The quality of products improving for flanging of circular holes in sheet metal blanks and profiles

Full Text

Введение Отбортовка отверстий в листовых заготовках и профилях – широко распространенная формообразующая операция листовой штамповки. Она также используется для увеличения высоты деталей после вытяжки. Часто детали, полученные отбортовкой, используются для образования разъемных и неразъемных соединений с другими изделиями. При отбортовке отверстий различной конфигурации в традиционной листовой заготовке или профиле имеет место утонение сдеформированной стенки начиная с радиуса закругления матрицы до торца, где величина утонения наибольшая, а также до искривления цилиндрической части изделия. Утонение и искривления приводят к уменьшению качества изделий, которые получены отбортовкой, и снижению надежности и долговечности разъемных и неразъемных соединений отбортованных деталей с другими изделиями. При проектировании технологами отбортовки расчеты в основном сводятся к определению коэффициента и усилия отбортовки [1-3]. Мало данных об изменении толщины отбортованной части, упрочнении металла после деформации на конечных размерах изделий. Вопросам прогнозирования и обеспечения качества изделий при отбортовке круглых отверстий в традиционной листовой заготовке посвящена работа [4]. Влияние геометрической формы пуансона на качество изделий при отбортовке круглых отверстий рассмотрено в [5]. Для устранения дефектов в виде утонения и искривления стенки был предложен способ отбортовки, сущность которого состоит в отбортовке отверстий в предварительно спрофилированной листовой заготовке или профиле [6]. Профилирование обеспечивает получение утолщения необходимой конфигурации части исходной заготовки, которая подлежит отбортовке. После отбортовки толщина стенки может быть равна или больше толщины исходной заготовки. Утолщение можно получить путем формообразования отверстий выдавливанием или сферодвижной штамповкой. Последовательность операций отбортовки с обеспечением толщины стенки, которая не меньше толщины исходной заготовки, приведена на рисунке 1. На первой операции (рисунок 1а) в заготовке 1, которая установлена на плите 5 и зафиксирована прижимом 3, пуансоном 4 выполняется выдавливание отверстия с образованием перемычки и течением металла в зазор между прижимом. Причем угол боковой поверхности пуансона выбирают таким, чтобы торец изделия после отбортовки был ровным. В результате получена спрофилированная заготовка 2. На второй операции (рисунок 1б) в спрофилированной заготовке, установленной на матрице 2, пуансоном 3 пробивается перемычка 4. Отбортовка спрофилированной заготовки 1, размещенной на матрице 2, при помощи пуансона 3 выполняется на третьей операции (рисунок 1в). В результате получено изделие 4 с толщиной стенки не меньшей толщины исходной заготовки и цилиндрической частью без искривления. а) б) в) Рисунок 1. Последовательность операций получения отбортовкой изделий с толщиной стенки, которая не меньше толщины исходной заготовки Преимущества нового способа отбортовки, в сравнении с традиционной заготовкой, рассмотрены в работе [6]. Однако актуальными задачами остаются получение аналитических зависимостей для определения усилия отбортовки спрофилированной заготовки и размеров исходного профиля заготовки, который обеспечивает постоянную толщину стенки после отбортовки, а также установление параметров отбортовки спрофилированной заготовки и отбортовки с утонением. Необходимо выявить качество изделий и выполнить сравнение качества с отбортовкой традиционной заготовки. Показателями качества приняты форма и размеры изделий, упрочнение и степень использования ресурса пластичности метала после деформации. Постановка задачи В работе поставлены следующие задачи: проведение теоретического анализа отбортовки сферическим пуансоном круглых отверстий в спрофилированных заготовках инженерным методом (ИМ) с получением аналитических зависимостей для определения напряженного состояния, размеров исходного профиля, который обеспечивает постоянную толщину стенки отбортованной части, и усилия отбортовки; проведение численных экспериментов методом конечных элементов (МКЭ) отбортовки традиционной и спрофилированной листовой заготовки; выполнение сравнения результатов по ИМ и МКЭ. Результаты исследований С использованием ИМ проведен анализ отбортовки отверстия сферическим пуансоном в предварительно спрофилированной заготовке. Задача осесимметричная, расчетная схема показана на рисунке 2. Справа от оси приведено исходное состояние. Заготовка 1, установленная на матрице 2, деформируется пуансоном 3. Начальная толщина профиля возле отверстия радиусом равняется с дальнейшим уменьшение до исходной толщины на радиусе . На заготовке выделен произвольный радиус . Слева от оси показано положение на промежуточной стадии отбортовки при усилии . На поверхности элементарного объема действуют сжимающие напряжения от пуансона и касательные напряжения , в объеме возникают растягивающие напряжения и . В этот момент отбортовки радиус увеличился до , а - до . Используем сферические координаты. Рисунок 1. Расчетная схема: 1 – заготовка, 2 – матрица, 3 - пуансон Если записать условия равновесия сил от действующих напряжений на направления k-k и n-n, то получаем два уравнения равновесия: ; . (1) С учетом, что (-коэффициент трения) и в первом уравнении равновесия , подставляя величину из первого уравнения равновесия во второе, получаем: . (2) Если на данном этапе пренебречь изменением толщины с учетом приближенного условия пластичности [8], после интегрирования (2) и определения произвольной постоянной из условия при напряжение имеем: . (3) Максимальная величина напряжения будет при : . (4) Сделаем замену: . (5) Тогда из (4) получаем: . (6) Для определения размеров исходного профиля заготовки , который обеспечит постоянную толщину стенки после отбортовки проведено решение без влияния сил трения. Тогда из уравнения (2) аналогично получаем: . (7) Тогда, используя решения Е.А. Попова для отбортовки отверстий плоским пуансоном, можно получить выражения для определения изменения толщины при отбортовке спрофилированной заготовки: или . (8) Если во втором выражении в (8) вместо подставить , а радиус заменить на , то получим формулы для определения высоты профиля , которая обеспечит постоянную толщину отбортованной стенки, и изменения толщины при отбортовке: и . (9) Для приближенного учета упрочнения при отбортовке спрофилированной заготовки используем решение Попова Е.А. для отбортовки традиционной заготовки [8], которое позволяет определить радиус отверстия , обеспечивающий экстремальное значение напряжению . В принятых обозначениях имеем: . (10) В уравнении (5) - относительное сужение, соответствующее образованию шейки в образце при испытании на растяжение. Тогда экстремальное значение для нашего случая из (6) имеет вид: . (11) По напряжению из (11) можно определить максимальное значение усилия отбортовки с использованием степенной аппроксимации диаграммы истинных напряжений для нахождения величины [8]: . (12) В (12) - предел прочности. Формула для определения усилия, с учетом проекции напряжения , имеет вид: . (13) Подставляем в (13) выражения для из (11) и из (12): . (14) Величину можно приблизительно определить из геометрических соотношений по расчетной схеме: . (15) Для проверки адекватности решения ИМ проведен численный эксперимент отбортовки спрофилированной заготовки с использованием МКЭ и лицензированной программы DEFORM. На рисунке 2 приведена расчетная схема, Спрофилированная листовая заготовка 1 из малоуглеродистой стали толщиной =3 мм и отверстием радиусом =13,45 мм установлена на матрице 2, которая имеет радиусы отверстия =35 мм и закругления =10 мм, и фиксируется прижимом 3. Отбортовка выполняется сферическим пуансоном 4 радиусом =32 мм. Моделированием МКЭ определены форма и размеры профиля, который обеспечит постоянную толщину отбортованной стенки: толщина =4,8 мм с уменьшением до на радиусе45 мм. В скобках приведен размер =4,75 мм, который получен по формуле (9). На рисунке 3 приведена зависимость усилия отбортовки от перемещения пуансона, полученная МКЭ и приведено максимальное значение усилия, рассчитанное ИМ по формуле (14) . Различие в величинах составляет 10 %. Отбортовка традиционной заготовки приводит к утонению стенки с 3 мм до 1,84 мм и искривлению, которое составляет 1,16 мм. Предварительно спрофилированная заготовка обеспечивает постоянную толщину 3 мм отбортованной части без искривления. Был также проведен МКЭ сравнительный расчетный анализ отбортовки с дальнейшим утонением стенки в заготовках из малоуглеродистой стали с размерами инструмента и заготовок: =21,5 мм, rм=7 мм, =20,5 мм, =10 мм, =1,5 мм, =2,2 мм,. =21 мм, =10 мм. На рисунке 5 приведены форма и размеры заготовок после отбортовки с утонением стенки (односторонний зазор между пуансоном и матрицей был 1 мм). Выявлено, что утонение стенки после отбортовки спрофилированной заготовки позволяет получать на 15 % больше высоту отбортованной части по сравнению с традиционной заготовкой. Кроме того, утонение стенок после отбортовки спрофилированной заготовки приводит к более интенсивной проработке структуры металла холодной пластической деформацией. Рисунок 2. Расчетная схема для анализа МСЭ. Размеры в миллиметрах. Рисунок. 3. Зависимости усилия от перемещения пуансона, полученные по МКЭ и ИМ. На рисунке 4 приведены форма и размеры (L) сдеформированной части изделий, полученных отбортовкой традиционной (а) и спрофилированной (б) заготовок. а) б) а) б) Рисунок 4. Форма и размеры отбортованной части: а- традиционная заготовка, б - спрофилированная заготовка (размеры в миллиметрах) Рисунок 5. Размеры (в миллиметрах) заготовок после отбортовки и утонения: а- традиционная заготовка, б- спрофилированная заготовка Выводы 1. Предложен способ отбортовки отверстий в спрофилированной заготовке, который обеспечивает постоянную толщину стенки изделия и экономию металла при образовании отверстий. Сущность способа состоит в образовании отверстий выдавливанием с получением профилированной заготовки и последующими пробивкой перемычки и отбортовки. 2. Инженерным методом получены аналитические зависимости для определения напряжений, усилия отбортовки и размеров исходного профиля, который обеспечивает постоянную толщину стенки отбортованной части. 3. Методом конечных элементов проведен сравнительный анализ отбортовки отверстий в традиционной и спрофилированной заготовках. Результаты моделирования позволят использовать зависимости для инженерных расчетов параметров отбортовки спрофилированной заготовки. 4. Показаны преимущества отбортовки спрофилированной заготовки, которая позволят получать в изделии постоянную толщину стенки без искривлений и большую высоту стенки при отбортовке с утонением.

About the authors

V. L Kaljuzhnyj

National Technical University of Ukraine 'Kyiv Polytechnic Institute'

Email: k_omd@ukr.net
Dr.Eng., Prof.; 8(044)454-96-11

References

Supplementary files