УДК 621.777.24

 

 

Мезенцева О.М., Гуренко Д.А.

Самарский Государственный Аэрокосмический Университет

Кафедра "Обработка металлов давлением"

 Научный руководитель: д.т.н., проф. Михеев В.А.

 

Процесс обратного выдавливания с активными силами трения получил широкое применение при изготовлении полуфабрикатов. Активные силы трения создаются в результате движения контейнера в сторону истечения металла.

Возникновение активных сил трения позволяет получать выдавливанием более качественные изделия. Материал заготовки, выдавливаемый из-под торца пуансона, течет в зазор между пуансоном и контейнером. Если относительная скорость контейнера возрастает, то силы трения, приложенные к заготовке, также возрастают. Обратное выдавливание с активными силами трения при различных скоростях контейнера позволяет снизить силы деформирования до 30%. Если же контейнер не закреплен и под действием сил трения, вызванных течением металла деформируемой заготовки, перемещается в направлении течения, то возможно снижение силы выдавливания  только до 8% по сравнению с обычным выдавливанием [1].

При обратном выдавливании наблюдается сложное напряженное состояние. Напряжения изменяются от одноименной схемы всестороннего сжатия до разноименной схемы с преобладающими напряжениями растяжения вблизи зоны свободного течения металла (рис. 1).

 

 

 

1 - пуансон, 2 - контейнер, 3 - выталкиватель

Рис. 1 -Механическая схема напряженно-деформированного состояния процесса обратного выдавливания по схеме подвижного контейнера

 

            Сложный характер распределения по объему заготовки имеет также и деформация. Наибольшую деформацию получают зоны заготовки, лежащие вблизи поверхности инструмента, передающего давление  на полуфабрикат. Различные зоны заготовки претерпевают различную деформацию, как по величине, так и по направлению.

            Величина неравномерности деформации по диаметральному сечению детали больше при малых  степенях обжатия. В зонах вблизи поверхности инструмента, передающего давление, и в очаге интенсивной деформации наблюдается значительная неравномерность деформации. Остальной объем заготовки проталкивается в формообразующую полость инструмента, практически не деформируясь.

            С ростом степени деформации зона наибольших деформаций уменьшается, но увеличивается величина деформации остального объема заготовки. Неравномерность деформаций по сечению снижается, а в конечной стадии процесса практически исчезает. Очагом пластической деформации охватывается не вся заготовка, а лишь зоны, прилегающие к формообразующим полостям инструмента.

Применение закона трения Амонтона-Кулона при анализе процессов выдавливания приводит к неудовлетворительным результатам, особенно при анализе объемных процессов деформирования. Это связано с наличием значительных нормальных напряжений, в результате чего происходит пластическая деформация контактной поверхности и потерю линейной зависимости силы трения от нормальной нагрузки [2]. Поэтому в теоретических исследованиях процессов выдавливания желательно использовать закон постоянного трения (закон Зибеля).

Согласно теории пластичности величина предельного касательного напряжения не может превышать . Из этого следует, что максимальное значение коэффициента трения равно 0,5, что подтверждает факт прилипания материала к инструменту с последующим его срезом в зоне контакта. Кроме этого, в приведенных выше работах принимали ряд допущений математического характера.

Штамповку выдавливанием стремятся применять для изготовле­ния поковок из труднодеформируемых металлов и сплавов, напряжение текучести которых более 700 МПа. Удельная сила деформирования, приложенная к торцу пуансона, при выдавливании та­ких материалов может быть  высокой. В этом случае труд­но ожидать удовлетворительной стойкости рабочих элементов штамповой оснастки.

В связи с указанным целесообразно выбирать такие схемы деформирования при штамповке выдавливанием, которые можно осуществить при приложении меньших удельных сил деформи­рования. В работах [1], [2] указано, что изменение характера приложения внешних сил, в частности сил трения, приводит к изменению схемы напряженного состояния и к уменьшению удельных сил деформирования на контактных поверхностях за­готовки и рабочего инструмента.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что выбор наи­более удачной схемы деформирования способствует повышению стойкости рабочего инструмента. В частности, выбор схемы деформирования заготовки при таких внешних силах пластические деформации будут равномерны в объеме заготовки. В этом случае направление касательных напряжений на боковой поверхности за­готовки и течение материала совпадают.

Ниже приведем выражения основных параметров процесса обратного выдавливания, т. е. удельной силы деформирования и относительной высоты очага пластической деформации, полученных Овчинниковым А.Г. и Дмитриевым А.М в работах [1], [2].

 

У Овчинникова А.Г.:

    ;

 

               &nb sp;                   ,

 

 

У Дмитриева А.М.:

   ;

 

               &nb sp;                ],

 

где  - относительный радиус контейнера, е – основание натурального логарифма,  – относительная величина рабочего хода выталкивателя, отнесенная к радиусу пуансона,  k_y – коэффициент упрочнения, учитывающий влияние среднего угла наклона кривой упрочнения на высоту очага пластической деформации,  начальная высота очага пластической деформации,  - коэффициент трения по контейнеру, - коэффициент трения по пуансону.

Однако при изучении вопроса получения  втулок  из сплава БрБ2 были выявлены факторы, которые влияют на технологические параметры процесса. В совокупности их влияние может оказаться большим. В результате образуется сложная многофакторная модель. Полный факторный анализ возможен на конечно-элементной модели процесса с применением программы Deform -2D. Изучив функциональные возможности программы Deform-2d, были выявлены введенные в нее допущения, например, закон трения по Кулону вместо Зибеля. Не смотря на это, конечно-элементный анализ позволяет обеспечить высокую степень дискретности расчетов, т.е. каждый конечный элемент может иметь свои значения нормальных и касательных напряжений. Это положение, наверняка, сглаживает результаты расчета и позволяет получить допустимую точность. Особенно это удобно при автоматизированном расчете с применением ЭВМ.

В программу DEFORM-2D механические свойства материала БрБ2 были заданы из диаграммы растяжения, полученной в результате проведения механических испытаний в лаборатории. Для восьми точек заданы значения напряжений и деформаций и занесены в табличном виде в программу (Рис. 2) В программе DEFORM-2D было запущено несколько задач. Все задачи проводились для полуфабриката диаметром 60 мм.

            При осуществлении моделирования процесса обратного выдавливания по схеме подвижного контейнера считалось, что выталкиватель перемещается со скоростью равной 27мм/с, при неподвижном пуансоне. Контейнер также перемещается в направлении движения течения металла с постоянной скоростью 100 мм/с. Коэффициенты трения задавались для всех вариантов задач и полуфабриката заданного диаметра, равными 0,18 и 0,09. В качестве сравнения толщина дна полуфабриката бралась 2 мм и 5 мм.

            Результаты расчета выборочно представлены в виде графиков, приведенных в данной статье.

 

 

 

 

Рис. 2 - Панель задания свойств материала при задании свойств сплава БрБ2

 

 

 

Рис. 2.10 - График зависимости усилия процесса от перемещения инструмента при обратном выдавливании с активным действием сил трении, с диаметром заготовки 60 мм и коэффициентом трения между заготовкой и деформирующим инструментом 0,09 (толщина дна 2 мм)

 

 

 

Рис. 2.11 - График зависимости усилия процесса от перемещения инструмента при обратном выдавливании с активным действием сил трении, с диаметром заготовки 60 мм и коэффициентом трения между заготовкой и деформирующим инструментом 0,09 (толщина дна 5 мм)

 

 

 

Рис.2.12 - График зависимости усилия процесса от перемещения инструмента при обратном выдавливании с активным действием сил трении, с диаметром заготовки 60 мм и коэффициентом трения между заготовкой и деформирующим инструментом 0,18 (толщина дна 2 мм)

 

 

 

Рис. 2.13 - График зависимости усилия процесса от перемещения инструмента при обратном выдавливании с активным действием сил трении, с диаметром заготовки 60 мм и коэффициентом трения между заготовкой и деформирующим инструментом 0,18 (толщина дна 5 мм)

 

 

В конечном итоге результаты расчетов усилия были сведены в таблицу 1.

 

Таблица 1 – Методы расчета усилий и отклонение (Δ,%) расчетных значений от значений полученных в программе DEFORM-2D

 

Метод расчета усилий	Значения усилий Р, Н
	Диаметр полуфабриката 36 мм				Диаметр полуфабриката 60 мм
	μ=0,09	Δ,%	μ=0,18	Δ,%	μ=0,09	Δ,%	μ=0,18	Δ,%
Метод   Овчинникова	487208,5	-16	471032	-20	2329312	-10	2264458	-14
Метод Дмитриева	635902	+9	595560	+1	2741884,5	+5	2597280	-1
Усилия, рассчитанные в программе DEFORM-2D	580415,7	-	589087,4	-	2604000,8	-	2631952,8	-

 

Результаты расчета, полученные в Deform-2D, близки к результатам Дмитриева А.М  в работе [2] в пределах (1…9) % в зависимости от коэффициента трения. Такое сближение результатов расчета связано с учетом тянущей силы подвижного контейнера.

Результаты расчетов, полученные в Deform-2D,  позволят быстрей подойти к отладке процесса изготовления втулок из бериллиевой бронзы на специализированном прессе с подвижным контейнером и установить оптимальные силовые параметры. Из втулок получают кольцевые детали подшипников шарошечных долот. В этих исследованиях заинтересованно передовое Самарское предприятия "ВолгаБурМаш".

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

1. Овчинников А.Г. Основы теории штамповки выдавливанием на прессах: учебное пособие для вузов / А.Г.Овчинников. – М.: Машиностроение, 1983. – 200 с.

2. Дмитриев А.М. Технология ковки и объемной штамповки. Часть 1: Объемная штамповка выдавливанием: учебное пособие для вузов / А.М. Дмитриев, А.Л. Воронцов. – М.: Высшая школа, 2002. – 400 с.