CC BY
17
УДК 621.983
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ РАБОЧЕГО ПРОФИЛЯ МАТРИЦЫ, СОЗДАЮЩЕГО ПЕРЕМЕННЫЙ ЗАЗОР ПРИ ВЫТЯЖКЕ С УТОНЕНИЕМ НА УВЕЛИЧЕНИЕ СДВИГОВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ
С.С. Яковлев, В. А. Коротков
Приведены результаты моделирования вытяжки с утонением с помощью программы QForm 7. Отличительной особенностью исследований вытяжки с утонением являлось использование матриц с периодически изменяющимся профилем рабочего пояска. Использование таких матриц создают в процессе формоизменения дополнительные сдвиговые деформации. Установлено влияние числа выступов и впадин рабочего профиля поверхности матриц на получение дополнительных сдвиговых деформаций.
Ключевые слова: интенсивная пластическая деформация, моделирование, матрица с периодически изменяющимся рабочим профилем, число выступов или впадин, интенсивности напряжений и деформаций.
В холодной штамповке при изготовлении тонкостенных цилиндрических оболочек широко применяются операции вытяжки с утонением и ротационная вытяжка с утонением. В отличие от вытяжки с утонением при ротационной вытяжке возникает интенсивная пластическая деформация благодаря локальному деформированию материала заготовки шариковыми или роликовыми давильными элементами [1]. Благодаря возникновению значительных деформаций сдвига создаётся мелкозернистая структура, позволяющая существенно повысить эксплуатационные характеристики изделия [2]. При вытяжке с утонением используется инструмент, состоящий из пуансона и матрицы, между которыми создаётся равномерный по периметру зазор, величина которого меньше толщины стенки исходного полуфабриката вытяжки [1]. При использовании такого инструмента также возникают сдвиговые деформации, но не достаточные для получения мелкозернистой структуры материала полуфабриката после вытяжки. Вытяжка с утонением является более производительной операцией по сравнению с ротационной вытяжкой, поэтому актуальной задачей является исследование возможности создания при вытяжке с утонением дополнительных сдвиговых деформаций, которые позволили бы улучшить эксплуатационные свойства получаемых изделий.
Для создания дополнительных пластических деформаций сдвига при вытяжке с утонением можно использовать матрицу, рабочий профиль которой имеет периодически изменяющийся профиль, благодаря которому зазор между матрицей и пуансоном становится неравномерным, периодически изменяющимся. На рис. 1 показана матрица, в которой рабочий профиль изменяется по синусоидальному закону с числом впадин и выступов 8.
Рис. 1. Вид матрицы для вытяжки с утонением с периодически изменяющимся профилем рабочего пояска
На рис.2 показано положение заготовки-стакана до начала и после операции вытяжки. В результате получается полуфабрикат с переменной толщиной стенки по периметру и корончатым краевым участком.
Для получения оболочки с одинаковой толщиной стенки по периметру в последующем осуществляется формоизменение полученного полуфабриката с использованием матрицы, в которой имеется цилиндрический рабочий поясок.
1
а б
Рис. 2. Расположение заготовки-стакана перед началом процесса вытяжки (а) с переменным по периметру зазором между пуансоном и матрицей и после вытяжки (б): 1 - пуансон; 2 - заготовка-стакан; 3 - периодически изменяющийся по периметру зазор
71
При вытяжке через две матрицы первая матрица имеет периодически изменяющийся рабочий профиль, а вторая матрица цилиндрический рабочий поясок, создающий равномерный зазор между пуансоном и матрицей. Вытяжка через две матрицы позволяет за рабочий ход осуществить формоизменение заготовки в первой матрице в полуфабрикат с переменной толщиной стенки, а во второй получить стакан с постоянной толщиной стенки по периметру. Корончатость края стакана при этом устраняется.
Проведённое моделирование интенсивной пластической деформации при вытяжке с утонением [3] с использованием матрицы с синусоидальной формой рабочего профиля, имеющим число выступов и впадин равное 8 показало, что относительная разница интенсивностей деформаций при вытяжке с утонением в такой матрице составляет 30%. В этой связи интерес представляет исследование возможности увеличения интенсивности пластической деформации при вытяжке с утонением за счёт увеличения сдвиговых деформаций при использовании матриц с периодически изменяющимся рабочим профилем, но различным числом выступов и впадин.
Целью исследования является определение влияния количества впадин и выступов при использовании матриц с периодически изменяющимся рабочим профилем на создание дополнительных сдвиговых деформаций с помощью моделирования вытяжки с утонением.
При вытяжке применялись матрицы с рабочим отверстием по выступам диаметром 32 мм. Диаметр отверстия по впадинам 36 мм. Использовалась заготовка - стакан с толщиной стенки 3 мм и наружным диаметром 36 мм; диаметр цилиндрического пуансона был постоянен и составлял 30 мм. Для обеспечения оптимальных условий вытяжки с утонением, за-ходный участок матрицы выполнялся конусным под углом 150. Рабочий торец пуансона имел радиус закругления равный 3 мм. Моделирование проводилось в матрицах с числом выступов и впадин 4, 8, 16.
Таким образом, утонение стенки заготовки осуществлялось только на локальных участках в местах контакта выступов рабочего профиля матрицы с заготовкой. В местах контакта заготовки с впадинами рабочего профиля матрицы утонения стенки не было.
Для осуществления математического моделирования полученные в Компас-3Б модели сохраняются с расширением ^р, необходимом для работы в модуле 08Иаре, далее через 08Иаре модель конвертируется в формат для работы в QForm 7 с одновременной разбивкой на заданное количество конечных элементов. Операция повторяется как для заготовки, так и для рабочего инструмента, после чего все полученные модели позиционируются относительно друг друга. Далее в QForm 7 создается новая операция, объектом которой является система, включающая в себя заготовку и рабочий инструмент в исходном положении.
Выбирались основные физико-температурные параметры вытяжки с утонением: материал заготовки - Сталь 10, температура процесса - 20 оС, материал - изотропный, предел прочности - 370 МПа, предел текучести -300 МПа с последующим запуском расчетов.
На рис. 3 приведены графики изменения интенсивности напряжений и деформаций в заготовке в месте её контакта с впадиной рабочего профиля матрицы. Из графиков видно, что процесс вытяжки с утонением имеет нестационарную и стационарную стадии. С увеличением числа впадин матрицы в момент начала формоизменения на нестационарной стадии процесса вытяжки с утонением интенсивность напряжений существенно зависит от числа впадин. С ростом числа впадин на рабочем профиле матрицы интенсивность напряжений увеличивается. Например, при ходе пуансона 5 мм при использовании матрицы с 4 впадинами интенсивность напряжений равна 398 МПа, а при использовании матрицы с 16 впадинами -465 МПа. Соответственно в этот момент интенсивность деформации при использовании матрицы с 4 впадинами составила 0,03, а при использовании матрицы с 16 впадинами 0,11. На стационарной стадии вытяжки с утонением разница интенсивности напряжений существенно уменьшается. Например, при ходе пуансона 15 мм при использовании матрицы с 4 впадинами интенсивность напряжения равна 447 МПа, а при использовании матрицы с 16 впадинами - 445 МПа. Причём при использовании матрицы с 8 впадинами интенсивность напряжений была наибольшая - 457 МПа. В отличие от интенсивности напряжений интенсивность деформаций сохраняет закономерность, наблюдаемую на нестационарной стадии до конца процесса формоизменения заготовки. С увеличением числа впадин рабочего профиля матрицы с 4 до 16 интенсивность деформации на стационарной стадии увеличивается примерно на 50 % (с 0,21 до 0,31). Фактор числа впадин влияет на возникновение дополнительных деформаций сдвига при вытяжке с утонением.
На рис. 4 показаны аналогичные графики в месте контакта заготовки с выступом рабочего профиля матрицы. Из графиков следует, что на нестационарной стадии вытяжки с утонением влияние числа выступов рабочего профиля матрицы на изменение интенсивности напряжений незначительно.
Например, при ходе пуансона 5 мм для рассматриваемых матриц, имеющих различное число впадин и выступов рабочего профиля, интенсивности напряжений равны. Однако при переходе на стационарную стадию число выступов рабочего профиля матрицы влияют на интенсивность напряжений. Следствием этого является закономерность изменения интенсивности деформаций. При ходе пуансона 5 мм интенсивность деформаций 0,28 не зависит от числа выступов или впадин рабочего профиля мат-
73
рицы, тогда как на стационарной стадии интенсивности деформаций существенно зависят от числа выступов рабочего профиля матрицы. В таблице приведены значения интенсивности напряжений и деформаций на стационарной стадии вытяжки с утонением.
а
б
Рис. 3. Графики интенсивности напряжений (а) и деформаций (б) в месте контакта заготовки с впадинами рабочего профиля матриц с числом впадин: 1 - четыре; 2 - восемь; 3 - шестнадцать
О 5 1С 15 20 25 30 о 5 10 15
Ход пуансона, ММ Ход пуансона.;
а б
Рис. 4. Графики интенсивности напряжений (а) и деформаций (б) в месте контакта заготовки с выступами рабочего профиля матриц с числом впадин: 1 - четыре; 2 - восемь; 3 - шестнадцать
Полученные данные по изменению интенсивностей деформаций в зависимости от различного числа выступов и впадин рабочего профиля матрицы дают возможность сравнить не только их значения в местах контакта заготовки с впадиной или выступом матрицы. Это позволяет опреде-
74
лить, насколько отличаются интенсивности деформаций в заготовке в месте её контакта с выступом матрицы и в месте контакта с впадиной рабочего профиля матрицы. Отличие интенсивностей деформаций характеризует возникновение сдвиговых деформаций и интенсификацию пластической деформации при вытяжке с утонением.
Из таблицы видно, что прирост интенсивности деформации при числе впадин или выступов рабочего профиля матрицы, равном 8, составляет 150 %. Следовательно, при использовании матрицы с периодически изменяющимся по синусоидальному закону рабочим профилем с числом выступов и впадин равному 8 возникает больше деформаций сдвига, чем с иным числом впадин или выступов. Для нахождения числа выступов и впадин рабочего профиля матрицы при вытяжке с утонением, в которой наибольший прирост интенсивностей деформаций, была проведена статистическая обработка результатов моделирования. На рис. 4 приведён график прироста интенсивности деформации от числа выступов или впадин рабочего профиля матрицы, построенный по уравнению регрессии
у = -2 х2 + 39,75х - 40. (1)
Решение уравнения (1) на экстремум позволяет установить число впадин или выступов рабочего профиля матрицы, при котором прирост интенсивности деформации максимален.
Значения интенсивности напряжений и деформаций при вытяжке с утонением в матрицах с периодически изменяющимся рабочим профилем и различным количеством выступов и впадин на стационарной стадии
Число выступов или впадин Интенсивность напряжения, МПа Интенсивность деформации
Впадина матрицы Выступ матрицы При- рост,% Впадина матрицы Выступ матрицы При- рост,%
0 532 532 0 1,0 1,0 0
4 430 479 11,4 0,21 0,43 105
8 434 509 17,3 0,24 0,60 150
16 454 524 15,4 0,32 0,59 84
Из графика и уравнения следует, что для создания максимальных дополнительных сдвиговых деформаций целесообразно по результатам моделирования использовать матрицу с периодически меняющимся профилем с десятью выступами или впадинами.
75
Рис. 4. График прироста интенсивности деформации в месте контакта заготовки с выступом и впадиной матрицы в зависимости от числа выступов и впадин
Проведённое математическое моделирование интенсивности пластической деформации при вытяжке с утонением показало, что получение дополнительных сдвиговых деформаций зависит от числа выступов или впадин рабочего контура матрицы. При проведённом моделировании вытяжки с утонением наибольший эффект для получения максимальных дополнительных сдвиговых деформаций достигается при числе впадин или выступов, равном 10.
Результаты моделирования в дальнейшем будут приняты во внимание при проектировании и изготовлении штамповой оснастки.
Список литературы
1. Ковка и штамповка: справочник. Листовая штамповка / под общ. ред. С.С. Яковлева. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2010. Т. 4. 732 с.
2. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос, 2000. 272 с.
3. Яковлев С. С. (мл), Коротков В. А. Моделирование интенсивной пластической деформации при вытяжке с утонением // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 5. С. 31-37.
Яковлев Сергей Сергеевич, студент, тр1-ш1аагатЬ1ег. ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Коротков Виктор Анатолиевич, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DETERMINA TION OF THE INFL UENCE OF THE PROFILE MA TRIX CREA TES A VARIABLE CLEARANCE AT DRAWING WITH THINNED TO INCREASE
THE SHEARING STRAIN
S.S. Yakovlev, V.A. Korotkov
The results of the simulation drawing with thinning using QForm 7. A distinctive feature of the program of studies drawing with thinning was to use matrices with periodically changing profile of the working belt. The use of such matrices created in the process of forming additional shear deformation. The influence of the number of protrusions and recesses of the working surface of the profile matrices for additional shear deformations.
Key words: severe plastic deformation, modeling, matrix with periodically changing work profile, the number of protrusions or recesses, the intensity of the stresses and strains.
Yakovlev Sergey Sergeevich, student, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Korotkov Viktor Anatolievich, candidate of technical sciences, senior research associate, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
