Cold extrusion with differentiated counter-pressure of die cavities

Full Text

Введение Современное развитие холодной объемной штамповки связано с усложнением формы изделий и расширением марки сталей и сплавов, из которых изготавливают изделия повышенной надежности и долговечности. Для повышения стойкости деформирующего инструмента штампов для горячей объемной и листовой штамповки, пресс-форм и литейных форм при изготовлении таких деталей используют холодное выдавливание (ХВ). Эффективность ХВ для изготовления деталей штампов и пресс-форм приведена в [1]. Однако из-за низкой пластичности штамповых и инструментальных сталей традиционное ХВ не обеспечивает больших глубин вдавливания пуансона, а также имеет место незаполнение гравюры полости сложной формы. Для повышения пластичности сталей при холодном формообразовании изделий используют схемы выдавливания с увеличенным гидростатическим давлением в очаге деформации, например с помощью приложения противодавления жидкостью под высоким давлением. Эффективность действия жидкости под высоким давлением на пластичность при механических испытаниях образцов и в процессах прямого выдавливания показана в работах [2-5]. Получение полостей штампов и пресс-форм холодным выдавливанием с противодавлением позволяет увеличить глубину вдавливания за один переход и повысить стойкость мастер-пуансонов [5]. Приложение дифференцированного противодавления на заготовку при ХВ заготовок чеканочных штемпелей и полостей, когда величина противодавления изменяется пропорционально повышению сопротивления деформированию, позволяет существенно повысить их стойкость [6, 7]. Целью данной работы является определение параметров ХВ сферическим пуансоном полостей в условиях действия противодавления на свободную поверхность заготовок. Рисунок 1. Схема выдавливания полости с противодавлением Рисунок 2. Схема выдавливания полости сферическим пуансоном для анализа ИМ Постановка задачи. Для ХВ полостей с дифференцированным противодавлением использовали схему, которая показана на рисунке 1. Исходное положение перед выдавливанием отображено слева от оси симметрии. Контейнер 1 установлен с возможностью перемещения на опоре 2 с уплотнениями 3. Опора 2 крепится на нижней плите 4 штампа. Контейнер имеет два канала разного диаметра: верхний 5 и нижний 6, которые соединены отверстиями 7 для свободного перетекания жидкости. В канал 5 установлен и зафиксирован мастер-пуансон 8. Каналы 5 и 6 заполняют рабочей жидкостью и устанавливают заготовку 9, на торец которой прикладывают усилие Рд через пуансон 10. Заготовка начинает перемещаться и вытесняет жидкость из канала 5 в канал 6. Контейнер 1 поднимается вверх. Когда пуансон 8 коснется заготовки 9, в жидкости возникает давление р. За счет давления и разности площадей каналов возникает осевое усилие: Рос = р (F6 – F5), где F6 – площадь канала 6; F5 – площадь канала 5. Действие усилия Рос направлено навстречу пуансону и возрастает пропорционально росту давления р. Когда Рос достигает величины необходимой для деформирования заготовки 9, пуансон 8 начинает выдавливать полость в заготовке. В процессе деформирования на свободную поверхность заготовки действует противодавление жидкости р, которое зависит от величины Рд. Выталкивание заготовки после выдавливания осуществляют вторым ходом пресса. Контейнер 1 опускают вниз, жидкость перетекает из канала 6 в канал 5 и выталкивает заготовку 9 с контейнера 1. Для приведенной схемы необходимо получить аналитические зависимости для определения напряжений на контактных поверхностях и усилия выдавливания сферическим пуансоном, провести численный эксперимент методом конечных элементов (МКЭ), выполнить экспериментальные исследования и сравнить полученные результаты. Результаты. Для расчета усилия ХВ с противодавлением полостей сферическим пуансоном проведено решение задачи инженерным методом (ИМ). Расчетная схема показана на рисунке 2. Заготовка 2, которая установлена в матрице 3 и деформируется пуансоном 1, разделена на три объема: 1 – очаг деформации, 2 и 3 недеформируемые объемы. На торец заготовки действует противодавление р. При решении задачи использовали подход Степанского Л.Г. [8]. По методике [9] учтено влияние трения на калибрующем пояске пуансона высотой l и матрице по длине h, которое приводит к возникновению удельного усилия в стенке: , (1) где: - коэффициент трения, - напряжение текучести сдеформированного металла во 2 объеме. Совместным решением уравнений равновесия в сферических координатах и приближенного условия пластичности получены формулы для определения напряжений и : , (2) , (3) где: - напряжение текучести металла в 1 объеме. По напряжению из (3) и элементарной площади сферического торца пуансона интегрированием определена вертикальная составляющая усилия выдавливания с учетом расчета радиусов и через , и угол : , (4) где - среднее значение с учетом упрочнения напряжения текучести в очаге деформации, которое по известной аппроксимации кривой упрочнения найдено в следующей последовательности: ;;. (5) В первой формуле из (5) - предел прочности, - относительное сужение, соответствующее моменту образования шейки на образце при испытании на растяжение, - текущее значение относительного сужения. Величину нужно подставлять вместо при вычислении по выражению (1). Для проверки адекватности решения задачи ИМ был проведенный численный эксперимент МКЭ на примере выдавливания заготовки из стали Р6М5 сферическим пуансоном в условиях действия противодавления на свободную поверхность заготовки. Моделирование проводили с помощью программного комплекса DEFORM, который был предоставлен на правах временной лицензии компанией «ТЕСИС». С помощью моделирования установлено необходимое максимальное противодавление, которое обеспечивает выдавливание без разрушения, усилие процесса, распределение напряжений Рисунок 3. Схема выдавливания для моделирования МКЭ на деформирующем инструменте, напряжённо-деформированное состояние и степень использования ресурса пластичности металла, а также конечные размеры полученного изделия. Процесс выдавливания полости матрицы сферическим пуансоном в заготовке из стали Р6М5 рассматривали как осесимметричную задачу. На рисунке 4 приведена схема для моделирования МКЭ выдавливания полости в условиях действия дифференцированного противодавления р на свободную поверхность заготовки с учетом уменьшения ее при выдавливании. Заготовку 1 устанавливают в контейнер 2 на мастер-пуансон 3. Усилие выдавливания Рд прикладывают с помощью пуансона 4. Величина противодавления в процессе выдавливания переменная и зависит от усилия Рд. Расчетная зависимость усилия выдавливания от перемещения пуансона показана на рисунке 4. Максимальное значение усилия в конце рабочего хода составило 6,91 МН. Расхождение результатов по максимальной величине усилия, рассчитанного по формуле (4), и МКЭ не превышает 8%. Изменение величины противодавления р от перемещения пуансона показано на рис 5. Максимальное значение противодавления в конце выдавливания составило 680 МПа, величина противодавления пропорционально зависит от усилия Рд. Распределение использованного ресурса пластичности ψ металла после деформации по объему заготовки показано на рисунке 6, максимальное значение составило ψ = 0,8. На рисунке 8 показано распределение интенсивности деформаций εi и интенсивности напряжений σi по объему деформированной заготовки с приложением противодавления. Рисунок 4. Зависимость усилия выдавливания от перемещения пуансона Рисунок 5. Изменение противодавления при перемещении пуансона По распределению интенсивности деформации εi (рисунок 8а) можно оценить проработку структуры металла холодной пластической деформацией. Интенсивная проработка распространяется на треть заготовки по высоте. Тем самым создается улучшенная макроструктура в заготовке, что приводит к повышению стойкости полостей при эксплуатации. Распределение интенсивности напряжений σi (рисунок 8.б) определяет распространение очага деформации и величину упрочнения металла в заготовке. Очаг деформации распространяется на всю высоту по оси заготовки. Рисунок 6. Распределение использованного ресурса пластичности ψ а) б) Рисунок 7. Распределение интенсивности деформаций εi (а) и распределение интенсивности напряжений σi (б) Рисунок 8. Распределение радиальных напряжений σρ на контейнере Рисунок 9. Распределение нормальных напряжений σn на мастер-пуансоне Рисунок 10. Распределение осевых напряжений σz на пуансоне а) б) Рисунок 11. Мастер -пуансон (а) и заготовки после выдавливания (б) Распределение радиальных напряжений σρ по высоте поверхности заготовки, которая контактирует с контейнером, показано на рисунке 8. Максимальное значение радиальных напряжений по абсолютной величине на стенке матрицы составило 1550 МПа. На рисунке 9 приведено распределение нормальных напряжений σn по радиусу поверхности мастер-пуансона. Из характера распределения и геометрии пуансона (см. рисунок 4) видно, что на большинстве поверхности пуансона действуют напряжения σn = -2700 МПа. Распределение осевых напряжений σz на пуансоне показано на рисунке 10, где максимальное значение по абсолютной величине на оси составило 1900 МПа. Распределение напряжений на рабочей поверхности инструмента позволяет выбрать материал для пуансонов и количество бандажей матрицы. Было проведено экспериментальное исследование выдавливания полостей матриц в условиях действия противодавления на гидравлическом прессе ПО443 усилием 20 МН. На рисунке 11а показан мастер-пуансон. Заготовки полостей матриц из стали Р6М5, полученные ХВ с противодавлением, приведены рисунке 11б. Выводы Инженерным методом с учетом трения и упрочнения получены зависимости для расчета напряжений на контактных поверхностях заготовки и инструмента, усилия выдавливания полостей сферическим пуансоном. Компьютерным моделированием методом конечных элементов проведены численные эксперименты на примере выдавливания сферическим пуансоном полости в заготовке из стали Р6М5 в условиях действия противодавления. Установлено необходимое максимальное противодавление, которое обеспечивает выдавливание без разрушения, усилие процесса, распределение напряжений на деформирующем инструменте, напряжённо-деформированное состояние и степень использования ресурса пластичности металла, а также конечные размеры полученных изделий. Проведено экспериментальное выдавливание полостей сферическим пуансоном в заготовках из стали Р6М5.

About the authors

V. L Kaljuzhnyj

National Technical University of Ukraine 'Kyiv Polytechnic Institute'

Email: k_omd@ukr.net
8(044)454-96-11

V. V Pimanov

National Technical University of Ukraine 'Kyiv Polytechnic Institute'

Email: pimanov@ukr.net
8(044)454-96-11

References

Supplementary files