CC BY
19
УДК 621.735
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ШЕСТИГРАННОЙ ГОЛОВКИ БОЛТА ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ
СТАЛИ ОБРЕЗКОЙ
О.С. Железков, Т.Ш. Галиахметов, С.Б. Лизов
Проведены эксперименты и выполнено конечно-элементное моделирование процесса формирования шестигранной головки болтов из нержавеющей стали обрезкой. Рассматривались одно- и двухсторонняя обрезка. Определены нормальные растягивающие напряжения и критерий разрушения Кокрофта-Латама в точках, расположенных вблизи зоны обрезки по высоте обрезаемой головки. Отмечены преимущества двухсторонней обрезки.
Ключевые слова: стержневые крепежные изделия, болты, нержавеющие стали, шестигранная головка, обрезка головки, метод конечных элементов, критерий разрушения.
Резьбовые стержневые крепежные изделия (болты, винты, шурупы и т.п.) [1,2] выполняются с головками, у которых для передачи крутящего момента, как правило, выполняются элементы в виде многогранников с четырьмя, шестью и двенадцатью гранями, либо шлицев (с прямым и крестообразным шлицем, шлицем типа «Тогх» и др.). Наиболее широко используются изделия с шестигранными головками, объем производства которых составляет порядка 25% от общего выпуска стержневых крепежных изделий.
Нержавеющие стали - это высоколегированные стали, образующие на своей поверхности пассивную пленку окислов, которая прерывает контакт металла с агрессивной средой [3]. Крепежные изделия из коррозион-ностойких сталей находят широкое применение в атомной энергетике, нефтяной и газовой промышленностях, авиа- и судостроении, медицинской технике, пищевой промышленности и других отраслях. Для изготовления крепежных изделий с высокой коррозионной стойкостью предпочтительно применение сталей аустенитного класса - хромоникелевых (Сг > 18%, N1 > 8%) и хромоникелемолибденовых (Сг > 18%, N1 > 10%, Мо > 2%) [4].
Стержневые крепежные изделия с многогранными головками изготавливаются обработкой резанием, горячей либо холодной штамповкой [58]. При изготовлении стержневых крепежных изделий с диаметром стержня до 22^24 мм наиболее эффективно применение технологий, включающих холодную объемную штамповка (ХОШ) с использованием высокопроизводительных многопозиционных кузнечно-прессовых автоматов (КПА). Такие технологии, как правило, включают высадку бочкообразной головки за один или два перехода и обрезку головки на многогранник.
В зависимости от конструктивного исполнения обрезного инструмента (пуансон и матрица) применяются процессы односторонней [6] и двухсторонней обрезки [9].
При односторонней обрезке применяется инструмент, содержащий соосно установленные в корпусах матрицу и пунсон. У матрицы выполнено центральное сквозное отверстие, диаметр которого чуть больше диаметра стержня обрезаемого болта, и гладкая торцевая рабочая плоскость. Пуансон имеет сквозное отверстие в виде усеченной пирамиды и торцевую рабочую поверхность в форме шестигранной усеченной пирамиды, причем меньшее основание пирамиды образовано плоскостью, перпендикулярой оси отверстия. На пересечении поверхности пирамидального отверстия и торцевой рабочей поверхности образуются режущие кромки, профиль которых соответствует профилю обрезаемой головки [6].
При холодной штамповке болтов с использованием КПА обрезка граней осуществляется за два этапа. На первом этапе односторонней обрезки пуансон внедряется в головку, а срезаемый металл зажимается между торцевыми поверхностями матрицы и пуансона, образуя облой. На втором этапе выталкиватель, воздействуя на торец стержня заготовки болта, проталкивает её через пуансон, отделяя облой от головки.
Недостатком односторонней обрезки является неравномерный износ инструмента и низкий срок службы пуансона. Это обусловлено тем, что пуансон обрезает практически всю головку по высоте и в процессе обрезки испытывает значительные осевые и радиальные усилия, в то время как матрица испытывает только сжимающие усилия на торцевой контактной поверхности. Частая замена пуансона приводит к затратам рабочего времени на замену и настройку инструмента. Кроме того, применение односторонней обрезки, зачастую, приводит к образованию заусенца на торцевой опорной поверхности головки изделия, что снижает качество изделий.
При двухсторонней обрезке [9] матрица имеет ступенчатое отверстие, один участок которого выполнен в виде цилиндрического отверстия под стержень обрезаемого болта, а другой - в виде шестигранной призмы. На пресечении шестигранного отверстия с рабочей торцевой поверхностью матрицы образуются режущие кромки, профиль которых соответствует профилю обрезаемой головки и профилю режущих кромок пуансона.
На первом этапе процесса двухсторонней обрезки металл срезается с двух сторон и зажимается между торцевыми поверхностями матрицы и пуансона, образуя облой, а на втором этапе при движении выталкивателя происходит отделение облоя от головки. Преимущества двухсторонней обрезки заключаются в снижении усилий на пуансон, что обеспечивает повышение его стойкости. Кроме того возникающий заусенец не выходит на опорную поверхность головки болта, а сглаживается боковыми гранями отверстия пуансона при проталкивании головки через пуансон, что обеспечивает повышение качества изделий.
255
С целью поиска эффективных схем и режимов процесса обрезки головки болта на шестигранник проводилась серия экспериментов по штамповке болтов М12 из нержавеющих сталей аустенитного класса 12Х18Н10Т и 10Х17Н13М2Т. Механические свойства сталей пред штамповкой представлены в табл.1.
Таблица 1
Механические свойства нержавеющих сталей
Марка стали d, мм Рв, кН Н/мм2 Р0,2, кН S0,2, Н/мм2 5, % У, %
I2XI8HI0T 11,98 64,0 570 27,6 240 55,6 77,5
I0XI7HI3M2T 12,22 69,5 590 32,2 270 46,6 73,0
По результатам испытаний на растяжение, используя методику Г.А. Смирнова-Аляева [10], строились кривые упрочнения вышеотмеченных сталей, для описания которых использовалась экспоненциальная зависимость:
S = (S )пред. - Св~е - Схе~Щ , (1)
где s¡ - напряжения, возникающие в процессе деформации металла; et -
степень деформации; (s¡)пред , С, C - постоянные коэффициенты, которые
определяются по построенным кривым упрочнения; N - показатель степени (для сталей N = 25).
Обработка результатов испытания и определение коэффициентов аппроксимирующего уравнения (1) осуществлялась с использованием программы «Matead». Полученные значения параметров кривых упрочнения представлены в табл.2.
Таблица 2
Значения параметров кривых упрочнения
Марка стали si пред., Н/мм2 С, Н/мм2 С1, Н/мм2 N
I2XI8HI0T 1596 845 191 25
I0XI7HI3M2T 1426 649 516 25
Полученные значения параметров кривых упрочнения использовались при конечно-элементном моделировании процессов обрезки.
По результатам экспериментов установлено, что качество обрезанных головок болтов, сформированных односторонней обрезкой, сравнительно низкое, из-за образования значительных заусенцев, сколов, выры-вов и рябизны (рис. 1).
Рис. 1. Фотография головки болта М12 из нержавеющей стали
I2XI8HI0T после односторонней обрезки на шестигранник
С целью поиска рациональных схем и режимов деформирования, обеспечивающих получение качественных головок, выполнено конечно-элементное моделирование процессов обрезки головок на шестигранник. При этом использовался программный комплекс «DEFORM-3D» [11], применение которого позволяет оценить влияние технологических факторов (реологические свойства металла, форма и размеры инструмента и заготовки, параметры очага деформации и др.) на напряженно-деформированное состояние. Полученные по результатам компьютерного моделирования поля распределения компонентов тензора напряжений
s х, s y, s z, 1 xy, Т yz, Т zx z и тензора деформаций £ x, e y, e z, gxy, gyz, gzx
интенсивности напряжений Sj и интенсивности деформаций £ по всему
объеме обрабатываемого металла позволяют оценить и проанализировать полученные данные и выбрать рациональные режимы деформирования.
При моделировании с использованием ПК «DEFORM-3D» приняты следующие допущения: рабочий инструмент рассматривался как абсолютно жесткое тело с постоянной температурой; исходный деформируемый материал считался однородным и изотропным; деформируемая среда уп-ругопластическая; температура заготовки постоянная; контактное трение задавалось по закону Кулона-Амантона. Коэффициент трения принимался постоян-ным по всей длине контактной поверхности. Геометрия инструмента и обрезаемой заготовки проектировались в системе «COMPAS» и затем импортировались в «DEFORM-3D».
С позиции негативного влияния на деформируемость наибольший интерес представляет распределение в объеме металла растягивающих напряжений. При локальном действии значительных растягивающих напряжений в деформируемом металле образуются зоны, в которых возможно образование микродефектов в виде трещин, пор, сколов, вырывов и т.п., что приводит к образованию брака.
По результатам моделирования с использованием ПК «DEFORM-3D» построены поля распределения растягивающих напряжений (рис. 2) при односторонней (а) и двухсторонней (б) обрезке головок на шестигран-
ник. При этом использовалась седующая система осей координат: ось г направлялась вверх, ось х - перпендикулярн плоскости разреза головки, а ось у - вправо. На рис.2 отмечены точки, расположенные вблизи зоны отрезки, в которых определялись нормального напряжения о у. Отсчет велся
от опорной поверхности головки.
а б
Рис. 2. Поля распределения нормального напряжения о у и точки,
в которых определялись напряжения: а - при односторонней обрезке;
б - при двухсторонней обрезке
По результатам выполненных расчетов построены графики (рис.3) изменения нормального напряжения о у по высоте головки при односторонней и двухсторонней обрезке. По оси абсцисс откладывалась относительная координата точек , где К - высота головки болта.
§ к
§ I
S
rC
s
rC
§
I £
а
б
/ V ■■ _
/ > \ \
f — \
_ 1
-— = / / \ ч J \
> i 2 0 4 0 7 (- 1 Л V
_ f
_ _ к. t
Относительная координата точек (z/К) Рис. 3. Изменение нормального напряжения sy по высоте головки:
а - при односторонней обрезке; б - при двухосторонней обрезке
Анализируя полученные результаты, следует отметить следующее. Максимальные растягивающие напряжения в точках, расположенных вблизи зоны отрезки, при односторонней обрезке головки на шестигранник в 1,45 раз больше, чем в соответствующих точках при двухсторонней обрезке.
Влияние напряженно-деформированного состояния на образование микродефектов в процессах холодной пластической деформации можно оценить, используя известный критерий разрушения Кокрофта-Латама (Cockcroft & Latham) [11], который определяется непосредственно в процессе расчета с использование ПК «DEFORM-3D».
Критерий разрушения Кокрофта-Латама
E. *
1 П
D = J dEi (2)
0 si
где ei - интенсивность деформаций по Мизесу; а* - максимальное главное растягивающее напряжение; Si - интенсивность напряжений по Мизесу.
По результатам моделирования процессов обрезки с использованием ПК «DEFORM-3D» определялись критерии разрушения Кокрофта-Латама в процессах формирования шестигранных головок болтов с использованием одно- и двухсторонней обрезки. На рис.4 представлены поля распределения критерия Кокрофта-Латама D при односторонней (а) и двухсторон-ней (б) обрезке.
Damage
а б
Рис. 4. Поля распределения критерия Кокрофта-Латама и точки, в которых определялся критерий Б: а - при односторонней обрезке;
б - при двухсторонней обрезке
Используя полученные данные, построены графики изменения критерия Кокрофта-Латама В по высоте головки по высоте головки при односторонней и двухсторонней обрезке (рис.5).
259
3
а
^е
а
¿и
Относительная координата точек (х/К)
Рис. 5. Изменение критерия Кокрофта-Латама Б по высоте головки: а - при односторонней обрезке; б - при односторонней обрезке
На основании анализа полученные результаты установлено, что критерии разрушения Кокрофта-Латама в точках, расположенных вблизи зоны отрезки, при односторонней обрезке головки на шестигранник в 1,12 раз больше, чем в соответствующих точках при двухсторонней обрезке.
Заключение
1. Проведено конечно-элементное моделирование процесса формирования шестигранной головки болтов из нержавеющей стали с использованием одно- и двухсторонней обрезки. Определены нормальные растягивающие напряжения и критерий разрушения Кокрофта-Латама в точках, расположенных вблизи зоны обрезки.
2. На основании анализа результатов компьютерного моделирования установлено:
- максимальные растягивающие напряжения в точках, расположенных вблизи зоны деформирования, при односторонней обрезке головки в 1,45 раз больше, чем в соответствующих точках при двухсторонней обрезке;
- критерии разрушения Кокрофта-Латама в точках, расположенных вблизи зоны отрезки, при односторонней обрезке в 1,12 раз больше, чем в соответствующих точках при двухсторонней обрезке.
Вышеотмеченные результаты свидетельствуют о том, что применение двухсторонней обрезки вместо односторонней снижает вероятность образования брака в виде трещин, пор, сколов, вырывов и т.п.
260
Список литературы
1. Петриков В.Г., Власов А.П. Прогрессивные крепежные изделия. М.: Машиностроение, 1991. 256 с.
2. Крепежные изделия для современного машиностроения / И.А. Воробьев, С.В. Овчинников, Г.В. Бунатян, Т.Ш. Галиахметов и др. // Нижний Новгород: МПК-сервис, 2016. 520 с.
3. Ульянин Е.А. Коррозионностойкие стали и сплавы. М.: Металлургия, 1980. 208 с.
4. Лысенков А.И. Особенности нержавеющих сталей и их влияние на качество крепежа // Крепеж, клеи, инструмент. 2015. № 2. С. 33-38.
5. Мокринский В.И. Производство болтов холодной объемной штамповкой. М.: Металлургия, 1978. 72 с.
6. Васильев С.П. Производство крепежных изделий. М.: Металлургия, 1981. 104 с.
7. Мокринский В.И., Железков О. С. Новые прогрессивные виды и технологические процессы изготовления крепежных изделий / Сер. Метизное производство. М.: Ин-т Черметинформация, 1990. Вып. 2. 22 с.
8. Железков О.С., Морозов Н.П., Семашко В.В. Малоотходные технологии изготовления крепежных изделий с головками / Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: сб. науч. тр. Магнитогорск. Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та. им. Г.И. Носова. 2011. С. 135 - 139.
9. А.с. 274632 СССР, МКИ В21 К 1/50. Неподвижная матрица обрезного автомата / В.И. Литвишков, И.В. Степанов, И.Н. Васильченко и др. // Опубл. 24.06.1970. Бюл. № 21.
10. Смирнов-Аляев Г. А. Сопротивление материалов пластическому деформированию. Л.: Машиностроение. 1977. 368 с.
11. DEFORM-3D Version 6.0 User's Manual // [M].Columbia, Ohio: Scientific Forming Technologies Corporation, 2006.
12. Cockcroft M.G., Latham D.J. A Simple Criterion of Fracture for Ductile Metals // National Eng. Laboratory Report 240, 1966. See also "Ductility and Workability of Metals", Journal of the Institute of Metals. V. 96. 1968. 33 p.
Железков Олег Сергеевич, д-р техн. наук, проф., ferumoff(@,mail.ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Галиахметов Тимур Шамилевич, директор по техническому развитию, t.galiachmetov'a,beIzan.ru, Россия, Башкортостан, Белебей, АО «Белебеевский завод «Автонормал ь »»
Лизов Салимжан Бурамбаевич, студент, salimzhan. 1996@mail. ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова
MODELING OF PROCESS OF FORMATION HEX HEAD BOLT STAINLESS
STEEL TRIM
O.S. Zhelezkov, T.Sh. Galiakhmetov, S.B. Lizov
The experiments and the finite element simulation of the process of the formation of the hex head bolts stainless steel trim. Considered one - and two-sided trimming. Determined by normal tensile stresses and the failure criterion Cockroft-Latham at points located near the area trimming for height of the cropped head. Advantages double-sided trimming.
Key words: rod fasteners, bolts, stainless steel, hex head, trim head, finite element method, failure criteria.
Zhelezkov Oleg Sergeevich, doctor of technical science, professor, feru-moff@ mail.ru, Russia, Magnitogorsk, Nosov Magnitogorsk State University,
Galiakhmetov Timur Shamilevich, director for technical development, t.galiachmetov'a,belzan. ru, Russia, Bashkortostan, Belebey, Belebeevsky P^nt Avtonormal,
Lizov Salimzhan Burambaevich, student, salimzhan. 1996@mail. ru, Russia, Magnitogorsk, Nosov Magnitogorsk State University
УДК 621.7.043
ИССЛЕДОВАНИЕ СВЯЗИ МЕЖДУ ПРЕДЕЛЬНЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ВЫТЯЖКИ И ГРУППОЙ ШТАМПУЕМОСТИ СТАЛИ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ШТАМПОВКИ
В. А. Демин
Рассмотрена связь между группой штампуемости сталидля холодной штамповки, определяемой при помощи испытаний листового материала по Эриксену, и предельным коэффициентом вытяжки. С использованием программного комплекса АШо-FormAplusR5.1. проведено моделирование вытяжки колпачка и формовки.
Ключевые слова: вытяжка, формовка, испытания листового металла.
При проектировании технологических процессов вытяжки цилиндрических и коробчатых деталей, основным параметром, определяющим технологический процесс штамповки является коэффициент вытяжки:
К=ОМ,
где d, О - диаметры детали и заготовки, соответственно.
В настоящее время наибольшее распространение получили таблицы предельных коэффициентов вытяжки, приведенные , например, в работах [1,2]. Предельный коэффициент вытяжки дается в зависимости от относительной толщины заготовки (100s/0), где s - толщина заготовки. Однако в работе [1] указано, что предельные коэффициенты вытяжки получены
262
