Холодное выдавливание с дифференцированным противодавлением полостей штампов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

трубной заготовки, для устранения которой требуется дополнительный проход.

Для устранения огранки и более полного заполнения профиля после первого прохода полуфабрикат извлекали (выталкивали) из калибра, поворачивали на 45°, в некоторых случаях «поджимали» ролики и обжимали его между ними повторно.

На рисунке 6 показаны фотографии оправки и ствола пистолета-пулемета «Эльф» после профилирования и механической обработки.

Проведенные компьютерное моделирование и натурные эксперименты показали эффективность технологии изготовления толстостенных изделий с криволинейными канавками на внутренней поверхности с профилем сложной конфигурации методом обжатия трубных заготовок по профильной оправке прокаткой (волочением) неприводными роликами.

Выводы

1. Методом компьютерного моделирования исследован процесс формирования полигональных дорожек на внутренней поверхности трубчатой заготовки путем прокатки (волочения) в неприводных роликах и определены энергосиловые параметры процесса.

2. По результатам компьютерного моделирования усовершенствована конструкция экспериментального устройства для изготовления стволов украинских пистолетов-пулеметов, разработанных в КБ СТ. Эффективность полученных результатов проверена при изготовлении первых в Украине опытных образцов пистолетов-пулеметов.

Литература

1. DEFORM™ 3D. Version 6.1 User' s Manual Scientific Forming Technologies Corporation, 2°°8j. —42°s.

2. Пасечник С. Пистолет - пулемет "Эльф-2"/ С. Пасечник // Охота и оружие. - 2°°°. - № 6. - С.6-7.

3. Справочник по оборудованию для листовой штамповки. Под общей редакцией Рудмана Л.И.; Киев, «ТЕХНИКА», 1989г.-233с.

Холодное выдавливание с дифференцированным противодавлением

полостей штампов

д.т.н. проф. Калюжный В.Л., Пиманов В.В.

НТУУ«КПИ»

8(044)454-96-11, к [email protected], 8(044)454-96-11, [email protected]

Аннотация: В работе инженерным методом получены зависимости для определения напряжений на контактных поверхностях заготовки и инструмента, усилия выдавливания полостей сферическим пуансоном. Компьютерным моделированием методом конечных элементов проведены численные эксперименты на примерах выдавливания сферическим пуансоном заготовок из стали Р6М5 в условиях действия противодавления на свободную поверхность заготовки. С помощью моделирования установлено необходимое максимальное противодавление, которое обеспечивает выдавливание без разрушения, усилия процессов, распределения напряжений на деформирующем инструменте, напряжённо-деформированное состояние и степень использования ресурса пластичности металла, а также конечные размеры изделий. Проведено экспериментальное выдавливание заготовок из стали Р6М5 сферическим пуансоном.

Ключевые слова: холодное выдавливание полостей, дифференцированное противодавление, моделирование, инженерный метод, метод конечных элементов.

Введение

Современное развитие холодной объемной штамповки связано с усложнением формы изделий и расширением марки сталей и сплавов, из которых изготавливают изделия повышенной надежности и долговечности. Для повышения стойкости деформирующего инстру-

Серия 2. Технология машиностроения и материалы. мента штампов для горячей объемной и листовой штамповки, пресс-форм и литейных форм при изготовлении таких деталей используют холодное выдавливание (ХВ). Эффективность ХВ для изготовления деталей штампов и пресс-форм приведена в [1]. Однако из-за низкой пластичности штамповых и инструментальных сталей традиционное ХВ не обеспечивает больших глубин вдавливания пуансона, а также имеет место незаполнение гравюры полости сложной формы. Для повышения пластичности сталей при холодном формообразовании изделий используют схемы выдавливания с увеличенным гидростатическим давлением в очаге деформации, например с помощью приложения противодавления жидкостью под высоким давлением. Эффективность действия жидкости под высоким давлением на пластичность при механических испытаниях образцов и в процессах прямого выдавливания показана в работах [2-5]. Получение полостей штампов и пресс-форм холодным выдавливанием с противодавлением позволяет увеличить глубину вдавливания за один переход и повысить стойкость мастер-пуансонов [5]. Приложение дифференцированного противодавления на заготовку при ХВ заготовок чеканочных штемпелей и полостей, когда величина противодавления изменяется пропорционально повышению сопротивления деформированию, позволяет существенно повысить их стойкость [6,7].

Целью данной работы является определение параметров ХВ сферическим пуансоном полостей в условиях действия противодавления на свободную поверхность заготовок.

Рисунок 1. Схема выдавливания Рисунок 2. Схема выдавливания полости полости с противодавлением сферическим пуансоном для анализа ИМ

Постановка задачи. Для ХВ полостей с дифференцированным противодавлением использовали схему, которая показана на рисунке 1. Исходное положение перед выдавливанием отображено слева от оси симметрии. Контейнер 1 установлен с возможностью перемещения на опоре 2 с уплотнениями 3. Опора 2 крепится на нижней плите 4 штампа. Контейнер имеет два канала разного диаметра: верхний 5 и нижний 6, которые соединены отверстиями 7 для свободного перетекания жидкости. В канал 5 установлен и зафиксирован мастер-пуансон 8.

Каналы 5 и 6 заполняют рабочей жидкостью и устанавливают заготовку 9, на торец которой прикладывают усилие Рд через пуансон 10. Заготовка начинает перемещаться и вытесняет жидкость из канала 5 в канал 6. Контейнер 1 поднимается вверх. Когда пуансон 8 коснется заготовки 9, в жидкости возникает давление р. За счет давления и разности площадей каналов возникает осевое усилие: Рос = р (¥6 - где ¥6 - площадь канала 6; ¥5 - площадь канала 5. Действие усилия Рос направлено навстречу пуансону и возрастает пропорционально росту давления р. Когда Рос достигает величины необходимой для деформирования заготовки 9, пуансон 8 начинает выдавливать полость в заготовке. В процессе деформирования на свободную поверхность заготовки действует противодавление жидкости р, которое зависит от величины Рд. Выталкивание заготовки после выдавливания осуществляют вторым ходом пресса. Контейнер 1 опускают вниз, жидкость перетекает из канала 6 в канал 5 и выталкивает

заготовку 9 с контейнера 1.

Для приведенной схемы необходимо получить аналитические зависимости для определения напряжений на контактных поверхностях и усилия выдавливания сферическим пуансоном, провести численный эксперимент методом конечных элементов (МКЭ), выполнить экспериментальные исследования и сравнить полученные результаты.

Результаты. Для расчета усилия ХВ с противодавлением полостей сферическим пуансоном проведено решение задачи инженерным методом (ИМ). Расчетная схема показана на рисунке 2. Заготовка 2, которая установлена в матрице 3 и деформируется пуансоном 1, разделена на три объема: 1 - очаг деформации, 2 и 3 недеформируемые объемы. На торец заготовки действует противодавление р. При решении задачи использовали подход Степанского Л.Г. [8]. По методике [9] учтено влияние трения на калибрующем пояске пуансона высотой I и матрице по длине к, которое приводит к возникновению удельного усилия в стенке:

Гп ■ I + R3

q = 2 ■ л ■ а.

а

(R3 -rn)ctg2 +1

s2

(1)

R 2 - г2

л 3 г П

где: / - коэффициент трения, <2" напряжение текучести сдеформированного металла

во 2 объеме. Совместным решением уравнений равновесия в сферических координатах и приближенного условия пластичности получены формулы для определения напряжений <

и а,

ав =

-а

si

p + q . а Л 1 -—- sin —+1 +--

а

s1

2¡

л

ln RH- V

RB

а --в 2

i-J-2¡

(2)

aP=-as1

í \ p + q . а „ 1 -—-sin—+1 +--

V

а

s1

2¡

л

ln Rh

а --в

V 2 y

R

В

J_

2¡

(3)

где: as1 - напряжение текучести металла в 1 объеме.

По напряжению ар из (3) и элементарной площади сферического торца пуансона

dF = RB ■ dp- sin в- de интегрированием определена вертикальная составляющая усилия выдавливания Рд с учетом расчета радиусов RH и RB через R3 , гП и угол в:

Рд =

2юПаС\

• 2 а sin —

p + q . а Л 1 -—- sin —h 1 +--

ср а i

V s1

2¡

ln-

1

л

а . R3 cos— ln^3

2 rn V

а. 1 — ln-

а

cos

а 24

--Lln_! 2

cos

a

(4)

ср

где - среднее значение с учетом упрочнения напряжения текучести в очаге деформации, которое по известной аппроксимации кривой упрочнения найдено в следующей последовательности:

а = ■

s 1 -¥.

ш

¥

¥

V ш У

1-¥

' 1!,

= ¥ср = RHа- RBа = RH - RB . аср = -в

\¥ = ¥г =■

2 RH а

2 R Н

.а =

s1 1 -¥

ш

ГП

2 R3 ■¥

¥ш 1-¥ш

(5)

ш У

В первой формуле из (5) ав - предел прочности, ¥ - относительное сужение, соответ-

ш

ш

ствующее моменту образования шейки на образце при испытании на растяжение, у/ - текущее значение относительного сужения. Величину jcJp нужно подставлять вместо а^ при

вычислении q по выражению (1).

Для проверки адекватности решения задачи ИМ был проведенный численный эксперимент МКЭ на примере выдавливания заготовки из стали Р6М5 сферическим пуансоном в условиях действия противодавления на свободную поверхность заготовки. Моделирование проводили с помощью программного комплекса DEFORM, который был предоставлен на правах временной лицензии компанией «ТЕСИС». С помощью моделирования установлено необходимое максимальное противодавление, которое обеспечивает выдавливание без разрушения, усилие процесса, распределение напряжений

на деформирующем инструменте, напряжённо-деформированное состояние и степень использования ресурса пластичности металла, а также конечные размеры полученного изделия. Процесс выдавливания полости матрицы сферическим 4 пуансоном в заготовке из стали Р6М5 рассматривали как осе-симметричную задачу. На рисунке 4 приведена схема для моделирования МКЭ выдавливания полости в условиях действия дифференцированного противодавления р на свободную поверхность заготовки с учетом уменьшения ее при выдавливании. Заготовку 1 устанавливают в контейнер 2 на мастер-пуансон 3. Усилие выдавливания Рд прикладывают с помощью пуансона 4. Величина противодавления в процессе выдавливания переменная и зависит от усилия Рд. Расчетная зависимость усилия выдавливания от перемещения пуансона показана на рисунке 4. Максимальное значение усилия в ] конце рабочего хода составило 6,91 МН. Расхождение результатов по максимальной величине усилия, рассчитанного по формуле (4), и МКЭ не превышает 8%. Изменение величины противодавления р от перемещения пуансона показано на рис 5. Максимальное значение противодавления в конце выдавливания составило 680 МПа, величина противодавления пропорционально зависит от усилия Рд.

Распределение использованного ресурса пластичности у металла после деформации по объему заготовки показано на рисунке 6, максимальное значение составило у = 0,8. На рисунке 8 показано распределение интенсивности деформаций si и интенсивности напряжений Gi по объему деформированной заготовки с приложением противодавления.

700

Рисунок 3. Схема выдавливания для моделирования МКЭ

я 1

3

I 5

в —

! 4

л -1 в

С!

И £

— k-И кэ

м

0-■

п 600

Е X

о с

lC

Я ГГ.

О -

О С.

С

400 300 200 100

____

Ii

0 2 4 6 8 10 12 14 Перемещение пуансона, мм

16 1Ь

0

10 12 14 16 18

Рисунок 4. Зависимость усилия выдавливания от перемещения пуансона

Перемещение пуансона, мм Рисунок 5. Изменение противодавления при перемещении пуансона

По распределению интенсивности деформации е, (рисунок 8а) можно оценить проработку структуры металла холодной пластической деформацией.

Интенсивная проработка распространяется на треть заготовки по высоте. Тем самым создается улучшенная макроструктура в заготовке, что приводит к повышению стойкости полостей при эксплуатации. Распределение интенсивности напряжений а, (рисунок 8.б) определяет распространение очага деформации и величину упрочнения металла в заготовке. Очаг деформации распространяется на всю высоту по оси заготовки.

7/J6

Л

I

0.80 070 . 0.60 0.50 0.40 0.30

L2 0.20 0.10 0.00

Рисунок 6. Распределение использованного ресурса пластичности у

I

а) б)

Рисунок 7. Распределение интенсивности деформаций е (а) и распределение интенсивности напряжений а^ (б)

г %

1 а

CL Й г

в -

Г

О 2 (3

--■---

« 4200 т"

-160С МПа

-1000 -1200 -1400 Радиальные напряжения ар,

Рисунок 8. Распределение радиальных напряжений ар на контейнере

е -3600

о

й -3000

—

ñ

а

I

о -2400

Й

я -1 КПП

EL,

£

к

0 10 20 ЗС

Радиус мастер-пуансона, мм

Рисунок 9. Распределение нормальных напряжений ап на мастер-пуансоне

10 20 30 40 50 Радиус нуансона, мы

Рисунок 10. Распределение осевых напряжений на пуансоне

а) б)

Рисунок 11. Мастер -пуансон (а) и заготовки после выдавливания (б)

Распределение радиальных напряжений ор по высоте поверхности заготовки, которая контактирует с контейнером, показано на рисунке 8. Максимальное значение радиальных напряжений по абсолютной величине на стенке матрицы составило 1550 МПа. На рисунке 9 приведено распределение нормальных напряжений ап по радиусу поверхности мастер-пуансона. Из характера распределения и геометрии пуансона (см. рисунок 4) видно, что на большинстве поверхности пуансона действуют напряжения ап = -2700 МПа. Распределение

Серия 2. Технология машиностроения и материалы. осевых напряжений az на пуансоне показано на рисунке 10, где максимальное значение по абсолютной величине на оси составило 1900 МПа. Распределение напряжений на рабочей поверхности инструмента позволяет выбрать материал для пуансонов и количество бандажей матрицы.

Было проведено экспериментальное исследование выдавливания полостей матриц в условиях действия противодавления на гидравлическом прессе ПО443 усилием 20 МН. На рисунке 11а показан мастер-пуансон. Заготовки полостей матриц из стали Р6М5, полученные ХВ с противодавлением, приведены рисунке 11б.

Выводы

Инженерным методом с учетом трения и упрочнения получены зависимости для расчета напряжений на контактных поверхностях заготовки и инструмента, усилия выдавливания полостей сферическим пуансоном.

Компьютерным моделированием методом конечных элементов проведены численные эксперименты на примере выдавливания сферическим пуансоном полости в заготовке из стали Р6М5 в условиях действия противодавления. Установлено необходимое максимальное противодавление, которое обеспечивает выдавливание без разрушения, усилие процесса, распределение напряжений на деформирующем инструменте, напряжённо-деформированное состояние и степень использования ресурса пластичности металла, а также конечные размеры полученных изделий.

Проведено экспериментальное выдавливание полостей сферическим пуансоном в заготовках из стали Р6М5.

Литература

1. Хыбемяги А.И. Выдаливание точных заготовок деталей штампов и пресс-форм / А.И Хы-бемяги., П.С. Лернер; - М : Машиностроение, 1986. - 150 с.

2. Береснев Б. И. Некоторые вопросы больших пластических деформаций металлов при высоких давлениях / Б.И. Береснев, Л.Ф. Верещагин, Ю.Н. Рябинин и др. - М.: Изд-во АН СССР, 1960. - 80 с.

3. Пью Х.Л. Механические свойства материалов под высоким давлением / Под ред. Пью Х.Л. Том 1. - М.: Изд-во «Мир», 1973. - 296 с.

4. Уральський В. И. Деформации металлов жидкостью высокого давления / В.И. Уральський , В.С. Плахотин, Н.И. Шефтель и др. - М.: Металлургия, 1976. - 423 с.

5. Белошенко В. А. Теория и практика гидроэкструзии./ В.А. Белошенко,. В.Н. Варюхин, В.З. Спусканюк. - К.: Наукова думка, 2007. - 246 с.

6. Калюжный В.Л. Проблемы повышения стойкости чеканочных штемпелей // В.Л. Калюжный , В.А. Маковей, Н.П. Стародуб и др. //Обработка материалов давлением: сб. начн. Трудов, - Краматорск: ДГМА, 2008. - №1(19). С. - 316-323.

7. Калюжный В.Л. Холодное выдавливание ступенчатых полостей прессформ из стали 12ХН3А в условиях действия дифференцированного противодавления на заготовку / В.Л. Калюжный, В.В. Пиманов //Вестник НТУ «ХПИ», Харьков. - 46'2011. С. - 34-41.

8. Степанский Л.Г. Расчёты процессов обработки металлов давлением. / Степанский Л.Г. -М: Машиностроение, 1979.- 215 с.

9. Сторожев М.В. Теория обработки металлов давлением. / М.В.Сторожев, Е.А Попов.- М. : Машиностроение, 1977. - 423 с.

Технология высадки детали с прямоугольной в плане головкой и радиусами

закругления

Глазунов Д.А., Калпин Ю.Г. Филиппов Ю.К., Молодов А.В.

Университет машиностроения

Аннотация. Исследованию подвергается процесс высадки детали с прямоугольной в плане головкой. Проводится моделирование процессов комбинированной высадки прямоугольной головки болта. Для моделирования используется