороннего выдавливания: а - цилиндрическая заготовка; б - первая стадия; в - вторая стадия;
1 - пуансон; 2 - заготовка; 3 - матрица; 4- выталкиватель; г - радиальное направление; г - осевое направление
Указанные особенности двухстороннего выдавливания обуславливают необходимость определения и оценки параметров процесса поэтапно.
Рассмотрена задача, в которой выдавливание проводилось из цилиндрической латунной заготовки диаметром 21,5 мм и высотой 29 мм без проведения предварительного нагрева. Расчетная схема исследованного процесса двухстороннего холодного выдавливания с основными рабочими размерами инструмента отображена на рис. 3.
На первой стадии проводился анализ обратного выдавливания относительно выталкивателя (внедрение в заготовку на глубину 4,5 мм - до формирования выемки в донной части), на второй - обратного выдавливания относительно пуансона (внедрение в полуфабрикат на глубину 20 мм -до получения окончательной геометрии). При этом скорость перемещения пуансона составляла 0,2 м/с, предел текучести материала исходной заготовки (Л68) - 80 МН/м2, коэффициент трения - 0,1.
22
Постановка задачи осуществлялась на основе энергетического принципа механики, строящемся на теоремах об экстремальных свойствах действительных полей и напряжений и гласящем, что действительному полю скоростей деформации соответствует абсолютный минимум полной мощности процесса формоизменения по сравнению с ее значением, определенным через произвольное кинематически возможное поле скоростей деформаций.
Рис. 3. Схема двухстороннего выдавливания: а - первая стадия (обратное выдавливание относительно выталкивателя); б - вторая стадия (обратное выдавливание относительно пуансона); 1,5 - матрица; 2,8 - выталкиватель; 3,7 - очаг деформации; 4,6- пуансон; АВСВ - дискретная область
В качестве допущений принималось, что материал деформируемой исходной заготовки несжимаем, изотропен и жесткопластичен, т.е. его осесимметричное течение математически может быть описано с помощью следующих соотношений: дифференциальных уравнений равновесия, условия несжимаемости, выражений для определений интенсивностей скоростей деформации сдвига и компонентов скоростей деформации, условия текучести Мизеса и соотношения между компонентами напряжений и компонентами скоростей деформации [1].
Решение осесимметричной задачи пластического формоизменения требовала предварительного выявления очага пластической деформации и разбиения всей жестко-пластической среды на дискретные элементы с получением узловых точек [2].
На основе метода баланса мощностей получен функционал мощности, составляющие которого в достаточной степени характеризуют состояние деформируемой среды в заданных условиях обработки:
JtSHdV+ JtS[V]dS+f JtSV№к - JXVodS* = 0, (1)
V S Fк S*
где V- объем; тs - предел текучести сдвига; H - интенсивность скоростей деформации сдвига; [V] - результирующая скорость на поверхностях разрыва касательных составляющих скоростей перемещения дискретных элементов пластической области; S - площадь поверхностного разрыва; f -коэффициент трения; [VJ - скорость скольжения металла по инструменту; Sк - площадь контактной границы с инструментом; Х - вектор поверхностных сил; V0 - вектор скорости движения инструмента; S* - площадь поверхности воздействия внешних сил.
Первое слагаемое представляет собой пластическую составляющую мощности, второе слагаемое - компонента мощности, связанная с наличием поверхностей разрыва скоростей в объеме деформируемой среды, третье слагаемое - компонента мощности сил трения на контактной границе с инструментом, четвертое - мощность внешних сил.
Функционал (1) решался путем применения метода локальных вариаций [3].
Искомыми силовыми, деформационными и механическими характеристиками в работе выступили: мощность сил пластической деформации Wp, Вт; сила деформирования P, Н; удельная сила на инструмент q, Н/м2; поле скоростей U по оси r, м/с; поле скоростей W по оси z, м/с; поле перемещений Sr узловых точек по оси r, мм; поле перемещений Sz узловых точек по оси z, мм; поле интенсивностей скоростей деформаций H, 1/с; поле интенсивностей деформаций si; поле предела текучести os материала полуфабриката после деформирования, МН/м2 (МПа), поле интенсивности напряжений о;, МН/м2, обосновывающие полное замкнутое решение.
Определение ключевых параметров выдавливания на основе приведенных положений проводилось с использованием ЭВМ - языка программирования Pascal, т.е. посредством имитационного моделирования. В результате выявлено:
1. На первой стадии процесса формоизменения: мощность сил пластической деформации составила Wp=4292,261 кг-м/с (Вт); сила деформирования P=21461,307 Н; удельная сила на инструмент q=342,8 МН/м .
Скорости U по оси г изменяются в пределах от 0,003 до 0,042 м/с (рис. 4), причем наименьшие значения принадлежат узловым точкам, расположенным ближе к зазору между матрицей 1 и выталкивателем 2, а наибольшие - под основанием выталкивателя. Анализируя массивы скоростей W по оси z, определено, что их значения находятся в пределах от -0,049 и до 0,2 м/с (рис. 3). Отрицательные значения скоростей W обусловлены истечением металла заготовки в зазор между выталкивателем и матрицей, а максимальные располагаются под основанием выталкивателя. При этом нужно отметить, что по мере внедрения выталкивателя в заготовку, скорости в узловых точках под выталкивателем уменьшаются.
Полученные поля скоростей обусловили границы изменения значений перемещений (от 0,00008 до 0,00095 м) и (от -0,0011 до 0,0045 м), интенсивностей скоростей деформаций Н (от 2 до 58 1/с), интенсивностей
о
деформаций 8; (от 0,1 до 1,2), предела текучести о8 (от 80 до 126 МН/м , что говорит об упрочнении материала), интенсивностей напряжений (от 0,1 до 138 МН/м2).
Относительная степень деформации на первой стадии двухстороннего выдавливания составила 0,17.
2. На второй стадии процесса формоизменения: мощность сил пластической деформации - Ж„=34190,899 кг- м/с; сила деформирования -^=170954,497 Н; удельная сила на инструмент - д=583,4 МПа (МН/м2).
Рис. 4. Кинематический анализ первой стадии двухстороннего выдавливания: а - поле скоростей и в узловых точках по оси г, м/с; б - поле скоростей Ж в узловых точках по оси г, м/с;
1 - матрица; 2 - выталкиватель; 3 - пуансон; ЛБСБ - дискретная область
На этой стадии определено, что при внедрении пуансона в материал полуфабриката на глубину от 18,5 до 20 мм происходит переход стационарного течения в нестационарное с последующим более резким ростом
25
силы деформирования, и соответственно, удельной силы на инструмент, что оказывает влияние на динамику изменения всех остальных параметров процесса.
Полученные при анализе второй стадии исследуемого процесса скорости и (изменяются от 0,001 до 0,095 м/с) (рис. 5) и Ж (изменяются от -0,237 до 0,2 м/с) (рис. 5) обусловили границы изменения значений перемещений (от 0,0001 до 0,0095 м) и (от -0,0237 до 0,02 м), интенсивно-стей скоростей деформаций Н (от 1 до 196 1/с), интенсивностей деформаций £; (от 0,1 до 11,6), предела текучести о8 (от 80 до 213 МН/м ), интен-
2
сивностей напряжений о;
(от 2 до 139 МН/м2).
Рис. 5. Кинематический анализ второй стадии двухстороннего выдавливания: а - поле скоростей и в узловых точках по оси г, м/с; б - поле скоростей Ж в узловых точках по оси г, м/с;
1 - матрица;2 - выталкиватель; 3 - пуансон; ЛБСБ - дискретная область
Относительная степень деформации на второй стадии выдавливания составила 0,54.
Анализ полученных полей действительных скоростей по оси г показал, что данные скорости имеют тенденцию к увеличению в сторону выхо-
26
да металла (в первом случае при формировании гнезда в дне, во втором -при формировании стенки). Скорости по оси z по мере внедрения инструмента в заготовку (полуфабрикат) уменьшаются.
С увеличением степени деформации у происходит повышение как технологической силы P, так и удельной силы на инструмент q.
Учёт упрочнения материала на первой стадии является необходимым условием получения результатов, приближенных к реальному процессу. Как показало исследование без учета изменения механических свойств материала латунного полуфабриката, на первой стадии двухстороннего выдавливания технологическая сила деформирования на второй стадии составляет 149,3 кН, а удельная сила на инструмент - 509,8 МПа, т.е. изменение предела текучести материала полуфабриката на первой стадии приводит к повышению P на 21,65 кН (увеличение на 13 %), а также q на 73,7 МПа (увеличение на 13 %) на второй стадии.
Список литературы
1. Зыков С.М. Постановка задачи двустороннего холодного выдавливания латунных полуфабрикатов в технологии высокоточных изделий // Сборник материалов XII Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов». Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. C.324 - 327.
2. Зыков С.М. Методика дискретизации сплошной среды при анализе напряженно-деформированного состояния на операции двустороннего холодного выдавливания латунных изделий. // Сборник материалов II Всероссийской научно-технической онлайн-конференции «Стрелковое оружие: вчера, сегодня, завтра». Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. C. 96 - 99.
3. Черноусько Ф.Л. Метод локальных вариаций для численного решения вариационных задач / Журнал вычислительной математики и вычислительной физики. 1965. Т. 5. №4. C. 749 - 754.
Лялин Виктор Михайлович, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Зыков Станислав Михайлович, асп., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
FORECASTING CHARACTERISTICS STATE OF HIGH-PRECISION PRODUCTS BRASS ON THE OPERATION A BILATERAL COLD EXTRUSION
V.M. Lialin, S.M. Zykov 27
This article describe the basics of methods solving tasks of axisymmetric rigid-plastic substance. Spend the calculation of the parameters describing the process of implementing the bilateral cold extrusion of important parts made of brass, as well as identified laws offorming defined features of the method of extrusion.
Key words: bilateral extrusion, the balance of power, stress-strained state, simulation modeling.
Lialin Victor Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, scor-mixarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Zykov Stanislav Mikhailovich, postgraduate, scormixarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 612.087.1, 681.518.22
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАНОВКИ ДЫХАНИЯ ПО СИГНАЛАМ С ДУСОВ
А.В. Прохорцов, М.Б. Богданов, А.Н. Сенин
Экспериментально обоснована возможность определения параметров дыхания человека, в том числе остановка дыхания, по сигналам микромехинических датчиков угловых скоростей.
Ключевые слова: дыхание, апноэ, датчик угловой скорости, фильтр Баттер-
ворта.
Неспособность легких насытить ткани кислородом чаще является следствием длительных ночных остановок дыхания во сне, иначе апноэ -что в переводе с древнегреческого означает безветрие или отсутствие дыхания. Дыхание - единственная вегетативная функция организма, полностью контролируемая нервной системой и прямо зависящая от сохранности респираторных структур, расположенных на разных ее уровнях.
Ночная остановка дыхания связана с прекращением движения грудной клетки и с такими патологиями, как расстройство центральной нервной системы, нарушение работы мышц, обеспечивающих дыхательный процесс.
Нарушение дыхания у детей является значительной частью во всей структуре патологии дыхания в детском возрасте, приводящее к острой дыхательной недостаточности и остановке дыхания. Важно на ранних этапах выявить у ребенка неврологические нарушения дыхания, прежде чем наступит острая дыхательная недостаточность и остановка дыхания.
Остановка дыхания во сне может развиться у любого ребенка, но малыши, рожденные раньше срока, сталкиваются с проблемой чаще.
28
