CC BY
26
УДК 539.3
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ НАСТРОЙКИ ИНСТРУМЕНТА НА ОПТИМИЗАЦИЮ ВЫТЯЖКИ ДЕТАЛЕЙ АВТОМОБИЛЬНОГО
ПРОИЗВОДСТВА
А.А. Шмидт
Проведены исследование штамповки детали автомобильного производства и оптимизация геометрии на основе математического метода и учёта влияния настройки инструмента на процесс деформации. Показано, что изгиб и разрушение возникают вследствие доминирования значительной деформации, которой подвергается высокопрочная сталь (AHSS). Подробно изучено плоское и сдвиговое деформирование с использованием вариационного анализа и выполнены эксперименты, а также проведено исследование математической модели на основе статистического анализа. Экспериментальная проверка показала хорошее соответствие полученных теоретических и практических результатов, включая проведенные другими авторами, что подтверждает значимость и возможность использования полученных результатов для оптимизации промышленных производственных процессов с применением высокопрочных сталей.
Ключевые слова: деформация высокопрочныхсталей; типы деформаций; геометрическая оптимизация
Общие сведения. Настройка инструмента при пластической деформации крупногабаритных деталей из высокопрочной стали оказывает значительное влияние на качество получаемой продукции. При этом наиболее характерными являются износ матрицы и пуансона, отклонения вследствие неравномерности деформации заготовки. Анализ пластического деформирования деталей из стали при различной настройке инструмента может быть осуществлен с помощью деформации при различном угле между пуансоном и вертикальной осью деформируемой детали, которая в результате происходит неравномерно.
Штамповка детали осуществляется из высокопрочной низколегированной стали, вследствие чего процесс обычно затруднен [1] из-за возникновения разрушений в различных регионах из-за несоответствия углов деформаций пуансона и оси детали. Детали автомобильного производства требуют высокого качества поверхности и повышенных требований к форме, а также точности размеров и минимизации возможных задиров, царапин, возникновения волнистостей и разрывов, и других поверхностных и внутренних дефектов.
Цели и объем исследований. Целью исследования является поиск оптимальной технологии деформации деталей, условий контакта между пуансоном, матрицей, поверхностью детали и идентификацией поверхностей, на которых происходит наиболее интенсивная деформация и возникают максимальные напряжения.
В предыдущих работах [2] было указано, что условиями улучшения процесса является оптимизация условий деформирования, что ведет к уменьшению процента брака, где исследователи устанавливали влияние профиля заготовки и распределение напряжений. Однако по настоящее время существуют возможности оптимизации указанных процессов. Также исследования в основном фокусируются на процессах деформации металлов без учета возможностей оптимизации формы и размеров исходной заготовки.
Моделирование вытяжки средней стойки легкового автомобиля. Были проведены эксперименты с целью установления зависимостей между параметрами процесса и конечной формой детали и возможностью процесса штамповкидетали средней стоки автомобиля [3] (рис. 1). Эксперименты поставлены при входных и выходных данных:
- входные данные: температура, угол между заготовкой и инструментом;
- готовая деталь: средняя стойка (Ь-рШаг) кузова легкового автомобиля;
- выходные данные: параметры нагрузки и деформации, анализ угла наклона;
- инструмент: пуансон, матрица, прижим, вспомогательные элементы.
Общие характеристики процесса и геометрия исходной заготовки: 1300x900 мм, t = 1.5 мм, высота вытяжки h=250 мм, величина прижима равна 15 кН.
а б в
Рис. 1. Моделируемая деталь: а - общий вид; б - нижняя часть;
в - верхняя часть
Характеристики металла, использованного для вытяжки, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры материала
Параметр Значение
Тип металла Высокопрочная сталь АН58
590 МПа
Был проведен анализ влияния угла наклона между инструментом и деталью на результаты моделирования при наклоне а = 0°, а = 1° и а = 2°. Направление разрушения преимущественно в двух основных направлениях изучалось с помощью диаграммы предельного формования при постоянстве объема в соответствии формулой
^ ~~ — (^-тауог ^ттог) 0)
и критерия Мора - Кулона [4] согласно формуле
т = о + с, (2)
где т - величина касательных напряжений; а - нормальные напряжения; ф - угол наклона кривой прочности; с - коэффициент сцепления.
Общие характеристики моделирования. Качественное описание процесса деформации, связанное с этапами возникновения пластических деформаций, и состояние заготовки могут быть описаны в виде динамических и квазистационарных деформаций согласно процессам описанным в [5]. Моделирование осуществляется на основе математической модели детали (рис. 2). Разработанный специально для моделирования инструмент выполнен для исследования и получения результатов на основе промышленного пресса [6] в условиях производства «Дженерал Моторс» (г. Вар-рен, США).
Рис. 2. Геометрическая модель детали средней стойки
Стадии протекания процесса деформации. Выполнялся анализ эволюции контактных напряжений в области радиусов скругления матрицы с использованием МКЭ в процессе деформации в различных характер-
158
ных точках заготовки. Локализация деформаций наблюдалась вследствие наличия фланцев. Начальные этапы деформаций (рис. 3, а, б) характеризуются динамическим изменением формы заготовки.
а б в
Рис. 3. Этапы моделирования
Последний этап деформации характеризуется условиями квазистатического протекания процесса (рис. 3, в). После этого процесса производятся все необходимые измерения.
В процессе штамповки из-за наличия трения происходит износ инструмента, который ведет к неравномерности процесса штамповки и отклонениям в готовой детали. С использованием конечно-элементного моделирования предполагалось, что величина трения постоянна во всех точках контакта между пуансоном, матрицей и деформируемой заготовкой.
Корреляция между полученными результатами МКЭ. МКЭ является основой валидации и анализа контактных напряжений в характерных точках. Значения плоской и сдвиговой деформации вычислялись и анализировались согласно [4]. Оба механизма сравнивались путем анализа деформаций (рис. 4, а, б). Установлено, что при повышении коэффициента трения улучшаются условия деформирования как в случае плоской, так и сдвиговой деформационных зон.
На основании полученных результатов была установлена связь между различными типами деформационного процесса и использованным типом элемента. Были исследованы два типа элементов: квадратный и треугольный (рис. 5). На основе полученных результатов видно, что с применением трехмерной сетки напряжения имеют более распределенную структуру и лучше отражают сущность происходящих процессов.
я
го
а
0 -©■
а»
ст го
1 8 с:
а»
х 6
10 20 30
Шаг деформации
40
50
а
го X
о.
ш
а"
г
5 5 а
0
-е- . ы 4 сс к го
1 3 л з
с;
<и
X 6
сдвиговая деформация
■ - 0.15
♦— 0.05
ь
-0.1
10 20 30
Шаг деформации
40
50
б
Рис. 4. Величина деформаций в различных зонах заготовки: а - плоская деформация; б - сдвиговая деформация
Корреляция с шагом сетки. Исследовался эффект соотношения исходной сетки разбиения детали и произведенного моделирования [7]. Анализировались соотношения 1/2,1/8,1/16 на сетке (рис. 6). На основе полученных результатов видно, что при соотношении сетки деформация наиболее точно представляет сущность происходящих процессов и пред-
160
-СРЕ4 -СРЕЗ
О 10 20, 30 40 50 Шаг деформации
почтительно использование именно такое разбиение, так как при одинаковых исходных параметрах процесса напряжения, изображенные во всех зонах деформаций максимальны.
Тип
элем Вытяжка Изгиб Диаграмма напряжений
СРЕ4
СРЕЗ
Тип
элем.
1/2
1/8
1/16
Рис. 6. Влияние отношения размеров элемента и его размеров на процесс деформирования: х - шаг деформирования; у - напряжения в критической области заготовки
Значимость настройки инструмента. Проведено моделирование для вытяжки с использованием МКЭ для исследования значимости угла наклона детали и инструмента (рис. 7) при величинах угла 0, 1 и 2°. Полу-
10,, 20 А30 40 50 Шаг деформации
150
5 100 - —•—1/2 Т
0) X X 50 =:. ы
ш X го С о
а
го X 0 10.,, 20 30 40 50 Шаг деформации
Изгиб:
Рис. 5. Влияние типа элемента: х - шаг деформирования; у - напряжения в критической области заготовки
Вытяжка
Изгиб Диаграмма напряжений
Вытяжка:
ченные результаты показали хорошую корреляцию между измерениями напряжений и параметрами штамповки в вертикальных областях и хорошо согласуются с результатами, полученными другими авторами [8]. Также согласованы соотношения между полученным контактным напряжением, отношениями изгибов и пружинения.
а б в
Рис. 7. Зависимость между углом наклона пуансона и возникающей деформацией в готовой детали средней стойки: а - без отклонения;
б - угол 1°; в - угол 2°
Трение на поверхности контакта в основном значимо на части проходящей изгиб, где особо важно прохождение среднего этапа деформирования. Вследствие этого важно прохождение деформирования нижней частью заготовки, а менее важным является деформация верхней части радиусов скругления.
Представленные методы могут быть реализованы в системах компьютерного моделирования и проектирования процессов для пластического формоизменения высокопрочного металла и достижения более высокого качества получаемых изделий.
Список литературы
1. The Deformation Properties of High Strength Steel Sheets / E. Evin, M. Tomás, J. Kmec, S. Németha, B. Katalinic and E. Wesselyd // Procedía Engineering, 2014. Vol. 69. P. 758-767.
2. Pal Singh C., Agnihotri G. Study of Deep Drawing Process Parameters: A Review // International Journal of Scientific and Research Publications. February 2015. Vol. 5. No. 2.
3. Schmidt A.A. Numerical Prediction And Sequential Process Optimization In Sheet Forming Based On Genetic Algorithm // Materials and Manufacturing Processes. 2011. Vol. 26. P. 521-526.
4. Li Y., Wierzbicki3Tomasz. Prediction of plane strain fracture of AHSS sheets with post-initiation softening // International Journal of Solids and Structures. 2010. Vol. 47. P. 2316 - 2327.
5. Вовченко А.В. Совершенствование гранично-элементных расчетов процессов объемной штамповки: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Ростов на Дону, 2000. 28 с.
6. Индустриальный гидравлический пресс Komatsy - H1F 150 [Электронный ресурс] URL: http://autoline-eu.ru
7. Bhargava M., Tewari A., Mishra K. S. Forming limit diagram of Advanced High Strength Steels (AHSS) based // Materials and Design 2015. Vol. 85. P. 149 - 155.
8. Coubrough G.J. M.J.A.CJ.V.T. Angle of contact between sheet and die during stretch-bend deformation as determined on the bending-under-tension friction test system // Journal of Materials Processing Technology. 2002.
Шмидт Александр Александрович, асп., me@,alexschmidt.net, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет
EFFECT OF TOOL SETUP ON OPTIMIZATION FOR AHSS STAMPING PROCESS FOR
A UTOMOTIVE PART
A.A. Shmidt
Investigated stamping of the part with geometry optimization based on the engineering mathematical method and effect of tool setup on the process. Necking and fracture appears to be the dominating effects of extensive deformations which AHSS steel undergoes during the stamping process. In this study friction in flat and slant deformation is further investigated by demonstrating the usage of analysis to conduct experiments and performed the research based on the mathematical model built using statistical analysis. Experimental validation showed good agreement between theoretical and practical results, including with the results reported by other authors and can be used to optimize drawing processes in the industrial applications of AHSS.
Key words: high-strength steel stamping;plastic deformation; geometric optimization
Shmidt Aleksandr Aleksandrovich, postgraduate, me@,alexschmidt.net, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University
