CC BY
1
УДК 621.7.04
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-9-715-716
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ МАТЕРИАЛА ПРИ ГОФРИРОВАНИИ ТРУБЧАТОЙ
ЗАГОТОВКИ
С.С. Яковлев, А.А. Шишкина
Работа раскрывает актуальную проблему прогнозирования дефектов при обработке металлов давлением с помощью современных методов компьютерного моделирования. Проведено комплексное исследование процесса гофрирования трубчатых заготовок из стали 10 на основе моделирования в программном комплексе QForm. Особое внимание уделено анализу повреждаемости материала с использованием критерия Колмогорова при различных геометрических параметрах заготовки и конечного изделия с продольными гофрами. Приведены модели получаемого изделия, распределения повреждаемости по гофрированным трубчатым деталям и максимальные значения исследуемого параметра. Сделаны выводы о распределении и максимальных значениях анализируемого параметра. Все полученные значения находятся в допустимых пределах, что свидетельствует о низкой вероятности разрушения материала в процессе штамповки.
Ключевые слова: продольное гофрирование, разрушение, амплитуда, обработка металлов давлением, трубчатое изделие, компьютерное моделирование, повреждаемость.
Процессы обработки металлов давлением, как и другие машиностроительные технологии, сопряжены с риском возникновения различных дефектов и разрушений материала. При штамповке материал подвергается сложным деформациям, которые могут привести к появлению микродефектов, трещин и разрушению [1-4]. Традиционные методы проектирования технологических процессов, основанные на опыте и экспериментальных данных, не всегда позволяют предсказать поведение материала и риск разрушения.
Традиционные методы для оценки технологических процессов при штамповке являются трудоемкими, дорогостоящими и зачастую не позволяют получить достаточно полную информацию о процессах, происходящих в материале. В этом отношении компьютерное моделирование демонстрирует значительные преимущества, позволяя не только прогнозировать повреждаемость материала, но и оптимизировать параметры технологического процесса для ее минимизации.
Современные программные пакеты для моделирования процессов обработки металлов давлением, такие как QForm и другие [5-9], позволяют построить точные и детальные виртуальные модели процесса штамповки, например, сложного процесса гофрирования трубчатых заготовок. В этих моделях могут быть рассмотрены такие физические эффекты, как накопление повреждений, образование трещин, локализация деформаций, изменение микроструктуры и другие.
В данной работе рассматривается получение гофрированных изделий (рис. 1) с помощью операции обжима трубчатой заготовки с внутренним диаметром 100 мм, толщина стенки изменялась от 1 мм до 3 мм с шагом 1 мм, количество гофр составляло 20 шт., амплитуда из также менялась от 2 мм до 6 мм.
Рис. 1. Модель изделия с гофрами: а - общий вид, б - вид сверху
Для исследования использовался программный комплекс QForm, в котором реализован критерий Колмогорова [10] для оценки повреждаемости материала. В данном случае в качестве материала использовалась сталь 10, механические характеристики которой были взяты из встроенной библиотеки QForm.
Были получены распределения повреждаемости материала по критерию Колмогорова, которые приведены на рисунке 2, для гофрирования на заготовках толщиной 1, 2, 3 мм при амплитуде 2 мм.
Известия ТулГУ. Технические науки. 2024. Вып. 9
в
Рис. 2. Распределение повреждаемости материала по изделиям с толщиной стенки трубчатой заготовки:
а -1 мм, б - 2 мм, в - 3 мм
Повреждаемость материала имеет характерные продольные очаги, согласно полученным изображениям, так на внутренней поверхности изделия повреждаемость наименьшая на выступе гофры, и наибольшая на впадине, аналогично и для внешней поверхности. Что связано с наименьшими деформациями в данных зонах, то есть областях выступов гофр.
Далее были получены максимальные значения повреждаемости для всех рассматриваемых толщин заготовок и амплитуд гофр. Полученные данные занесены в таблицу.
Максимальная повреждаемость материала при гофрировании
Параметры Толщина стенки, мм
1 2 3
Амплитуда гофр, 2 0,091 0,095 0,100
мм 4 0,160 0,171 0,173
6 0,270 0,300 0,330
При анализе повреждаемости было установлено, что с увеличением толщины стенки заготовки происходит рост повреждаемости, также, как и при увеличении амплитуды гофр. При амплитуде 2 мм и 4 мм увеличение повреждаемости с увеличением толщины стенки с 1 мм до 3 мм составляет 10%, при амплитуде 3 мм - более 20%. В
среднем при увеличении амплитуды с 2 мм до 6 мм увеличение повреждаемости для каждой из толщин составляет 300%. Однако стоит отметить, что повреждаемость ниже 0,7 является допустимой для всех изделий, а повреждаемость ниже 0,25 является допустимой для изделий ответственного назначения. Поэтому проведенный анализ показал крайне низкую вероятность разрушения материала.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-29-20156, https://rscf.ru/project/24-29-20156/, и Правительства Тульской области.
Список литературы
1. Яковлев С.С. Оценка повреждаемости материала при рифлении // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 12. С. 571-573.
2. Пасынков А.А., Яковлев С.С., Гасанов А.И. Исследование повреждаемости и полей Гартфилда в стальном полуфабрикате при рифлении внутренней поверхности // Черные металлы. 2022. № 10. С. 83-86.
3. Алексеев А. В. Исследование горячей объемной штамповки детали со сложным профилем поперечного сечения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 4. С. 438-441.
4. Яковлев С. С., Травин В. Ю., Пасынков А. А. Силовые режимы операции изотермической вытяжки анизотропного материала на радиальной матрице в режиме ползучести // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 6-1. С. 224-237. EDN SIMVNW.
5. Биба Н.В., Лишний А.И., Стебунов С.А. Эффективность применения моделирования для разработки технологии штамповки // Кузнечно-штамповочное производство. 2001. №5. С. 39-44.
6. Норри Д. Введение в метод конечных элементов / Д. Норри. М.: Книга по Требованию, 2012. 155 c.
7. QForm. Моделирование процессов обработки металлов давлением [Электронный ресурс]: сайт. URL: https://qform3d.ru/ (дата обращения: 21.05.2024).
8. Даутов Р.З., Карчевский М.М. Введение в теорию метода конечных элементов. Учебное пособие. Казань: Казанский государственный университет им. В.И. Ульянова-Ленина, 2004. 239 с.
9. QForm 2D/3D Программа для моделирования процессов обработки металлов давлением. Версия V8. Начало работы. Часть 1. Начало работы. «КванторФорм», 2016. 112 с.
10. Колмогоров В.Л. Напряжения, деформации, разрушение // М.: Металлургия, 1970. 229 с.
Яковлев Сергей Сергеевич, ассистент, yakovlev-ss-science@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Шишкина Анастасия Андреевна, аспирант, shishkina5ap@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет.
STUDY OF DAMAGEABILITY OF MATERIAL DURING CORRUGATING OF TUBULAR BLANKET
S.S. Yakovlev, A.A. Shishkina
The work reveals the actual problem of predicting defects in metal forming using modern methods of computer modeling. A comprehensive study of the corrugation process of tubular blanks made of grade 10 steel was conducted based on modeling in the QForm software package. Particular attention is paid to the analysis of material damage using the Kol-mogorov criterion for various geometric parameters of the blank and the final product with longitudinal corrugations. Models of the resulting product, damage distributions for corrugated tubular parts and maximum values of the studied parameter are given. Conclusions are made about the distribution and maximum values of the analyzed parameter. All obtained values are within acceptable limits, which indicates a low probability of material failure during stamping.
Keywords: longitudinal corrugation, failure, amplitude, metal forming, tubular product, computer modeling,
damage.
Yakovlev Sergey Sergeevich, assistant, [email protected], Tula, Russia, Tula State University,
Shishkina Anastasia Andreevna, graduate student, shishkina5ap@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University.
