CC BY
7
УДК 621.7.043 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-4-312-316
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЗАГОТОВКИ ПРИ ШТАМПОВКЕ ДЕТАЛЕЙ КАТУШЕЧНОЙ ФОРМЫ
Г.В. Панфилов, А.В. Черняев, А. Т. До
Представлены результаты теоретических исследований влияния геометрических параметров инструмента, степени деформации и условий трения на напряженно-деформированное состояние заготовки при штамповке деталей катушечной формы. Выполнена оценка повреждаемости материала при использовании цилиндрической и предварительно профилированной заготовки. Дано обоснование количества необходимых операций штамповки.
Ключевые слова: детали катушечной формы, холодная объемная штамповка, напряжение, деформация, повреждаемость материала.
Детали катушечной формы (ДКФ) находят применение в качестве поршневых элементов в гидро- и пневмоприводе различных механизмов. [1]. Традиционная технология их изготовления основана на использовании операций механической обработки, сопровождающейся значительными потерями металла. Формообразование габаритных размеров деталей операциями штамповки позволит повысить производительность труда и сократить потери материала. При определенных сочетаниях диаметральных размеров изделия и заготовки возможна штамповка ДКФ за одну операцию из цилиндрической заготовки [2]. При значительных величинах деформации в технологический процесс требуется вводить операцию предварительного профилирования прутка операциями прямого выдавливания или высадки с последующим межоперационным отжигом. Для обоснования количества необходимых штамповочных операций проведены исследования напряженного и деформированного состояний заготовки в процессе формоизменения с использованием программного комплекса Qform 2D/3D. Обладая информацией о величинах среднего напряжения, интенсивностей напряжений и деформаций в любой момент деформирования, можно оценить степень использования ресурса пластичности материала [3,4].
Схема штамповки осесимметричной ДКФ в штампе с разъемными матрицами приведена на рис. 1. Заготовка цилиндрической формы длиной l = 28 мм и диаметром d = 14,5 мм деформируется двумя пуансонами, движущимися во встречном направлении. Течение материала в радиальном направлении обеспечивает заполнение полостей матрицы, образуя два торцевых утолщения.
Напряженно-деформированное состояние заготовки рассматривалось в 8 характерных точках, выделенных на ее наружной поверхности. На рис. 2 представлены картины распределения интенсивности нормальных напряжений Sf и линейных деформаций e на конечной стадии штамповки ДКФ из стали 10.
Выполнены теоретические исследования зависимостей Sf и e при штамповке ДКФ от радиусов закругления полости матрицы R и выступа пуансона r, относительного диаметра d = d/ D, определяющего степень деформации, где D - диаметр изделия, а также условий трения на контактных границах инструмента и заготовки, характеризующихся коэффициентом трения /т. Приняты следующие диапазоны изменения
варьируемых параметров: R = 3...9 мм; r = 1...4 мм; / = 0,05...0,2, d = 0,6...0,68. Изменение d обеспечивалось варьированием D от 24,1 до 21,3 мм при постоянном d = 14,5 мм. Результаты расчетов представлены на рис. 3, 4.
312
Рис. 1. Схема штамповки деталей катушечной формы
а б
Рис. 2. Распределение (а) и е^ (б) на конечной стадии штамповки
МПа
700
Рт Рб
РТ"--
урт"*"""
____ Ро
б
аи МПа
700
Р5 \Рб Рз г Р"
/ /
Р1 \_Рз. Ро
О",. МПа
700
\ Р'
Р-1 /—
Рз Р1
- *
Ро
/
--
Гтмм
0,05
Рис. 3. Зависимости от d, Я, г, ¡¡:
а - ^); т = 0,1; Я = 5 мм; г = 2 мм; б - с (Я); ¡1 = 0,1; г = 2 мм; d = 0,66; в - с (г); 1 = 0,1; Я = 5 мм; d = 0,66; г - (¡); Я = 5 мм; г = 2 мм; d = 0,66
Показано, что в исследуемом диапазоне изменения варьируемых параметров наибольшее влияние на величины <7г- и е оказывают d и Я. С их увеличением <7г- и ег-снижаются на 15...20 и 20...30% соответственно. Увеличение г и ¡1 приводит к росту с и е на 5-10%. Установлено, что наибольших величин сгг и е достигают в точ-
313
а
в
г
ке Р6, расположенной на поверхности полости на торце заготовки. Указанная полость выполняет функцию наметки для сверления сквозного отверстия, и материал, находящейся в этой области заготовки, впоследствии подлежит удалению в отход. Помимо точки Р6, наибольших значений <гг и е достигают в точках Р2 и Р4, соответствующих
краевым участкам торцевых утолщений, а также в точке Р7, расположенной в месте сопряжения нижнего торца с фигурным выступом.
Г,мм
б
£
Рб
Рт Р4 Р2
Рз Р5 Р1
/ Ро /
/
в г
Рис. 4. Зависимости е^ от d, Я, г, /:
а - еI ^); / = 0,1; Я = 5 мм; г = 2 мм; б - е^ (Я); / = 0,1; г = 2 мм; d = 0,66;
в - еI (г); / = 0,1; Я = 5мм; d = 0,66; г - е^ (/); Я = 5мм; г = 2мм; d = 0,66
Выполнена оценка величин среднего напряжения <гср и повреждаемости материала заготовки ( (рис. 5). Установлено, что при штамповке ДКФ в очаге деформации преобладают сжимающие напряжения, что создает благоприятные условия с точки зрения деформирования без разрушения, способствуя залечиванию микродефектов, вызванных пластической деформацией, и предотвращая исчерпание ресурса пластичности материала [3]. Наибольших значений <гср достигает на краевых участках торцевых
утолщений (точки Р2 и Р4). Именно в этих участках материал заготовки имеет наибольшую повреждаемость.
Наибольшее влияние на повреждаемость материала заготовки оказывают величины d и Я. При их уменьшении в исследуемом диапазоне ( снижается на 30-40 и 20-30% соответственно (рис. 6). Установлено, что при значениях d < 0,62 повреждаемость стали 10 достигает критического уровня ( > 0,3, что согласно рекомендациям [3] недопустимо для изделий ответственного назначения. В этом случае штамповка ДКФ за одну операцию невозможна, и в технологическом процессе необходимо предусмотреть дополнительный переход предварительного профилирования - высадку торцевого утолщения цилиндрической заготовки с последующим отжигом, а окончательные размеры формировать на второй операции (рис. 7).
314
а б
Рис. 5. Распределение сср (а) и С (б) на конечной стадии штамповки
(материал — сталь 10; ¡1 = 0,1; Я = 5мм; г = 2 мм; d = 0,66)
а
б
Рис. 6. Зависимости С от d и Я:
а - сСй); 1 = 0,1; Я = 5 мм; г = 2 мм; б - с(Я); ¡1 = 0,1; г = 2 мм; d = 0,66
Пуансон 1
Пуансон 2
Рис. 7. Схема штамповки ДКФ из профильной заготовки
При использовании предварительно профилированной заготовки с диаметром утолщенной части dl = 19 мм и длиной I = 25 мм повреждаемость материала на операции окончательной штамповки снижается, не превышая значения с = 0,25, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к изделиям ответственного назначения.
Работа выполнена в рамках гранта по государственной поддержке ведущих научных школ Российской Федерации НШ-2601.2020.8.
315
Список литературы
1. Панфилов Г.В., До А.Т., Ле М.Д. Проектирование штамповой оснастки для изготовления осесимметричных деталей с торцевыми утолщениями и их применение // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2021. №3(117). С. 7-15.
2. Панфилов Г.В., Черняев А.В., До А.Т. Моделирование штамповки деталей катушечной формы // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 3. С. 50-54.
3. Богатов А. А., Мижирицкий О.И., Смирнов С.В. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1984. 144 с.
4. Колмогоров В. Л. Напряжения. Деформации. Разрушение. М.: Металлургия, 1970. 232 с.
Панфилов Геннадий Васильевич, д-р техн. наук, профессор, tulpan.2000@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Черняев Алексей Владимирович, д-р техн. наук, профессор, mpf-tulaaramhler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
До Ань Ту, аспирант, doanhtu1991.ru@,gmail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
RESEARCH OF THE STRESS-DEFORMED STATE OF THE WORKPIECE WHEN STAMPING THE PARTS OF THE COIL SHAPE
G. V. Panfilov, A. V. Chernyaev, A. T. Do
The results of theoretical studies of the influence of the geometric parameters of the tool, the degree of deformation and friction conditions on the stress-strain state of the work-piece during stamping of coil-shaped parts are presented. An assessment of the damageahility of the material when using a cylindrical andpre-profiled workpiece has heen carried out. The substantiation of the number of required stamping operations is given.
Key words: coil shape parts, cold die forging, stress, deformation, material damageahility.
Panfilov Gennady Vasilyevich, doctor of technical sciences, professor, tulpan.2000@yandex.ru, Russia, Tula, Tula StateUuniversity,
Chernyaev Aleksey Vladimirovich, doctor of technical sciences, docent, mpf-tulaaramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Do An Htu, postgraduate, doanhtu1991. ruagmail. ru, Russia, Tula, Tula State University
