Трёхмерное моделирование процесса высадки головной части изделия из относительно высокой заготовки Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014

УДК 621.735.36:004.942 B. B. ^3HOB

Л. Ю. ЛУПЛНДИНЛ Н. O. CЛФOHOBЛ

Oмский государственный технический университет

ТРЁХМЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫСАДКИ ГОЛОВНОЙ ЧАСТИ ИЗДЕЛИЯ ИЗ ОТНОСИТЕЛЬНО ВЫСОКОЙ ЗАГОТОВКИ

Изложены результаты исследования процесса формообразования головной части на стержневой заготовке методом горячей объемной штамповки. Исследованы закономерности распределения напряжений и деформаций. Проведена оценка силовых характеристик процесса. Данные обработаны в программе Qform 5.1.

Ключевые слова: высадка, обработка давлением, головная часть, трехмерное моделирование, напряжения, деформация.

Для производства конкурентоспособной металлической продукции машиностроения одним из факторов повышения качества при снижении затрат является рациональное использование методов обработки давлением.

В ряде случаев применение процессов высадки утолщений на стержневых деталях позволяет существенно увеличить коэффициент использования металла и получить изделие с высокой точностью размеров. Известны методы горячей объемной штамповки и холодной объемной штамповки. Выбор способа деформирования и схемы приложения деформирующих усилий определяется конструкцией штампуемых (обрабатываемых) деталей и требованиями, предъявляемыми к их свойствам. При этом варианты технологических решений, принятые в реальных производственных условиях не всегда являются оптимальными и совершенствуются со временем.

В данной работе исследован процесс формообразования головной части стержневой заготовки, имеющей два утолщения (рис. 1). Деталь представляет собой стержень диаметром d=30 мм с двумя плоскими утолщениями (головные части). Толщина каждого плоского утолщения составляет B = 32-02 мм.

По существующей технологии окончательная форма головных частей детали формируется (холодной объемной штамповкой), последовательным плющением головных частей полуфабриката, показанного на рис. 2, с поворотом его на 90° вокруг оси стержневой части.

Полуфабрикат изготавливают токарной обработкой из прутка 055 мм. Материал детали — сталь 20 ГОСТ 1050-2000. Допускаемая предельная степень деформации при холодной осадке (плющение) для данного материала составляет 40 % [1, с. 112]. При холодном плющении утолщений наибольшая интегральная величина деформации не превышает значений: smax= (D — B)/D = 0,4 и удовлетворяет условию s < [s ], где [s ] — величина допускаемой от-

max 1 доп 1 ^ 1 доп-1 ^ j

носительной холодной деформации; [s ] = 0,45. Что является допустимым для заготовок из стали 20, полученной горячей прокаткой, без последующей термической обработки [1, с. 112]. Для оценки возможности получения шаровых утолщений близких по

форме к показанным на рис. 2 из прутка 030 проведено моделирование процесса высадки. Деформируемая часть стержня, равная по объему шаровому утолщению, характеризуется отношением высоты к диаметру l/d=92,46/30 =3,1. Эта величина превышает допустимое соотношение равное 2,5, при котором деформируемая часть стержня не теряет устойчивость. Заготовки с таким соотношением принято считать относительно высокими. Для l/d >2,5 используют схемы высадки, где часть деформируемого стержня защемляют. В начальной стадии деформируют не защемленный участок, у которого исходная высота удовлетворяет условию l/d d< 2,5. Схемы последующих переходов или стадий должны также отвечать этому условию. Хорошо зарекомендовала себя для горячей объемной штамповки схема выдавливания, используемая, например, в горизонтально-ковочных машинах, при высадке относительно высоких головных частей стержня (рис. 3) [2].

Если 1в не выступает за пределы матрицы, то диаметр утолщения D можно не ограничивать при условии, что высота утолщения Н будет равна или меньше 3d. Параметры полуфабриката (размеры утолщений) (рис. 2) удовлетворяют этим условиям, следовательно, может быть применена схема деформирования по рис. 3, до момента, когда высота деформируемой части станет равной высоте полости матрицы Н (рис. 3). Начиная с этого момента деформация протекает гарантированно без потери устойчивости и происходит заполнение заданной формы матрицы при совместном движении пуансона и верхней части матрицы. Это условно вторая стадия деформирования.

Для исследования кинематики течения металла и напряженно-деформированного состояния заготовки используем математическую модель на базе конечно-элементного подхода, что позволяет рассмотреть процесс высадки головной части в трехмерном пространстве. Моделирование заготовки и инструмента производим в программе Qform 5.1. Для упрощения расчета в качестве заготовки рассматриваем только осаживаемую часть прутка высотой 1в = 92,46, а процесс высадки разделим на два этапа. На первом этапе матрица является неподвижным формозадающим элементом, а пуансон от верхнего исходного

Рис. 1. Чертёж готового изделия

Рис. 2. Заготовка перед операцией плющения головных частей

Рис. 3. Схема высадки и ограничение величины Н при высадке прутка во внутренней цилиндрической полости:

1 — пуансон; 2 — полость матрицы; 3 — высаживаемый пруток

Рис. 4. Схемы исходных положений деформирования головной части стержня: а — первого этапа; б — второго этапа

б

а

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

Макс. І3.118

я

43

я

43

*

(Ь

Я

Я

Я<

1

Уровень максимальной МПа

положения (рис. 4а) начинает выдавливать защемлённую часть прутка из неподвижного инструмента с полостью диаметром 30 мм до момента, когда торец пуансона окажется в положении показанном на рис. 46. С этого момента моделирование деформации осуществляется по схеме с верхним подвижным инструментом (полуматрицей) до полного заполнения гравюры при крайнем рабочем положении подвижной полуматрицы. Расчетная схема процесса приведена на рис. 4а и рис. 46. Крайнее рабочее положение подвижного инструмента показано на рис. 5 и рис. 6.

По приведенной на рис. 5 диаграмме можно сказать, что минимальные (сжимающие) значения напряжений наблюдаются в центральных осевых зонах деформируемого объёма, а максимальные — в периферийных зонах, т. е. ближе к наружной поверхности в области наибольшего поперечного сечения. Следует отметить относительную равномерность распределения напряжений по всему объему, максимальное значение сжимающих напряжений в конечной стадии не превышает 70 МПа.

Из анализа диаграммы деформаций (рис. 6) можно сделать вывод, что в области наибольшего диаметра наблюдаются наибольшие значения деформаций, в осевых частях изделия деформации являются сжимающими, а в наружных слоях — растягивающими. Уровни и характер распределения напряжений и деформаций позволяют прогнозировать бездефектное (без риска разрушения заготовки) формообразование головной части стержня полуфабриката.

Закономерность изменения силы от перемещения представлена на рис. 7 (кривая 1). Кривая 2 показывает характер изменения силы при холодной объмной штамповке (плющении) плоуфабрикатов изображённых на рис. 2. Из сравнения кривых 1 и 2 видно, что сила открытой осадки (кривая 2) горячекатаной стали 20 не превышает 1,7 МН при напряжениях на контактной поверхности и 700 МПа и деформации, близкой к 40 % [3, с. 52, с. 74]; сила горячей высадки до деформации, равной 65 % (поперечное увеличение диаметральной площади), остаётся меньше этой величины и резко возрастает после закрытия полости с дальнейшим увеличением интенсивности роста усилия. На рис. 8 представлены графики силы и перемещения подвижного инструмента в зависмости от времени деформирования. Усилие растет монотонно и возрастает незначительно на отрезке времени до 0,1 с. Этот участок соответствует перемещению подвижного пуансона в 30 мм. Затем нагрузка резко возрастает. В месте, отмеченном символом « + », начинается формирование заусенца и происходит закрытие полости с дальнейшим увеличением интенсивности роста усилия. Этот момент соответствует суммарной логарифмической деформации порядка 0,6 — 0,7. Деформация небольшая, но при закрытии полости происходит резкое возрастание силы. Конструктивные и функциональные особенности данной детали позволяют предусмотреть в гравюре компен-сационые полости для снижения риска получения схемы закрытой штамповки с нежелательными последствиями (возрастание энергоёмкости, повышенный износ или поломка инструмента, травмоопас-ность). В частности, по наибольшему диаметру мож-

Ногрузко [МН]

Росстояние [нм]

2.5

го

1.5 1.0 0.5

/

Ч \ N

2 к

✓

/

/ / .

35

30

25

20

0 002 т 006 0.08 0,Ю 012 ОН 0.16

Время[с]

Рис. 8. Совмещённый по времени график деформирования высаживаемой части стержня:

1 — изменение силы в процессе высадки;

2 — перемещение торцовой поверхности пуансона от момента начала деформирования

но предусмотреть цилиндрический поясок высотой примерно до 30 мм. Полное оформление пояска на полуфабрикате не является обязательным, но роль демпфирующей полости он выполнит. Снижение усилия можно прогнозировать до значений, не превышающих 1МН. Основанием для подобных выводов могут служить замеры усилий при холодной осадке утолщений полуфабрикатов, где соотносительная по деформации величина изменения усилия представлена кривой 2 (экспериментальные замеры) на рис. 7.

Из результатов исследования можно сделать вывод, что для получения деталей заданной формы и размеров возможно применять метод горячей высадки и предложенные конструктивно-технологические решения для разработки штампового инструмента. Существенным положительным фактором для практического использования результатов исследований в ООО «Сибирский лифт» является также значительная экономия металла — до одного килограмма на одной детали.

Библиографический список

1. Ковка и штамповка: Справочник. В 4 т. Т. 3. Холодная объемная штамповка / Под ред. Г. А. Навроцкого, 1987. — 384 с.

2. Ковка и объемная штамповка стали : справ. В 2 т. Т. 2/ Под ред. М. В. Сторожева. — М. : Машиностроение, 1967. — 448 с.

3. Кроха, В. А. Кривые упрочнения металлов при холодной деформации / В. А. Кроха. — М. : Машиностроение, 1968. — 131 с.

ГРЯЗНОВ Владимир Васильевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Машиностроение и материаловедение».

ЛУПАНДИНА Анастасия Юрьевна, магистрант, группа ОДМ-612.

САФОНОВА Нелли Олеговна, магистрант, группа ОДМ-612.

Адрес для переписки: 644050, пр. Мира, 11, ОмГТУ, каф. «Машиностроение и материаловедение».

Статья поступила в редакцию 14.03.2014 г.

© В. В. Грязнов, А. Ю. Лупандина, Н. О. Сафонова

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ