CC BY
2
Выводы. Как показывает выполненный анализ параметров, влияющих качество неразъемного соединения, получаемого в результате совместной пластической деформации двух металлов наиболее сильное влияние должны оказывать параметры, относящиеся к группам причин: инструмент (штамп), метод (технология), материал. На основе диаграмм, показанных на рисунке 3, могут быть спланированы эксперименты (физические и вычислительные) для исследования закономерностей параметров, характеризующих процесс совместной пластической деформации разных металлов, в том числе углеродистых сталей разных марок.
Список литературы
I.Аркулис Г.Э. Совместная пластическая деформация разных металлов. М.: Изд-во Металлургия, 1964.
272 с.
2.Чеканов М.А., Титов И.А. Совершенствование технологии сборки неразъемных соединений пластическим деформированием соединяемых элементов // Ползуновский вестник, 2. 2006. С. 186-189.
3.Коржова О.П. Технология формообразования и сборки профильных неподвижных и подвижных соединений: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.03.01Ю.П.Коржова. Омск, 2008. 19 с.
4.Groche P., Wohletz S., Brenneis M., Pabst C., Resch F. Joining by forming - A review on joint mechanisms, applications and future trends // Journal of Materials Processing Technology, 214(10). 2014. 1972-1994.
5.Mori K., Abe Y. A review on mechanical joining of aluminium and high strength steel sheets by plastic deformation. // International Journal of Lightweight Materials and Manufacture, 2018. 1(1). P. 1-11.
6.Носков Ф.М. Структурообразование в зоне контакта металлов при совместной пластической деформации: монография / Ф.М. Носков, Л.И. Квеглис, М.Б. Лесков. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2019. 200 c.
7.Meschut G., Merklein M., Brosius A., et al. Review on mechanical joining by plastic deformation. // Journal of Advanced Joining Processes, 5, 2022. 100113.
8.Kasaei M.M., Beygi R., Carbas R.J.C., Marques E.A.S., da Silva L.F.M. A review on mechanical and metallurgical joining by plastic deformation. // Discover Mechanical Engineering 2:5, 2023.
9.Afonso R.M., Alves L.M., Martins P.A.F. Joining by boss forming of rods and tubes to sheets. // Journal of Advanced Joining Processes, 1, 2020. 100001.
10. Галактионова Е.А. Исследование процесса соединения заготовок пластическим деформированием. Выпускная квалификационная работа магистра. М.: Московский политех, 2023. 84 с.
II. Андерсен Б., Фагерхоуд Т. Анализ основной причины. Упрощенные инструменты и методы. ASQ Quality Press, 1999. 156 с.
Галактионова Екатерина Алексеевна, аспирант, ekaterina.mospu@mail. ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Петров Павел Александрович, канд. техн. наук, доцент, petrov [email protected], Россия, Москва, Московский политехнический университет
SELECTION OF PARAMETERS AFFECTING THE QUALITY OF PERMANENT JOINTS BY PLASTIC DEFORMATION
E.A. Galaktionova, P.A. Petrov
This article presents an analysis of the factors influencing the formation of a permanent connection between two metals. A typical permanent joint, made from carbon steels of different grades and used in mechanical engineering in the design of vehicle components, is considered. Based on cause-and-effect analysis, groups of causes affecting the quality of permanent joints have been identified. For each group of reasons, parameters are identified, the interaction of which with each other determines the manifestation or absence of undesirable effects that determine the quality of the product.
Key words: non-displacement joints, plastic deformation, joints by plastic deformation methods, quality ofjoints.
УДК 621.7.043
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-7-610-611
РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ПРЯМОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ В СФЕРИЧЕСКУЮ МАТРИЦУ
С.П. Рулин, П.А. Петров
В данной статье выполнен анализ малоизученного процесса - прямого выдавливания в матрицу со сферической формообразующей поверхностью. Рассмотрены особенности очага деформации, формируемого в заготовке алюминиевого сплава. При разработке компьютерной модели процесса прямого выдавливания в качестве материала принят алюминиевый сплав АД (ГОСТ 4784-2019). Подробно изложены допущения и описаны исходные данные, принятые при разработке компьютерной модели. Приводятся основные результаты расчета исследуемого процесса с применением разработанной компьютерной модели. Адекватность расчетов проверена по результатам натурного эксперимента.
Ключевые слова: прямое выдавливание, холодная объемная штамповка, математическое моделирование, компьютерная модель, алюминиевый сплав, сопротивление деформации, напряженно-деформированное состояние
Теоретические исследования процесса выдавливания проводились отечественными учеными: А.Г. Овчинниковым, В.А. Головиным, И.П. Рене, М.В. Сторожевым, Е.А. Поповым, Л.Г. Степанским, А.Д. Томленовым, Е.П. Унксовым, А.К.Евдокимовым, А.М.Дмитриевым, А.Л.Воронцовым, В.В. Евстифеевым, Л.Д.Олениным, Г.М.Журавлевым, В.А.Мишуниным и др.
610
Процессы холодного выдавливания по характеру течения металла подразделяются на простые и комбинированные [1-6]. Простые процессы, характеризуются течением металла в одном преимущественном направлении: прямое, обратное, радиальное, боковое выдавливание. В комбинированных процессах выдавливания в очаге деформации направление течения металла меняется и может происходить в двух или более направлениях. В связи с этим комбинированное выдавливание представляет собой сочетание двух или более простых схем течения.
Малоизученной схемой выдавливания является прямое выдавливание изделия, показанного на рисунке 1, выполняемого в матрице со сферической формообразующей поверхностью. Диаметр (Бо) исходной заготовки меньше диаметра (Бм) цилиндрической части формообразующей полости матрицы на величину двухстороннего зазора. За счет этого обеспечивается беспрепятственное позиционирование заготовки в матрицы до начала рабочего хода и однонаправленное течение металла в направлении движения пуансона.
форма штамповки после прямого выдавливания схема формообразующей поверхности матрицы
Рис. 1. Осесимметричная штампованная заготовка со сферическим торцем
Целью данной работы является разработка компьютерной модели процесса холодного прямого выдавливания штампованной заготовки со сферическим торцем (см. рисунок 1а). Материал исходной заготовки - алюминиевый сплав АД; ее размеры: диаметр Dо=21,0 мм и высота Н=9,7 мм.
Методика математического моделирования. Математическое моделирование [7], основу которого составляет модель-алгоритм-программа, сводится к разработке и изучению компьютерной модели процесса прямого выдавливания. Это позволяет исследовать свойства и характеристики исследуемого процесса минимизировав количество натурных экспериментов. Натурные эксперименты проводятся для проверки достоверности результатов вычислительных экспериментов, выполненных с применением разработанной компьютерной модели. В данной работе натурные эксперименты связаны со сравнительным анализом формы заготовки деформируемого металла в процессе прямого выдавливания.
Разработка компьютерной модели выполняется в программном комплексе QForm. Исходные данные для моделирования: 1) материал - алюминиевый сплав АД (ГОСТ 4784-2019: 99,0Л1-1,0(81+Ее)-0,1Си-0,1Мп-0,17п-0,151 (вес.%)); 2) модель сопротивления деформации сплава АД (рисунок 2) принимается из базы деформируемых материалов программы QForm -диапазон скорости деформации [0,01; 500] с-1; 3) температура деформирования -20 °С; 4) оборудование - гидравлический пресс с номинальной силой 1 МН и скоростью рабочего хода 2 мм/с; 5) контактное трение между деформируемым металлом и формообразующей поверхностью матрицы и пуансона описывается моделью контактного трения А.Н.Леванова [8]; коэффициент теплопередачи смазки принимается равным 30000 Вт/(м2хК); 6) тип задачи - трехмерная. Фактора трения в модели трения А.Н.Леванова принимается варьируемым параметром, изменяемым в диапазоне значений от 0 до 1.
Тепловой эффект пластической деформации учитывается. Это обеспечивается за счет решения тепловой задачи совместно с механической задачей. Область значений температуры в модели сопротивления деформации соответствует диапазону значений от 20 до 250°С.
с
■е ч
260 240 220 200 180 160 140 120 100 80
1 ■ 1 ! 1 ■
т= 20 --" **"' -
---
■
-
1 1 1 1 , 1 , I 1 I . 1 . 1 1 1 1 "
11,0 0,2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2,0 2,2 2.4 2.6 2.8 3.0 __ Деформация___
Рис. 2. Модель сопротивления деформации сплава АД при температуре 20 °С
611
Основная задача данной работы - оценка заполнения матрицы металлом, формирование деформационных дефектов. Для решения задачи в компьютерную модель процесса прямого выдавливания добавлены инструменты (рисунок 3): 1) приповерхностные и лагранжевы линии; 2) поле Гартфилда, рассчитываемое за счет применения стандартной подпрограммы в системе QForm [8, 9]. На рисунке 3 показана расчетная модель заготовки с приповерхностными и лагранжевыми линиями. Приповерхностные линии расположены эквидистантно поверхности заготовки с шагом 0,02 мм; их количество равно 20. Лагранжевы линии в начале процесса, момент времени равный 0,0 с, располагаются в объеме заготовки параллельно осям координат ОХ, ОУ, 07; число интервалов по ОХ, ОУ, 07 = 45, 45, 30, соответственно.
Поле Гартфилд определяется в режиме пост-процессора по результатам расчета растягивающих деформаций в направлении нормали к поверхности деформируемой заготовки; чем выше значение поля, тем выше вероятность появления деформационных дефектов [8, 9].
исходное положение заготовки
С^огт 10.24
форма заготовки в конце рабочего хода
№ит 1024
форма приповерхностных линий Рис. 3. Инструменты для прогнозирования дефектов течения металла
Результаты моделирования. В процессе формоизменения лагранжевы линии и приповерхностные линии наиболее сильно искривляются в центральной области деформируемой заготовки принимая сферическую форму. Торец заготовки, исходно перпендикулярный её продольной оси, искажается в процессе прямого выдавливания. К моменту времени 0,2548 с от начала процесса прямого выдавливания, торец начинает искривляться в сторону противоположную сферической поверхности (рисунок 4а). К моменту времени 1,578 с движение торца замедляется, и он начинает перемещаться в сторону сферической поверхности. При величине зазора в центральной части сферической поверхности равном 1,71808 мм (рисунок 4б), приповерхностные линии расположены практически горизонтально. Далее, начинается их изгиб в противоположном направлении (см. рисунок 4) - в сторону сферической поверхности радиуса Я0. К окончанию рабочего хода торец заготовки практически полностью прилегает к сферической поверхности матрицы, в том числе и в полюсе сферы.
Напряженно-деформированное состояние локализуется также в центральной области. На рисунке 5 показано распределение параметров напряженно-деформированного состояния в конце рабочего хода. Создаваемые в очаге деформации значения деформации приводят к тепловому эффекту, также локализованному в центральной части деформируемого металла (рисунок 5в). На рисунке 5г показано движение трассируемых точек от момента входа металла в матрицу до момента оформления сферического торца. В конце рабочего хода металл в точках 191, 193, 195 перемещается в направлении формообразующей поверхности.
время процесса 0,8465 с время процесса 1,578 с; зазор в полюсе сферы
1,71808 мм
Рис. 4. Поле распределения интенсивности деформаций: особенности течения металла в очаге деформации (фактор трения т= 0,0)
поле интенсивности деформаций
поле температуры поле интенсивности скорости деформаций
Рис. 5. Параметры напряженно-деформированного состояния в очаге деформации в конце рабочего хода
(момент времени 1,691 с)
Анализ течения металла позволяет выделить и еще одну особенность. В конце рабочего хода на натурном эксперименте в полюсе сферы формируется её незначительное неоформление (рисунок 6а; область внутри красного круга). Диаметр пятна, соответствующий неоформлению поверхности, составляет около 2-4 мм. Пятно расположено вблизи полюса сферы с небольшим смещением от полюса. Значение смещения может меняться от заготовки к заготовке.
натурныи эксперимент вычислительный эксперимент
Рис. 6. Сравнение формы заготовки: моделирование и эксперимент
Аналогичное пятно можно выделить в распределении значений поля Гартфилда (рисунок 6б). В центре данного пятна - поле достигает значения 0,84-0,85. Таким образом можно сделать вывод о том, что разработанная компьютерная модель процесса прямого выдавливания заготовки из сплава АД воспроизводит течение металла при заполнении матрицы со сферическим торцем.
Выводы. Проведенные натурные и вычислительные эксперименты позволяют сделать следующие выводы:
1) разработана компьютерная модель прямого выдавливания, позволяющая выполнить анализ течения металла при заполнении формообразующей полости матрицы с учетом возможного формирования деформационных дефектов - неполное оформление полюсной части штампованной заготовки со сферическим торцем;
2) искажение приповерхностных линий в процессе формообразования позволяет оценить неравномерность течения металла, которая наблюдается на всем протяжении рабочего хода пуансона;
3) искажение приповерхностных линий (см. рисунок 3в и рисунок 4) может свидетельствовать об отходе металла от сферической формообразующей поверхности матрицы; первичная проверка данной гипотезы подтверждает результаты расчета (см. рисунок 6);
4) локализация напряжений и деформаций наблюдается в области сферического торца заготовки, формируемой прямым выдавливанием; как следствие, тепловой эффект пластической деформации приводит к повышению температуры до 36,26 °С (максимальное значение; см. рисунок 5в).
Дальнейшее развитие разработанной модели прямого выдавливания связано с анализом влияния фактора трения на искажение и неоформление сферической поверхности заготовки; с исследованием влияния упрочнения и исходной структуры на скольжение металла вдоль сферической поверхности матрицы; с исследованием влияния шероховатости исходной заготовки и формообразующей поверхности матрицы на оформление сферического торца.
Список литературы
1. Овчинников А.Г. Основы теории штамповки выдавливанием на прессах. М.: Машиностроение, 1983.
200 с.
2. Гречников Ф.В., Дмитриев А.М., Кухарь В.Д. и др. Прогрессивные технологические процессы холодной штамповки / Под общ. ред. А.Г.Овчинникова. М.: Машиностроение, 1985. 184 с.
3. Головин В.А., Митькин А.Н., Резников А.Г. Технология холодной штамповки выдавливанием. М.: Машиностроение, 1970. 152 с.
4. Кондратенко В.Г., Карачабан П.Н. Исследование технологических процессов холодного комбинированного выдавливания деталей плазмотрона // Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. Сборник научных трудов. Тула: ТГУ. 2001. С.86-96.
5. Алиев И.С. Совершенствование процессов точной объемной штамповки выдавливанием / Алиев И.С., Махмудов К.Д., Гамзатов Г.А., Крюгер К. // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2020. № 9. С. 10-23.
6. Мишунин В.А. Теория и практика процесса холодного выдавливания. М.: Машиностроение, 1993.
320 с.
7. Умнов А.М., Туриков В.А., Муратов М.Н., Сковорода А.С. Современные методы вычислительного эксперимента в прикладной физике: Учеб. пособие. М.: РУДН, 2008. 248 с.
8. Руководство пользователя программы QForm, 2023-2024. М., 2023.
9. Власов А.В. и др. Конечно-элементное моделирование технологических процессов ковки и объемной штамповки: учебное пособие; под ред. А.В.Власова. М.: Издательство МГТУ им Н.Э.Баумана, 2019. 383 с.
Рулин Сергей Павлович, аспирант, [email protected], Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Петров Павел Александрович, канд. техн. наук, доцент, .petrov [email protected], Россия, Москва, Московский политехнический университет
DEVELOPMENT OF A COMPUTER MODEL OF DIRECT-TYPE EXTRUSION INTO A SPHERICAL DIE
S.P. Rulin, P.A. Petrov
This article analyzes a poorly-studied process - direct-type extrusion into a die with a spherical shaping surface. The features of the deformation zone formed in an aluminum alloy workpiece are considered. When developing a computer model of the direct-type extrusion process, aluminum alloy AD (GOST 4784-2019) was used as a material. The assumptions are set out in detail and the initial data used in developing the computer model are described. The main results of simulating the process under study using the developed computer model are presented. The adequacy of the calculations was verified based on the results of a full-scale experiment.
Key words: direct-type extrusion, cold die forging, mathematical modeling, computer model, aluminum alloy, flow stress, stress-strain state.
Rulin Sergey Pavlovich, postgraduate, sergey.profi@inbox. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Petrov Pavel Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, .petrov_p@mail. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
УДК 621.73.01
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-7-615-616
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАТНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ
И.В. Мосягин
Статья посвящена анализу напряженного и деформированного состояния, повреждаемости материала и других параметров при штамповке металлических изделий. Рассматривается важность такого анализа для оптимизации процесса производства, повышения качества продукции и снижения затрат. Особое внимание уделяется использованию современных методов компьютерного моделирования, в частности метода конечных элементов. В работе представлены результаты исследования процесса обратного выдавливания детали типа стакан с внутренним направляющим выступом, проведенного с помощью программного обеспечения QForm. Анализируется распределение средних напряжений в сечении изделия при использовании инструментов с острыми и закругленными рабочими кромками. Приводятся данные о повреждаемости, вероятности дефектов, максимальных напряжениях и интенсивности деформаций. На основе полученных результатов делается вывод о преимуществах использования инструментов с закругленными рабочими кромками для данного типа изделий.
Ключевые слова: средние напряжения, напряженное состояние, деформированное состояние, интенсивность деформаций, компьютерное моделирование.
Анализ напряженного и деформированного состояния, повреждаемости материала и других параметров при штамповке металлических изделий является важным этапом в процессе производства [1-3]. Этот анализ позволяет оптимизировать процесс штамповки, повысить качество готовой продукции и снизить производственные затраты. Во-первых, анализ напряженного состояния помогает выявить области концентрации напряжений в материале во время штамповки. Это позволяет предотвратить возможные разрывы, трещины или другие дефекты, которые могут возникнуть из-за чрезмерного деформирования. Понимание распределения напряжений также помогает оптимизировать форму и размеры инструмента. Деформированное состояние материала также требует тщательного анализа. Это помогает прогнозировать конечную форму изделия и обеспечивать соответствие заданным размерам и допускам. Анализ деформаций позволяет выявить области, где может произойти чрезмерное утонение или утолщение материала, что необходимо для сохранения прочностных характеристик изделия. Оценка повреждаемости материала также важна, она позволяет предсказать возможное появление микротрещин, разрывов или других структурных дефектов, которые могут повлиять на эксплуатационные характеристики изделия [4-6]. Этот анализ особенно важен для деталей, работающих в условиях высоких нагрузок или циклических напряжений. Кроме того, анализ других параметров, таких как температура, скорость деформации, трение, играет важную роль в оптимизации процесса штамповки [7-9].
Использование современных методов компьютерного моделирования, таких как метод конечных элементов, позволяет проводить комплексный анализ всех этих параметров еще на стадии проектирования. Это значительно сокращает время и затраты на разработку технологического процесса, уменьшает количество пробных штампов и снижает риск производства бракованных изделий.
В данной работе проводится анализ напряженного и деформированного состояния при обратном выдавливании детали типа стакан с внутренним направляющим выступом с помощью программного обеспечения QForm [10]. На рисунке представлено распределение средних напряжений в сечении при формировании изделия двумя типами инструмента, а именно с рабочей кромкой с закругленными краями и острыми.
615
