Full Text

В современном машиностроении большое значение имеет стойкость инструментальной оснастки, ее износостойкость и ресурс рабочей поверхности. Одним из факторов, влияющих на износ рабочей поверхности штампового инструмента, является напряженно-деформированное состояние инструментального материала в зоне деформации. Рабочие поверхности штампового инструмента (пуансонов и матриц) работают в специфических условиях: ударные нагрузки, высокие значения коэффициентов трения, что в совокупности обусловливает существенное снижение эксплуатационного ресурса пуансонов и матриц, а также образование неоднородных схем напряженно-деформированного состояния. В Ульяновском государственном техническом университете на кафедрах «Материаловедение и обработка металлов давлением» и «Инновационные технологии в машиностроении» совместно с АО «Ульяновский НИАТ» и АО «Ульяновский патронный завод» проводятся исследования технологии повышения стойкости штампового инструмента с использованием износостойких покрытий, наносимых методами ионно-плазменного напыления [1-10]. Одним из инструментов для изучения особенностей НДС является построение математических моделей с использованием программных средств, позволяющих производить анализ и прогнозирование развития НДС в исследуемой зоне (зоне контакта рабочих поверхностей инструмента и материала заготовки). Сотрудниками кафедр «Материаловедение и обработка металлов давлением» и «Инновационные технологии в машиностроении» совместно с предприятием АО «Ульяновский НИАТ» с целью определения влияния износостойкого покрытия на основе нитрида титана на напряженно-деформированное состояние рабочей зоны инструмента были проведены исследования по построению математической модели процесса вырубки. Для построения математической модели был выбран метод конечных элементов, реализованный в программном пакете Ansys LS-DYNA. LS-DYNA - это многоцелевая программа, предназначенная для анализа нелинейного динамического отклика трехмерных неупругих структур. Программа использует следующие методы: дискретные методы, бессеточные методы [11-17]. Моделирование процесса вырубки осуществлялось поэтапно в следующей последовательности: - построение исходных моделей процессов вырубки-пробивки (оценка НДС); - построение моделей инструмента с износостойким покрытием (оценка НДС); - сравнение НДС моделей без нанесенного износостойкого покрытия и с нанесенным на инструмент износостойким покрытием на основе нитрида титана. На первом этапе была построена конечно-элементная модель процесса вырубки со следующими параметрами: диаметр пуансона 10 мм, диаметр отверстия в матрице 10,05 мм, толщина вырубаемой заготовки 1 мм, межинструментальный зазор 0,05 мм, материал инструмента - инструментальная сталь (сталь марки Х12М), материал заготовки - алюминиевый сплав Д16 (рис. 1). В программе LS-DYNA были заданы следующие параметры процесса вырубки: тип материала - упругопластический, размер конечно-элементной сетки - (0,01×0,01) мм. При задании параметров материала инструмента использовался тип материала инструмента без учета разрушения; пластический тип материала вырубаемой заготовки; применялись справочные и экспериментальные данные, полученные на предыдущем этапе НИР, - кривые течения материала, результаты испытаний на растяжение, модуль упругости, коэффициент Пуассона и др. Рис. 1. Конечно-элементная 3D-модель процесса вырубки: 1 - пуансон (упрощенная модель); 2 - заготовка; 3 - матрица Представленная модель позволяет оценить НДС рабочей зоны, однако вследствие наличия большого количества расчетных элементов и наложенных ограничений требует длительного времени для расчетов (около двух суток) и является достаточно сложной для последующей модификации и корректировки. В то же время из-за большого размера ячеек конечно-элементной сетки данная модель не позволяет с достаточной степенью точности определить НДС в отдельных участках рабочей зоны - размер ячеек сетки превышает толщину покрытия на два порядка, поэтому для уменьшения времени расчета при одновременном уменьшении размеров ячеек конечно-элементной сетки был осуществлен переход к построению двухмерной модели в сечении и наложены соответствующие ограничения (рис. 2). Согласно данным справочной литературы [16, 17], данный переход позволяет повысить точность получаемых значений НДС в области рабочей зоны без повышения времени расчета. Рис. 2. 2D-модель процесса вырубки: 1 - заготовка; 2 - пуансон; 3 - матрица Оптимизированная модель позволяет уменьшить размер ячеек конечно-элементной сетки до значений 0,030 мм, а модель, выполненная в виде сечения, позволяет без внесения большого числа изменений преобразовывать данную модель под конкретные операции и габаритные размеры инструмента, определить НДС в отдельном сечении и распределение полей напряжений и деформаций на протяжении всего процесса штамповки с достаточно высокой точностью (в элементах размером 30×30 мкм) (рис. 3), что позволяет предугадывать образование критических зон и износ инструмента. На рис. 3, а, иллюстрирующем напряженно-деформированное состояние в рабочей зоне деформирования, градацией желтого и красного цветов показаны поля напряжений (по Мизесу) в начале процесса вырубки. Необходимо отметить, что данная модель при необходимости преобразуется в 3D-модель путем поворота вокруг центральной оси на заданный угол и позволяет рассчитывать поля напряжений по трем осям координат, однако в таком случае время расчета увеличивается значительно. а б Рис. 3. Модифицированная 2D-модель процесса вырубки: а - визуальное отображение полей напряжений в процессе вырубки; б - модель, модифицированная с учетом износостойкого покрытия На следующем этапе разработанная модель была скорректирована с учетом наличия износостойкого покрытия на основе нитрида титана толщиной около 30 мкм (см. рис. 3, б). Для этого часть конечно-элементной сетки заданной толщины была отделена от основного материала модели и к ней были приложены следующие параметры и ограничения: тип материала - хрупкий, вид контакта с инструментальной основой - абсолютный, модуль упругости - 300 ГПа. Параметры материала брались из справочной литературы, а также по результатам испытаний режущего инструмента с покрытием, проводимым на кафедре «Инновационные технологии в машиностроении» УлГТУ [1-10, 18, 19]. После добавления в модель износостойкого покрытия для увеличения точности расчета на рабочей кромке был добавлен искусственный радиус скругления R = 0,010 мкм, что обеспечило [19-25] приближение модели к реальному процессу и предотвратило искажение показаний модели в результате возможного появления концентратора напряжений. На рис. 4 представлено напряженно-деформированное состояние рабочей зоны в процессе вырубки (32-й шаг расчета из 110) - инструмент без покрытия демонстрирует более высокие и неравномерные значения поля напряжений. а б Рис. 4. НДС рабочей зоны инструмента в процессе вырубки: а - без износостойкого покрытия; б - с износостойким покрытием На рис. 5 представлены графики изменения напряженно-деформированного состояния в угловом элементе пуансона (в зоне очага деформации) на всем протяжении процесса вырубки (для инструмента без покрытия значение пиковых напряжений в элементе габаритными размерами 30×30 мкм составляет 2,2 ГПа, для упрочненного инструмента - не превышает 1,7 ГПа). Как видно из графических зависимостей и визуальной интерпретации поля напряжений, представленных на рис. 4 и 5, при использовании износостойкого покрытия наблюдается снижение пиков напряжений и сглаживание НДС в рабочей зоне (площадь поля напряжений уменьшается 1,5-2 раза, пиковые значения напряжений снижаются на 20 %). Этот эффект объясняется снижением контактного трения и изменением характера взаимодействия рабочей поверхности инструмента и листовой заготовки под влиянием износостойкого покрытия, в том числе изменением физико-механических характеристик поверхностного слоя, которые происходят в процессе нанесения износостойкого покрытия. Рис. 5. Графики изменения напряжения в угловом элементе на поверхности рабочей кромки пуансона: 1 - инструмент с покрытием нитрид титана; 2 - инструмент без покрытия На основании анализа поведения математической модели и полученных графических зависимостей было установлено, что с использованием износостойкого покрытия НДС в зоне деформации в процессе вырубки изменяется благоприятным образом, полученные модели напряженно-деформированного состояния в рабочей зоне деформации могут позволить как варьировать схемой НДС, тем самым обеспечивая благоприятные условия нагружения, так и способствовать реализации более «мягких» схем нагружения, тем самым снижая уровень растягивающих напряжений в поверхностном слое инструмента, увеличивая адгезионную способность, а следовательно, и износостойкость покрытия. Сделан вывод, что данные модели могут позволить прогнозировать возможные области износа рабочей поверхности инструмента, а следовательно, более точно определять необходимость поверхностного упрочнения конкретных локальных областей, снижая затраты на производственный процесс.

About the authors

O. I Morozov

Ulyanovsk State Technical University

V. P Tabakov

Ulyanovsk State Technical University

V. N Kokorin

Ulyanovsk State Technical University

M. V Ilyushkin

PC ”Ulyanovsk NIAT”

Yu. A Titov

Ulyanovsk State Technical University

D. I Sagitov

Ulyanovsk Institute of Civil Aviation named after the Chief Marshal of Aviation B.P. Bugaev

References

Statistics

Views

Abstract - 100

PDF (Russian) - 55

Refbacks

• There are currently no refbacks.