CC BY
31
УДК621.98.044.7:621.757.002
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДЕФОРМИРУЕМОЙ ИМПУЛЬСНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ЗАГОТОВКИ С ОСНАСТКОЙ. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
© 2016 В.А. Глущенков1, И.А. Беляева2
1 Самарский научный центр РАН 2 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва
Статья поступила в редакцию 12.07.2016
В статье описаны методика и результаты компьютерного моделирования процессов магнитно-импульсного деформирования трубчатой заготовки на всех его этапах, включая взаимодействие (соударение) с оснасткой и последующую разгрузку. Показана возможность образования неразъемного соединения. Намечены пути дальнейшего совершенствования предложенной методики. Ключевые слова: компьютерное моделирование, импульсно-магнитная деформация, неразъемное соединение, специальные технологии, космическая, металлургической промышленность, нефтедобыча и переработка, взаимодействие с оправкой.
I. ПОСТАНОВКА ВОПРОСА
В работах [1, 2] рассмотрено компьютерное моделирование процессов свободного магнит -но-импульсного деформирования трубчатых заготовок по технологическим схемам «на обжим» и «на раздачу». В них приведены изменение во времени напряжённо-деформированного состояния материала деформируемой заготовки; кинематика процесса, изменение геометрических размеров и других параметров при различных начальных и граничных условиях.
Однако практически все технологические процессы магнитно-импульсной обработки материалов (МИОМ) [3] заканчиваются взаимодействием заготовки с оснасткой (матрицей или оправкой). Взаимодействие сопровождается их соударением с достаточно большими скоростями. При этом напряженно-деформированное состояние материала заготовки на конечном этапе свободного деформирования будет являться начальным при взаимодействии с оснасткой.
Процесс же взаимодействия (соударения) заготовки с оснасткой, в конечном счёте, определяет точность готовой детали при штамповке или прочность соединения при выполнении сборочной операции, уровень остаточных напряжений в деталях и другие характеристики качества готовой продукции [4, 5].
Вот почему необходимы анализ процесса соударения заготовки с оснасткой со вскрытием возникающих при этом явлений, разработка на
Глущенков Владимир Александрович, кандидат технических наук, начальник отдела металлофизики и авиационных материалов, профессор кафедры обработки металлов давлением Самарского университета. E-mail: vgl@ssau.ru
Беляева Ирина Александровна, старший научный сотрудник
его основе рекомендаций по научно-обоснован-ному управлению этим процессом.
Данная статья посвящена разработке методики и компьютерному моделированию «сквозного» процесса динамического деформирования цилиндрической заготовки: от свободного формоизменения до взаимодействия с оснасткой и последующей разгрузки, выявлению механизма и последствий этого процесса, определяющего качество готовой продукции.
II. РАСЧЁТНАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЗАГОТОВКИ С ОСНАСТКОЙ
На рис. 1 приведены технологические схемы магнитно-импульсной «раздачи» и «обжима» трубы (исходное положение). Под действием импульсного магнитного поля (ИМП) на первом временном этапе происходит свободное деформирование трубы в зазоре «Д» между заготовкой и оснасткой (матрицей или оправкой).
Заключительный этап сопровождается их взаимодействием - соударение заготовки с оснасткой. Скорость соударения определяется величинами давления ИМП «Р» и исходного зазора «Д».
Расчётные модели процессов раздачи и обжима даны на рис. 2. Характеристики расчётной конечно-элементной модели: средний размер элементов модели 0,5 мм; тип - объемный прямоугольный элемент (Н1Х8).
Граничные условия. Оснастка принимается абсолютно жёсткой (блокирование перемещений по всем координатам), а для заготовки вводилось ограничение только на продольное перемещение (рис. 3).
Физический объект. Для моделирования был выбран фрагмент тонкостенной трубы диаметром 50 мм, толщиной стенки 1,0 мм и шириной 1 = 6 мм из алюминиевого сплава АМгбМ. Поверх-
а б
Рис. 1. Технологические схемы деформирования трубчатых заготовок под действием ИМП:
а - на раздачу, б - на обжим
заготовка
матрица
а б
Рис. 2. Расчетные модели для анализа процессов свободного деформирования труб и их взаимодействия с оснасткой при: а - обжиме; б - раздаче
Закрепление
оснастки х,у,г
внутреннее давление
внешнее давление
Рис. 3. Граничные условия, используемые при моделировании процесса взаимодействия заготовки с оснасткой
ность взаимодействия - гладкий цилиндр. Исходный зазор D = 0,5 мм, как для схемы «раздача», так и для схемы «обжима». Свойства материала трубы: E = 126642 МПа, v = 350 МПа, v02 =210-230 МПа, m = 0,34, 2,65 г/см3. Аппроксимация кривой упрочнения принималась линейной (рис. 4).
Характер импульсной нагрузки, соответствующий первому полупериоду затухающей синусоиды тока разрядной цепи, приведен на рис. 5. Амплитуда давление P в расчётах принималось равной 10,20 и 50 МПа.
Расчётная среда. Для компьютерного моделирования выбраны расчётная среда MC.MARC (динамика, нелинейный расчёт) и MSC.NASTRAN (модельный анализ, линейная статика).
III. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ
При моделировании процессов магнитно-импульсного обжима и раздачи варьировали величиной давлений «Р». При этом оценивались возникающие в заготовке напряжения и деформации на всём временном интервале, включая свободное деформирование, взаимодействие с оснасткой и разгрузку. Особое внимание уделялось определению конечных размеров заготовки, а в случае образования неразъемного соединения - определению величины остаточных контактных напряжений. Используя закон трения - закон Кулона Т = IMTfr-, уровень контактных напряжений позволил найти касательные усилия вы-прессовки заготовки из матрицы или с оправки.
На рис. 6 в качестве примера приведен график перемещения заготовки в процессе обжима, а на рис. 7 - на раздачу на всём временном интервале деформирования.
Из приведенных рисунков видно конечное положение заготовки относительно оправки или матрицы, то есть можно наблюдать как наличие зазора, так и образование неразъемного соединения.
Результаты численного эксперимента сведены в табл. 1.
Площадь контактной поверхности при этом: при обжатии 712,5 мм2, при раздаче 892,2 мм2, коэффициент трения f = 0,22.
IV. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Как видно из таблицы, для процесса « обжима» влияние исходного давления, а, следовательно, и скорости соударения заготовки с оправкой на величину контактных напряжений не однозначно. В диапазоне исходных давлений 10-20 МПа усилие выпрессовки возрастает, а при Р = 50 МПа снижается, что можно объяснить возрастанием амплитуды колебательного характера заготовки после соударения с оправкой.
Более благоприятные деформационные условия возникают при взаимодействии заготовки с матрицей.
Приведённые результаты получены при допущениях, не вполне отражающих физику магнитно-импульсного деформирования, и могут рассматриваться как промежуточные. Например, не учтены последствия действия термических напряжений от наведённых в заготовке токов, изменения схемы напряжённо-деформированного состояния материала при снятии ограничений с осевых перемещений заготовки, податливости матрицы.
Однако проведенные исследования позволили оценить н.д.с. материала заготовки на всем временном интервале, включая соуда-
-AMgE
0. .002 .001 .006 .008 Strain, mm
Рис. 4. Аппроксимация кривой упрочнения для сплава АМгбМ
| impuls
12 -I---
0 000066 .000133 000200
Time, sec
Рис. 5. Нормированный график нагрузки от электромагнитного импульса
Рис. 6. Характер перемещения заготовки на всем временном интервале обжатия цилиндрической заготовки на оправку при Р = 50 МПа
О
а то
с <и Е <и
О
.¿180
.¿100
.320
.240
.160
.080
0.
Свободное деформирование
Взаимодействие с матрицей И--►
W
Разгрузка
о.
35.00
70.00
140.0
175.0
210.0
105.0 Increment
Рис. 7. Характер перемещения заготовки на всем временном интервале раздачи при P = 50 МПа
рение, обратив особое внимание на развитие контактных напряжений, сделать первый шаг в совершенствовании методики компьютерного моделирования контактных задач.
ВЫВОДЫ
1. Создана методика компьютерного моделирования процессов магнитно-импульсной «раздачи» и «обжима» цилиндрической заготовки
на всех этапах деформирования: от свободного деформирования до взаимодействия с оснасткой и последующей разгрузки.
2. Методика опробована на конкретном примере деформирования трубчатых образцов диаметром 50 х 1,0 х 6 мм из алюминиевого сплава АМГ6М как в матрицу, так и на оправку.
3. Получены кривые перемещения, напряжённо-деформированного состояния материала заготовки в зависимости от исходного давления.
Таблица 1. Величины контактных усилий и усилий выпрессовки при различных значениях давления
Давление Нормальное Усилие выпрессовки при
P (контактное)усилие коэффициенте трения f=0,22
Обжатие
1 10 МПа 12619,58 H 2271,52 H
2 20 МПа 109446,7 H 24078,27 H
3 50 МПа 599,9 H 132,0 H
Раздача
5 10 МПа 35992,7 H 10406,9 H
7 50 МПа 88962,8 H 19571,8 H
4. Конечные их значения показали возможность оценки точности готовых деталей, образования неразъемных соединений.
5. Намечены пути дальнейшего совершенствования методики компьютерного моделирования подобных задач в направлении снятия ограничений по перемещению заготовки и оснастки (изменение граничных условий).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Глущенков В.А., БеляеваИ.А. Раздача труб импульсным магнитным полем. Результаты компьютерного моделирования // Известия Самарского научного центра РАН. 2015. Т.17. № 6 (3). С. 657-665.
2. Глущенков В.А., Беляева И.А. Моделирование про-
цесса магнитно-импульсного обжима цилиндрических образцов // Известия Самарского научного центра РАН. 2015. Т. 17. № 2. С. 113-118.
3. Глущенков В.А., Карпухин В.Ф. Технология магнит -но-импульсной обработки материалов: монография. Самара: Издательский дом «Федоров», 2014. 208 с.
4. Беляева И.А., Глущенков В.А. Качество соединения панелей полученного методом комбинированной фланцовки // Известия Самарского научного центра РАН. 2014. № 6. С. 312-315.
5. Pabst C., Groche P. The Influence of Thermal and Mechanical Effects on the Bond Formation During Impact Welding // HIGH SPEED FORMING 2016. Proceedings OF THE 7tn INTERNATIONAL CONFERENCE. April 27-28, 2016. Dortmund, Germany. Pp. 309-321.
INTERACTION OF THE CYLINDRICAL WORKPIECE, BEING DEFORMED BY THE PULSED MAGNETIC FIELD, WITH THE MANDREL.
COMPUTER SIMULATION
© 2016 V.A. Glushchenkov1, I.A. Belyaeva2
1 Samara Scientific Center of the RAS 2 Samara National Research University named after Academician S.P. Korolyov
The procedure and results of computer simulation of processes of pulse-magnetic deforming a tubular billet at all its stages including the interaction (collision) with the mandrel and subsequent unloading have been outlined in the paper. The possibility of formation of a non-detachable joint has been shown. Ways to further improvement of the proposed procedure have been directed.
Keywords: computer simulation, pulse-magnetic deforming, non-detachable joint, special technologies of space, metallurgical and oil purpose, interaction mandrel.
Vladimir Glushchenkov, Candidate of Technical Sciences, Head of the Metal-Physics Department, Professor at the Plastic Working of Metals Department at the Samara University. E-mail: vgl@ssau.ru Irina Belyaeva, Senior Research Fellow.
