Моделирование процесса соединения деталей клинчеванием
Моделирование и анализ клинчевого соединения деталей: монография Сосова и др.
В монографии А.В. Сосова, И.М. Закирова, А.В. Никитина и М.А. Еранова представлен всесторонний анализ процесса клинчевого соединения деталей, охватывающий как теоретические основы, так и практические аспекты моделирования и экспериментальных исследований. Работа посвящена актуальной задаче повышения прочности и надежности соединений в машиностроении, авиастроении и других отраслях промышленности.
Обзор существующих методов и постановка задачи
Авторы начинают с обзора существующих методов клинчевания, включая классические схемы и современные разработки. Подробно рассматривается принцип работы клинч-соединения, его преимущества и недостатки. Особое внимание уделяется анализу экспериментальных исследований, проведенных в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А.Н. Туполева (КНИТУ-КАИ), и разработке различных типов штампов для формирования клинч-соединений. На основе анализа существующих подходов формулируется задача исследования, направленная на разработку методик численного моделирования и оптимизации параметров клинчевания.
Клинч-соединения с повышенными характеристиками
В монографии рассматриваются различные способы улучшения характеристик клинч-соединений. Представлены результаты исследований по клинчеванию в разъемную матрицу, а также по применению вставок для повышения прочности. Анализируются варианты с использованием трубчатого пуансона и сменной наковальни. Отдельное внимание уделяется способу клинчевания материалов с существенно разной твердостью, что является важным аспектом при создании современных конструкций.
Моделирование процесса клинчевания в DEFORM-2D
Значительное место в работе занимает описание методики моделирования процесса клинчевания в программном комплексе DEFORM-2D. Подробно рассматриваются этапы создания модели, включая настройку параметров задачи, создание геометрии, задание материалов, определение взаимодействий между объектами, создание сетки конечных элементов, задание граничных условий и шага расчета. Авторы демонстрируют процесс моделирования двухпереходного клинчевания с жесткой вставкой, что позволяет получить более точные результаты и оптимизировать параметры соединения.
Результаты моделирования и анализ
Представлены результаты моделирования различных типов клинч-соединений, включая классическое соединение, соединение в разъемную матрицу и соединения со вставками. Проведен анализ влияния геометрических параметров на прочность соединения, включая диаметр пуансона, угол зенковки, высоту отверстия и другие параметры. Авторы приводят графики и таблицы, иллюстрирующие зависимость прочности соединения от различных факторов.
Моделирование в ANSYS и оценка прочности
В заключительной части монографии представлена методика моделирования работы клинч-соединений на срез и вырыв в системе ANSYS. Описывается процесс создания геометрической модели, задания материалов, настройки контактных взаимодействий, генерации сетки и задания граничных условий. Приводятся результаты расчетов, иллюстрирующие распределение напряжений и деформаций в соединении при различных нагрузках. На основе полученных данных делается вывод о прочности и надежности клинч-соединений.
- Среднее профессиональное образование
- 15.02.16: Технология машиностроения
- ВО - Бакалавриат
- 15.03.05: Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств
- ВО - Магистратура
- 15.04.05: Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств
- ВО - Специалитет
- 15.05.01: Проектирование технологических машин и комплексов
Н А У Ч Н А Я М Ы С Л Ь А.В. СОСОВ И.М. ЗАКИРОВ А.В. НИКИТИН М.А. ЕРАНОВ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ КЛИНЧЕВАНИЕМ МОНОГРАФИЯ Москва ИНФРА-М 2023
УДК 624.078.4(075.4) ББК 34.682 С66 ФЗ № 436-ФЗ Издание не подлежит маркировке в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1 Рекомендовано к опубликованию Научно-техническим советом Казанского национального исследовательского технического университета имени А.Н. Туполева Р е ц е н з е н т ы: кафедра технологии конструкционных материалов Казанского национального исследовательского технологического университета (доктор технических наук И.М. Гильмутдинов); Б.И. Найшулер, кандидат технических наук, доцент, заместитель директора филиала по конструированию и технологиям — директор инженерного центра Казанского авиационного завода имени С.П. Горбунова (филиала ПАО «Туполев») Сосов А.В. С66 Моделирование процесса соединения деталей клинчеванием : монография / А.В. Сосов, И.М. Закиров, А.В. Никитин, М.А. Еранов. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 127 с. — (Научная мысль). ISBN 978-5-16-111595-4 (online) В монографии рассмотрены процессы соединения деталей клинчеванием и экспериментальная оснастка для формирования клинчсоединений. Описана методика моделирования процессов формирования клинч-соединений в программном комплексе DEFORM и их работы на срез и разрыв в системе Ansus. Предназначена для инженерно-технических и научных работников, занимающихся вопросами сборки металлических конструкций. Может быть полезна студентам вузов при изучении соответствующих курсов. УДК 624.078.4(075.4) БДК 34.682 ISBN 978-5-16-111595-4 (online) © Сосов А.В., Закиров И.М., Никитин А.В., Еранов М.А., 2023
Введение Ведущими на мировом рынке в области исследований процесса клинчевания и разработок соответствующего технологического оснащения являются немецкие ученыe и компании (Тох, Eskold, BTM, Bollhoff, Kistler IGelGmbH и др.). Для сокращения сроков и стоимости внедрения нового процесса в производство необходимо иметь методики численного моделирования процесса формирования клинч-соединений и расчета основных размеров инструмента (пуансона-матрицы), необходимого усилия предварительного сжатия соединяемых листов и величины рабочего хода пуансона, а также оценки несущей способности полученного соединения.
1. Анализ состояния разработок в области соединения листовых деталей методом клинчевания и постановка задачи исследования 1.1. Известные схемы клинчевания Соединение конструктивных элементов клинчеванием (клинч соединение) можно отнести к одной из разновидностей обработки металлов давлением, а именно к листовой штамповке. Процесс осуществляется путем взаимной высадки некоторого объема материала соединяемых заготовок и осадки его перпендикулярно к плоскости заготовки. Рабочим инструментом является блок пуансон-матрица-прижим рис.1.1 Рис.1.1 1 – пуансон, 2 матрица, 3 – вставка донышко матрицы, 4 – пластинки подкладные, 5 – прижим, 6 – заготовки К настоящему времени наиболее освоенным видом клинч-соединения является круглое соединение (Round joint) рис.1.2. – далее будем называть его классическое соединение. Круглый пуансон прессует материалы в углубление матрицы для их соединения. С нарастанием силы давления верхний материал (со стороны пуансона) вдавливается, расширяясь, в нижний материал. В результате получается соединение без резких углов, трещин и шероховатостей.
Рис 1.2 Последовательность формирования клинч-соединения Рис.1.3 Круглое соединение (Round joint) – классическое соединение Для создания клинч-соединения с заданными свойствами необходимо: - построить математическую модель формирования клинч-соединения,
- спроектировать рабочие инструменты: пуансон, матрицу и прижим, - изготовить образцы клинч-соединений и провести их прочностные испытания. В строгой постановке моделирование формирования клинч-соединения должно осуществляться по теории течения с учетом переменности граничных условий, размеров деформируемых элементов, а также свойств материала в процессе деформирования. Большое влияние на решение задачи оказывает учет контактного взаимодействия листовых заготовок, а также их взаимодействие с пуансоном, матрицей и прижимом. Кроме того, решение необходимо получать в рамках геометрически нелинейного процесса деформирования. Величина прикладываемого к пуансону усилия должна быть достаточной для обеспечения течения металла в боковом направлении с получением замкового соединения за счет соответствующего профилирования поверхности матрицы. При этом заготовки, вокруг места соединения прижимают к матрице с силой, достаточной для предотвращения течения металла против направления действия пуансона.
1.2. Анализ результатов исследований, проведенных в КНИТУ-КАИ Для проведения экспериментов по формированию клинч-соединений на тест-образцах спроектированы и изготовлены три универсальных штампа, позволяющих формировать клинч-соединения на универсальном прессовом оборудовании. Конструкция первого штампа представлена на рис.1.4. Штамп укомплектован набором сменных пуансонов диаметрами от 4 мм до 11 мм с шагом 0,5 мм, матриц диаметрами 8 мм, 11 мм и 14 мм, вставок-донышек в матрицы и пластинок-подкладных, что позволяет проводить эксперименты по формованию клинч соединений в широком диапазоне параметров. На рис.1.5 представлена фотография штампа, установленного на универсальное прессовое оборудование. Порядок подготовки штампа к проведению эксперимента: - Установить штамп на верстак. - Снять крышку 9. - Вставить пуансон нужного диаметра в державку пуансона 14, в это же отверстие на пуансон установить вставку 12. - Установить верхнюю плиту штампа 9 и закрепить ее винтами. - Вывернуть основание матрицы 1 из корпуса матрицы 19, вставить в него матрицу 20 нужного диаметра, вставить в матрицу снизу пластины прокладки 2, подобрав их количество и размеры так, чтобы обеспечить требуемую глубину матрицы. Завернуть основание матрицы 1 в корпус матрицы 18. Вставить в матрицу сверху вставку-донышко матрицы 3 требуемого размера. - Верхнюю часть штампа за хвостовик 8 закрепить на ползун пресса. - На рабочий стол пресса установить нижнюю часть штампа.
Рис.1.4 Штамп для формирования клинч-соединений: 1 – основание матрицы, 2 – пластина подкладная, 3 – вставка-донышко матрицы, 4 – стакан нижней плиты, 5 – стяжка, 6 – стакан верхней плиты, 7 – индикатор часового типа, 8 – хвостовик, 9 – крышка, 10 – гайка, 11 – верхняя плита, 12 – вставка, 13 – пружина, 14 – державка пуансона, 15 – нижняя плита, 16 – пуансон, 17 – прижим с направляющим стаканом, 18 – заготовка, 19 – корпус матрицы, 20 – матрица.
Рис.1.5. Штамп для формирования клинч-соединений, установленный на универсальном гидравлическом прессе ОМА 653 В
Конструкция второго штампа представлена на рис.1.6. Рис 1.6 Штамп для формирования клинч-соединений 1 – центрирующий элемент ; 2 – стакан; 3 – наковальня; 4 – позиционирующий элемент; 5 – прижим; 6 – пуансон; 7 – опора; 8 – резиновый компенсатор ; 9 – верхняя плита; 10 – стержень; 11 – трубчатый пуансон; Конструкция третьего штампа представлена на рис.1.7. Штамп предназначен для формирования клинч-соединений со вставкой. Процесс формирования клинч-соединения со вставкой проводится в две стадии. На первой стадии процесса формирования клинч-соединения со вставкой (рис. 1.7., а) в листы металла 1 и 2, помещенные на верхнюю поверхность матрицы 3 и поджатые к ней с помощью прижима-направляющей 4, вдавливают стержневой пуансон 5, формируя лунку с выдавливанием части материала в кольцевой зазор между боковой поверхностью наковальни 6 и