Журнал - Вісник Донбаської державної машинобудівної академії 2010 №1 (6Е)

Подождите немного. Документ загружается.

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

где

()

ημ

μη

⋅−⋅

⋅=

51.042,0

1,1, ee

– поверхность граничных деформаций для АД 31 [8];

312

σσ

−

−−⋅

= – параметра Надаи-Лоде.

Главные напряжения определяются из решения характеристического уравнения, ко-

торое в общем случае является кубическим:

=−⋅+⋅− III

σσσ

, (8)

где

– искомые главные напряжения;

321

,, III – первый, второй и третий варианты

тензора напряжений (компоненты тензора напряжений, см. рис. 2).

Таблица 1

Результаты радиального выдавливания АД 31 радиус закругления оправки 1,8 мм,

высота фланца 3,2 мм, заготовка 28,2 × 36 мм

№ Высота (мм), радиус фланца R

Ход, мм Усилие, кН

1 21,3 (начальное положение), R

= 28,2 /2

2 17,7, R

= 19,4/2 3,6 130

3 15,5, R

= 14,2/2 2,2 165

Наиболее деформированной областью заготовки является область в зоне нижнего

торца фланца у наружной стенки (см. рис. 2 по

). Значения логарифмической деформации

немонотонно убывают в направлении внутренней стенки фланца, причем такой характер со-

блюдается до середины высоты фланца, по наружной стенке, в направлении от нижнего тор-

ца фланца. Выше середины фланца характер изменения деформации меняется в виду того,

что ячейки, примыкающие к наружной стенке, становятся менее проработанными, а ячейки,

примыкающие к переходной кромке оправки, более продеформированы чем последние.

Максимальные значения деформации по

также находятся в зоне, примыкающей к нижне-

му торцу фланца.

Очаг деформации ограничивается параболической кривой, проходящей от верхней

точки радиуса закругления переходной кромки оправки до середины высоты фланца у на-

ружной стенки. Значения меняют свой знак в ячейках у переходной кромки, что свидетель-

ствует о сжатии металла в зоне разворота

металла у оправки. Значения деформации по

имеют отрицательные значения, максимальные значения по модулю достигаются в зоне

нижнего торца фланца у наружной стенки. Наличие положительных значений деформаций

в ячейках, примыкающих к внутренней стенке фланца, объясняется несовершенством мето-

дики расчета в ячейках, которые подвергаются повороту, а также погрешностью расчета свя-

занной с большой базой делительной сетки. Уменьшение размеров

ячеек в этой зоне позво-

лит повысить точность расчетов и нивелировать влияние поворота ячейки. Зона максималь-

ных значений окружной деформации

сосредотачивается у внутренней стенки фланца.

А зона максимальных сдвиговых деформаций

, описывается параболическими кривыми,

отсекающих сектор от переходной кромки, прилегающей к оправке, до ячеек, сосредоточен-

ных у наружной стенки в зоне нижнего торца фланца.

Зависимость напряжения от деформации, полученная при испытании на осадку ци-

линдрического образца, описывается уравнением

202.0

55,191

εσ

⋅=

. Картина распределения

интенсивности напряжений аналогична распределению интенсивности деформации. Макси-

мальные значения достигают 210,3 МПа, а минимальные 111,7 МПа. Гидростатическое

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

давление имеет отрицательное значение во всех ячейках сечения, что говорит о благоприят-

ной схеме напряженного состояния, способствующей увеличению пластичности материала.

Максимальные сдвиговые напряжения

сосредотачиваются в зоне переходной кромки оп-

равки, а максимальные радиальные напряжения у наружной стенки в зоне нижнего торца

фланца. Зона максимальных высотных напряжений

сосредотачивается, также, у наруж-

ной стенки и по высоте равна высоте фланца. Максимальные окружные напряжения

со-

средотачиваются в зоне нижнего торца фланца и у наружной стенки заготовки.

Рис. 2. Напряженно-деформированное состояние в очаге деформации при радиальном

выдавливании фланцев

Компоненты тензора главных напряжений, полученные решением характеристическо-

го уравнения (8), параметр Надаи-Лоде, показатель напряженного состояния представлены

(рис. 3). Так как поверхность граничных деформаций аппроксимировалась при показателе

напряженного состояния

1..2 +−∈

, рассчитать количественно исчерпание ресурса пластич-

ности не представляется возможным (большие отрицательные значения

). Однако, если

предположить, что в области больших отрицательных значений показателя жесткости

, ха-

рактер влияния

на поверхность граничных деформаций такой же как и в диапазоне

1..2 +−∈

, то можно качественно оценить распределения критерия

по сечению очага де-

формации, используя то же уравнение поверхности граничных деформаций

()

e . То

есть можно определить зоны очага деформации, в которых

исчерпан максимально. Таким

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

образом, наиболее вероятной с точки зрения разрушения (рис. 3), является зона, которая про-

стилается в направлении уменьшения

от внутренней поверхности фланца к наружной по-

верхности стенки заготовки у нижнего ее торца, а также зона у переходной кромки оправки.

Рис. 3. Напряженное состояние, показатели напряженного состояния и качественная оценка

исчерпания ресурса пластичности в очаге деформации при радиальном выдавливании фланцев

ВЫВОДЫ

С помощью экспериментально-аналитического метода координатных делительных се-

ток определены компоненты тензора деформаций и напряжений, компоненты девиатора на-

пряжений и гидростатическое давление при осесимметричном выдавливании внутреннего

фланца из трубной заготовки

. Анализ НДС показал, что картина распределения напряжений

соответствует распределению деформаций. Наиболее проработанной является область в зоне

нижнего торца фланца у наружной стенки фланца. Гидростатическое давление имеет отрица-

тельное значение по всему очагу деформации, что способствует повышению пластичности

и снижает вероятность разрушения металла. Наиболее вероятной с точки зрения разрушения явля-

ется

зона, которая простилается в направлении от внутренней поверхности фланца к наружной

поверхности стенки заготовки у нижнего ее торца, а также зона у переходной кромки оправки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алиева Л. И. Формоизменение при радиальном выдавливании фланцев [Електронний ресурс] /

Л. И. Алиева, С. В. Мартынов, Я. Г. Жбанков // Вісник ДДМА. – Краматорськ : ДДМА, 2006. – №

1Е (6). –

С. 135–139. – Режим доступу до журн.: http://www.dgma.donetsk.ua/publish/vesnik/article/06ALIFRE.pdf.

2. Огородников В. А. Энергия. Деформации. Разрушение (задачи автотехнической экспертизы) /

В. А. Огородников, В. Б. Киселёв, И. О. Сивак. Монография. – Винница : УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2005. – 204 с.

3. Огородников В. А. Диаграммы пластичности и особенности их построения / В. А. Огородников,

И. Ю. Кирица, В. И. Музычук // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії

і машинобу-

дуванні : зб. наук. пр. – Краматорськ : ДДМА, 2006. – С. 251–255.

4. Рене И. П. Теоретические основы экспериментальных методов исследования деформаций методом

сеток в процессах обработки металлов давлением / И. П. Рене. – Тула : ТПИ, 1979. – 96 с.

5. Дель Г. Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твёрдости /

Г. Д. Дель. – М. : Машиностроение, 1971. – 200с

6. Сивак

И. О. Поверхность предельной пластичности / И. О. Сивак // Удосконалення процесів та обла-

днання обробки тиском у машинобудуванні та металургії : зб. наук. пр. – Краматорськ : ДГМА. 1999. – С. 9–15.

7. Сивак И. О. Пластичность металлов при объёмном напряжённом состоянии / И. О. Сивак,

Е. И. Коцюбивская // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в машинобудуванні і металургії

зб. наук. пр. – Краматорськ : ДДМА, 2007. – С. 73–76.

8. Кириця І. Ю. Удосконалення процесів холодного пластичного деформування при отриманні вісеси-

метричних заготовок з глухим отвором : дис. …канд. техн. наук : 05.03.05 / Кириця Інна Юріївна. – Вінниця,

2007. – 220 с.

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

МОДЕЛИРОВАНИЕ МАЛООТХОДНОЙ ШТАМПОВКИ ПОЛЫХ ДЕТАЛЕЙ

ИЗ СПЛОШНЫХ ЗАГОТОВОК

Алиева Л. И., Бондарева Е. Н., Жбанков Я. Г.

Проведено моделирование способа прошивки в программе Deform-3D заготовок

с плоскими торцами и предварительно подготовленных. Получены поля распределения де-

формаций по сечению заготовки и установлена менее проработанная зона заготовки. Это по-

зволяет рекомендовать штамповку данной заготовки в дальнейшем таким образом, чтобы

очаг деформации находился в слабопроработанной зоне. Выявлены отличия формы полу-

чаемой втулки при деформировании заготовок разной формы. Установлены особенности си-

лового режима, построен график зависимости усилия прошивки от хода ползуна, что позво-

лило выделить стадии процесса. Представлено постадийное распределение силовой нагрузки.

Проведено моделювання способу прошивання в програмі Deform-3D заготовок з пло-

скими торцями і попередньо підготовлених. Отримано поля розподілу деформацій за пере-

тином заготовки та встановлена менш пророблена зона заготовки. Це дозволяє рекомендува-

ти штампування даної заготовки надалі таким чином, щоб осередок деформації перебував

у слабопроробленій зоні. Встановлено відмінності форми одержуваної втулки при деформа-

ції заготовок різної форми. Виявлено особливості силового режиму, побудовано графік за-

лежності зусилля прошивання від ходу повзуна, що дозволило виділити стадії процесу.

Представлено постадійний розподіл силового навантаження.

The simulation of the piercing process in the program Deform-3D pre-prepared blanks with

flat ends is conducted. The fields of the strain distribution over the cross workpiece are received and

less elaborated area blank is found. This allows to recommend the stamping of the blanks in the fu-

ture so that the center of the strain can be in a poorly-designed area. The differences obtained form

sleeve deformation of blanks of different shapes. The peculiarities of the power mode, which al-

lowed separate stage of the process are received and plot of dependence of the firmware effors on

the progress of the slide is built. The phasic distribution of power load is established.

Алиева Л. И. канд. техн. наук, ст. преп. кафедры ОМД ДГМА

omd@dgma.donetsk.ua

Бондарева Е. Н. аспирант ДГМА

Жбанков Я. Г. ассистент кафедры ОМД ДГМА

ДГМА Донбасская государственная машиностроительная академия, г. Краматорск

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

УДК 621.7

Алиева Л. И., Бондарева Е. Н., Жбанков Я. Г.

МОДЕЛИРОВАНИЕ МАЛООТХОДНОЙ ШТАМПОВКИ ПОЛЫХ ДЕТАЛЕЙ

ИЗ СПЛОШНЫХ ЗАГОТОВОК

Процессы объемной штамповки являются высокоэффективными при штамповке

сложнопрофилированных деталей [1]. Данные процессы позволяют получать точные заго-

товки и свести к минимуму долю механообработки в технологической цепочке изготовления

деталей. Кроме того, за счет проработки металла в процессе штамповки, существенно повы-

шаются механические свойства заготовок, что в некоторых случаях позволяет заменять

труднодеформируемые дорогостоящие материалы более мягкими и дешевыми [2].

Большая часть деталей, изготавливаемых на машиностроительных предприятиях, –

это полые детали с переменной толщиной стенки [3, 4]. В качестве исходной заготовки для

таких деталей может выступать пруток – сплошная заготовка и труба – полая заготовка.

В первом случае штампуемая поковка будет иметь некоторые напуски, что снизит КИМ

и повысит трудоемкость изготовления детали за счет дополнительных операций пробивки

отверстия или механообработки. Штамповкой поковок со сквозным отверстием из пустоте-

лой заготовки, возможно, получать максимально приближенные по форме и размерам к ко-

нечному изделию полуфабрикаты. Однако, исходная заготовка в виде трубы в 1,2–1,5 раза

дороже заготовки в виде прутка. Таким образом, создание и исследование способа безотход-

ного изготовления полых трубчатых заготовок из сплошных заготовок является актуальным.

Существуют несколько схем малоотходного получения деталей типа втулок и колец

(рис. 1). К таким способам относится и сквозная прошивка, которая является мало изучен-

ным процессом, чем и вызывает значительный интерес.

Целью данной статьи является исследование особенностей процесса сквозной про-

шивки сплошных заготовок.

Схема процесса прошивки приведена на рис. 2 [5]. Суть способа заключается в том,

что в контейнер 1 загружается несколько сплошных заготовок 2, после пуансон 3 прошивает

заготовки. По мере прошивки каждой заготовки в контейнер снизу добавляют исходную

сплошную заготовку, чем обеспечивается непрерывность процесса прошивки.

Исследования проводились методом конечных элементов в пакете Deform-3D

. В ка-

честве исходных данных задавались геометрия инструмента и заготовок, схема процесса

с размерами приведена на рис. 3. Моделировалась прошивка трех заготовок. Материал заго-

товки DIN-AlMn. Деформирование проводилось со скоростью 1 мм/с при температуре 20 °С.

В качестве закона трения использовался закон пластического трения Зибеля, коэффициент

трения 0,08.

Проведено исследование деформированного состояния заготовок при сквозной про-

шивке, получены поля распределения деформаций по меридиональной поверхности загото-

вок (рис. 3) и по их объему (рис. 4).

Анализ полученных полей распределения деформаций позволил установить, что наи-

большие деформации в получаемых заготовках, сосредоточены в нижней их части на внут-

ренней поверхности. Наименее проработанной частью заготовки является ее наружная часть

со стороны внедрения пуансона. Такая картина распределения деформации объясняется тем,

что металл заготовки со стороны внедрения пуансона проходит меньший путь, а верхняя

кромка заготовки вообще не деформируется.

______________________________

* Лицензия предоставлена ДГМА компанией Scientific Forming Technologies Corporation для временного

пользования

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

а б

в г

Рис. 1. Схемы малоотходного получения втулок и колец:

а – радиально-прямое выдавливание; б – радиально-прямое выдавливание из трубчатой

заготовки; в – радиальное выдавливание с прошивкой; г – сквозная прошивка; 1, 1′– пуансон;

2, 2′– матрица; 3, 3′ – заготовка; 4 – деталь; 5 – противопуансон; 6 – оправка

Подобная картина распределения деформаций наблюдается во всех прошиваемых за-

готовках. Также заметно, что нижний торец получаемой заготовки является сильно искажен-

ным и имеет заусенец, который в дальнейшем будет удаляться из отштампованной поковки

вместе с припусками. Верхний торец второй заготовки также получается неправильной фор-

мы, закругленной по внутренней кромке. Аналогичную форму торца будут иметь все после-

дующие заготовки.

Данные заготовки должны в дальнейшем подвергаться калибровке в закрытых штам-

пах. Получаемое распределение деформаций по заготовке влечет за собой и некоторые осо-

бенности использования ее в технологическом процессе при дальнейшей штамповке. Так

наиболее целесообразной должна быть схема штамповки и расположение заготовки в штам-

пе, чтобы очаг деформации находился в слабопроработанной части заготовки. Это должно

обеспечить равномерное распределение деформаций по сечению получаемой поковки и, как

следствие, однородность механических свойств изделия.

Исследован силовой режим процесса прошивки. Получен график зависимости силы

прошивки от хода ползуна пресса (рис. 5).

Установлено, что процесс прошивки заготовок по ходу и силе выдавливания можно

разбить на несколько стадий. На первой стадии пуансон внедряется в заготовку и происходит

обратное выдавливание. Эта стадия характеризуется наибольшей нагрузкой, действующей на

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

инструмент. В рассматриваемом случае сила достигает 170 кН. На второй стадии происходит

разрушение металла исходной заготовки – прошивка и уменьшение по размерам очага де-

формации. На этой стадии сила выдавливания для данного случая достигает 140 кН.

Рис. 2. Схема процесса сквозной

прошивки сплошных заготовок

Рис. 3. Поля распределения

деформаций по меридиональному сечению

прошиваемых заготовок

Рис. 4. Поля распределения деформаций по объему получаемых заготовок

Для уменьшения искажения формы и размеров заготовки, получаемой прошивкой,

предложен способ прошивки предварительно калиброванных заготовок [6]. Заготовки ка-

либруются в специальном штампе и имеют форму, приведенную на рис. 6.

При моделировании данного способа использован контейнер 1 и пуансон 3 с размера-

ми, приведенными на рис. 2.

По результатам моделирования получены поля распределения интенсивности дефор-

маций по меридиональному сечению заготовок (рис. 7) и по их объему (рис. 8).

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

Сравнение полученных данных для двух способов (см. рис. 2 и рис. 6) позволило ус-

тановить, что характер распределения деформаций по заготовке сохраняется. Однако, срав-

нение формы стенки втулки, полученной прошивкой из сплошной заготовки простой формы

и предварительно подготовленной (рис. 9), показал, что искажение формы меньше при вы-

давливании по второму варианту.

Получен график зависимости силы прошивки (см. рис. 6) от хода ползуна пресса

(рис. 10).

Рис. 5. График зависимости силы прошивки от хода ползуна пресса

Рис. 6. Схема процесса сквозной

прошивки сплошных калиброванных

заготовок

Рис. 7. Поля распределения деформаций

по меридиональному сечению прошиваемых

заготовок

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

Рис. 8. Поля распределения деформаций по объему получаемых заготовок

а б

Рис. 9. Форма стенки втулки,

получаемой прошивкой из заготовки с плоскими

торцами (а) и предварительно подготовленной

заготовки (б)

Рис. 10. График зависимости силы

прошивки от хода ползуна пресса при получении

втулок из подготовленных заготовок

Как и в предыдущей схеме, здесь возможно выделить аналогичные стадии прошивки

по ходу движения ползуна пресса. Сила прошивки на первой стадии также достигает 170 кН,

а на второй 140 кН.

Был проведен эксперимент по прошивке трех заготовок с плоскими торцами, в ре-

зультате которого были подтверждены результаты математического расчета с помощью

МКЭ (рис. 11). Было установлено, что внутренние слои втулки интенсивнее увлекаются пу-

ансоном, чем наружные. В результате такого деформирования образовывается такой дефект,

как утяжина (рис. 12).

Таким образом, можно рекомендовать способ прошивки предварительно подготов-

ленных заготовок для получения втулок с формой, наиболее приближенной к правильной.

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК ДГМА № 1 (6Е), 2010

а б

Рис. 11. Комплект втулок,

получаемых в процессе сквозной

прошивки

Рис. 12. Дефект утяжина, полученный на верхнем (а)

и нижнем (б) торце втулки

ВЫВОДЫ

Изготовление полых заготовок в виде гладких втулок из сплошных заготовок является

целесообразным. В качестве способа для получения таких заготовок возможно использовать

способ прошивки нескольких заготовок.

Данный способ исследован в программе Deform-3D. Получены поля распределения

деформаций по сечению заготовки, которые позволили установить, что получаемая втулка

имеет большую неоднородность деформаций по объему. Наименее проработанной зоной яв-

ляется область втулки возле внешней кромки. Это позволяет рекомендовать штамповку дан-

ной заготовки в дальнейшем таким образом, чтобы очаг деформации находился в слабопро-

работанной зоне.

Проведено моделирование способа прошивки предварительно подготовленных заго-

товок. Установлено, что деформации по сечению заготовки в данном случае распределяются

аналогично предыдущему способу. Однако форма стенки заготовки является менее искаженной.

Установлены особенности силового режима прошивки. Можно выделит две стадии

прошивки: первая характеризуется наибольшими нагрузками на инструмент, здесь происхо-

дит внедрение пуансона в

заготовку и обратное выдавливание; вторая стадия характеризует-

ся пониженными нагрузками, на 17 % меньше, чем для первой стадии, здесь происходит раз-

рушение выдавливаемого металла. Для двух рассматриваемых схем сила прошивки практи-

чески одинаковая.

ЛИТЕРАТУРА

1. Оценка деформируемости заготовок при радиальном выдавливании с противодавлением /

Е. И. Коцюбивская, И. О. Сивак, Л. И. Алиева, С. В. Куценко // Обработка материалов давлением : сб. научн.

трудов. – Краматорск : ДГМА, 2008. – № 1(19). – С. 29–33.

2. Игнатенко В. Н. Применение холодной объемной штамповки в заготовительном производстве /

В. Н. Игнатенко // Обработка материалов давлением : сб. научн. трудов. – Краматорск

: ДГМА, 2008. – № 1(19). –

С. 168–170.

3. Алиев И. С. Моделирование процесса радиального выдавливания фланцев с применением противодавле-

ния / И. С. Алиев, Я. Г. Жбанков, Е. И. Коцюбивская // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в ме-

талургії і машинобудуванні : тематичн. зб. наук. пр. – Краматорськ : ДДМА, 2006. – С. 53–58.

4. Алиева Л. И. Формообразование утолщений на полых

и сплошных заготовках / Л. И. Алиева,

Р. С. Борисов // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні : тема-

тичн. зб. наук. пр. – Краматорськ–Слов’янськ : ДДМА, 2003. – С. 262–267.

5. А. с. 732064 СССР, МКИ В 21 J 5/10. Способ изготовления деталей типа втулок / Г. А. Кузнецова,

Г. В. Кузнецов, Ю. Н. Верзилов, В. М.

Кудрик, Ш. Р. Вартанян, В. М. Мирошниченко (СССР). – № 2516016/25-27;

заявл. 9.11.77.

6. Кузнецова Г. А. Изготовление втулок сквозной прошивкой / Г. А. Кузнецова // Кузнечно-штамповочное

производство. – 1979. – № 6. – С. 12–13.