Челябинск 2018

Изм. Лист 
№ докум. 
Подпись Дата 
Лист 
68 
15.04.05.2018.582.00 ПЗ 
 
коэффициент Пуассона 0,3; плотность 7,85·10
3
кг/м
3
; средняя теплоёмкость 520 
Дж/(кг·
0
С) [71]. Описание свойств материала (таблица 3.1) производилось с 
учётом изменения температуры. 
Таблица 3.1 – Свойства материала сталь 3сп 
Температура, °С 
20 
200 
400 
700 
Модуль упругости Е, МПа 
194000 187000 178000 146000 
Коэффициент линейного расширения, 10
-6
,
0
С
-1
11,7 
13,4 
14,5 
15,3 
Коэффициент теплопроводности, Вт/м·
0
С 
– 
54 
45 
30 
Предел текучести σ
т
, МПа 
245 
225 
180 
55 
Модуль пластического упрочнения Е
2
, МПа 
205 
192 
135 
20 
При 
моделировании 
процесса 
формообразования 
отверстий 
с 
отбортовками были применены следующие допущения. 
1 Для сокращения времени расчётов моделирование выполняется в 
двухмерном пространстве без учёта вращения пуансона. Исключив вращение 
пуансона, модель лишается основного источника теплоты. Поэтому тепловой 
эффект задаётся приданием пуансону конечной средней температуры образования 
отбортовок. Учитывая симметричность процесса для создания модели достаточно 
половины вертикального сечения по оси инструмента. 
2 Учитывая, что материал пуансона твёрдый сплав ВК8, принимаем его 
недеформируемым. Закрепление пуансона моделируется жёсткой заделкой 
(консоль). Аналогично отсутствуют перемещения заготовки относительно 
приспособления. 
3 Свойства материала заготовки во всех направлениях одни и те же, без 
каких-либо дефектов. 
4 Процесс формообразования отверстия с отбортовками вращающимся 
пуансоном разбит на интервалы в 0,1 с.

---

Изм. Лист 
№ докум. 
Подпись Дата 
Лист 
69 
15.04.05.2018.582.00 ПЗ 
 
Для исследования механизма формообразования отверстия с отбортовками 
вращающимся пуансоном в тонколистовых заготовках, получена конечно-
элементная модель пластины и пуансона, позволяющая изучить течение металла 
при внедрении пуансона в пластину (рисунок 3.1).
Рисунок 3.1 – Геометрическая модель с разбиением на КЭ места контакта 
пуансона и пластины для расчета в программном комплексе LS-DYNA 
увеличенный фрагмент 
Формообразование отверстия с отбортовками вращающимся пуансоном 
представляет собой контактную задачу. Контактные задачи более точно решает 
пакет программ ANSYS, LS-DYNA. Однако в LS-DYNA нет графического 
редактора, поэтому построение геометрии выполняется в программе ANSYS, а 
расчёт, полученной модели, в пакете LS-DYNA. 
Программа ANSYS имеет систему автоматизированного ввода данных, а в 
LS-DYNA данные вводятся вручную. Поэтому в программе ANSYS вводятся 
исходные данные (свойства материалов, время и перемещение инструмента, 
нагрузка и закрепление пластины). Модель разбивается на конечные элементы и 
генерируется файл для пакета LS-DYNA. Файл LS-DYNA редактируется, и 
составленная программа рассчитывается в решателе LS-DYNA.

---

Изм. Лист 
№ докум. 
Подпись Дата 
Лист 
70 
15.04.05.2018.582.00 ПЗ 
 
3.3 Моделирование формообразования отверстий с отбортовками
На рисунке 3.2 представлен расчёт модели отверстий с отбортовками 
образованных вращающимся пуансоном d=4,2 мм в заготовках толщиной 0,8 мм; 
1,0 мм; 1,2 мм; 1,5 мм и 2,0 мм. Сравнивая расчётные формы моделей (рисунок 
3.2) с экспериментальными для заготовок толщиной 2,0 и 1,5 мм, можно 
определить, что они подобны как по форме, а также практически и по размерам 
(таблица 3.2). Приведённые результаты расчётов (рисунок 3.2, 3.3) 
свидетельствуют о том, что разработанные программы с применением ANSYS 
обеспечивают достаточную сходимость форм отбортовок с экспериментальными. 
Некоторое отличие экспериментальных и расчётных форм отверстий с 
отбортовками наблюдается на заготовках толщиной 0,8 мм; 1,0 мм и 1,2 мм, что 
объясняется принятыми допущениями при моделировании процесса и 
деформацией заготовки при проведении эксперимента.
Такое различие может быть связано с принятыми допущениями и, в 
частности, с применением двухмерной программы ANSYS, которая не учитывает 
вращение пуансона. Можно предположить, что вращающийся пуансон создаёт 
более благоприятные условия для его внедрения в заготовку. В работах [13, 71, 
72] 
отмечается, что процесс пластического деформирования металла 
вращающимся пуансоном с локальным нагревом обладает рядом положительных 
технологических особенностей и в частности способствует повышению 
пластичности материала заготовки. А это может влиять на форму отбортовок 
отверстий образованных экспериментально с применением вращающегося 
пуансона. 
На 
рисунке 
3.4 
представлена 
конечно–элементная 
модель 
формообразования отверстия с отбортовками вращающимся пуансоном в момент 
разрыва нижней поверхности пластины толщиной 2,0 мм пуансоном d=4,2 мм. По 
характерным изгибам конечно-элементной сетки в зоне контакта пуансона с 
заготовкой отчетливо видно послойное течение металла у поверхности отверстия 
в направлении движения пуансона за счет действия касательной составляющей 
осевой силы Р
ос
. 

---