Первые этапы проектирования многооперационной технологии холодной штамповки сердечников пуль Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Krutikov Petr Valerievich, postgraduate, mpf-tnlaarcmihler. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 539. 374

ПЕРВЫЕ ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МНОГООПЕРАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ХОЛОДНОЙ ШТАМПОВКИ СЕРДЕЧНИКОВ ПУЛЬ

С.В. Недошивин, Г.В. Панфилов, Д. А. Перминов

На основе результатов, полученных экспериментальным методом делительных сеток и аналитическим методом линий скольжения, разработаны первые этапы методики определения количества формообразующих операций и размеров промежуточных полуфабрикатов при многооперационной штамповке конических остроконечных сердечников пуль. Она включает аспекты установления в пластической области распределений накопленной степени деформации сдвига, значений среднего напряжения, показателя напряженного состояния. Также определяются координаты опасной точки, в которой запас пластичности исчерпывается в наибольшей степени.

Ключевые слова: многооперационная штамповка, метод делительных сеток, методика проектирования технологии, сердечники пуль.

Для обеспечения надежного функционирования сердечников пуль к материалу готового изделия предъявляются повышенные требования по структуре и качеству, в частности, к допустимому остаточному уровню микроповреждений, который должен быть обеспечен в интервале 0,2 <[Aw]< 0,3 [1, 2].

Исходными данными для первых этапов проектирования многооперационного технологического процесса холодной штамповки сердечников пуль из мерных цилиндрических заготовок являются:

d о - диаметр цилиндрической заготовки (мм);

d - диаметр вершинки головной части (ГЧ) сердечника (мм);

2 8 - угол конусности ГЧ (0С);

материал детали - в данном случае это: сталь 20, сталь 45, У8А, У10А, У12А, сталь 65Г, сталь 60С2А.

В предлагаемой методике используются следующие обозначения деформации сдвига (параметра Удквиста):

Li - степень деформации сдвига, сообщаемая материалу на i -й операции;

Л^ - общее обозначение накопленной степени деформации сдвига на графической зависимости и в аппроксимирующем ее полиноме;

Л^. - накопленная степень деформации сдвига после i -й операции;

Л^ - накопленная степень деформации сдвига в конце первого

этапа (без учета заключительного отжига);

Л2 - результирующая накопленная степень деформации сдвига в

конце второго этапа (без учета итоговой термической операции, если таковая предусмотрена).

Лр - предельная степень деформации сдвига, соответствующая

моменту завершения I -й операции и определяемая по диаграмме предельной пластичности.

Исследуемый технологический процесс можно поделить на два этапа. На первом этапе необходимо получить диаметр притупления вершинки головной части, близкий к заданному чертежом. Для этого применяют инструмент с постоянным углом конусности (заведомо большим, чем угол ГЧ сердечника, заданный чертежом).

На втором этапе диаметр притупления вершинки практически не изменяется, а угол конусности рабочей полости инструмента от операции к операции уменьшается, что позволяет сократить количество формообразующих операций и улучшить механические свойства готового изделия [3]. При этом зона первоначального контакта инструмента с заготовкой локализуется в месте смыкания цилиндрической и конической частей полуфабрикатов, и последующему интенсивному деформированию подлежат участки, которые ранее не деформировались или деформировались незначительно.

Применение на первом этапе инструмента с углом конусности, значительно превышающим аналогичный угол ГЧ изготавливаемого сердечника [3], обосновано тем, что в этом случае реализуются сравнительно облегченные условия для затекания деформируемого материала в острую вершинку конуса. Очевидно, что при этом формируется острая, но короткая головная часть, поскольку деформированию подлежит только часть материала цилиндрической заготовки, необходимой для изготовления чертежной конической остроконечной ГЧ сердечника.

Вследствие меньшего смещаемого на операциях первого этапа объема, в частности при неизменной технологической силе, в пластической области увеличивается сжимающее гидростатическое давление, в большей степени залечивающее накапливаемые деформационные дефекты и, как следствие, способствующее получению улучшенных результирующих механических характеристик готовой детали.

Второй важной особенностью предлагаемой методики расчета количества формообразующих операций и размеров промежуточных полуфабрикатов является использование на втором этапе инструмента с уменьшающимся углом конусности рабочей полости. Экспериментально установлено, что изменение (в частности, уменьшение) указанного угла

конусности приводит к соответствующему изменению (в частности, увеличению) значения координаты (расстояния по оси симметрии от вершинки головной части к ее основанию) опасной точки, в которой запас пластичности исчерпывается в наибольшей степени. Причем перемещение опасной точки от операции к операции связано, в том числе, и со сменой материальных волокон деформируемого материала. В результате это приводит к меньшей величине исчерпания запаса пластичности в этой опасной точке, по которой необходимо производить расчет общего количества формообразующих операций и размеров промежуточных полуфабрикатов.

Первый этап - цикл подбора диаметров притупления вершинки. Последовательность расчета количества формообразующих операций и геометрических размеров промежуточных полуфабрикатов на данном этапе следующая.

1. Первоначально предполагается, что окончательный диаметр вершинки можно получить за одну операцию, и выбирается угол конусности рабочей полости инструмента.

На рис. 1 представлен график зависимости рационального угла конусности рабочей полости инструмента на первом этапе технологического процесса от диаметра вершинки готового изделия, установленный по результатам сравнительной штамповки опытных партий в соответствии с предлагаемой методикой. Такой выбор угла конусности рабочей полости инструмента обеспечивает минимальную поврежденность готового изделия при относительно малом общем числе операций.

д

50° 4.5' 40°

35* 30•

0.1 0.2 0.3 ОЛ 0.5 а_

«о

Рис. 1. График зависимости рационального угла конусности при штамповке полуфабрикатов на операциях первого этапа

формообразования

37

Анализ представленной графической зависимости показывает, что чем меньше окончательный диаметр вершинки готового изделия, тем больше должен быть угол конусности рабочей полости инструмента, применяемого на первом этапе. Для удобства практического использования указанный график был аппроксимирован следующей зависимостью:

25н =

3695 +

1393

1п

0)

О

Следовательно, при проектировании технологического процесса штамповки конических головных частей сердечников необходимо сначала по заданному относительному диаметру вершинки готового изделия определить оптимальный угол конусности полуфабрикатов первого этапа (1).

2. Для полученной геометрии полуфабриката такого первого этапа

определяется координата —- опасной точки (2) [3] (расстояние от вер-

шинки по оси симметрии к основанию конического участка), которая зависит от относительного диаметра вершинки — и угла конусности 25 го-

ловной части (рис. 2).

нп

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

25=1

5и

Г\ 5=30 О

2<

6=4.

2

0 0,1 0,2 0.3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Рис. 2. Графики зависимости координаты опасной точки

—- от относительного диаметра вершинки

¿/о

для различных углов 25

38

Данная графическая зависимость аппроксимирована следующим полиномом:

Н

0

d 0

exp[1,951 -1,862

' ± ^ 2 V d 0 У

0,6615 • 1П 25].

(2)

Она прогнозирует близкие к экспериментальным данным результаты, как на первом, так и на втором этапах.

3. Для найденной опасной точки по полиному (3), аппроксимирующему графическую зависимость, представленную на рис. 3, рассчитывают накопленную степень деформации сдвига Л^ = Л^ , которая также зависит от относительного диаметра вершинки ГЧ и угла ее конусности:

ЛЕ =

14,844 - 25 69,193 - 25

17,301

+

6,024

• 0,4343 • 1П

V d У

(3)

Л,

-18

-16

-14

-12

-10

п С

2о= / 15°

25 -30°

=45°

25=

О 0,1 0,2 0.3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Рис. 3. Графики зависимости степени деформации сдвига Л^ в опасной точке от относительного диаметра притупления вершинки

для различных значений угла конусности 25 головной части

dl

полуфабриката

4. В этой же опасной точке по зависимости (4), аппроксимирующей графики, представленные на рис. 4, определяют значение показателя напряженного состояния — [4] (предварительно без учета деформационного

упрочнения), представляющего собой отношение среднего напряжения к интенсивности касательных напряжений [4]:

- = - 0.286 - 0.004 • 5 + 0.741 • Iп(—). (4)

Т ^0

5. Так как в процессе холодной штамповки материал подвергается деформационному упрочнению, необходимо определить показатель напряженного состояния с учетом данного фактора. Это осуществляется путем введения поправки показателя напряженного состояния на деформа-

Т

ционное упрочнение

Т

т

-1.9 -1.7 -1.5 -1.3 -1.1 -0.9 -0.7 -0.5

/ 26=4. 7°

/ 28= / 30°

/

/ 26=15 о

/

0,1 0,2 0,3 ОА 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 ^

¡Зп

Рис. 4. Графики зависимости показателя напряженного состояния в опасной точке — без учета деформационного упрочнения

от относительного диаметра притупления вершинки —

(0

для различных значений угла 25

Для установления данной поправки используется следующий алгоритм.

5.1. По кривым упрочнения (рис. 5) Ту = / (Л) определяется интенсивность касательных напряжений с учетом упрочнения конкретного материала.

Кривые упрочнения для некоторых сталей в отожженном состоянии приведены на рис. 5 и аппроксимированы следующими полиномами

[5]:

Ст. 20 - Ту = 314,0 + 284,3 • ^ (Л); Ст. 45 - Ту = 583,248 + 308,535 • ^ (Л);

У8А - Ту = 388,97 + 392,688 • ^(Л);

У10А - Ту = 638,136 + 422,858 • ^ (Л);

У12А - Ту = 656,167 + 260,199 • ^ (Л);

65Г - Ту = 664,792 + 310,874 • ^ (Л);

60С2А - Ту = 589,91 + 242,586 • ^ (Л).

В зависимости от используемого материала в указанные аппроксимирующие полиномы подставляется вычисленное значение Л^ для опасной точки и находится величина интенсивности касательных напряжений с учетом деформационного упрочнения материала.

800

600

Ш

200

О 1.0 2.0 3.0 10 А

Рис. 5. Кривые упрочнения: 1 - сталь 20; 2 - сталь 45; 3 - У8А; 4 - У10А; 5 - У12А; 6 - 65Г; 7 - 60С2А

5.2. Определяется интенсивность касательных напряжений без учета упрочнения Т по формуле, соответствующей условию пластичности Губера - Мизеса, которое наиболее полно соответствует исследуемому процессу:

т =

<3]г

7з'

где а^- предел текучести материала в неуирочненном состоянии.

5.3. Определяется скорректированное значение показателя напряженного состояния по зависимости

о а Т

Т Тл.

а , т где — рассчитано ранее в п. 4, а —

в п. 5.1-5.2.

У

6. Оценивается степень использования запаса пластичности в опасной точке. Величина предельной степени деформации сдвига определяется по диаграмме предельной пластичности в зависимости от показателя напряженного состояния — для конкретного материала (рис. 6).

ТУ

На этом же рис. 6 приведены соответствующие истории деформирования в наиболее опасной точке, рассчитанные по результатам экспериментального исследования методом делительных сеток. Точками на них отмечены состояния, соответствующие окончанию каждого из четырех последовательно проводимых этапов.

Ап

5.0

Г.

3 4 5 6

/

/ / 1313 1У

< 5-

■

-—

4.0

3.0

2.0

1.0

-1.5 -1.0 -0.5

Рис. 6. Диаграмма предельной пластичности (утолщенные линии) для сталей: 1 - сталь 20; 2 - сталь 45; 3 - У8А; 4 - У10А; 5 - У12А; 6 - 65Г; 7- 60С2А и истории нагружения в опасной точке (тонкие линии) для тех же материалов

Зависимости, приведенные на рис. 6, аппроксимированы следующими выражениями:

Ст. 20 - Лр = 2.085 • ехр(-0.484 • —);

ТУ

Ст. 45 - Л р = 1.148 • ехр(- 0.75 ■ —);

Ту

У8А - Лр = 1.576 • ехр(-0.7 ■—);

Ту

У10А - Лр = 1.644 • ехр(- 0.695 ■—);

Ту

У12А - Лр = 1.717 • ехр(-0.693 ■—);

Ту

65Г - Лр = 2.317 • ехр(-0.541 ■ —);

Ту

60С2А - Л р = 1.165 • ехр(- 0.754 ■ —).

Ту

Приведенные в данной работе этапы разработки предлагаемой методики позволяют подготовить необходимую теоретическую и экспериментальную информацию, обеспечивающую возможность последующего установления поврежденности (степени использования запаса пластичности) материала, деформируемого при различных режимах многооперационной обработки давлением и определении количества формообразующих операций и размеров промежуточных полуфабрикатов при холодной штамповке конических остроконечных участков на цилиндрических заготовках. На заключительных этапах разрабатываемой методики планируется использовать известный алгоритм учета: сообщаемой на каждой операции, остаточной после отжига на максимальную пластичность, суммарной накопленной и допустимой техническими условиями на изготовление по-врежденностей деформируемого материала [6].

Технологические возможности штамповки сердечников из мерных заготовок квадратного сечения

Одним из путей совершенствования технологии многооперационной холодной штамповки сердечников пуль является использование заготовок квадратного сечения с диагональю, по размеру совпадающей с диаметром цилиндрической части сердечника. Проведенные исследования показали, что применение заготовок данной формы весьма эффективно при изготовлении конструкций остроголовых сердечников с удлиненной конической частью и малым диаметром притупления вершинки (ё/ё0 =

=0,3.. .0,14). Совпадение размера диагонали квадрата исходной заготовки и диаметра цилиндрической части сердечника повышает ее устойчивость к изгибу на первой операции штамповки. При этом меньшая величина площади поперечного сечения квадратной заготовки по сравнению с цилиндрической обеспечивает сокращение числа операций, необходимых для пластического формообразования остроконечной вершинки сердечника. Процесс штамповки сопровождается комбинацией осадки части квадратной заготовки до окончательного заполнения цилиндрического участка рабочей полости инструмента и затекания деформируемого материала в ее конический участок для формообразования головной части.

В начале первой операции штамповки сердечника реализуется только пластическое формообразование конуса определенной длины, сопровождающееся ростом необходимой технологической силы. При достижении определенной величины развиваемых в пластической области изготавливаемого полуфабриката напряжений процесс становится комбинированным, дополняясь осадкой участка квадратного сечения. При штамповке остроконечных головных частей сердечника с малым диаметром вершинки может наступить завершающая стадия, при которой после окончания осадки (формирования цилиндрического участка сердечника) осуществляется заполнение конической рабочей полости инструмента до необходимого диаметра вершинки, сопровождающееся, как правило, резким увеличением технологической силы.

Целью исследований [7] являлось изучение влияния технологических и геометрических параметров процесса на характер течения материала, энергосиловые характеристики и предельные технологические возможности операций. В качестве материала заготовок применялся алюминиевый сплав АМц в отожженном состоянии.

В верхнем ряду рис. 7 представлен комплект образцов, отштампованных при различных значениях технологической силы инструментом с углом конусности рабочей полости 150, в среднем ряду - с углом конусности 30 , нижнем - 450. В каждом ряду попарно (слева - полуфабрикат из заготовки квадратного поперечного сечения, справа - из цилиндрической заготовки) показаны образцы, полученные при различных значениях технологической силы (слева направо) 50, 130, 220 и 300 кН.

На рис. 8 показаны соответствующие зависимости технологической силы, необходимой при штамповке образцов с определенным значением

относительного диаметра вершинки — (где —0 - диаметр цилиндрической

—0

заготовки или одинаковый по величине размер диагонали заготовки квадратного поперечного сечения) головных частей для различных углов их конусности 2ю.

Рис. 7. Полуфабрикаты образцов, отштампованных при различных значениях технологической силы инструментом с разными углами конусности из заготовок квадратного и круглого поперечного сечений

Р,кН

250

200

150

100

50

м

4 \\ 2ш=45° Г~

2ш=15°

2ш=ЗОа 1

\\ чЧ^Ч

0,2

0,4

0,6

0,8 —

¿о

Рис. 8. Графические зависимости необходимой технологической силы от относительного диаметра вершинки для различных углов конусности остроконечных участков образцов, штампуемых из цилиндрических заготовок (сплошные линии) и заготовок квадратного поперечного сечения (штриховые линии)

45

Анализ геометрических размеров остроконечных конических участков отштампованных образцов и полученных графических зависимостей

показывает, что при относительно малых углах конусности 2ю=15°...30°

использование заготовок квадратного сечения требует гораздо меньшей технологической силы, чем цилиндрических. Соответственно при фиксированной величине силы из заготовок квадратного сечения можно получить более острую и длинную коническую часть. Так, при технологической силе в 250 кН в инструменте с углом конусности рабочей полости 15°

из цилиндрической заготовки получится конус с отношением — = 0,470, а

—0

из заготовки квадратного сечения - 0,235. Очевидно, что разница весьма существенна. Разница в величине степени деформации, определяемой как отношение площади поперечного сечения после и до формообразования, составит

д£ =(р-2) ■ *

С увеличением угла конусности остроконечных участков штампуемых образцов преимущество, связанное с меньшей потребной технологической силой, необходимой для формообразования квадратной заготовки, уменьшается и при угле 2ю» 35° оно исчезает. При больших углах конусности наблюдается обратная картина - для штамповки из заготовок квадратного профиля требуется более высокое значение технологической силы. Это обосновывается тем, что более крутой скат рабочих полостей инструмента создает условия, при которых пластическое формоизменение заготовки квадратного сечения на коротком ходе пуансона более затруднительно, а следовательно, процесс деформирования требует больших энергозатрат. Поскольку конструктивные варианты остроконечных сердечников пуль имеют небольшие углы конусности головных частей, применение заготовок квадратного профиля весьма эффективно и приводит к снижению необходимой технологической силы, а также к уменьшению количества формообразующих операций и промежуточных термохимических циклов.

Список литературы

1. Панфилов Г.В., Недошивин С.В., Хвостов Е.Ю. Особенности многооперационной холодной штамповки остроконечных стержневых соединительных элементов // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением: ежемесячный научно-технический и производственный журнал. 2011. № 11. С. 29-37.

2. Лапшонков Д.В., Панфилов Г.В. Методика проектирования технологического процесса холодной штамповки конических головных частей стреловидных пуль // Известия Тульского государственного университета. Машиностроение. Тула: Изд-во ТулГУ. 2002. Вып. 7. С. 120-127.

3. Панфилов Г.В., Недошивин С.В., Хвостов Е.Ю. Совершенствование технологии многооперационной холодной штамповки остроконечных цилиндрических деталей из малопластичных сталей // Заготовительные производства в машиностроении. Кузнечно-штамповочное, литейное и другие производства: научно-технический журнал. 2011. № 2. С. 1520.

4. Панфилов Г.В., Исакин Д.Н., Груздев С.С. Теоретический силовой анализ штамповки стержневых остроконечных изделий // Исследования в области теории, технологии и оборудования обработки металлов давлением. Орел; Тула : Изд-во ТулГУ, 1998. С. 50-56.

5. Третьяков А.В., Трофимов Г.К., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке металлов давлением. М. : Металлургия, 1964. С. 109-127.

6. Третьяков А.В., Трофимов Г.К., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке металлов давлением. М. : Металлургия, 1964. С. 109-127.

7. Панфилов Г.В., Исакин Д.Н., Груздев С. С. Штамповка сердечников пуль из заготовок квадратного сечения // Прикладные задачи механики и газодинамики. Тула: ТулГУ, 1997. С. 74-79.

Недошивин Сергей Владимирович, канд. техн. наук, доц., Archon80@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Панфилов Геннадий Васильевич, д-р техн. наук, проф., tulpan.2000@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Перминов Дмитрий Александрович, магистрант, Diman 71.rus@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

FIRST STAGE DESIGN TECHNOLOGY MULTISTAGE COLD FORMING CORES BULLETS

S. V. Nedoshivin, G. V. Panfilov, D.A. Perminov

On the basis of the results obtained by the experimental method of separating nets and analytical method of the slip lines developed the first stages of the methodology for determining the amount of the forming operations and the size of the intermediate semi-finished products in the multistage stamping pointed conical core bullets. It includes aspects of the establishment in the area of distribution of accumulated plastic deformation degree shift values medium voltage indicator stress. Also, the coordinates of the dangerous point at which the supply of plasticity exhausted the most.

Key words: multioperational stamping method dividing nets, methods of design technology, the cores of bullets.