Совершенствование инструмента и математическое моделирование процесса формирования головок фланцевых болтов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Реологические модели как основной элемент моделирования... Смирнов О.М., Тулупов С. А., Цепин М.А. идр.

руемого материала (слева от кривой). Область справа от кривой в пределах скоростей охлаждения 10"1... 102 К/с относится к процессам деформации кристаллизующегося металла (тиксот|>оп-ная штамповка). Скорости охлаждения до 10 К/с характерны для процессов так называемой «импульсной объемной штамповки».

Верхняя часть карты (скорости охлаждения до 1011 К/с) относится к процессам аморфизации. Три линии со штриховкой показывают критические режимы аморфизации чистых металлов, нормально аморфизирующихся двойных сплавов и легко аморфизируюшихся многокомпонентных (так на -зываемых объемных аморфных) сплавов. Послед -ние, как показывают современные исследования, проявляют наивысший уровень прочностных свойств и являются объектами нанотехнологий.

Представленная термокинетическая карта процессов деформации металлических материа-

лов является удобной основой для изучения определенных реологических параметров при де-формции различных металлических материалов и формирования соответствующих баз данных ВС о реологических свойствах материалов для компьютерного моделирования процессов ОМ Д.

Заключение

Основные реологические модели, связанные с определенными способами деформации металлических материалов, описывают пластическое, вязкопластическое и вязкое состояния объектов деформирования. Соответственно построение и раз -вигие ВС для моделирования обработки металлических материалов должно включать возможность описания структурных изменений деформируемого материала и его физического состояния: твердого (кристаллического и аморфного), жидкого, а также возможных переходных состояний.

УДК 621.97

Кадошников В.И., Решетникова Е.С., Решетников Л.В., Кочуков С.В.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТА И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ГОЛОВОК ФЛАНЦЕВЫХ БОЛТОВ

Фланцевый крепеж имеет в мировой практике самое широкое распространение. Болты, гайки, винты с фланцем позволяют создавать оптимальные контактные напряжения на скрепляемых деталях, уменьшают количество деталей в соединении (за счет исключения шайб), позволяют экономить металл. Увеличение опорной поверхности обеспечивает более надежное стопоре ние при затяжке, в том числе по сравнению с пружинными шайбами.

Фланцевые болты производятся на холодновысадочных пресс-автоматах, причем способы формирования шестигранной головки болта и фланца различны:

а) высадка;

б) обрезка граней головки и фланца;

в) редуцирование шестигранной головки болта и дальнейшая высадка фланца.

Качество фланцевых болтов, изготавливаемых высадкой, невысокое за счет незаполнения ребер шестигранной головки, что приводит к уменьшению контактной поверхности болтов.

Способ формирования шестигранной головки болта и фланца обрезкой используется для изготовления высоко качественных фланцевых бол-

тов для ответственных соединений, но ведет к повышению стоимости продукции за счет низкой стойкости обрезных пуансонов и наличия технологических отходов.

Способ формирования шестигранной головки болта редуцированием с дальнейшей высадкой фланца по сравнению со способами высадки и обрезки наиболее оптимален, так как обеспечивает хорошее оформление головок болтов при низком расходном коэффициенте металла и высокой стойкости формообразующего инструмента. Однако допуск на диаметр фланца болтов, изготавливаемых данным способом, больше, чем у болтов, изготавливаемых обрезкой (не менее ±0,2 мм) [1], что не позволяет применять их для ответственных со -единений Назначение большого допуска на диаметр фланца болтов связано с образованием наплывов металла на торцевой поверхности! фланца.

Наплывы на фланце болта образуются вследствие неравномерности распределения металла, предназначенного для формирования фланца, при редуцировании шестигранной головки. Это происходит в силу конструктивных особенностей ра-бочей полости пуансона, которая, как правило, состоит из деформирующей конусной части и ка -

либрующей части, выполненной в виде шестигранной призмы. В деформирующей части рабочей полости пуансона совершается основная работа деформации заготовки и накапливается металл для дальнейшей высадки фланца, а шестигранная головка болта окончательно формируется в калиб-рующей части рабочей полости пуансона. Объем металла, предназначенного для формирования фланца, складывается из сумм площадей (5<1+5'2) осевых сечений деформирующей части полости при параметре Яь изменяющемся от радиуса описанной окружности шестигранника Я0 до радиуса вписанной окружности Яь (рис. 1).

Параметр И зависит от угла поворота (ф) секущей плоскости вокруг оси и определяется следующим образом:

с = кК, [(кг + Я)(4+ К/) +К (-3 К? - 3КД, - 4 К})

(К0 + К )(ЯІ - 3К1К} + 3/2 - К3)

(4)

еов(тс / 6) 008(л/6 -ф)

(1)

При Я1=Я0 сумма площадей (5,1+5'2) имеет минимальное значение, а при Я1=ЯЬ - максимальное. В результате металл, предназначенный для дальнейшей высадки фланца, набирается неравномерно и при формировании фланца образуются наплывы.

Чтобы избежать образования наплывов на фланце болта, необходимо при редуцировании шее -тигранной головки обеспечить равномерное распределение металла в осевых сечениях деформирующей части рабочей полости пуансона. Для выполнения поставленного условия в качестве образующей деформирующей час -ти выбрана парабола, форма которой плавно изменяется в зависимости от угла поворота (ф) секущей плоскости вокруг оси, чем обеспечивает постоянную высоту и равенство площадей любых осевых сечений деформирующей части полости (5<1+5'2) (рис. 2). Коэффициенты, определяющие ввд параболы и удовлетворяющие поставленным условиям:

где к, Я/, Я0, Я\ - геометрические параметры деформирующей части рабочей полости пуансона.

Помимо равномерного распределения металла в осевых сечениях, вогнутая форма деформирующей части пуансона выравнивает деформацию заготовки по сечению и уменьшает коэффициент напряженного состояния в центральной зоне очага деформации [2].

Для определения энергосиловых параметров процесса редуцирования шестигранной головки болта с фланцем использовался вариационный метод в дискретной постановке [3,4], согласно которому была создана математическая модель процесса и определена полная работа деформации заготовки, включающая в себя работу внутренних сил, работу сил трения. Процесс дефор-

А-А о

Я

ІШШІ

|§§ 1с

шт

Рис. 1. Заготовка болта с фланцем после редуцирования шестигранной головки в пуансоне с конусной деформирующей частью

а =

Ь =

К (к-с) + К1с

К1К/ ( К _ К/ ) К? (с - к)- К}с

К1К/ (К1 _ К/ )

(2)

(3)

Рис. 2. Заготовка болта с фланцем после редуцирования шестигранной головки в пуансоне с вогнутой деформирующей частью

1

мирования заготовки условно разбивался на два этапа. На начальном этапе заготовка принимает форму, близкую к окончательной, а деформации в ней имеют конечную величину. На конечном этапе происходит окончательное формирование головки болта, а величины деформаций малы, что позволяет использовать соотношения деформационной теории пластичности. Используя один из прямых методов - метод Ригца, по которому задаются функции перемещений и как функции координат и варьируемых параметров а, задача сводится к отысканию минимума полной работы деформации в зависимости от а,.

Окончательное формирование головки болта осуществляется на конечном этапе редуцирования, когда металл полностью заполняет рабочую полость пуансона (рис. 3). В деформируемом теле между плоскостями ОА и ОС, угол между которыми равен %/п, где п - число граней, выделяется элемент и рассматривается только его деформация, так как остальные деформируются аналогично. Деформация выделенного элемента рассматривается в циливдрической системе координат г, г, ф.

этапе редуцирования шестигранной головки болта с фланцем:

1 - пуансон; 2 - матрица; 3 - заготовка

Область деформации разбивалась на пять зон. В принятой системе координаты г, г, ф для пластической зоны I изменяются в диапазоне: г=Я 1...Я/, г=0...кг, ф =0...я/п, для пластической зоны II - г=0...Я1, г=0...к, ф =0...я/п, для пластической зоны III - г=0.Я1,г =к...къ, ф =0...я/п, для пластической зоны IV - г=Я1...гу, г=кЪ...И, ф=0...л;/п, для пластической зоны V - г=0...гу, г=къ...И, ф=0...я/п.

На границах пластических зон функции пе-ремещений должны удовлетворять следующим условиям:

иг/г.0 = 0; и

II,III,V

г / г =0 г IV

= 0; и], г=кг =Ак

иI = и11 • ТГ

г / г =Я1 г / г =Я1 ’ г / г=гу

= и

г / г - гУ *

(5)

Функции радиальных и осевых перемещений для пластической зоны 1 задавались в ввде:

иI =

1 (3Ак + а3кг )г а3 г г

К

к2

Г

I я

и1 =

Акг

~~И~

где

К = аг + Ъг + с.

(6)

(7)

(8)

Выбранные функции иг и иг отвечают граничным условиям первой зоны и близки к реаль-ному течению металла на конечном этапе редуцирования головки болта.

Для случая деформирования в цилиндрической системе координат из соотношений Коши

диг ди

находили гг =-----, вг =—-, а из условия не-

дг бг

сжимаемости определяли относительное удлинение 8= —(вг + вг ) . Функция угловых Пере -мещений иф расчитывалась интегрированием и.=/(%• г - иг ^ф . По известным функциям иг,

иг и иф определяли компоненты тензора деформаций угг, угф, уфг, характеризующие сдвиг, и находили интенсивность деформации в; для пластической зоны I на конечном этапе редуцирования:

г (8г )2 +(Е] -8„)2 +

+ (б -в ) + — (у2 + у2 + у2 ) .

\ ф г } г\ \ < Г2 *2^ < фг /

(9)

С учетом граничных условий функции радиальных и осевых перемещений для пластической зоны II задавали следующим образом:

иI1 =

и11 =

г

1 (3Ак + а3 К)г а3г г 3 к ~КГ~

И ’

—+т I; (10)

(11)

для пластической зоны III -

иш =

1 (3АккЪ2 + а3кЪ - Ка3)г а3г2г

и111 =

г

3 ккг

~И~

к2(къ - к)

к

(12)

(13)

для пластической зоны IV -

1 (ЗДКк^ + 3а3Ику (И -1) + а3к—)г 3

к^ку

и1¥ =

2

а— г2 г

'~К^.

ккг

И ’

(14)

где ку = Я а-гу а;

кг 4 = К - (г - гу ^ а , для пластической зоны V -

1 (3 Акку + 3а3И (И - ку ) + а3кУ)г

3 К2

(16)

(17)

к

иу =

2

2

у

ЬКг

И

(18)

(19)

М - Се~е' - Ве

-Ы £;

(20)

где а, - интенсивность напряжении; в, - степень деформации; М, С, В, N - коэффициенты, определяемые при испытании материала на линейное растяжение (сжатие).

В соответствии с принятой моделью определяли удельную работу внутренних сил на конеч-ном этапе деформации:

N

(21)

где М, С, В, N - параметры, определяемые из опытов на растяжение или сжатие; ег0 - степень деформации, предшествующая конечному этапу высадки; е, - интенсивность деформации на конечном этапе штамповки.

Работа внутре нних с ил:

а, =ШП

(22)

где У - объем /-Й пластической зоны. Работа сил трения:

Аг. =.ЦТ-и^ ,

(23)

(15) где и3 - функция перемещения; 3,- - площадь

поверхности контакта металла с инструментом; х - предел текучести на сдвиг, который с учетом предшествующих деформаций определяется как

т X. 1 ^

М - С ■ е

- В ■ е

- N (8

(24)

Аналогично преобразованиям для зоны I опре-делялись компоненты тензора деформаций и интенсивность деформации е, для пластических зон II, III, IV, V на конечном этапе редуцирования.

При решении задачи использовалась модель жесткопластической неоднородной среды с нелинейным упрочнением. Кривая упрочнения задавалась в ввде экспоненциальной зависимости, предложенной Г.А.Смирновым-Аляевым [5]:

где у - коэффициент, зависящий от условия трения процесса и соотношения размеров деформируемой заготовки.

Полная работа деформации определялась как сумма работ внутренних сил АВ\, АВц, Авш, Авы, Ав-\ и сил трения Ап, Ап, АТ3, ^г4, ^г5, ^г6 по поверхностям Б2, Бз, Б4, Б5, Б6. Поиск минимума

полной работы деформации Ат;п осуществлялся численно с помощью специально разработанной программы. По навденным значениям минимальной работы деформации Ат;п определялись усилия редуцирования шестигранной головки болтов из различных материалов с различными соотношениями размеров.

На основании полученных данных можно сделать вывод, что вогнутая форма деформирующей части рабочей полости пуансона по сравнению с конической снижает удельную силу деформации на 10-15%.

Пуансон с вогнутой деформирующей частью несколько сложнее в изготовлении, чем с конической, но точность изготавливаемых фланцевых болтов значительно выше. Кроме того, в результате изменения формы деформирующей части полости повысилась стойкость пуансона.

Разработанная конструкция рабочей полости

пуансона для редуцирования шестигранной головки болта позволяет изготавливать высококачественные фланцевые болты с жестким допуском на диаметр фланца, выравнивает деформацию по сечению заготовки и уменьшает уровень напряженного состояния в центральной зоне

очага деформации, что положительно влияет на качество болтов в целом при невысоких значениях удельной силы деформации Указанные достоинства позволяют снизить затраты на производство и обеспечить высокое качество изготавливаемых болтов.

Библиографический список

1. Марк Ван Тиль. Производствофланцевых болтов // Метизы. 2007. № 1. С. 70-73.

2. Ковкаи штамповка. Справочник: В 4 т. Т. 3. Холодная объемная штамповка / Под ред. Г.А. Навроцкого. М., 1987. 384 с.

3. Паршин В.Г., Поляков М.Г., Железков О.С. Метод определения усилий холодной высадки головок болтов и винтов // Черная металлургия: Бюл. ин-та «Черметинформация». 1975. № 12. С. 48-49.

4. Паршин В.Г. Теория и технология автоматизированного производства методами ОМД деталей массового применения // Прогрессивные технологические процессы в обработке металлов давлением: Сб. науч. тр. / Под ред. Б.А. Никифорова. Магнитогорск: МГМА, 1997. С. 239-244.

5. Смирнов-Аляев Г.А. Механические основы пластической обработки металлов. Л.: Машиностроение, 1968. 266 с.

6. Проблемаповышения качествакрепежных изделий / Чукин В.В., Артюхин В.И., Рубин Г.Ш. и др. // Вестн. МГТУ им. Г.И. Носова. 2007. № 4. С. 99-102.