CC BY
25
Key words: digital production, optical 3D-scanning, photogrammetry, deviation map of geometric dimensions, machine vision, material forming.
Petrov Mikhail Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, petroff-ma@gmail. com, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Eldib Ibrahim Saad Ahmed, postgraduate, ibrahim. eldeeb@f-eng. tanta. edu. eg, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
УДК 621.984
ВЛИЯНИЕ ПРИЖИМА НА ФОРМИРОВАНИЕ ГЕОМЕТРИИ
ДЕТАЛИ ПРИ ВЫТЯЖКЕ
П.В. Романов, А.В. Шивцова
Показаны основные аспекты целесообразности применения прижима при реализации операции вытяжка. Приведена методика расчета величины давления прижима, показано влияние прижима на силовые характеристики, уровень деформаций и напряжений, а также вероятность появления дефекта в виде обрыва дна полуфабриката.
Ключевые слова: вытяжка, прижим, напряжения, деформации, заготовка,
сила.
Формирование геометрии изделий, получаемых с применением операции вытяжки, обусловлено следующими параметрами: коэффициентом вытяжки, механическими свойствами штампуемого материала, геометрическим параметрами изготовляемой детали, относительной толщиной заготовки, условиями формообразования (температура инструмента и заготовки, трение на матрице и пуансоне), точностью и качеством поверхности заготовки, конструкцией и точностью штампа, износом пуансона и матрицы и технологическим процессом изготовления детали [1, 2].
Формоизменение при вытяжке без прижима ограничивается двумя явлениями: при относительно малой толщине заготовки - потерей устойчивости ее краевой области от воздействия сжимающих напряжений Oq и образованием здесь волн (гофров); при относительно большой толщине -локализацией деформации и разрывом металла в области контакта полуфабриката с тороидальной поверхностью пуансона [3].
Образование складок вызывается напряженно-деформированным состоянием металла, приводящим при определенных геометрических соотношениях к потере устойчивости заготовки (рис. 1).
Прижим заготовки (рис. 2) применяют для того, чтобы предотвратить образование складок на стенках детали или на фланце. Необходимость применения прижима можно определить из соотношения: если (D - d) > (18...22)S', то необходим прижим (условие Л.А. Шофмана) [4]. Кроме того, возможное складкообразование на 1-м переходе определяется отношением толщины стенки к диаметру заготовки:
479
£
при —100 < 1,5 - прижим необходим, если т < 0,6;
£
при — -100 > 2,0 - без прижима, если т > 0,5.
£
при — -100 = 1,5...2 возможны оба случая в зависимости от радиуса
матрицы и пуансона, от смазки, чем они больше, тем больше возможность складкообразования. Здесь Б - диаметр плоской заготовки в мм; ё - диаметр вытягиваемого полуфабриката в мм; Б — толщина материала в мм.
Рис. 1. Образование складок при вытяжке без прижима
1
1 - пуансон; 2 - прижим; 3 - заготовка; 4 - матрица
Давление прижима должно быть оптимальным, так как повышенное давление увеличивает усилие вытяжки, что приводит к отрыву дна или фланца детали, а пониженное давление вызывает образование складок [5]:
Q = Fq, (1)
где F = 0,25p[D2 - (d + S + 2гм )2];
q = 10-4 ов (Кв -1,2)D / S. (2)
Удельную силу прижима q можно посчитать по формуле Е. Зибеля (E. Siebel, Germany)
д = 0,0025
' ^+1Л V Кп ,
2
+ 0,01
^0
ав. (3)
Рассмотрим влияние основных факторов на поле напряжений для наиболее общего случая - первого перехода вытяжки с прижимом.
Как видно из схемы (рис. 2), на заготовку в процессе деформирования воздействуют со стороны пуансона тянущая сила, создающая меридиональные растягивающие напряжения, усилие прижима Q, прижимающее фланец к плоскости матрицы, силы трения, приложенные к нижней и верхней плоскостям фланца, и силы трения, действующие на внутренней поверхности при ее скольжении по кромке матрицы. Кроме того, в местах резкого изменения кривизны срединной поверхности (изгиб при входе элементов на скругленную кромку матрицы и спрямление при сходе элементов со скругленной кромки матрицы) на процесс деформирования значительное влияние оказывают изгибающие моменты.
В том случае, когда плоскости прижима и матрицы, по которым скользит заготовка, параллельны, можно считать, что вследствие более интенсивного утолщения краевой части заготовки усилие прижима не будет равномерно распределяться по всей плоскости фланца, а его действие будет сосредоточено по некоторому кольцевому участку, граничащему с краем заготовки. Отсюда следует, что при вытяжке с прижимом на основную часть фланца не действуют нормальные напряжения, вызываемые усилием прижима.
Вследствие более интенсивного утолщения краевой части заготовки силы трения, вызванные действием прижима, будут сосредоточены у краевой части фланца. Это обстоятельство позволяет приближенно учесть влияние сил трения во фланце в граничных условиях.
Рассмотрим влияние прижима на формирование геометрии детали, выполненной из стали 30ХГСА. По результатам исследований (рис. 3) наличие или отсутствие прижима не сильно влияет на силу процесса вытяжки (так разница в силах с жестким неподвижным прижимом и без него составляет не более 5 %). Наибольшее влияние прижим оказывает на формирование геометрии изделия при коэффициентах вытяжки близких к критическим. На рис. 3 представлены схемы влияния прижима на формирование стенки детали при разных коэффициентах вытяжки.
Данные схемы позволяют выявить влияние прижима на формирование готового изделия с обозначением деформаций. Видно, что при коэффициенте вытяжки 0,45 как с прижимом, так и без возникают дефекты. В случае вытяжки без прижима эти дефекты проявляются в отрыве дна и формировании складок. При данном коэффициенте вытяжки с прижимом наблюдается отрыв дна. При коэффициенте вытяжки 0,45 как с прижимом, так и без него, дефектов не возникает, но наблюдаются разные деформации. Без прижима деформации больше на 25 %, что хоть и не вызывает
481
брака, но при определенных условиях может его вызывать (без прижима деформации составляют 0,59, с прижимом 0,72).В результате можно сделать вывод, что использование прижима предпочтительно.
а
в
■
0.70 0.65 0.Е0
Мэм:. 0.72 Ми п. 0.07
б
Рис. 3. Влияние прижима на формирование стенки детали: а - т^ = 0,45 без прижима; б - т^ = 0,55 без прижима; в - т^ = 0,55 с прижимом
На рис. 4 приведены схемы к оценке деформаций на разных этапах процесса вытяжки для заданной геометрии детали в зависимости от значения относительного перемещения пуансона И = Н / Нтах.
Из данных рисунков видно, что максимальные деформации в детали возникают в тот момент, когда заготовка уже имеет практически сформированную вертикальную стенку, но ее фланец еще не дошел до рабочей кромки матрицы, т.е. практически в конечный момент деформации - в момент окончательного формирования детали. Уровень деформаций достигает в этот момент величины 0,75, что является допустимым. Максимальные деформации при которых происходит разрыв - 1. Максимальные деформа-
482
ции в этот момент сосредоточены в месте перехода вертикальной стенки во фланец. В момент окончания операции деформации не меняются и их максимальные величины находятся в верхней части вертикальной стенки детали.
д
Рис. 4. Изменение геометрии заготовки в процессе деформирования при т^ = 0,55:
а - И = 0,2; б - И = 0,4; в - И = 0,6; г - И = 0,8; д - И = 1
483
В итоге можно сделать выводы о том, что при данных параметрах технологического процесса возможно получение заданной геометрии детали без дефектов.
На основе проведенных исследований было установлено, что отрыв дна заготовки наиболее вероятен при коэффициентах вытяжки, меньших чем 0,48. Анализ представленных схем позволил сделать выводы о том, что при коэффициенте вытяжки 0,45 формирование утонения стенки в месте перехода в дно и его отрыв начинает формироваться в тот момент, когда заготовка, двигаемая пуансоном уже представляет из себя конус и приближается к нижней скругленной кромки матрицы. При дальнейшем движении пуансона с заготовкой наблюдается все большее утонение и дальнейший разрыв материала. Деталь в этот момент не сформирована. Она представляет собой усеченный конус. Отрыв происходит на стадии, когда радиусы скругления инструментов находятся на одной линии.
Проведенные исследования показали, что максимальные напряжения в детали возникают в тот момент, когда плоская геометрия верхнего торца заготовки начинает переходить в цилиндрическую форму. Напряжения составляют в этот момент 640 МПа. В случае возникновения разрыва материала при коэффициенте вытяжки 0,45 напряжения составляют уже величину 1500 МПа. Максимальные напряжения наблюдаются в месте перехода стенки в дно. В момент окончания операции, уровень напряжений не меняется.
Обобщая результаты проведенных исследований, была построена зависимость изменения средних напряжений в очаге деформации в процессе вытяжки, представленная на рис. 5.
и. МПа
тА =0 145 х
т 1с} =0,55
О 0,2 0,4 а,Ь [),й
Рис. 5. Зависимость изменения напряжений в очаге деформаций
в процессе вытяжки
Из представленной схемы видно, что напряжений для коэффициента вытяжки 0,55 растут до величины относительного хода 0,8 до величины 650 МПа. Затем они не меняются. Деформации для коэффициента вытяжки 0,45 растут до величины относительного хода 0,6, принимая значение 1400, затем происходит разрушение заготовки.
484
Выводы
1. Давление прижима должно быть оптимальным, так как повышенное давление увеличивает усилие вытяжки, что приводит к отрыву дна или фланца детали, а пониженное давление вызывает образование складок.
2. По результатам исследований (рис. 3) наличие или отсутствие прижима не сильно влияет на силу процесса вытяжки (так разница в силах с жестким неподвижным прижимом и без него составляет не более 5 %). Наибольшее влияние прижим оказывает на формирование геометрии изделия при коэффициентах вытяжки близких к критическим.
3. Максимальные напряжения в детали возникают в тот момент, когда плоская геометрия верхнего торца заготовки начинает переходить в цилиндрическую форму. Напряжения составляют в этот момент 640 МПа. В случае возникновения разрыва материала при коэффициенте вытяжки 0,45 напряжения составляют уже величину 1500 МПа. Максимальные напряжения наблюдаются в месте перехода стенки в дно.
Список литературы
1. Ковка и штамповка: справочник: в 4 т. Листовая штамповка / под общ. ред. С.С. Яковлева; ред. совет: Е.И. Семенов (пред.) и др. 2-е изд., пе-рераб. и доп. М.: Машиностроение, 2010. Т. 4. 732 с.
2. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение, 1979. 520 с.
3. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1971. 424 с.
4. Шофман Л. А. Теория и расчеты процессов холодной штамповки. М.: Машиностроение, 1964. 375 с.
5. Аверкиев Ю.А., Аверкиев А.Ю. Технология холодной штамповки: учебник для вузов. М.: Машиностроение, 1989. 304 с.
Романов Павел Витальевич, студент, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Шивцова Анна Вячеславовна, студентка, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE INFLUENCE OF CLAMPING ON THE FORMATION OF THE GEOMETRY
OF THE PART DURING DRA WING
P. V. Romanov, A. V. Shivtsova
The article shows the main aspects of the appropriateness of the use of the clamp in the implementation of the operation hood. The calculation of the pressure clamp, the influence of pressure on strength characteristics, the level of strain and stress, as well as the probability of occurrence of a defect in the form of an open bottom semi-fabricate.
Key words: drawing, clamping, stress, deformation, workpiece, force.
485
Romanov Pavel Vitalyevich, student, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Shivtsova Anna Vyacheslavovna, student, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.984
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПЕРАЦИИ ВЫТЯЖКИ ДЕТАЛЕЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ
А.В. Шивцова
Представлены отдельные результаты моделирования процесса вытяжки детали цилиндрической формы, выполненной из стали 30ХГСА. Приведена оценка силовых параметров процесса, даны рекомендации по разработке технологии изготовления цилиндрических деталей операцией вытяжки.
Ключевые слова: вытяжка, сила, упрочнение, заготовка, сталь, инструмент.
Процессом вытяжки осуществляют получение полых пространственных деталей из плоских листовых заготовок. Различают первый переход вытяжки, превращающий плоскую заготовку в пространственную деталь или полуфабрикат, и последующие переходы, в которых происходит дальнейшее формоизменение полого полуфабриката. При вытяжке возможное формоизменение заготовки, как правило, ограничивается ее разрушением в том месте, где действуют наибольшие по величине растягивающие напряжения ар тах. Как правило, разрушение происходит на этапе
совмещения радиуса скругления пуансона с матрицей [1].
Рассмотрим первую операцию вытяжки детали цилиндрической формы из круглой плоской заготовки. Для теоретического исследования операции вытяжки оптимально использование конечно-элементного метода. В связи с этим для моделирования операции был выбран программный комплекс QFORM у7. Предполагалось, что деформирование осуществляется на кривошипном прессе. Под эти условия была выбрана специальная модель поведения материала заготовки. Его кривая упрочнения представлена на рис. 2. Условием окончания расчета является достижение необходимой формы изделия или полуфабриката.
В качестве материала заготовки принималась легированная конструкционная сталь 30ХГСА ГОСТ 4543-71 [3] с химическим составом, показанным на рис. 1., и механическими свойствами, приведенными в табл.1.
Изначально сталь 30ХГСА была широко востребована в авиационной промышленности, но благодаря отличным характеристикам быстро перешла в разряд популярных материалов в машиностроении. Наличие хрома придает стали 30ХГСА прочность и делает ее сопротивляемой
486
