CC BY
68
УДК 621.983; 539.374
МОДЕЛИРОВАНИЕ СОВМЕЩЕНИЯ ОПЕРАЦИЙ ОБЖИМА, ОБЖИМА С УТОНЕНИЕМ И ВЫДАВЛИВАНИЯ ТОЛСТОСТЕННЫХ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК
О.Н. Митин, Г.А. Нуждин, К.Х. Нгуен
В работе на базе метода конечных элементов выполнено компьютерное моделирование совмещения операций обжима с утонением и выдавливания толстостенных трубных заготовок на основе программного комплекса (РОЯМ 2Б-3В V. 7. Основная задача при использовании такого метода состоит в приведении результатов теоретических исследований силовых режимов при совмещении операций обжима, обжима с утонением и выдавливания толстостенных трубных заготовок. Установлены закономерности влияния технологических параметров на силовые режимы совмещения операций обжима с утонением и выдавливания толстостенных трубных заготовок.
Ключевые слова: моделирование, совмещение операций, обжим с утонением, выдавливания, матрица, пуансон, сила, коэффициент обжима, коэффициент утонения, степень деформаций.
Совмещение несколько операций в одном штампе позволяет сократить трудоемкость штамповки и длительность технологического цикла, уменьшить количество штампов и число единиц оборудования, а также сократить транспортировку полуфабрикатов от пресса к прессу и упростить цеховое планирование. Кроме того, совмещение операций способствует повышению точности изготовления деталей и облегчает решение задачи механизации и автоматизации процессов штамповки, что, в свою очередь, дает возможность повысить производительность, лучше использовать оборудование, создать условия для безопасной работы и снизить себестоимость.
На рис. 1 приведена готовая деталь после совмещения операций обжима с утонением и выдавливания толстостенных трубных заготовок.
Теоретическим и экспериментальным исследованиям операции обжима тонкостенных заготовок посвящен целый ряд работ [1-6]. В этих работах принималось, что операция реализуется в условиях плоского напряженного состояния. Получены аналитические выражения для определения деформированного и напряженного состояний, силовых режимов и предельных возможностей операции обжима. В работе [7-10] выполнено моделирование операции обжима и обжима с утонением трубных заготовок конической матрицей методом конечных элементов. Выявлено влияние технологических параметров на силовые режимы операции обжима и обжима с утонением толстостенных трубных заготовок.
Ниже приведены результаты моделирования совмещения операций обжима с утонением и выдавливания толстостенных трубных заготовок
методом конечных элементов применительно для изготовления деталей «сопло», имеющих сравнительно широкое применение в машиностроении.
Рис. 1. Готовая деталь после совмещения операций обжима с утонением и выдавливания трубных заготовок
Степень деформации поперечного сечения при совмещении операций обжима, обжима с утонением и выдавливания толстостенных трубных заготовок:
62
Е =^ .100%. (1)
Д>
Для определения силовых режимов операций совмещения обжима с утонением и выдавливания используем модель, которая представляет собой полую осесимметричную заготовку в формате 3Б. В связи с указанными факторами для моделирования выбран программный комплекс РРОЯМ 2Б-3Б у.7, позволяющий моделировать процессы объемной штамповки с использованием 3Б конечных элементов пирамидальной формы. Для создания геометрии деталей экспериментальных штампов и заготовок используем программный комплекс КОМПАС 3Б у.13. На рис. 2 представлены модели заготовки и инструментов на 3Б перед моделированием в среде программы рБОЯМ 2Б-3Б у.7 [11].
Моделирование выполняется из стали 10 (оТ = 210 МПа; о6 = 340МПа; П = 750МПа); диаметр заготовки 134х106 мм в конической
матрице с углом конусности а = 10°; 200; 300; коэффициент трения
т = 0,1; 0,15; 0,2; коэффициент обжима тоб = 0,7; 0,8; 0,9; коэффициент утонения тут = 0,8; 0,9; 1; глубина выдавливания Ьв = 10мм и степень
деформаций поперечного сечения Е = 67,5; 70; 72,5; 75 и 77,5 % в среде программы рБОЯМ у.7.
Рис. 2. Модель заготовки и инструментов на 3В перед моделированием 1 - заготовка; 2 - пуансон; 3 - матрица; 4 - оправка; 5 - выталкиватель
В таблице 1 представлены параметры моделирование.
Параметры моделирования
Материал заготовки Сталь 10, COLD ГОСТ 1050-88
Температура штамповки 200С
Реологические модели:
Заготовка Упругопластическая
Детали штампов L6 HRC42
Число конечных элементов сетки за- 300...600
готовки, тыс.
Размер КЭ, мм 1,1...1,4
Скорость деформирования, мм/сек 3
Шаг интегрирования, мм 0,03
Заготовка в этапах операции совмещения обжима с утонением и выдавливания толстостенных трубных заготовок представляет на рис. 3.
При операции совмещения обжима с утонением и выдавливания трубных заготовок, течение материала могут реализовываться по двум ва-
риантам.
1. По первому варианту происходит последовательность операций: операция обжима - операция выдавливания - операция утонения (рис. 3,
а);
2. По второму варианту происходит последовательность операций: операция обжима - операция утонения - операция выдавливания (рис. 3,
б).
Графические зависимости изменения относительной силы операций совмещения обжима с утонением и выдавливания толстостенных трубных заготовок Р = Р/(рДз 50°7) от относительной величины перемещения пуансона Л = Л/ 5о с параметрами а = 100; тоб = 0,9; тут = 0,8 и т = 0,1: при
Е % = 67,5 (вариант 1) и Е = 72,5 % (вариант 2) приведены на рис. 4, а) - и рис. 4, б) соответственно.
Рис. 3. Заготовка в этапах операции совмещения обжима с утонением и выдавливания толстостенных трубных заготовок а - вариант 1; б - вариант 2
Анализ графических зависимостей на рис. 4, а) показывает, что изменение силы операций совмещения обжима с утонением и выдавливания может разделить на 5 стадии. На первой стадии операций обжима с утонением и выдавливания, трубная заготовка обжимается на конической поверхности матрицы. В этой стадии относительная величина силы операций Р плавно увеличивается с ростом относительной величины перемещения Л. На второй стадии операций заготовка находится на крае конусности матрицы и начинается операция выдавливания. На этой стадии относительная величина силы Р увеличивается быстро с увеличением относи-
тельной величины перемещения Ь. На третьей стадии осуществляется формирование зоны выдавливания. На третьей стадии относительная величина силы операции Р резко увеличивается по мере формирования зоны выдавливания, как остается постоянным значением (с ростом относительной величины перемещения Ь). На следующей стадии операции совмещения обжима с утонением и выдавливания заготовка переместится от края конусности на зону утонения. На этой стадии относительная величина силы операции еще увеличивается быстро с увеличением относительной величины перемещения Ь. И в конечной стадии реализуется собственно операция утонения, и относительная величина силы операции Р остается постоянной величиной.
Аналогичен анализ графических зависимостей, приведенных на рис.
4, б).
Сравнение изменения относительной величины силы операций совмещения на рис. 4, а и 4, б показывает, что в двух вариантах максимальная относительная величина силы операций находится на заключительной стадии. Так можно сразу анализировать влияние максимальной относительной величины силы от технологических параметров без зависимости случаев течения материалов операций.
Рис. 4. Зависимости изменения Р от Ь (тоб = 0,9;тут = 0,8;а = 100 ) а - вариант 1 (Е = 67,5 %); б - вариант 2 (Е = 72,5%)
На рис. 5 приведены графические зависимости изменения максимальной относительной величины силы операций совмещения обжима с утонением и выдавливания Рмах = мах(р) от коэффициента трения т в двух случаях.
а
б
Рис. 5. Зависимости изменения Рмах от т (тоб = 0,9 ;тут = 0,8;а = 100 ) а - случай 1 (Е = 67,5%); б - случай 2 (Е = 72,5%)
Анализ графических зависимостей (рис. 5) показывает, что с ростом коэффициента трения т от 0,1 до 0,2 максимальная относительная величина силы Рмах увеличивается на 35% .
На рис. 6 представлены графические зависимости изменения максимальной относительной величины силы операций совмещения обжима с утонением и выдавливания трубных заготовок Рмах = мах(Рмах) от коэффициента утонения стенки тут и коэффициента обжима тоб.
Анализ графических зависимостей, приведенных на рис. 6, а показывает, что с ростом коэффициента утонения тут от 0,8 до 1 максимальная относительная величина силы Рмах увеличивается на 48 %.
Анализ графических зависимостей, приведенных на рис. 6, б показывает, что с увеличением коэффициента обжима тоб от 0,7 до 0,9 максимальная относительная величина силы Рмах уменьшается на 80%.
0,8 0,84 0,88 0,92 0,96 ту* а - (а = 100;т = 0,1;Е = 67,5%;тоб = 0,9)
0,7
0,75
0,85
б - (а = 10° = 01;Е = 675%;тут = 0,8)
Рис. 6. Зависимости изменения Рмах а - от тут; б - от т(
ут -
Об
На рис. 7 представлены графические зависимости изменения максимальной относительной величины силы операции совмещения обжима с утонением и выдавливания трубных заготовок Рмах = мах (р) от угла конусности матрицы а и величины степени деформаций поперечного сечения выдавливания Е.
а - (И = 0= 09;шут = 08;Е = 675%) б - (а = 10°;ц = 0Х^ = 0,9;^ = 0,8)
Рис. 7. Зависимости изменения Рмах а — от а; б — от Е
Анализ графических зависимостей (рис. 7, а) показывает, что с изменением угла конусности матрицы а от 100 до 300 максимальная относительная величина силы Рмах изменяется на 43%. Установлены рациональные угла на диапазоне (12...200), соответствующие минимальной относительной величиной силы операций.
Анализ графических зависимостей на рис. 7, б отметит, что с увеличением значения Е% от 67,5 до 77,5 максимальная относительная величина силы Рмах увеличивается на 44 %.
Выводы:
1. Показано, что с помощью программного комплекса РБОЯМ 2Б-3Б может быть выполнено исследование силовых режимов операции совмещения обжима с утонением стенки и выдавливания на каждом этапе деформирования.
2. Установлены закономерности влияния угла конусности матрицы, коэффициента трения, коэффициента обжима и утонения, итак степени деформаций поперечного сечения выдавливания на силовые режимы операции совмещения обжима с утонением и выдавливания стенки тонкостенных трубных заготовок. Выявлены рациональные углы конусности матрицы, соответствующие минимальной величине относительной силы на третьей стадии операции обжима с утонением или на третьей стадии операции выдавливания.
Список литературы
1. Аверкиев А.Ю. Формоизменение трубной заготовки при раздаче и обжиме // Кузнечно-штамповочное производство. 2000. №1. С. 6-9.
2. Аверкиев Ю.А., Аверкиев А.Ю. Технология холодной штамповки: Учебн. для вузов. М.: Машиностроение, 1989. 304 с.
3. Попов Е.А., Ковалев В.Г., Шубин И.Н. Технология и автоматизация листовой штамповки. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 480 с.
4. Пилипенко О.В. Обжим и раздача трубных заготовок из анизотропных материалов. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. 150 с.
5. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. 6-е изд. Л.: Машиностроение, 1979. 520 с.
6. Евсюков С. А. Влияние напряженного состояния на изменение длины образующей заготовки // Вестник МГТУ. Машиностроение. 1996. № 2. С. 94 - 100.
7. Яковлев С.С., Нгуен К.Х. Исследование силовых режимов процесса обжима цилиндрических заготовок // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 4. С. 64-69.
8. Митин О.Н., Нуждин Г. А., Нгуен К.Х. Моделирование операции обжима с утонением толстостенных трубных заготовок // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 5. С. 57-65.
9. Митин О.Н., Нуждин Г.А., Нгуен К.Х. Закономерности влияния технологических параметров на неоднородность распределения напряжений по толщине детали при обжиме толстостенных трубных заготовок // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 6. С. 46-53
10. Нгуен К.Х., Митин О.Н. Неоднородность распределения деформаций по толщине детали при обжиме с утонением толстостенных трубных заготовок // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 10. Ч.1. С. 163-168.
11. Биба Н.В., Стебунов С.А. <^Богт 5.0 - программный инструмент для повышения эффективности производства в обработке металлов давлением». 2008.
Митин Олег Николаевич, канд. техн. наук, докторант, трМи1а@гашЫвг.ги, Россия,, Тула, ОАО «НПО «СПЛАВ»,
Нуждин Георгий Анатолиевич, трМи1а@гашЬ1вг.ги, Россия, Москва, Орган по сертификации систем качества «Консерсиум»,
Нгуен Куок Хуи, асп., трМи1а@гашЬ1вг.ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE SIMULATION OF COMBINING OPERATIONS OF THE SQUEEZING WITH THINNING AND OF THE EXTRUSION OF THICK-WALLED TUBE WORKPIECES
O. N. Mitin, G. A. Nuzhdin, Q.H Nguyen
In this paper based on the finite element method, executed simulation on computer of combining operations of the squeezing with thinning and of the extrusion of thick-walled tube workpieces on based software QFORM 2D - 3D. The main of problem when using this method is bring the results of theoretical researches of modes of force of combining operations of the squeezing with thinning and of the extrusion of thick-walled tube workpieces. Show the effect of technological parameters on modes of force of combining operations of the squeezing with thinning and of the extrusion of thick-walled tube workpieces.
Key words: Simulation, the combining operations, the squeezing with thinning, The extrusion, Bottom Die, Top Die, force, the coefficient of squeezing, the coefficient of thinning, deformation ratio.
Mitin Oleg Nikolaevich, candidate of technical sciences, doctoral, [email protected], Russia, Tula, OPC "SPA "SPLAV"",
Nuzhdin George Anatolievich, mpf-tula @rambler.ru, Russia, Moscow, organ by quality system certification "Konsersium ",
Nguyen Quoc Huy, postgraduete, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.983; 539.374
ВЛИЯНИЕ АНИЗОТРОПИИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
НА ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОСЛЕДУЮЩИХ ОПЕРАЦИЙ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ КОМБИНИРОВАННОЙ
ВЫТЯЖКИ
С.С. Яковлев, А. А. Пасынков, В.И. Платонов
Выявлено влияние анизотропии механических свойств на предельные возможности деформирования на последующих операциях изотермической комбинированной вытяжки осесимметричных деталей в условиях вязкого течения трансверсально-изотропного материала.
Ключевые слова: вытяжка, анизотропия, технологические параметры, температура, матрица, пуансон, сила, деформация, ползучесть, напряжение.
Комбинированная вытяжка является одной из наиболее распространенных операций листовой штамповки для изготовления осесимметричных изделий с толстым дном и тонкой стенкой и может осуществляться
