CC BY
1
review ofpopular software systems for computer modeling of stamping is provided. This paper highlights the importance of considering friction as a factor influencing stamping processes and suggests the use of different lubricants to optimize the process. The results of computer simulation of stamping a ring blank with various types of lubricant are presented, changes in damage, strength and intensity of deformation with a decrease in the friction coefficient are indicated. In addition, the article emphasizes that computer simulation of metal stamping is an effective tool for optimizing the production process, improving product quality and reducing costs. Analysis of simulation results allows you to make informed decisions on choosing optimal parameters for the stamping process and reducing risks.
Key words: ring part with thickening, computer modeling, metal forming, advantages, strain intensity, strength.
Tseplyaev Ilya Konstantinovich, student, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Scientific advisor: Platonov Valery Ivanovich, candidate of technical science, docent, Russia, Tula, Tula State
University
УДК.621.7
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-3-242-243
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ FDM-МАТРИЦ ДЛЯ ВЫТЯЖКИ ЭЛЛИПТИЧЕСКИХ ДНИЩ
М.А. Сережкин, В.Ю. Лавриненко, Н.А. Балахонцева, Е.А. Тихонова
В статье предложены варианты конструкции вытяжных матриц, изготовленных методом FDM - печати, предназначенных для изготовления эллиптических днищ большого диаметра вытяжкой. Проведен расчет эквивалентных напряжений и деформаций FDM - матриц в CAE системе, позволивший рекомендовать наиболее целесообразную конструкцию вытяжной составной матрицы с соединением «ласточкин хвост».
Ключевые слова: листовая штамповка, FDM - инструмент для вытяжки, эллиптические днища
В настоящее время применение листовой штамповки наиболее целесообразно для изготовления различных деталей в условиях массового и крупносерийного производства с применением рабочего инструмента, изготовленного из штамповых сталей с последующей химико-термической обработкой («жесткие» штампы). При этом применение листовой штамповки с использованием «жестких» штампов в условиях опытного или единичного производства ограничено в связи с высокими затратами на инструмент.
Устранить данные недостатки возможно, например, при использовании рабочего инструмента из термопласта, изготовленного методом FDM (fused deposition modeling) - послойным наплавлением термопласта [1, 2].
Основной проблемой использования данной технологии для изготовления инструмента является сложность оценки прочности FDM -инструмента, а также определение допустимой силы деформирования, от величины которой зависят границы применения инструмента в холодной листовой штамповке [2].
D - печать методом послойного наплавления (FDM - печать) представляет собой процесс аддитивного производства, при котором происходит послойное нанесение расплавленного материала - термопластичных полимеров в форме нитей.
FDM - печать является наиболее экономичным способом производства нестандартных термопластичных деталей и прототипов.
Вместе с тем, FDM - печать имеет самую низкую размерную точность и разрешение по сравнению с другими технологиями 3D-печати, поэтому она не подходит для моделей со сложной геометрией и мелкими деталями. Конечный продукт будет иметь видимые линии слоев, поэтому зачастую требуется последующая механическая обработка.
Деформация детали является одним из наиболее распространенных дефектов в процессе FDM печати. У некоторых видов пластика во время охлаждения после экструзии, происходит усадка. Поскольку разные участки охлаждаются с разной скоростью, их размеры также могут меняться с разной скоростью. Дифференциальное охлаждение вызывает накопление внутренних напряжений, которые вытягивают слой, тот, что снизу - наверх [3].
Рис. 1. Резервуар алюминиевый РА-2
Работы по оценке возможности применения альтернативных материалов для изготовления инструмента холодной листовой штамповки проводятся в настоящее время в России, Германии, Японии, США и других странах [1 -9]. Отмечается, что применение инструмента, изготовленного методом FDM - печати, обеспечивает значительное снижение стоимости и времени изготовления при небольшом количестве производимых деталей. При этом достижение
необходимой жесткости и прочности FDM - штампов обеспечивается за счет изменения конструкции и формы инструмента, а также обеспечением наиболее рациональных режимов 3D - печати.
В данной работе была рассмотрена возможность применения рабочего инструмента, полученного методом FDM - печати, для изготовления эллиптических днищ по ГОСТ 6533-78 вытяжкой.
Детали типа эллиптических днищ [10] предназначены для изготовления емкостей и аппаратов, сепараторов, ресиверов, отстойников, реакторов и реакторных колонн, заглушек на магистральных трубопроводах для эксплуатации при высоком давлении до 16 МПа.
В качестве примера в данной работе используется эллиптическое днище для резервуара РА-2 (рис. 1, 2), который применяется для хранения азотной кислоты. Изготавливается из алюминия АД1, так как по требованиям ГОСТ 4784 азотная кислота 92% должна храниться в емкостях из чистого алюминиевого сплава или специальных нержавеющих сталей.
wxeodu nogaodfîx
я ^
I
L
#1200
"Ъ
Ч/я7 12.5
1 ' Размер для ¿пробок
Курсобой проект
Днище
Лип ЧИН
ЮхШЫООО ГОСТ 21631- 76
JUJ1.
Ч'"
43
3ZI
1Ю
П1
чгЬ
Рис. 2. Чертеж днища резервуара РА-2
Традиционно для штамповки эллиптических днищ применяют гидравлические прессы простого и двойного действия. На рис. 3 и 4 представлены типовые конструкции штампов и схемы штамповки эллиптических днищ из круглых заготовок на прессе простого и двойного действия.
Рис. 3. Типовая конструкция штампа и схема штамповки эллиптического днища на прессе простого действия: 1 - верхняя плита штампа, 2 - пуансон разъемной конструкции (закрепляется через к ползуну пресса), 3 - прижимное кольцо (подвешивается на цепи к верхней плите пресса), 4 -сменное кольцо, 5 - матрица, 6 - стойки
Рис 4. Типовая конструкция штампа и схема штамповки эллиптического днища на прессе двойного действия: 1 - пуансонодержатель, 2 - пуансон цельной конструкции (закрепляется через пуансонодержатель к ползуну пресса), 3 - прижим (закрепляется к траверсе пресса), 4 - сменное кольцо, 5 - матрица, 6 - стойки
При штамповке днище формируется по рабочим поверхностям пуансона и сменного кольца.
Штампы для штамповки эллиптических днищ выполняют преимущественно литыми или сварно-литыми. Детали, воспринимающие растягивающие и изгибающие нагрузки, изготавливают из инструментальной стали, а детали, работающие на сжатие, изготавливают из серого или высокопрочного чугуна. В отдельных случаях, детали штампа могут быть сварными из толстолистого материала.
Пуансоны изготавливают разъемной конструкции или цельными. Пуансоны разъемной конструкции имеют преимущественное применение, т.к. облегчается съем днища по окончанию штамповки. В конце хода пуансона вниз, после окончания формообразования днища, фланец пуансона упирается в сменное кольцо - матрицу, и он выдвигается из днища. Благодаря этому, штампованное днище не удерживается на пуансоне и падает вниз.
Конструкция штампов определяется следующими факторами технологического процесса: размеры и форма исходной и штампованной заготовки днища; способ штамповки - совмещенное или раздельное проведение переходов при штамповке за несколько переходов; необходимость дополнительного предупреждения появления дефектов - чрезмерных местных утонений, складок, вогнутостей, выпуклостей и перекосов, фестонов; конструкция и технические характеристики пресса [11].
На рис. 5 приведен чертеж и 3D - модель матрицы для вытяжки эллиптического днища диаметром 1200 мм для резервуара РА-2.
uixaodu nogoDÛfi)! I
■jRa 2Я-Л
щ V ФАБО 1 \ч/яг5г j а | ' ' / W
WtoW J
! Шкие трг/ЫШм! по ГОСГ ЗОвт H К. » К. ±!Т%/2
г ■ , .Л* ■
Курсодой проект
Матрица
хтгю5950-т
а б
Рис. 5. Чертеж (а) и 3Б модель (б) матрицы для изготовления днища резервуара РА-2
В связи с тем, что днище для резервуара РА-2 имеет большой диаметр, изготовление цельной матрицы с помощью FDM - печати на 3D - принтерах стандартного размера невозможно, а на 3D принтерах для печати крупногабаритных деталей будет иметь высокую стоимость.
Для решения этой проблемы была предложена конструкция матрицы, состоящей из 8 частей, при этом каждая часть будет отдельно напечатана на 3Б - принтере. На рис. 6 представлены различные конструкции составной матрицы: без соединения (рис.6, а), без соединения с фиксирующим кольцом (рис.6, б), с соединением «замок» (рис.6, в) и с соединением «ласточкин хвост» (рис.6, г).
Рис. 6. Различные конструкции составных матриц: а - без соединения; б - без соединения с фиксирующим кольцом; в - с соединением «замок»; г - с соединением «ласточкин хвост»
Далее с использованием модуля SolidWorks Simulation программного комплекса SolidWorks был проведен расчет эквивалентных напряжений и деформаций при статическом нагружении вытяжных матриц наибольшей силой деформирования.
Сила вытяжки при изготовлении днища для резервуара РА-2:
Р = ndsaBk (1)
где d = 1200 — диаметр детали по средней линии, мм; ав = 80 - предел прочности при растяжении, МПа; s = 10 -толщина заготовки, мм; k = 1 - поправочный коэффициент, зависящий от коэффициента вытяжки.
Р = udsaBk = и • 1200 • 10 • 80 • 1 = 3014кН (2)
Полученные результаты расчета приведены в табл. 1 и табл. 2.
Эквивалентные напряжения, Па
Таблица 1
Конструкция матрицы Минимальные значения Максимальные значения Средние значения
Цельная
Составная без соединения 0 21150164,1
Составная с соединением «замок» 492,3 94390000 47195246,2
Составная с соединением «ласточкин хвост» 508,8 31910254,4
а
б
в
г
Таблица 2
Значения эквивалентных деформаций для матриц__
Конструкция матрицы Минимальные значения Максимальные значения Средние значения
Цельная 159x10-9 270x10-7 13564x10-9
Составная без соединения 1261x10-9 2372x10-7 119231x10-9
Составная с соединением «замок» 1204x10-9 2866x10-7 143902x10-9
Составная с соединением «ласточкин хвост» 1041x10-9 x10-7 127221x10-9
Можно отметить, что наименьшие напряжения и деформации имеют место при использовании матрицы без соединения и матрицы с соединением «ласточкин хвост». Для матрицы без соединения дополнительно нужно изготавливать фиксирующее кольцо, что увеличит затраты на производство матрицы.
Для печати FDM - матрицы был выбран пластик PLA. Данный материал обладает хорошими механическими свойствами, малой усадкой, доступен и отвечает требованиям по экологической и технической безопасности.
В табл. 3 представлены параметры 3D - печати элементов вытяжной матрицы для штамповки эллиптических днищ.
Таблица 3
Параметры 3D - печати вытяжной матрицы_
Материал PLA
Диаметр сопла экструдера 0,4 мм
Высота слоя 0,2 мм
Количество стенок
Количество нижних и верхних слоев
Температура печати 196 С°
Заполнение
Скорость печати 60 м/сек
В работе были предложены варианты конструкции вытяжных матриц, изготовленных методом FDM - печати, предназначенных для изготовления эллиптических днищ большого диаметра по ГОСТ6533-78 вытяжкой.
Проведенный расчет эквивалентных напряжений и деформаций FDM - матриц в CAE системе позволил определить наиболее целесообразную конструкцию вытяжной составной матрицы с соединением «ласточкин хвост».
В дальнейшем необходима разработка и апробация технологического процесса изготовления эллиптических днищ большого диаметра по ГОСТ6533-78 с использованием рабочего инструмента, полученного методом FDM
- печати.
Список литературы
1. Athale, M., Park, T., Hahnlen, R. et al. Experimental characterization and finite element simulation of FDM 3D printed polymer composite tooling for sheet metal stamping. Int J Adv Manuf. Technol 121, 6973-6989 (2022).
2. Klimyuk D., Serezhkin M.A., Plokhikh A.I. Application of 3d printing in sheet metal forming. В сборнике: Materials Today: Proceedings. "International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment 2020, ICMTMTE 2020" 2021. С. 1579-1583.
3. FDM технология // 3DTOOL URL: https://3dtool.ru/stati/fdm-tekhnologiya-kak-eto-rabotaet/ (дата обращения: 25.11.2022).
4. Durgun I. Sheet metal forming using FDM rapid prototype tool // Rapid Prototyping Journal. 2015. №21(4). С.
412-422.
5. Nakamura, N., Mori, Ki. & Abe, Y. Applicability of plastic tools additively manufactured by fused deposition modelling for sheet metal forming. Int J Adv Manuf Technol 108, 975-985 (2020). DOI: 10.1007/s00170-019-04590-5.
6. Frohn-Sorensen, P., Geueke, M., Tuli, T.B. et al. 3D printed prototyping tools for flexible sheet metal drawing. Int J Adv Manuf. Technol 115, 2623-2637 (2021).
7. Григоренко Г.Д., Евсюков С.А. Влияние параметров печати на прочность деталей штампов, изготовленных методом послойного наплавления полимера // Заготовительные производства в машиностроении. - 2017. - N»15(4).
- С. 177-181.
8. Климюк Д.О., Сережкин М.А 3D-печать инструмента для мелкосерийной холодной листовой штамповки / В сборнике: Будущее машиностроения России. Тринадцатая Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов (с международным участием) : сборник докладов : в 2 т. Союз машиностроителей России, Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет). Москва, 2020. С. 95-97.
9. Лавриненко В.Ю., Сережкин М.А., Балахонцева Н.А., Садиков Ж. Экспериментально исследования процесса гибки листовых заготовок на прессах и листоштамповочных молотах с использованием FDM-штампов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии 2023. № 2 (358). С. 27 - 34
10. ГОСТ 6533-78. Днища эллиптические отторгованные стальные для сосудов, аппаратов и котлов. Основные размеры: дата введения 1980-01-01. Москва: Государственный комитет СССР по стандартам, 1985. 38 с.
11. Горбунова, Ю.Д. Анализ формоизменения эллиптических стальных днищ при горячей штамповке: специальность 05.16.05 - Обработка металлов давлением : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Горбунова Юлия Дмитриевна. Екатеринбург, 2019. 124 с.
Сережкин Михаил Александрович, доцент, [email protected], РФ, Москва, Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана,
Лавриненко Владислав Юрьевич, заведующий кафедрой, vlavrinenko@bmstu. ru, РФ, Москва, Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана,
Балахонцева Наталия Андреевна, старший преподаватель, [email protected], РФ, Москва, Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана,
Тихонова Елизавета Алексеевна, магистратрант, [email protected], РФ, Москва, Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана
DEVELOPMENT OF FDM DESIGN - DIES FOR DRA WING OF ELLIPTICAL BOTTOMS
M.A. Serezhkin, V. Yu. Lavrinenko, N.A. Balakhontseva, E.A. Tikhonova
The some design options for drawing dies manufactured by FDM printing, intended for the production of large-diameter elliptical bottoms are presented. A calculation of the equivalent stresses and strains of FDM dies in the CAE system was carried out, which made it possible to recommend the most appropriate design of drawing dies with a «dovetail» connection.
Key words: sheet stamping, FDM dies for drawing, elliptical bottoms.
Serezhkin Mikhail Aleksandrovich, assistant professor, pehobatop@gmail. com, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University?
Lavrinenko Vladislav Yurievich, yead of department, vlavrinenko@bmstu. ru, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University?
Balakhontseva Nataliya Andreevna, senior lecturer, bmstu-bna@mail. ru, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University?
Tikhonova Elisaveta Alekseevna, master's student, pehobatop@gmail. com, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University/
УДК 621.77, 621.7.043
Б01: 10.24412/2071 -6168-2024-3-247-248
К ВОПРОСУ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ ДАВЛЕНИЕМ
О.И. Борискин, С.Н. Ларин, Г.А. Нуждин, И.В. Муравьева, М.Г. Нуждин
Обсуждены вопросы технологического обеспечения процессов обработки металлов давлением. Подтверждена необходимость обеспечения согласованной совместимости подсистем технологического обеспечения на основе применения компьютерного моделирования. Компьютерное моделирование обработки давлением рассмотрено как один из регламентированных методов оценки соответствия.
Ключевые слова: обработка металлов давлением, технологическое обеспечение, повреждаемость, компьютерное моделирование, метрологическая экспертиза.
В рамках технологического обеспечения создания продукции, включая и машиностроительную, действуют взаимосвязанные подсистемы (технологической подготовки производства и др.) [1]. Их интеграция способствует практической реализации общих целей и по сокращению сроков технологической подготовки, и по снижению затрат на его технологическую подготовку, и по повышению гибкости при технологическом обеспечении проектирования и освоении прогрессивных технологий и технических средств. Оптимизация и сокращение сроков подготовки производства может быть обеспечено моделированием операций [2, 3], цифровизацией и метрологическим мониторингом [4]. Также возможен путь сокращения времени на изготовление средств технологического оснащения в металле за счет использования в конструкции стандартных и унифицированных узлов и деталей. Дополнительную выгоду можно извлечь за счет применения типовых и стандартных решений при технологическом проектировании [5] и снижения потребности во вновь разрабатываемых средствах технологического оснащения путем использования стандартной и переналаживаемой оснастки. Сформированная и результативно действующая система технологической подготовки обязательно включает в себя ресурсосбережение на всех стадиях жизненного цикла продукции [6], начиная с самых ранних, например, с разработки предложений.
Ресурсосбережение является важнейшим инструментом повышения эффективности производства и увеличения прибыли. В рамках ресурсосбережения различают материалосбережение и энергосбережение. Показатели материалоемкости при изготовлении продукции влияют определяющим образом на показатели ресурсосбережения, включающие технологические свойства продукции, в том числе показатели, обусловливающие фактическое потребление материальных ресурсов на стадии изготовления продукции [11]. Основа материалосбережения на машиностроительном предприятии - механизмы управления качеством проектирования технологических процессов производства изделий и продукции с уменьшением потерь, снижением издержек [12]. При использовании выдавливания как одного из высокоэффективных способов получения полых деталей с переменной толщиной стенки один из основных параметров для оценки качества получаемых заготовок — повреждаемость материала заготовки [13]. Под повреждаемостью понимают степень использования ресурса пластичности, представляющую собой отношение накопленной эквивалентной деформации к ее предельной величине, определяемой из диаграммы пластичности.
Изучение процесса выдавливания, анализ изменения напряженно-деформированного состояния деталей при выдавливании, изучение других свойств можно проводить с использованием компьютерного моделирования обработки металлов давлением (ОМД). Компьютерное моделирование ОМД сохраняет существенные черты моделируемого объекта и описывает его основные свойства, параметры, внутренние и внешние связи. Разумеется, модель является приближенным представлением, с заданной разработчиком точностью [9]. Выполнив запланированный объем опытов на базе компьютерного моделирования, и проанализировав полученные результаты, можно с высокой достоверностью построить графики влияния конусности, редукции, трения, геометрических характеристик инструмента на величины интенсивности напряжений и повреждаемости. Полученные компьютерным моделированием ОМД результаты дают представление как о величинах повреждаемости материала заготовки, так и распределении ее величины по объему изделия [10]. Это позволило выявить зависимости влияния различных параметров на величины интенсивно-стей напряжений и повреждаемости в объеме полуфабрикатов, а именно - что меньшие углы конусности инструмента
