Совершенствование процесса формообразования в условиях плоского напряженного состояния растяжения

В ракетно-космической и авиационной технике активно применяются тонкостенные осесимметричные  детали усеченной  сужающейся  формы,  изготовленные  из  листовых  заготовок.  Совершенствование  процессов  их  формообразования, в основе которых направленное изменение толщины материала с целью получения деталей с минимальной разнотолщинностью, позволит обеспечить ведущие позиции предприятий авиационной и космической отраслей промышленности, а также гарантирует снижение трудозатрат. Данная работа посвящена исследованию возможности получения тонкостенных осесимметричных деталей усеченной сужающейся формы одним из способов листовой штамповки в условиях плоского напряженного состояния растяжения (отбортовкой). Выявлен механизм и проведен анализ напряженно-деформированного состояния заготовки в процессе формоизменения с учетом  выражения  минимизации  между  заданной  и  технологически  возможной  толщинами. Разработана математическая модель рассматриваемого способа формообразования, основанного на процессе отбортовки. Теоретические исследования основывались на положениях теории пластического деформирования листовых материалов путем совместного  решения  приближенных  дифференциальных  уравнений  равновесия  сил,  уравнений  связи,  условия  пластичности и основных определяющих соотношений при заданных начальных и граничных условиях. С целью исключения ошибок при проектировании инструмента для перспективной реализации способа на изготовленной штамповой оснастке, а также для подтверждения теоретических выводов по выбору технологических параметров и достижения минимальной разнотолщинности проведено моделирование процесса отбортовки в программном комплексе LS-DYNA с  исходными  данными  конической  заготовки из стали 12Х18Н10Т: угол конусности 16,4°, толщина S_заг = 0,3 мм. Представлены этапы компьютерного моделирования с указанием  основных  параметров  процесса,  таких  как  модель  материала,  механические  характеристики  материала  заготовки, тип элементов, кинематические нагрузки, условия контактного взаимодействия элементов между собой и т.д.

1. Shanmuganatan S.P., Kumar V.S.S. Experimental investigation and finite element modeling on profile forming of conical component using Al 3003 (O) alloy. Materials & Design. 2012;36:564—569. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.11.066

2. Bambach M., Voswinckel H., Hirt G. A new process design for performing hole-flanging operations by incremental sheet forming. Procedia Engineering. 2014;81:2305—2310. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2014.10.325

3. Попов В.Г., Ярославцев Н.Л. Жидкостные ракетные двигатели. М.: МАТИ, 2001. 171 с.

4. Rezchikov A.F., Kochetkov A.V., Zakharov O.V. Mathematical models for estimating the degree of influence of major factors on performance and accuracy of coordinate measuring machines. MATEC Web Conf. 2017;129:01054. https://doi.org/10.1051/matecconf/201712901054

5. Cao T., Lu B., Ou H., Long H., Chen J. Investigation on a new hole-flanging approach by incremental sheet forming through a featured tool. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2016;110:1—17. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2016.08.003

6. Григорьев А.В., Карачунский А.Д., Шингель Е.Г., Михайлов А.А. Способ изготовления полых осесимметричных изделий с фланцем: Авт. св-во 1636089 (СССР). 1991.

7. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. 6-е изд. Л.: Машиностроение, 1979. 520 с.

8. You D., Cai D., Wang Y., Zhou F., Ruan Z. Novel hydromechanical reverse drawing method for thinwalled aluminum alloy sheet forming. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2022; 120(5):3741—3756. https://doi.org/10.1007/s00170-022-08936-4

9. Чумадин А.С., Ершов В.И., Ковалев А.Д., Дебердеев Е.М. Способ изготовления тонкостенных оболочек: Авт. св-во 1465152 (СССР). 1989.

10. Яковлев С.С., Ремнев К.С. Складкообразование при вытяжке осесимметричных деталей из анизотропного материал. Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2014;9:39—47. https://doi.org/10.18698/0536-1044-2014-9-39-47

11. Song Y., Dai D., Geng P., Hua L. Formability of aluminum alloy thin-walled cylinder parts by servo hot stamping. Procedia Engineering. 2017;207:741—746. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.10.822

12. Frącz W., Stachowicz F., Trzepieciński T. Investigations of thickness distribution in hole expanding of thin steel sheets. Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2012;3:279—283. https://doi.org/10.1016/j.acme.2012.06.006

13. Непершин Р.И. Вытяжка тонкостенной конической оболочки из плоской заготовки. Механика твердого тела. 2010;1:139—153. https://doi.org/10.3103/S0025654410010140

14. Wankhede P., Narayanaswamy N. G., Suresh K., Priyadarshini A. A portable device for single point strain analysis in sheet metal forming processes. HardwareX. 2022: e00371. https://doi.org/10.1016/j.ohx.2022.e00371

15. Dou W., Xu Z., Han Y., Huang F. A ductile fracture model incorporating stress state effect. International Journal of Mechanical Sciences. 2022: 107965. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2022.107965

16. Демьяненко Е.Г., Попов И.П. Проектирование технологических процессов формообразования тонкостенных осесимметричных деталей летательных аппаратов: Учебное пособие. Самара: Изд-во СГАУ, 2014. 144 с.

17. Демьяненко Е.Г., Попов И.П. Технология листовой штамповки. Часть 1. Способы деформирования, основанные на процессах формовки, отбортовки и вытяжки тонкостенных осесимметричных деталей. Самара: Изд-во СГАУ, 2013. 112 с.

18. Попов И.П. Направленное изменение толщины листовой заготовки в процессах пластического деформирования: Учебное пособие. Самара: Изд-во СГАУ, 2006. 74 с.

19. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1971. 424 с.

20. Гречников Ф.В. Деформирование анизотропных материалов. М.: Машиностроение, 1998. 448 с.

21. Дмитриев А.М., Воронцов А.Л. Аппроксимация кривых упрочнения металлов. Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2004;(1):23—26.

22. Лысов М.И., Закиров И.М. Пластическое формообразование тонкостенных деталей авиатехники. М.: Машиностроение, 1983. 176 с.

23. Лысов М.И., Соснов Н.В. Формообразование деталей гибкой. М.: Машиностроение, 2001. 388 с.

24. Takuda H., Tanaka Y., Hatta N. Finite element analysis of forming limit in bore expanding of aluminium alloy sheets. Archive of Applied Mechanics. 1998;68(7):566—576. https://doi.org/10.1007/s004190050187

25. Гун Г.Я. Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1983. 352 с.

26. Radonjic R., Liewald M. New process design for reduction of springback by forming with alternating blank draw-in. Procedia Manufacturing. 2019;29:217—224. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2019.02.129

27. Guan Y., Li C., Guo S., Lin P. A novel combined process of flaring-upsetting for forming end flanges on thin-walled tubes. Journal of Manufacturing Processes. 2022;84:927— 936. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.10.051

28. Dewang Y., Purohit R., Tenguria N. A study on sheet metal hole-flanging process. Materials Today: Proceedings. 2017;4(4):5421—5428. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2017.05.053

29. Синь Л., Евсюков С.А., Чжунци Ю. Исследования процесса вытяжки в коническую матрицу. Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019;9:513—520.

30. Кухарь В.Д., Малышев А.Н., Бессмертная Ю.В. Вытяжка низких прямоугольных коробок из профильных заготовок. Черные металлы. 2019;1:39—42.

31. Сосенушкин Е.Н., Кадымов В.А., Яновская Е.А., Татаринцев А.А., Сосенушкин А.Е. К вопросу о моделировании напряженно-деформированного состояния при обработке материалов давлением. Известия ТулГУ. Технические науки. 2017;11(1):82—100.

32. Большаков В.П., Чагина А.В. 3D-моделирование в КОМПАС-3D версий V17 и выше: Учебное пособие для вузов. СПб: Питер, 2021. 256 с.

33. Шинкин В.Н. Прямая и обратная нелинейная аппроксимация зоны упрочнения стали. Черные металлы. 2019; (3): 32—37.