CC BY
25
Оригинальная статья / Original article УДК 621.98.043
http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2017-11-67-76
СПОСОБ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТА «ПОДСЕЧКА» В РАДИАЛЬНОМ НАПРАВЛЕНИИ НА ЛИСТОВОЙ ДЕТАЛИ
19 1 л
© Е.В. Ледовских1, Е.А. Мацуро2, И.В. Полынский3, А.В. Колесников4
Иркутский государственный технический университет, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Описаны разные варианты формообразования детали с подсечкой. На ряде моделирований классических схем формообразования показаны дефекты в ходе формообразования. Предложена схема формообразования с эластичным вкладышем. Данная схема позволяет получать подсечки на цилиндрической части детали без дефектов. МЕТОДЫ. В качестве метода исследования использовано математическое моделирование в программе имитационного моделирования технологических процессов листовой штамповки PAM-STAMP французской фирмы ESI Group. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Формообразование детали осуществляется за 3 перехода: 1 переход - формирование цилиндрической части на детали; 2 переход - формовка на вытяжку с применением эластичного вкладыша, срединная подсечка выполняется на половину глубины; 3 переход - формовка на вытяжку с применением эластичного вкладыша, получение подсечных элементов на детали окончательной формы. В ходе моделирования выявлено, что минимальная толщина находится в пределах 20% утонения, распределение деформаций после 3-го перехода не превышает 20%, что удовлетворяет нормам деформационной способности алюминиевых сплавов в холодном состоянии (деформация 13%). ВЫВОДЫ. Найден наиболее рациональный способ формообразования деталей с подсечками на цилиндрической части, позволяющий изменять напряженно-деформированное состояние и уйти от гофров и складок в процессе формообразования.
Ключевые слова: эластоформование, имитационное моделирование, развертка, гофры, FLD, эластичный вкладыш.
Формат цитирования: Ледовских Е.В., Мацуро Е.А., Полынский И.В., Колесников А.В. Способ формообразования элемента «подсечка» в радиальном направлении на листовой детали // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 11. С. 67-76. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-11-67-76
METHOD TO FORM AN UNDERCUTTING ELEMENT IN RADIAL DIRECTION ON A SHEET PART E.V. Ledovskikh, E.A. Matsuro, I.V. Polynski, A.V. Kolesnikov
National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russian Federation.
ABSTRACT. PURPOSE. Description is given to different shaping variants of a part with an undercutting. A number of simulations of classical shaping schemes are provided to show the defects arising in shaping. A scheme of shaping with an elastic liner is proposed. This scheme allows you to receive undercuttings on the cylindrical part of the workpiece without any defects. METHODS. Mathematical simulation in the program of simulation modeling of technological processes of sheet stamping PAM-STAMP of the French company ESI Group is used as a research method. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. Forming of the part is carried out in three runs: 1st run: the formation of the cylindrical part on a workpiece; 2nd run: molding for drawing with the use of an elastic liner, medial undercutting is performed at half depth; 3d run: molding for drawing with the use of an elastic liner, production of undercut elements on the part of the final shape. During the simulation, it has been revealed that the minimum thickness within 20% thinning and distribution of strains after the third run is not higher than 20% (which meets the norms of aluminum alloy deformation capacity in the cold
1
Ледовских Екатерина Владимировна, студент, e-mail: [email protected] Ekaterina V. Ledovskikh, Student, e-mail: [email protected]
2Мацуро Елена Александровна, специалист по связи с общественностью, профком, e-mail: [email protected] Elena A. Matsuro, Public relations specialist, trade union committee, e-mail: [email protected]
3Полынский Игорь Владимирович, аспирант, e-mail: [email protected] Igor V. Polynsky, Postgraduate student, e-mail: [email protected]
4Колесников Алексей Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры самолетостроения и эксплуатации авиационной техники, e-mail: [email protected]
Aleksei V. Kolesnikov, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Aircraft Building and Operation, e-mail: [email protected]
©
state,13% deformation). CONCLUSIONS. The most rational method of forming workpieces with undercuts on the cylindrical part is found. It allows to change the stressed-strained state and avoid corrugations and folds in shaping. Keywords: elastic forming, simulation modeling, involute, corrugations, FLD, elastic liner
For citation: Ledovskikh E.V., Matsuro E.A., Polynsky I.V., Kolesnikov A.V. Method to form an undercutting element in radial direction on a sheet part. Proceedings of Irkutsk State Technical university. 2017, vol. 21, no. 11, pp. 67-76. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-11-67-76
Введение
В заготовительно-штамповочном производстве одним из самых сложных элементов для формообразования детали является подсечка. Большую сложность при формообразовании вызывают боковые, концевые и серединные подсечки. Чаще всего они располагаются на прямых бортах для стыковки деталей друг с другом. Но существуют детали, в которых боковые и
концевые подсечки располагаются на криволинейной поверхности. Сложность изготовления такого рода детали начинает граничить с невозможностью их изготовления.
В данной статье предложена технология формообразования серединных и концевых подсечек на радиальной поверхности. В качестве примера выбрана деталь, содержащая необходимые элементы [1-6].
Моделирование вариантов формовки
Рассматриваемая деталь имеет габариты 412х152х142 мм и толщину 1 мм (рис. 1). Форма детали осложнена концевой и серединными подсечками, проходящими через всю деталь. Особую сложность представляет подсечка на цилиндрической поверхности. Материал детали - алюминиевый сплав 1163 Ам.
Для моделирования вариантов формовки необходимо использовать электронную модель точной заготовки, полученной с учетом свойств материала и де-
формации. Для расчета развертки применялся обратный решатель типа Inverse. В качестве основного способа формообразования детали выбран самый распространенный - эластоформование. При моделировании процесса эластоформования приняты следующие допущения:
- оснастка и все ее элементы (если не оговорено особо) являются абсолютно жесткими телами (то есть они не деформируются);
Рис. 1. Исследуемая деталь Fig. 1. Part under examination
- эластичные элементы представлены объемными элементами с гиперупругой моделью материала Mooney-Rivlin;
- модель материала заготовки не учитывает влияние скорости деформации на процесс (не заданы зависимости между скоростью деформации и напряжениями, скоростью деформации и деформацией);
- для описания поверхности текучести выбрана модель Hill 48;
- для описания пластической части кривой течения использована модель «Krupkowsky law»;
- для контактных взаимодействий во всех моделях использована модель трения Амонтона - Кулона;
- моделирование проведено без учета гравитационных сил (ускорение свободного падения равно 0).
Подсечки в радиальном направлении
Суть проблемы формообразования подсечек в радиальном направлении заключается в том, что формообразование происходит за счет сжимающих усилий или так называемой посадки. Однако на данной детали подсечка имеет значительные площади для посадки, и велика вероятность возникновения локальной потери устойчивости или гофры. Первое моделирование формообразования эластичной средой
наглядно показывает данный дефект: на первом переходе из развертки с двумя шпилечными отверстиями (ШО) получена цилиндрическая форма детали, а на втором - подсечки (табл. 1). На втором переходе формообразования получены складки в результате гофрообразования на цилиндрической поверхности из-за большой площади посадки (рис. 2).
Первый вариант формообразования _The first variant of shaping_
Таблица 1 Table 1
Номер перехода / Number of run
Содержание перехода / Content of the run
Объекты, использованные при моделировании процесса формообразования по переходам / Objects used in the simulation of the forming process _by runs_
Формирование цилиндрической части поверхности детали / Forming the cylindrical part of the workpiece surface
Формирование подсечных элементов на цилиндрической части / Forming of the undercut elements on the cylindrical part
1
2
Рис. 2. Результаты моделирования первого варианта Fig. 2. Results of first variant simulation
Логичным шагом в данной ситуации является уменьшение площади, на которой происходит посадка (табл. 2). То есть сначала нужно получить половину детали с подсечками, а затем другую часть. Но второе моделирование показывает, что площадь, на которую воздействуют сжимающие усилия эластичной среды, настолько велика, что гофры могут образовываться и приводить в результате к складкам.
Моделирование второго варианта
показало, что на первом переходе образуются гофры на цилиндрической части детали, в результате, как и в первом варианте, получаются складки (рис. 3).
Исходя из результатов моделирования по первым двум вариантам можно предположить, что формирование подсечки стоит производить в прямом виде, а затем пытаться придать детали цилиндрическую форму в нужных местах (табл. 3).
Второй вариант формообразования The second variant of shaping
Таблица 2 Table 2
ш
Рис. 3. Результаты моделирования второго варианта Fig. 3. Results of second variant simulation
Третий вариант формообразования _The third variant of shaping_
Таблица 3 Table 3
Номер перехода / Number of run
Содержание перехода / Content of the run
Формирование подсечек на плоской заготовке / Formation of undercuts on a flat blank
Объекты, использованные при моделировании процесса
формообразования по переходам / Objects used in the simulation of the forming process by runs
Формирование половины цилиндрической части / Forming the half of the cylindrical part
Формирование окончательной формы детали / Forming the final shape of the part
1
2
3
Однако моделирование показало, что на втором переходе ввиду разной жесткости по заготовке в результате предварительно отформованных подсечек в плоскости лист утратил способность деформироваться равномерно. Это привело к закручиванию заготовки на втором переходе, что могло повлечь за собой неустранимые дефекты (рис. 4).
Три предыдущих варианта формообразования показали, что классический подход к формообразованию подсечки на данной детали неэффективен. Исходя из этого был предложен вариант формообразования, при котором невозможно образование гофров. Основными критериями локальной потери устойчивости являются сжимающие усилия и уменьшение размеров за счет ухода материала в толщину. Предлагается получать подсечки за счет растяжения, что, по сути, устраняет сжимающие усилия и возможность образования гофров (табл. 4). Главное условие -
сначала получить внутреннюю цилиндрическую часть детали. Поскольку высота детали значительна и эластичная среда с большой вероятностью может не дойти до дна, предложено использовать эластичный вкладыш (промежуточный (второй) переход не на полную глубину подсечки добавлен для релаксации материала). В результате моделирования была получена деталь без визуальных дефектов (рис. 5).
Анализ распределения толщины показал, что разнотолщинность детали находится в пределах 20% утонения (рис. 6).
Диаграмма ограничения формуемо-сти не показывает зон, отвечающих за опасные деформации на втором и третьем переходах (рис. 7).
Распределение деформаций после третьего перехода (рис. 8) не превышает 20%, что удовлетворяет нормам деформационной способности алюминиевых сплавов в холодном состоянии (деформация 13%).
Рис. 4. Результаты моделирования третьего варианта Fig. 4. Results of third variant simulation
Четвертый вариант формообразования _The fourth variant of shaping_
Таблица 3 Table 4
Номер перехода / Number of run
Содержание перехода / Content of the run
Формирование цилиндрической части на детали / Formation of the cylindrical part on the blank
Объекты, использованные при моделировании процесса
формообразования по переходам / Objects used in the simulation of the shaping process by runs
Формовка на вытяжку с применением эластичного вкладыша, срединная подсечка выполняется на половину глубины / Molding for drawing using an elastic liner. Medial undercutting is performed to a half depth
Формовка на вытяжку с применением эластичного вкладыша - получение подсечных элементов на детали окончательной формы / Molding for drawing using an elastic liner - production of undercut elements on the part of the final shape
1
2
3
Рис. 5. Деталь, полученная по четвертому варианту Fig. 5. Part received according to the fourth variant
Thickness
1.081850
1.041579
1.001307
0.961035
0.920763
' 0.880491
0.840220
0.799948
Min = 0.799948 Max = 1.081850
/
Рис. 6. Распределение толщины Fig. 6. Thickness distribution
D (strain) -
ISSfT Module 'State 3/end : Prog. = 10.99 Strong wrinkling trend (в)
b
Рис. 7. Диаграмма ограничения формуемости: а - 2-й переход; b - 3-й переход Fig. 7. Formability constraint diagram: а - second transition; b - third transition
а
Plastic strain (m 0.130333
0.111714
0.093095
0.074476
0.055057
0.037238
0.018619
Max = 0.130333
У
ш^Ш
Рис. 8. Распределение деформаций Fig. S. Strain distribution
Заключение
В результате проведенных исследований был найден рациональный способ формообразования деталей с подсечками на цилиндрической части. Данный способ позволяет изменить напряжено-деформированное состояние и позволяет уйти от
гофров и складок в процессе формообразования. Использование данного способа позволяет расширить возможности при проектировании узлов и стыков деталей сложной формы.
Библиографический список
1. Shmakov A.K., Mironenko V., Kirishina K.K., Stani-slavchik A.S., Kotov V.V. Effect of the average velocity of the free part of the semifinished product on the process of pneumothermal forming in the superplastic regime // Metallurgist. 2013. Vol. 57. No. 1-2. Р. 8-12.
2. Осипов С.А., Мироненко В.В., Максименко Н.В., Котов В.В. Управление разнотолщинностью при пневмотермической формовке в режиме сверхпластичности // Металлург. 2013. № 2. С. 26-29.
3. Белых С.В., Кривенок А.А., Мироненко В.В., Ми-шагин В.А. Определение положения Пуансона в рабочем пространстве обтяжного пресса FET в процессе технологической подготовки производства // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2013. № 12 (83). С. 36-41.
4. Мироненко В.В., Колесников А.В., Максименко Н.В., Станиславчик А.С., Котов В.В. Пневмотерми-ческая формовка в режиме сверхпластичности риф-товых конструкций из листа // Металлург. 2013. № 9. С. 18-22.
5. Mironenko V.V., Polyakova O.E., Sechkarenko D.A. Аccounting for the Technological History of the Formation of a Part in Strength Calculations // Metallurgist. 2016. Vol. 59. No. 9-10. Р. 871-876.
6. Cheslavskaya A.A., Mironenko V.V., Kolesnikov A.V., Maksimenko N.V., Kotov V.V. Choosing an efficient method for forming parts by means of an engineering analysis performed with the use of a cae system // Metallurgist. 2015. Vol. 58. No. 11-12. Р. 1051-1059.
Reference
1. Shmakov A.K., Mironenko V., Kirishina K.K., Stani-slavchik A.S., Kotov V.V. Effect of the average velocity of the free part of the semifinished product on the process of pneu-mothermal forming in the superplastic regime. Metallurgist. 2013, vol. 57, no. 1-2, pp. 8-12.
2. Osipov S.A., Mironenko V.V., Maksimenko N.V.,
Kotov V.V. Management of thickness variation at pneumothermal forming in mode of superplasticity. Metallurg [Metallurgist]. 2013, no. 2, pp. 26-29. (in Russian)
3. Belykh S.V., Krivenok A.A., Mironenko V.V., Mishagin V.A. Stretch die position determination in
FET-type sheet stretch press working space during preproduction engineering. Vestnik Irkutskogo gosudar-stvennogo tekhnicheskogo universiteta [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2013, no. 12 (83), pp. 36-41. (in Russian)
4. Mironenko V.V., Kolesnikov A.V., Maksimenko N.V., Stanislavchik A.S., Kotov V.V. Pneumothermal forming in a mode of superplasticity of rift designs from a sheet. Metallurg [Metallurgist]. 2013, no. 9, pp. 18-22. (in Russian)
5. Mironenko V. V., Polyakova O.E., Sechkarenko D.A. Accounting for the technological history of the formation of a part in the strength calculations. Metallurgist. 2016, vol. 59, no. 9-10, pp. 871-876.
6. Cheslavskaya A.A., Mironenko V.V., Kolesnikov A.V., Maksimenko N.V., Kotov V.V. Choosing an efficient method for forming parts by means of an engineering analysis, performed with the use of a CAE system. Metallurgist. 2015, vol. 58, no. 11-12, pp. 1051-1059.
Критерии авторства
Ледовских Е.В., Мацуро Е.А., Полынский И.В., Колесников А.В. заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 31.10.2017 г.
Authorship criteria
Ledovskikh E.V., Matsuro E.A., Polynsky I.V., Kolesnikov A.V. declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
The article was received on 31 October 2017
