21_Kuhar.doc Исследование напряжённо - деформированного состояния заготовок при профилировании выпуклыми плитами ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 132 Кухарь В.В., Николенко Р.С. Приазовский государственный технический университет, г. Мариуполь, Украина ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЁННО - ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЗАГОТОВОК ПРИ ПРОФИЛИРОВАНИИ ВЫПУКЛЫМИ ПЛИТАМИ С ЭКСЦЕНТРИСИТЕТОМ НАГРУЗКИ Введение Внедрение в производство прогрессивных процессов обработки материалов давлением с макси- мальным приближением формы заготовки к форме готового изделия, т.е. с предварительным профили- рованием, позволяет значительно сократить потери материала в облой и заусенец, снизить затраты на по- следующую механическую обработку, а также повысить стойкость штампового инструмента. Наиболее актуальными вопросы профилирования заготовок остаются для процессов горячей объёмной штамповки, в которых штампы, подвергаясь интенсивному ударно-абразивному износу, воз- действию высоких температур и давлений, работают в весьма неблагоприятных условиях [1]. Подготовка формы заготовки позволяет перераспределить силовые режимы по переходам, улучшить заполнение ручьев, снизить контактные давления, обеспечив лучшее напряженно-деформированное состоя- ние (НДС) инструмента, которое напрямую связано с НДС штампуемого материала. Введение предвари- тельного профилирования позволяет в 1,4 … 2 раза повысить стойкость окончательных ручьев [1]. Кроме того, выбранный способ профилирования заготовки должен быть экономически целесообразным и соот- ветствовать требованиям быстрой перестройки структуры технологических процессов на новую номенк- латуру изделий без использования дополнительного специализированного оборудования. С данной точки зрения наиболее перспективным направлением является развитие способов про- филирования на основном штамповочном оборудовании, причем на кривошипных горячештамповочных прессах (КГШП) использование подготовительно-заготовительных переходов особо затруднено из-за по- стоянства величины рабочего хода главного исполнительного механизма. Поэтому в настоящее время разработан ряд бесштамповых технологий подготовки заготовок под объемную штамповку [2], в частно- сти процессы осадки выпуклыми плитами, которые дают достаточно хорошие результаты. Анализ последних исследований и публикаций Применение осадки выпуклыми сферическими плитами известно в процессах ковки [3], когда данная операция способствует улучшению проработки внутренних слоёв слитков. Осадка выпуклыми продолговатыми плитами достаточно изучена как с точки зрения развития формоизменения [4], так и с точки зрения изменений НДС [5]. Технологии, включающие осадку выпуклыми плитами, успешно ис- пользованы в промышленности [6], однако номенклатура изделий, под которые данный способ профили- рования оптимально подходит, не является распространённой. Для расширения технологических воз- можностей заготовительных операций, выполняемых на КГШП, предложено рассмотреть процесс осадки выпуклыми продолговатыми плитами с эксцентриситетом их внедрения в торец цилиндрической заго- товки (рис. 1). Исследование НДС позволит технологам научно-обоснованно выбирать режимы профи- лирования с ориентацией на последующие формоизменяющие (штамповочные) операции. Рис. 1 – Переходы штамповки сложной поковки с предварительным профилированием заготовки осадкой выпуклыми продолговатыми плитами с эксцентриситетом: 1 – осадочные плиты с радиусом выпуклости R; 2 – исходная заготовка диаметром D0 и высотой H0; 3 – профилированная заготовка (размеры h, h1 и h2); 4 – поковка без облоя (габариты An и Bn); e – эксцентриситет оси плит и оси заготовки Цель исследований Целью работы является исследование влияния величины радиуса выпуклых осадочных продол- говатых (цилиндрических) плит при пластической осадке с фиксированным эксцентриситетом внедрения данных плит в торец заготовки на напряжённо-деформированное состояние материала. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Исследование напряжённо - деформированного состояния заготовок при профилировании выпуклыми плитами ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 133 Изложение основного материала Исследование проводили с использованием пакета для конечно-элементного анализа Deform 3D. Объектом моделирования был процесс осадки цилиндрической заготовки с диаметром 0D = 50 мм и вы- сотой 0H = 50 мм (отношение 00 / DH = 1,0). Температурные условия принимали изотермическими, температура деформации 1100 °С. Заданное количество конечных элементов составляло 10000 шт., одна- ко, после генерации сетки, количество элементов было принято 7847 шт. Материал заготовки – сталь 45, при этом модель упрочнения, также как и граничные условия, взяты в соответствии с условиями, пред- ложенными программой. Коэффициент контактного трения при деформации, согласно рекомендациям источника [7], принимаем f = 0,3. В связи с тем, что результаты моделирования в широком диапазоне отношений радиуса осадочных плит R к диаметру заготовки 0D предполагается проверить экспери- ментально путём осадки на испытательной машине, скорость деформирования принята υ = 1 мм/с. Осадку выполняли до относительных степеней обжатия hε = ×∆ )/( 0Hh 100 % = 70 %, где h∆ – величина хода инструмента (абсолютное обжатие), мм. Значение эксцентриситета при осадке, т.е. несовпадение оси заготовка и вертикальной оси осадочных плит, принимали e = 12,5 мм. Для определе- ния влияния величины радиуса выпуклости осадочных плит на характеристики НДС заготовки, проводи- ли моделирование осадки при R = 30 мм; 50 мм; 75 мм и 112,5 мм, т.е. относительный радиус составлял 0/ DR = 0,6; 1,0; 1,5 и 2,25. Результаты моделирования в виде осаженных заготовок с распределением интенсивностей на- пряжений iσ и интенсивностей деформаций iε на боковой поверхности приведены в табл. В связи с на- личием эксцентриситета при осадке параметры НДС на поверхности заготовки распределяются неравно- мерно. Наибольшие значения параметров НДС характерны для середины высоты заготовки в областях, находящихся на оси движения осадочных плит. Для удобства отслеживания изменений iε и iσ на различных участках заготовки с ростом величины hε от 20 % до 70 %, выделим в твердотельной модели характерные точки-маркеры (рис. 2), в которых будем проводить идентификацию НДС: - точка № 1 – на середине высоты боковой поверхности левой части заготовки; - точка № 2 – на середине высоты боковой поверхности правой части заготовки; - точка № 3 – на контактной поверхности по оси симметрии плит (в плоскости максимального локального обжатия); - точка № 4 – на боковой поверхности по оси симметрии плит; - точка № 5 – в центральной части заготовки на пересечении оси симметрии плит с горизонтальной осью симметрии заготовки. а б Рис. 2 – Твердотельная модель осаженной заготовки (а) и её половина по продольному разрезу (б) с обозначенными точками-маркерами для исследования изменений НДС Изменение интенсивностей напряжений и интенсивностей деформаций в указанных точках с увеличением обжатия hε при различном отношении 0/ DR показано на рис. 3. Анализируя график )/;( 0DRf hi ε=σ (рис. 3) отметим общую тенденцию к увеличению зна- чений интенсивности напряжений с ростом обжатия hε . Причём наименьшие значения iσ соответству- ют точке № 2, а максимальные – точке № 3, где сильно влияние давления на контакте. Отметим, что при малых величинах 0D/R в точке № 2 наблюдаются меньшие значения iσ , чем при большем соотноше- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Исследование напряжённо - деформированного состояния заготовок при профилировании выпуклыми плитами ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 134 нии 0/ DR . С увеличением отношения 0/ DR при осадке наблюдается уменьшение значений iσ в точ- ке № 3, что связано с перераспределением давления на контакте по большей опорной площади. Таблица Результаты моделирования эксцентричной осадки заготовки (H0 = 50 мм, D0 = 50 мм) выпуклыми продолговатыми осадочными плитами до εh = 70 % Радиус (относительный радиус) выпуклости осадочных плит Интенсивность деформаций, iε Интенсивность напряжений, iσ , МПа R = 30 мм ( 0/ DR = 0,6 ) R = 50 мм ( 0/ DR = 1,0 ) R = 75 мм ( 0/ DR = 1,5 ) R = 112,5 мм ( 0/ DR = 2,25 ) Аналогичным образом представлены графики изменения распределения iε в различных точках с увеличением деформационных обжатий (рис. 3). PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Исследование напряжённо - деформированного состояния заготовок при профилировании выпуклыми плитами ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 135 Рис. 3 – Зависимости распределения интенсивностей напряжений (σi) и интенсивностей деформаций (εi) в процессе осадки с эксцентриситетом (е = 12,5 мм) от отношения R/D0 для различных точек-маркеров (R/D0 = R/D0) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Исследование напряжённо - деформированного состояния заготовок при профилировании выпуклыми плитами ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 136 Анализируя график )/;( 0DRf hi ε=ε необходимо отметить, что с ростом обжатия hε также наблюдается общее увеличение значений интенсивностей деформаций. Причём наименьшее значение iε соответствует точке № 2, а максимальное – точке № 4. Следует заметить, что в точке № 3, несмотря на существенные значения полей интенсивностей напряжений, величины интенсивностей деформаций сравнительно невелики, что связано с незначительным искажением сетки из-за влияния сил трения на контакте инструмента и пластически деформируемой заготовки. При малых величинах 0/ DR значения iε в точке № 2 регистрируются меньшие, чем при большем соотношении 0/ DR . С увеличением отно- шения 0/ DR при осадке происходит возрастание значений iε в точке № 4. Для контактной точки № 3 характерно увеличение значений iε с ростом отношения 0/ DR . Также значительное изменение в сторону увеличения характеристик НДС наблюдается в точ- ке № 5, причём с ростом 0/ DR величины iσ и iε возрастают. Выводы На основе полученных результатов моделирования установлено, что в начальный момент осадки интенсивности напряжений и деформаций локализируются в контактных зонах заготовки с инструмен- том, а увеличение обжатия приводит к переносу акцента значений параметров НДС от контактной по- верхности к центру и периферии заготовки в её горизонтальной плоскости симметрии. Выявлено, что при осадке с эксцентриситетом приложения нагрузки параметры НДС материала на боковой поверхности зависят от величины отношения 0D/R и распределяются неравномерно. Об- ласти максимальных значений iσ и iε смещаются к левому краю заготовки (в сторону эксцентриситета приложения нагрузки). Во всех точках, кроме точки № 3, с увеличением 0/ DR наблюдается общее уве- личение значений интенсивности напряжений и интенсивности деформаций. Перспективным направлением исследований процесса осадки выпуклыми продолговатыми пли- тами с эксцентриситетом приложения нагрузки является изучение и аналитическое описание закономер- ностей формоизменения заготовки при предварительном профилировании с точки зрения разработки ме- тодики расчета переходов штамповки, а также оценка преимуществ профилирования, связанных со сни- жением опасных напряжений в штамповых ручьях для окончательных переходов. Литература 1. Довнар С.А. Термомеханика упрочнения и разрушения штампов объёмной штамповки / С.А. Довнар. – М.: Машиностроение, 1975. – 254 с. 2. Гринкевич В.А. Бесштамповое профилирование на прессах с повышением точности формоизме- нения на окончательных операциях / В.А. Гринкевич, В.В. Кухарь, К.К. Диамантопуло // Кузнечно– штамповочное пр-во. Обраб. материалов давлением. – 2010. – № 5. – С. 19-23. 3. Тарновский И.Я. Свободная ковка на прессах / И.Я. Тарновский, В.Н. Трубин, М.Г. Златкин – М.: Машиностроение, 1967. – 328 с. 4. Кухарь В.В. Моделирование формоизменения металла при осадке цилиндрических заготовок выпуклыми продолговатыми плитами / В.В. Кухарь, С.А. Короткий, В.А. Бурко // Вісник Хмельницького нац. ун-ту. – Хмельницький, 2008. – № 5. – С. 204-208. 5. Кухарь В.В. Влияние радиусности выпуклых продолговатых осадочных плит на деформирован- ное состояние и степень использования запаса пластичности при кузнечной осадке / В.В. Кухарь // Обра- ботка материалов давлением: сб. науч. тр. / ДГМА. – Краматорск, 2012. – № 1 (30). – С. 105-111. 6. Совершенствование технологии штамповки на КГШП поковок для деталей поглощающих аппа- ратов / В.В. Кухарь, В.А. Бурко, С.А. Короткий, Е.Ю. Балалаева // Обработка материалов давлением: сб. науч. тр. / ДГМА. – Краматорск, 2010. – № 3 (24). – С. 69-75. 7. Грудев А.П. Трение и смазки при обработке металлов давлением: справочник / А.П. Грудев, Ю.В. Зильберг, В.Т. Тилик. – М.: Металлургия, 1982. – 312 с. Надійшла 14.08.2012 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com