Исследование процесса изгиба трубной заготовки проталкиванием с помощью конечно-элементного анализа

Константин Николенко
К.т.н., доцент кафедры обработки металлов давлением Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет).
Валентин Мисюра
Студент 5-го курса инженерно-технологического факультета Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет).

С использованием программного обеспечения ANSYS­LS/DYNA выполнен конечно­элементный анализ процесса изгиба трубной заготовки проталкиванием. Определено напряженно­деформированное состояние заготовки в процессе формоизменения и установлены основные особенности процесса изгиба трубной заготовки. Результаты анализа подтверждены экспериментальными исследованиями.

Тонкостенные крутоизогнутые отводы находят широкое применение в авиационно­космической технике, а также в трубопроводах предприятий перерабатывающих отраслей. Для повышения жесткости и улучшения компоновки трубопроводов требуются отводы, имеющие минимально возможные радиусы изгибаемых изделий [1]. Геометрические параметры используемых крутоизогнутых отводов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Параметры крутоизогнутого отвода

Изготавливать отводы с минимально возможной величиной радиуса кривизны позволяет метод проталкивания трубной заготовки в канал матрицы с криволинейной осью [2]. Схема устройства для формообразования крутоизогнутых отводов приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема устройства для формообразования отводов

Для разработки методики проектирования процесса формообразования отводов необходимо выполнить анализ и определить напряженно­деформированное состояние заготовки, а также определить особенности деформирования заготовки в данном процессе.

Очаг деформации при проталкивании трубной заготовки имеет сложный нестационарный характер. Изменяются его границы и граничные условия. Напряженно­деформированное состояние заготовки изменяется как во времени, так и при переходе от точки к точке. Большинство существующих до настоящего времени методик анализа формообразования элементов трубопроводов в основном направлены на определение энергосиловых параметров процесса [3]. Они не позволяют установить особенности деформирования заготовки без грубой схематизации процесса.

В настоящей работе выполнен анализ процесса формообразования крутоизогнутых деталей из трубных заготовок проталкиванием заготовки на основе моделирования данного процесса при помощи метода конечных элементов.

С целью получения достоверных результатов анализа весь процесс формообразования разбивается на достаточно малые стадии и в пределах каждой стадии выполняется определение напряженно­деформированного состояния по всему объему заготовки. При переходе от стадии к стадии накопленные деформации и интенсивность деформации сохраняются для расчета на последующей стадии. На рис. 2 показано условное разделение на стадии процесса формоизменения.

Рис. 2. Постадийное формообразование крутоизогнутого отвода

Для моделирования процесса формообразования в выполняемых исследованиях используется конечно­элементный программный продукт — ANSYS­LS/DYNA [4]. Поведение материала заготовки описывается билинейной кривой упрочнения. Модель материала оснастки — пуансона 12, внутренней оправки 8 и полуматриц 3 и 9 — Rigid Material (твердое тело).

Для моделирования деформируемой заготовки выбран элемент SHELL 163 — оболочечный элемент с четырьмя узлами, возможностью изгиба и пружинения, имеющий 12 степеней свободы в каждом узле. Геометрия оснастки и заготовки построена с использованием программного обеспечения SIEMENS NX8 с последующим импортированием в ANSYS/ LS­DYNA. Построение сетки конечных элементов деформируемой заготовки и оснастки показано на рис. 3.

Рис. 3. Построение сетки конечных элементов

В результате анализа установлено напряженно­деформированное состояние заготовки в процессе формообразования. Изменение толщины деформируемой заготовки и интенсивности деформаций по стадиям формообразования определено с помощью цветовой шкалы и представлено на рис. 4.

Рис. 4. Результаты моделирования процесса

В качестве примера выполнено моделирование процесса формообразования тонкостенных крутоизогнутых отводов, выполненных из стали 12Х18Н10 на различные радиусы гиба.

Параметры расчета процесса формообразования:

• материал — 12Х18Н10;
• зазор (z) — 0,3 мм;
• геометрия — RГ = 1,5, D = 53 мм, S = 1,5 мм;
• трение — 0,08.

Обработка результатов анализа, в частности изменение толщины деформируемой заготовки, приведено на рис. 5. Там же, для подтверждения достоверности результатов анализа, приведены и экспериментальные данные, полученные в процессе исследования деформированного состояния деталей штампованных отводов (доверительный интервал значений изменения толщины заготовки).

Анализ процесса формообразования тонкостенных крутоизогнутых отводов с применением программного обеспечения ANSYS/ LS­DYNA позволил установить ранее неизвестные особенности деформирования заготовки в процессе формоизменения.

Установлено, что этот процесс осуществляется по более сложным закономерностям, чем процесс обычной гибки. Наличие сдвиговых деформаций, развивающихся в осевом направлении трубной заготовки, изменяет картину деформированного состояния заготовки.

Рис. 5. Изменение толщины заготовки по образующей

В результате анализа установлено, что образующая, расположенная по максимальному радиусу заготовки, утоняется не вся равномерно, как это принято считать при чистом изгибе. На рис. 6 показано изменение толщины заготовки с начальной толщиной 1,5 мм при формообразовании крутоизогнутого отвода с относительным радиусом кривизны, равном 1,0. Из рисунка видно, что максимальное утонение наблюдается в центральных областях образующей, имеющей максимальный радиус. При рассмотрении участков этой образующей, расположенных ближе к переднему и заднему торцу, величина утонения начинает снижаться и переходит в увеличение толщины на самих торцах.

Также отличаются от традиционного изменения толщины элементы заготовки на образующей с минимальным радиусом кривизны. Центральная зона заготовки по этой образующей увеличивается, в то время как по мере перемещения к торцам заготовки толщина заготовки уменьшается и начинает утоняться на самих торцах.

В результате анализа установлено, что величина радиуса гиба не влияет на величину утонения заготовки в опасных сечениях. Установлено, что величина минимально допустимого радиуса гиба ограничивается не пластичностью деформируемого материала, а лишь геометрией самой детали.

Таблица 2. Влияние кривизны изгибаемого отвода на величину утонения материала

Из табл. 2 видно, что при уменьшении относительного радиуса кривизны изготавливаемого отвода от величины RГ = 2 до величины RГ = 0,6 утонение заготовки в зоне максимальной деформации утонения практически не изменяется. Величина логарифмической деформации утонения заготовки во всем интервале изменения относительного радиуса гиба находится в пределах от es = –0,082 до es = –0,087, то есть практически не изменяется.

Результаты моделирования процесса формообразования отвода вталкиванием в матрицу и разработанная конструкция устройства для формообразования прошли лабораторно­промышленное апробирование и позволили изготовить партию деталей высокого качества. Внешний вид деталей приведен на рис. 6. 

Список используемой литературы

1. Попов И.П. Формообразование тонкостенных крутоизогнутых отводов в жестких инструментальных штампах [Текст]/ И.П. Попов, В.Д. Маслов, К.А. Николенко // Заготовительные производства в машиностроении. 2007. № 1. С. 23­26.
2. Патент 130241 Российская Федерация МКП B21C 37/29.Устройство для формообразования крутоизогнутых отводов [Текст]/Маслов В.Д., Николенко К.А., Мисюра В.Д.; заявитель и патентообладатель Самарский гос. аэрокосмич. университет. — № 2013105307/02, заявл. 07.02.13; опубл. 20.07.13, Бюл. № 23. 3 с.
3. Давыдов О.Ю. Штамповка неравнопроходных тройников из трубных заготовок в разъемных матрицах [Текст]/Давыдов О.Ю., Егоров В.Г., Невструев Ю.А. // Заготовительные производства в машиностроении. 2005. № 6. С. 40­44.
4. LS­DYNA [Электронный ресурс]. URL: http://www.cadfem.ru (дата обращения 14.10.2013).

САПР и графика 7`2014