CC BY
2
Тякунов Олег Степанович, начальник бюро МСР, Россия, Ульяновск, ООО «УАЗ-механосборочное производство»
ANALYSIS OF INDUSTRIAL TESTS OF DEFORMING COLD-SHRINK TOOL
V.N. Kokorin, N.V. Mishov, O.I. Morozov, A.Y. Treshchev, P.P. Sharikov, O.S. Tyagunov
An analysis of the durability of a cold-die punch with a wear-resistant TiN coating was carried out within the framework ofpilot tests. The characteristic gradation of the wear resistance of a cold-shrink tool from the number of strokes is shown.
Key words: durability, landing, wear, coatings, punch, cold volumetric stamping, trials.
Kokorin Valery Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk State Technical University,
Morozov Oleg Igorevich, candidate of technical sciences, docent, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk State Technical
University,
Mishov Nikolai Viktorovich, assistant, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk State Technical University,
Treshchev Andrey Yurievich, general director, Russia, Ulyanovsk, LLC "UAZ-mechanical assembly production",
Sharikov Peter Pavlovich, deputy general director, Russia, Ulyanovsk, LLC UAZ-Mechanical Assembly Production,
Tyakunov Oleg Stepanovich, head of the MSR Bureau, Russia, Ulyanovsk, UAZ-Mechanical Assembly Production
LLC
УДК 621.774
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-616-617
ШТАМПОВКА ТОНКОСТЕННЫХ ЗАГОТОВОК С ПРИМЕНЕНИЕМ ИНСТРУМЕНТА ИЗ
ПОЛИЛАКТИДА PLA
А.Д. Куликов, И.А. Бурлаков, П.А. Петров, П.А. Полшков
Приведены результаты изучения возможности применения инструмента из полилактида PLA для штамповки тонкостенных деталей из никелевого сплава ХН60ВТ, дан анализ напряженного состояния, полученного моделированием процесса с применением программы QForm 10.3.0 (далее QForm). С учетом результатов моделирования изготовлен и испытан инструмент из полилактида PLA и даны рекомендации по его применению.
Ключевые слова: Тонкостенные заготовки, сплав ХН60ВТ, штамповка, инструмент из полилактида PLA, FFF/FDM, 3D-печать, программа QForm, испытание инструмента, аддитивные технологии.
Листовая штамповка обладает множеством преимуществ, к основным ее преимуществам можно отнести возможность изготовления деталей с минимальной массой при заданной прочности, точность изготовления, соблюдение формы и размеров, высокое качество уменьшает затраты на последующую обработку. Листовая штамповка позволяет получать сложные по форме тонкостенные детали и массивные прочные детали, которые не могут быть получены иным способом. Разнообразие методов штамповки, применение различных по конструкции штампов и использование соответствующих материалов для их изготовления обеспечивают рентабельное производство как для крупного, та и для мелкосерийного производства [1]. Штампы - точный, сложный и подчас дорогой инструмент, поэтому применение штамповки целесообразно главным образом в крупносерийном и массовом производствах. Требуются большие инвестиции в затраты на пресс-формы, поскольку на рынок выводится все больше и больше продуктов [2]. Однако есть и исключения из данного правила.
По типу применяемости оснастки штамповку листовых материалов можно разделить на виды:
- штамповка в инструментальных штампах [3],
- штамповка эластичными средами [4],
- штамповка взрывом [5],
- пневматическая формовка [6],
- гидроформовка [7],
- штамповка пластиковым инструментом, изготовленным аддитивным методом [8 -11].
Меньше всего информации по применению штамповой оснастки из пластиковых материалов, полученных 3D печатью. Достижения 3D-печати в области обработки металлов давлением не столь широки, но одно из первых положительных применений в производстве штампов было сделано более 20 лет назад [12]. Роль 3D-принтеров также является значимой и перспективной частью проектирования и реализации производств с технологиями обра-
ботки металлов давлением [13]. Имеются данные, что использование 3D-ne4ara способно на 80% сократить затраты времени на разработку и изготовление оснастки и снизить стоимость оснастки на 70% [14-15]. Среди множества типов 3D-принтеров принтеры для изготовления изделий из пластика значительно дешевле принтеров, которые предназначены для работы с металлом или другими материалами.
Моделирование методом послойного наплавления (анг. fused deposition modeling, FDM / fused filament fabrication, FFF) - это широко используемая экструзионная технология 3D-печати полимерных и композиционных материалов благодаря гибкому и быстрому процессу обработки, низкой стоимости, разнообразию и нетоксичности материалов, высокой прочности и ударной вязкости материалов.
Настоящая работа направлена на определение области применения полимерного инструмента, изготовленного методом FFF/FDM из полилактида PLA для штамповки тонкостенных заготовок.
Цель исследования.
Целью настоящей работы является сокращение сроков освоения производства новых изделий путем применения новых технических решений, основанных на применении штамповой оснастки, изготовленной методом FFF/FDM, и оценка ее стойкости.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- определить напряженное состояние в очаге деформации при штамповке и оценить силы, действующие на инструмент,
- выбрать полимерный термопластичный материал для изготовления формообразующего инструмента,
- определить стратегию печати и термообработки инструмента,
- изготовить методом FFF/FDM инструмент и заготовки для экспериментальной штамповки,
- выполнить экспериментальные работы,
- проанализировать полученные результаты и разработать предложения.
Методика выполнения работы.
Материалом исследования являлись плоские заготовки длиной 45 мм, шириной 10 мм и толщиной 0,8 мм из никелевого сплава марки ХН60ВТ, химический состав которого (% (мас.): Ni - осн., Cr - 25, W - 15, Ti - 0.5), поставляемый по ТУ14-1-1747-76. Штампуемая заготовка «ограничитель» показана на рис. 1.
Экспериментальные работы по штамповке заготовок проводили на гидравлическом вытяжном прессе мод. HVC-2-16 (рис. 2). Контроль геометрических параметров гнутых заготовок осуществляли с помощью универсального мерительного инструмента». Точность измерения составляла ± 0,1 мм.
Рис. 2. Штамповая оснастка на гидравлическом вытяжном прессе мод. HVC-2-16
Матрица и пуансон были изготовлены на FFF/FDM принтере Raise3D Pro3 Plus.
Процесс гибки заготовок моделировали с применением метода конечных элементов (МКЭ) с помощью пакета QForm со следующими исходными данными:
1) исходной заготовкой являлась заготовка из сплава ХН60ВТ.;
2) при моделировании принимали, что формообразующий инструмент изготовлен из полилактида PLA; 4) объем заготовки неизменный;
5) напряженное состояние трехмерное (3D расчет);
6) температура формообразования - 20 °С;
7) фактор трения - 0,3, трение по закону Леванова;
8) тепловые процессы не учитываются;
9) формообразование осуществляется на гидравлическом прессе со скоростью 1 мм/сек.
В виду того, что толщина исходных заготовок составляет 0,8 мм, сетка конечных элементов была принудительно измельчена.
Моделирование процесса штамповки
Твердотельные модели формообразующего инструмента показаны на рисунке 3. В качестве материала для изготовления ролика на основе более ранних исследований [8] был выбран полилактид PLA наиболее популярной торговой марки ESUN со следующими свойствами: Плотность материала 1,25 г/см3; Температура термодеформации 52 °C, 0.45 МПа; Индекс текучести расплава 4 г/10 минут (190°С/2,16кг); Предел прочности 65 МПа; Относительное удлинение при разрыве 12%; Прочность на изгиб 75 МПа; Модуль упругости при изгибе 2102 МПа; Ударная прочность по Изоду 8,5 Дж/м2;
Режим изготовления формообразующего инструмента методом FFF/FDM на 3D принтере Raise3D Pro3 Plus приведен в таблице 1.
Режимы изготовления формообразующего инструмента
Таблица 1
Параметр Значение
Температура сопла, °С 210
Температура рабочего стола, °С 60
Скорость заполнения, мм/с 80
Диаметр сопла, мм 0.4
Ширина линии, мм 0.4
Высота слоя, мм 0.1
Толщина стенки (оболочки), мм 6
Обдув 100%
Ретракт Да
Плотность заполнения, % 100
Тип заполнения Прямолинейная
Поддержки нет
Время изготовления, 82 ч 09 мин
Масса, г 661
Результаты моделирования процесса штамповки заготовок с применением программы QForm приведены на рисунке 4. Как видно из рисунка величина контактных напряжений достигает 700 МПа, что значительно превышает прочностные свойства пластика ПЛА на растяжение.
а б
Рис. 3. Твердотельные модели штамповочного инструмента: а - матрица, б - пуансон
Рис. 4. Моделирование процесса штамповки детали «ограничитель»: а - начало штамповки, б - конец штамповки, в и г - пружинение заготовки после разгрузки, д - напряжения по оси ^ в штампуемой заготовке, е - интенсивность напряжений в штампуемой заготовке
Экспериментальная часть. Заготовки после штамповки на гидравлическом прессе показаны на рисунке 5.
Рис. 5. Заготовки после штамповки на гидравлическом прессе
Качество поверхности выпущенных деталей соответствовало требованиям чертежа, а геометрические размеры деталей находились в пределах допуска, установленного чертежом. Несмотря на расчетные высокие напряжения, возникающие в процессе формообразования, износ инструмента замечен не был, что было подтверждено стабильными геометрическими параметрами изготовленных деталей. Величина пружинения заготовок при штамповке была близка расчетной, полученной моделированием, и составляла около 0,4 мм.
Обсуждение. К геометрическим параметрам отштампованных заготовок предъявляются высокие требования по геометрической точности и шероховатости поверхности. Выполненные исследования позволили установить, что несмотря на высокие контактные напряжения, возникающие в процессе деформации заготовок, гибочный инструмент из полилактида PLA обеспечивает удовлетворительную стойкость, что позволяет рекомендовать его для более широкого применения в листоштамповочном производстве.
Выводы:
1. Применение штампового инструмента из полимерных материалов, в частности из полилактида PLA, позволяет существенно сократить время его изготовления и снизить производственные затраты. Упомянутые преимущества такого инструмента особенно заметны при выпуске мелко серийных изделий и при отработке конструкций новых видов продукции. Значительный вклад во внедрении данного вида оснастки оказывают современные расчетные программы, которые позволяют отработать конструкцию штампов способом компьютерного моделирования с применением метода конечных элементов. Дополнительным преимущество данной оснастки значительное (до 8 раз) снижение ее массы, что облегает монтажные и наладочные работы.
2. Моделирование процесса показывает, что интенсивность напряжений достигает 700 МПа, что существенно превышает прочностные свойства полилактида PLA на растяжение. Однако испытание показало, что указанный пластик хорошо выдерживает напряжения сжатия и может быть успешно использован для изготовления штамповой оснастки для холодного формообразования тонкостенных заготовок.
3. Штамповка заготовок инструментом из полилактида PLA позволяет получать заготовки с высоким качеством поверхности и обеспечивает требуемые геометрические параметры изделия при условии учета пружинения заготовок после снятия деформирующей нагрузки. Выпуск партии из 200 заготовок позволил установить хорошую повторяемость линейных и угловых размеров в пределах ±0,1 мм и ±0,1°.
Список литературы
1. Бурдуковский В. Г. Технология листовой штамповки : учебное пособие / В. Г. Бурдуковский. Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2019. 224 с.
2. Юсипов З.И., Каплин Ю.И. Обработка металлов давлением и конструкции штампов. М.: Машиностроение, 1981. 272.
3. Семенов Е.И. Ковка и штамповка. Том 1. М.: Машиностроение, 1986. 568 с.
4. Бурлаков И.А., Логунов А.В. Разработка технологического процесса изготовления листовых деталей из труднодеформируемых материалов в изотермических условиях с использованием пластической среды. М.: 1993, 206 с.
5. Анучин М.А. Штамповка взрывом. Основы теории. М.: Машиностроение, 1972. 152 с.
6. Дубинин Н.П. Технология металлов и других конструкционных материалов. М.: Высш. школа,1969.
662 с.
7. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов. М.: Машиностроение, 2004, 635 с.
8. Экспериментальное определение и сравнительный анализ характеристик прочности полимеров PPH030GP, ABS и PLA при различных скоростях деформации / М. Ю. Залогин [и др.] // Наука и техника. 2019. Т. 18, № 3. С. 233-239.
9. Петров П.А., Сапрыкин Б.Ю. Журнал "Аддитивные технологии" № 3-2021.
10. Кулик В.И., Нилов А.С. Аддитивные технологии в производстве изделий авиационной и ракетно-космической техники. 2018, С. 22-23.
11. Петров П.А., Бурлаков И.А., Сапрыкин Б.Ю., Полшков П.А. Гибка труб с применением 3D-напечатанного инструмента. Аддитивные технологии в металлообработке. 2022, C. 32-34.
12. Gupta P and Lee J 1993 The Society of manufacturing Engineers Conference. P. 11-3.
13. Rosochowski A and Matuszak A 2000 J. of Materials Processing Technology 106 (1/3) P. 191- 8.
14. Du Z H, Chua C K, Chua Y S, Loh-Lee K G and Lim S T 2002 Int. J. of Advanced Manufacturing Technology 19(1) P. 411-7.
15. Cheah C M, Chua C K, Lee C W, Lim S T, Eu K H and Lin L T 2002 Advanced Manufacturing Technology 19(7) P. 510-5.
Куликов Алексей Дмитриевич, заместитель начальника цеха производственного комплекса «Салют» АО «ОДК», аспирант, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Бурлаков Игорь Андреевич, главный специалист УГТ производственного комплекса «Салют» АО «ОДК», д.т.н. профессор, [email protected]. Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Петров Павел Александрович, канд. техн. наук, доцент, petrov [email protected], Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Полшков Павел Анатольевич, начальник технологического бюро производственного комплекса «Салют» АО «ОДК», аспирант, [email protected], Россия, Москва, Московский политехнический университет
STAMPING OF THIN-WALLED BLANKS USING PLA POLYLACTIDE TOOLS A.D. Kulikov, I.A. Burlakov, P.A. Petrov, P.A. Polshkov
The results of a study of the possibility of using PLA polylactide tools for stamping thin-walled parts from the XN60VT nickel alloy are presented, and an analysis of the stress state obtained by modeling the process using the QForm 10.3.0 program (hereinafter referred to as QForm) is given. Taking into account the modeling results, a tool made of PLA polylactide was manufactured and tested, and recommendations for its use were given.
Keywords: Thin-walled blanks, XN60VT alloy, stamping, polylactide tools PLA, FFF/FDM, 3D-printing, QForm code, tool testing, additive technologies
Kulikov Alexey Dmitrievich, deputy head of the workshop of the Salyut production complex of UEC JSC, graduate student, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Burlakov Igor Andreevich, chief specialist of UGT of the Salyut production complex of UEC JSC, doctor of technical sciences. professor, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Petrov Pavel Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Polshkov Pavel Anatolyevich, head of the technological bureau of the Salyut production complex of UEC JSC, graduate student, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
