CC BY
13
Котов Дмитрий Игоревич, студент, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Пасынкова Надежда Станиславовна, студент, sulee@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
RESEARCH OF THE PROCESS OF BACK EXPRESSION OF BARS WITH A PUNCH WITH
BEVELED EDGES
D.I. Kotov, N.S. Pasynkova
The article presents the results of the analysis of changes in the values of stresses in a semi-finished product that arise during the extrusion process. The studies were carried out in relation to extrusion schemes with punches with different geometries of working edges. Key words: extrusion, matrix, punch, stress, modeling.
Kotov Dmitry Igorevich, student, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Pasynkova Nadezhda Stanislavovna, student, sulee@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.7.043
ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ, ФИЗИЧЕСКОЙ И ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ ЗАГОТОВКИ НА ПАРАМЕТРЫ ВЫТЯЖКИ
В.А. Демин, А.А. Рыжкова
Проведено моделирование процесса вытяжки, с целью определения влияния механической, физической и геометрической неоднородности заготовки на процесс вытяжки. Построена регрессионная модель процесса вытяжки, с учетом влияния колебания свойств заготовки на параметры вытяжки.
Ключевые слова: обработка металла давлением, листовая штамповка, вытяжка, моделирование.
В настоящее время при проектировании технологии штамповки деталей, полученных вытяжкой, пользуются справочной информацией по предельным коэффициентам вытяжки [1]. Данные коэффициенты, приведенные в справочниках, указаны с запасом, дабы гарантировать отсутствие дефектов, таких как трещины или локальные утонения [2]. Следовательно, деталь, которую можно было бы получить за один переход, изготавливают за два и более. А возрастание количества операций, в свою очередь, существенно увеличивает стоимость изготовления продукции. Помимо того, что при проектировании нужно учитывать размеры детали и характеристики материала, существенное влияние на процесс могут оказывать даже незначительные колебания данных характеристик [3]. К примеру, согласно исследованиям [4] разброс значений механических характеристик проволоки, для изготовления высоконагруженных пружин сжатия, не должен превышать 50Н/мм2. При таких условиях мы получим бездефектное производство: на 1 млн. пружин брак будет стремится к нулю. Однако, для отечественных сталей разброс временного сопротивления составляет около 70 Н/мм2, что приводит к отклонениям геометрических размеров пружины и нестабильности ее силовых параметров.
Также, например, изменение толщины металла в плоскости листа, вызванное неравномерным износом прокатных валков, может оказывать на процесс существенное влияние [5]. FLD диаграмма материала с уменьшением его толщины опускается вниз по оси 82, что снижает допустимое формоизменение.
Согласно ГОСТ и ISO характеристики материалов, а также условия их штамповки могут варьироваться в широком диапазоне. Так, например, для европейской стали DC03 предел прочности может изменяться в диапазоне от 270 до 370 МПа. Существенным недостатком при проектировании технологических процессов является то, что данные изменения не учитываются, а все расчеты ведутся по среднему значению, либо выполняются для характеристик, конкретного материала, не беря во внимание, что характеристики следующей партии этого же материала могут отличаться.
Считается [6], что разрушение наступает, когда os= Ов. Osmax можно проверить, определив силу штамповки. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать силу вытяжки, как основную характеристику процесса.
Практика показывает, что смазка также оказывает существенное влияние на процесс вытяжки. Так влиять может не только марка смазки, с различием в коэффициентах трения, но и ее количество, температура окружающей среды и скорость деформирования.
Поэтому чрезвычайно важно при проектировании процессов учитывать не конкретные значения, а именно диапазон их изменения в зависимости от неоднородности физических, механических и геометрических характеристик процесса.
Чтобы определить степень вытяжки, согласно В. Бекофену, не достаточно знать механические свойства металла. Поэтому необходимо определять степень вытяжки опытным путем для каждого отдельного случая. Для этого необходимо найти наибольший диаметр заготовки при котором не будет происходить разрушение. Однако экспериментальные испытания достаточно затратные, занимают большое количество времени и не всегда удобны. Поэтому предложено определять предельный коэффициент вытяжки путем моделирования в программном комплексе AutoForm.
В настоящей работе проводилось моделирование процесса вытяжки для европейских сталей из круглых заготовок со следующими номинальными размерами: d = 39мм - диаметр цилиндрического стаканчика; Яп=Ям = 5 мм - радиус матрицы и пуансона; s = 1 мм - толщина исходной заготовки; m = 0,125 - коэффициент трения.
Диаметр заготовки варьировался с шагом 1 мм. За критерий отсутствия разрушения было принято условие нахождения в зоне возможного разрушения менее двух процентов металла [7,8]. В результате чего были получены предельные коэффициенты вытяжки, которые приведены в табл. 1.
Таблица 1
Предельные коэффициенты вытяжки из круглых заготовок _ для европейских сталей__
Допустимый коэффициент вытяжки DC03 DC04 DC05
Круглая заготовка 0,5 0,51 0,49
Поэтому в качестве выходного параметра выступает сила вытяжки, а в качестве факторов, влияющих на исследуемый процесс, принимаем предел прочности материала, его толщину и коэффициент трения. Согласно БК 10130-2007 предел прочности для стали БС03 варьируется в пределах от 270 до 370 Мпа, толщина проката нормальной точности при толщине 1мм может отклоняться на 0,1мм. А коэффициент трения варьируем в диапазоне от 0,1 до 0,15.
В программном комплексе AutoForm, воспользуемся модулем Sigma, который позволяет задавать диапазон изменения для многих величин, и автоматически проводит моделирования (количество которых задается пользователем), в результате расчетов мы получаем FLD (рис.1), на которой цветом обозначен график для номинальных входных значений, а тенью - с учетом геометрической, механической и физической неоднородности процесса.
Однако главным недостатком такого метода учета неоднородности является то, что отсутствует возможность трассировать точки на теневом графике, поэтому нельзя точно сказать в каком месте произойдет разрушение заготовки и при каких значениях, а можно только в общем спрогнозировать наличие или отсутствие тех или иных дефектов при заданных диапазонах варьирования входных параметров процесса.
1
с
'га 0,8
ш ш
Е 0.6
о
-0.2
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6
__Minor True Strain
Area Ч-И^ЬП 16.79 % | 0.00% 36.13% 0.00% 0.00% D.DDli Limits 0.01 < 0.02 20.00 4a - 0.J0 О.ОЭ Dt
Рис. 1. FLD диаграмма для процесса вытяжки с учетом неоднородности процесса
Поэтому предлагается использовать методы планирования эксперимента, для построения уравнений регрессии с учетом колебания основных характеристик процесса [9, 10].
Для построения матрицы планирования эксперимента воспользуемся программным комплексом МаЛСас!, используя функцию Ьох\уПзоп (3) для трех факторов.
X ■= boxwilson(3) =
'Run" "Block" "А" "В" "С"
1 1 -1 -1 -1
2 1 -1 -1 1
3 1 -1 1 -1
4 1 -1 1 1
5 1 1 -1 -1
6 1 1 -1 1
7 1 1 1 -1
8 1 1 1 1
9 1 0 0 0
10 1 0 0 0
11 1 0 0 0
12 1 0 0 0
13 1 0 0 0
14 1 0 0 0
15 1 1.682 0 0
16 1 -1.682 0 0
17 1 0 1.682 0
18 1 0 -1.682 0
19 1 0 0 1.682
20 1 420 0 0 -1.682
Зададим вещественные значения и преобразуем кодовые значения матрицы планирования в вещественные:
/Ч" а3 а1 а5Г а2 ст4\ Го" 239.5 270 320 370 404.1\ Уа1Б := ( "5" 53 5ХГ 52 54 ] = ( "5" 0.832 0.9 1 1.1 1.168 ]. \>" м я 1ХЛ \1А) \>" 0.083 0.1 0.125 0.15 0.167/
Получаем матрицу планирования с вещественными значениями переменных факторов:
D := doelabel(X,Vals) =
V
'Run" "Block" Ч, [МПа]" "s, [мм]" >" '
1 1 270 0.9 0.1
2 1 270 0.9 0.15
3 1 270 1.1 0.1
4 1 270 1.1 0.15
5 1 370 0.9 0.1
6 1 370 0.9 0.15
7 1 370 1.1 0.1
8 1 370 1.1 0.15
9 1 320 1 0.125
10 1 320 1 0.125
11 1 320 1 0.125
12 1 320 1 0.125
13 1 320 1 0.125
14 1 320 1 0.125
15 1 404.1 1 0.125
16 1 235.9 1 0.125
17 1 320 1.168 0.125
18 1 320 0.832 0.125
19 1 320 1 0.167
20 1 320 1 0.083
Далее по матрице D проводим моделирование процесса, в программе AutoForm.
В результате моделирований получаем выходные данные в виде силы вытяжки (Р, кН). При этом в 6 из 20 моделирований деталь получила разрушение. Поэтому данные результаты были исключены при дальнейших расчетах.
РТ = (18.1 18.7 21.6 31.7 27.3 28.2 32.5 32.4 29 21.6 26.7 20.5 ... ... 21 24.5 31.6 17 29.5 21.6 24.6 23.9), (кН)
Как видно, из матрицы значений силы вытяжки, в результате колебания входных параметров в пределах допустимых, не абстрактных значений сила может колебаться в пределах 40% от номинального значения, и более того при некоторых соотношениях параметров допустимый коэффициент вытяжки также снижается.
По данным результатам формируем матрицу для дальнейшего получения регрессионной модели процесса.
polyfitc(X,Y, 2) =
"Term" "Coefficient" "Std Error" "95% CI Low" "95% CI High" "V IF" "T" "P"
'Intercept" 23.833 1.221 21.111 26.554 NaN 19.512 1.366 x 10"9
"А" 4.017 0.81 2.211 5.822 1 4.956 2.866 x 10"4
"В" 2.869 0.81 1.064 4.675 1 3.541 2.676 x 10"3
"С" 0.928 0.81 -0.877 2.734 1 1.145 0.139
"АВ" -0.888 1.059 -3.247 1.472 1 -0.838 0.789
"АС" -1.237 1.059 -3.597 1.122 1 -1.169 0.865
"ВС" 1.063 1.059 -1.297 3.422 1 1.003 0.17
"АА" 0.477 0.789 -1.281 2.235 1.018 0.605 0.279
"ВВ" 0.919 0.789 -0.839 2.677 1.018 1.165 0.136
"СС" 0.459 0.789 -1.298 2.217 1.018 0.582 0.287
С :=polyfic(X, Y, 2)<г> yield(A,B, С) := сг + с2 ■ А + с3- В + с4 ■ С + с5- А- В + с6- А- С + ••• ... + с7 ■ В ■ С + с8 ■ А2 + с9 ■ В2 + с10 ■ С2, 421
где
ст = ("Coefficient" 23.833 4.017 2.869 0.928 - 0.888 --1.237 1.063 0.477 0.919 0.459)
Анализ полученных результатов показывает, что коэффициентами при o-s, s-ц, сгв2 и ц2 можно пренебречь. В результате получим уравнение регрессии, которое будет иметь следующий вид:
P(p,s,ii) = 23,83 + 4,02crB + 2,875 + 0,93д - 1,2Аау. + 0,92s2.
Как видно, наибольшее влияние на процесс оказывает именно предел прочности металла. Так как данная механическая характеристика может колебаться для одной и той же марки металла, в зависимости от партии, в районе 15%, рекомендуется определять предельный коэффициент вытяжки для каждой партии металла в отдельности. Либо же закладывать данный диапазон в расчеты.
Выводы:
1. При проектировании технологических процессов листовой штамповки необходимо учитывать влияние механической, физической и геометрической неоднородности заготовки.
2. Изменение св, ц и s заготовки может привести к изменению силы штамповки на 40%, а также может привести к появлению нежелательных дефектов.
3. Соотношения o-s, s-ц, о2 и ц2 не оказывают существенного влияния на Gsmax с вероятностью в 95%.
Список литературы
1. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение. 1979. 520 с.
2. Демин В.А. Проектирование процессов толстолистовой штамповки на основе прогнозирования технологических отказов. М: Машиностроение, 2002. 86 с.
3. Демин В.А. Инновационные технологии производства заготовок обработкой давлением // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2014. № 8(38). С 3-5.
4. Лавриненко Ю.А. Изготовление высоконагруженных пружин сжатия. М.: Инновационное машиностроение, 2017. 224 с.
5. Демин В.А., Бадулин Д.Н. Влияние отклонения характеристик заготовок на результаты расчета процессов обработки давлением // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2015. №12(54). С. 41-44.
6. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки: учебное пособие для вузов. М.: Машиностроение, 1977. 278 с.
7. Демин В.А., Рыжкова A.A. Заготовительные производства в машиностроении, 2016. № 11. С. 30-34.
8. Demin V.A., Larin S.N., Riskin R.V., Rizkova A.A. CIS Iron and Steel Review, 2018. №16. P. 25-28.
9. Джонсон H., Лион Ф. Статистика и планирования эксперимента в технике и науке: методы обработки данных. М.: Мир, 1980. Том 1. 610 с.
10. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирования эксперимента в технике и науке: Методы планирования эксперимента. М.: Мир, 1981. Том 2. 520 с.
Демин Виктор Алексеевич, д-р техн. наук, профессор, va demin(a),bk. ги, Россия, Москва, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,
Рыжкова Александра Александровна, аспирант, alexandraryzhkova(a>yandex. ги, Россия, Москва, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
EFFECT OF MECHANICAL, PHYSICAL AND GEOMETRIC INHOMOGENEITY OF BLANK ON THE DEEP-DRA WING PARAMETERS
V.A. Demin, A.A. Ryzhkova
The simulation of the deep-drawing process was carried out in order to determine the effect of the mechanical, physical and geometric non-uniformity of the blank on the deep-drawing process. A regression model of the deep-drawing process was constructed, taking into account the influence of the variation in the properties of the blank on the deep-drawing parameters.
Key words: metal forming, sheet punching, deep-drawing, modeling.
Demin Viktor Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, va deminabk. ru, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University,
Ryzhkova Aleksandra Aleksandrovna, postgraduate, alexandraryzhkova@yandex. ru, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University
УДК 621.77; 621.7.043
ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛ НА ДЕФОРМИРУЮЩИХ ИНСТРУМЕНТАХ ПРИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ПРОШИВКЕ
М.К. Чистяков, С.Н. Михальченко
Выполнено исследование получения отверстий посредством изотермической прошивке отверстий в титановых тройниках. Установлено влияние степеней деформации на величины сил на деформирующих инструментах.
Ключевые слова: прошивка, сила, исследование, изотермическое деформирование.
В статье выполнена оценка влияния относительного диаметра рабочих пуансонов на силы изотермической прошивки. Прошивка является процессом создания отверстий в цилиндрических отростках. Схема прошивки которой изображена на рис. 1. Для расчетов привлекался программный комплекс DEFORM с использованием основных положений теории пластичности упругопластического, несжимаемого, упрочняющегося материала. Материал заготовки - титановый труднодеформируемый сплав ВТ6. Его
обработка ведется при температуре 900 °С, что обеспечивает специальные условия деформирования. Скорость перемещения деформирующих инструментов, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях - 3 мм/мин. Диаметр горизонтальных отростков Do = 40 мм. Диаметр вертикального отростка D1 = 40 мм. Диаметры пуансонов в горизонтальном направлении D2 = 28, 32, 35 мм; в вертикальном направлении D3 = 28, 32, 35 мм.
Выполнено моделирование данного процесса. Анализируя результаты моделирования, было установлено влияние величин степени деформаций ( d = D3 /D1) на силы на деформирующих элементах штамповой оснастки. На рис. 2-4 представлены результаты исследований в виде графических зависимостей.
