CC BY
9
УДК 621.983; 539.374
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ СИММЕТРИЧНЫХ
В ПЛАНЕ ИЗДЕЛИЙ С ОТРОСТКАМИ
Н.А. Шамин, О.Ю. Гурова, Д.В. Ерошкин
На основе конечно-элементное моделирования бокового выдавливания прутковой заготовки в разъемную матрицу с отростками было выполнено исследования характера течения металла, напряженного состояния материала, а так же силы процесса. По результатам моделирования были сформулированы рекомендации, используя которые была сконструирована оснастка.
Ключевые слова: боковое выдавливание, высокопрочные сплавы, деформирование, напряжение,
сила.
Изотермическое выдавливание алюминиевых сплавов в инструменте, нагретом до температуры деформации, известно сравнительно давно. Прессование осуществляют без смазки, и при большой скорости деформирования выделяется значительное количество теплоты вследствие теплового эффекта контактного трения. Во время процесса температура заготовки из алюминиевого сплава, отличающегося узким температурным интервалом обработки, может существенно повыситься, а сплав — перейти в хрупкое состояние. Поэтому большинство алюминиевых сплавов прессуют при весьма низких скоростях истечения. При такой невысокой температуре нагрева инструмента не возникает особых проблем ни с выбором штамповой стали, ни с созданием специальных устройств для подогрева контейнера.
При высокотемпературном изотермическом деформировании инструмент необходимо нагревать до 700 — 1100° С в зависимости от обрабатываемого материала. Изотермические условия создают, применяя специальные штамповые блоки с нагревательными элементами, которые располагают в рабочем пространстве деформирующей машины.
Штампы обычно изготовляют из литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, в качестве технологической смазки используют различные стекла или эмали на основе стекла.
Изотермическую штамповку выполняют на гидравлических прессах, хотя можно использовать и другое оборудование. При отсутствии остывания заготовки в процессе деформации скорость деформирования в принципе может быть сколь угодно малой, а нижний предел скорости ограничен только производительностью процесса.
Далее приводятся результаты теоретических исследований, основанных на методе конечных элементов. Исследование выполнено в программном комплексе 3d моделирования QFORM3D. В качестве исходной заготовки применялся пруток диметром 31 мм. Принималось, что деформирование реализуется за один ход ползуна гидравлического пресса. Деформирование осуществляется двумя противода-вящими устройствами.
В процессе исследования менялись диаметр отростков, их длины, скорость деформирования и параметры трения. На рис. 1 представлены схемы инструмента с варьируемыми геометрическими параметрами.
На рис. 2-3 представлены схемы изделий после деформирования, а так же, схемы поковок, позволяющие оценить распределение в них интенсивностей напряжений в конечный момент деформирования.
Рис. 1. Схемы инструмента с варьируемыми геометрическими параметрами
172
,1 лл 7 1Г1 Тг л о / (/ПТГ)=30мм; =19 лш; К = 0,01 мм/с
(/отр = 30 мм; аотр = 19 мм; V = 0,2 мм/с , отр отр
1отр
т = 0,4)
т = 0,1)
(/отр = 30 мм; d0Tр = 19 мм; V = 1 мм/с ,
т = 0,1)
(/отр = 30 мм; d0Tр = 19 мм; V = 0,2 мм/с
т = 0,1)
(/отр = 30 мм; d0Tр = 19 мм; V = 10 мм/с,
т = 0,1)
(/отр = 30 мм; d0Tр = 19 мм; V = 0,2 мм/с т=1)
(/отр = 20 мм; d0Tр = 19 мм; V = 10 мм/с,
т=1)
(/отр = 20 мм; d0Tр = 19 мм; V = 0,01 мм/с,
т = 0,1)
Рис. 2. К оценке интенсивностей напряжений в конечный момент деформирования
Из представленных на предыдущих рисунках схем видно, что в целом в поковке реализуется благоприятное напряженное состояние. Максимальных величин растягивающие напряжения достигают на краях отростков. Максимальных значений сжимающие напряжения достигают под деформирующим инструментом. В процессе деформирования при заполнении угловых элементов центральной части детали происходи формирование складки что связано с характером течения материала Формирование складки наблюдается в конце хода пуансона. Это явление можно минимизировать увеличивая либо трение металла о стенки матрицы, либо создавая боковой подпор металлу путем уменьшения диаметра отростков или реализацией схемы при которой вначале происходит полное формирование отростков, а затем происходит формирование центральной части поковки.
По результатам исследований были построены зависимости различных факторов на силовые режимы процесса. Эти зависимости показаны на рис. 4-6.
(/отр = 20 мм ; d0TD = 19 мм ; V = 0,2 мм/с , 1 = 0,1)
(l0TD = 20 мм ; dоTD = 19 мм ; V = 0,01 мм/с , 1 = 1)
(1оТр = 40 мм ; dоTD = 19 мм ; V = 0,01 мм/с , 1 = 0,1) (l0TD = 30 мм ; dоTD = 16 мм ; V = 0,01 мм/с , 1 = 0,1)
1отр
отр
*отр
(1оТр = 30 мм ; dоTр = 23мм ; V = 0,01 мм/с , 1 = 0,1)
(1оТр = 30 мм ; dоTр = 16 мм ; V = 0,2 мм/с , 1 = 0,1)
Рис. 3. К оценке интенсивностей напряжений в конечный момент деформирования
Рис. 4. Зависимость силы выдавливания от коэффициента трения:
1 -D0TD /Нпок = 0,8 ; 2 - D0TD /Нпок = 0,65 ; 3 - Аггр /^пок = 0,55
Р.кН
3 X
------ -— —---
----- ---—
К2
(
1
0 2 4 6 3 У.ММ/С
Рис. 5. Зависимость силы выдавливания от скорости деформирования:
1 -1 = 0,1; 2 -1 = 0,4 ; 3 - 1 = 1
Рис. 6. Зависимость силы выдавливания от относительной длины отростка
Установлено, что с ростом коэффициента трения наблюдается линейный рост силы деформирования. С ростом скорости сила так же растет. Наибольшего роста она достигает в интервале скоростей 0,01... 1 мм/с. Рост относительной длины отростка приводит к росту силы, как и рост относительного диаметра отростка.
С целью создания изотермических условий в рабочей зоне специализированных и универсальных гидравлических прессов используют установки, имеющие систему нагрева инструмента с устройством для теплоизоляции штампового пространства и систему терморегулирования для поддержания температуры инструмента на заданном уровне. Основным элементом установки является штамповый блок с нагревательным устройством, который монтируют в рабочем пространстве пресса. Инструмент нагревают с помощью индукторов, элементами сопротивления или газовыми горелками.
Штамповый блок с проволочными нагревателями показан на рис. 7. Вокруг штамповых вставок 5 и 6 смонтированы три цилиндрических кожуха, внутренние полости которых заполнены теплоизоляционным материалом. Нижний 22 и верхний 16 кожухи закреплены на плитах 2 и 4, жестко связанных соответственно со столом и ползуном пресса. Средний кожух 17 изолирует рабочее пространство блока. На внутренней поверхности кожухов расположены три секции нагревателей 18, выполненных из проволоки диаметром 5,5 мм, обладающей высоким омическим сопротивлением (из сплава ОХ23Ю5ТА). Две дополнительные секции нагревателей в виде плоских змеевиков вмонтированы в подштамповые плиты 28. Витки кольцевых секций нагревателей 18 поддерживаются от провисания специальными гребенками, изготовленными из термостойкой и электроизолирующей керамики.
Рис. 7. Эскиз штампового блока
Подштамповые плиты 28 изготовлены из сплава ЖС6К. Под каждой штамповой вставкой установлены по три плиты 30, 31, 33-35 из жаропрочной керамики, между которыми проложены металлические листы 32. Такая конструкция подкладных плит надежно теплоизолирует инструмент и предотвращает перегрев стола и ползуна пресса. При температуре штамповых вставок 1000° С температура в точке А — 750° С, в точке Б — 440° С, в точке В — 220° С, в точке Г — 80° С. Между плитами 2 и 4 и водоохлаждаемыми основаниями 1 и 3 помещены асбестоцементные плиты 14 и 13 и металлические листы.
Рабочее окно для загрузки и выгрузки заготовок расположено в среднем кожухе 17 на уровне плоскости смыкания штамповых вставок. Винты 38 служат для настройки величины рабочего хода. Теплозащитное кольцо 23, смонтированное в верхней части кожуха, предназначено для уменьшения подсоса холодного воздуха в рабочее пространство блока, с этой же целью к плите 4 прикреплен экран. В штам-повом блоке предусмотрен нижний выталкиватель 10.
При необходимости смены инструмента в нижнем положении ползуна, когда вставки сомкнуты, через рабочее окно вытаскивают на себя шпильки 10, соединяющие верхнюю вставку со штамподер-жателем 9. Далее поднимают ползун, при этом сначала выбирают зазор, равный рабочему ходу верхней вставки, затем винты 38 своими заплечиками поднимают средний кожух, обеспечивая доступ к штампам. Во избежание перекоса кожуха при его подъеме предусмотрены направляющие колонки 24. После подъема ползуна на достаточную высоту удаляют шпильки 10 крепления нижней вставки в штамподержателе 11 и меняют инструмент.
Установка питается через трехфазный автотрансформатор, подключенный через автомат и контактор. От коротких замыканий электронагреватели защищают токовые реле.
Полученные результаты можно использовать в дальнейшем при создании рекомендаций по проектированию технологий изготовления осесимметричных цилиндрических тонкостенных изделий с широким основанием и более узкой горловиной изотермическим обжимом.
Список литературы
1. Яковлев С.П., Чудин В.Н., Яковлев С.С., Соболев Я. А. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов. М.: Машиностроение, 2003. 427с.
2. Овчинников А.Г. Основы теории штамповки выдавливанием на прессах. М.: Машиностроение, 1983. 200 с.
3. Джонсон В., Кудо Х. Механика процессов выдавливания металлов. М.: Металлургия. 1965.
197 с.
Шамин Никита Андреевич, студент, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Гурова Ольга Юрьевна, студент, olya-gurova-2016@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ерошкин Даниил Викторович, студент, mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
RESEARCH OF THE PROCESS OF ISOTHERMAL EXTR USION OF SYMMETRIC IN THE PLAN OF PRODUCTS WITH APPLIANCES
O.N. Shamin, O. Yu. Gurova, D. V. Eroshkin
Based on the finite element modeling of lateral extrusion of a bar stock into a detachable matrix with processes, studies were made of the nature of the metal flow, the stress state of the material, and also the strength of the process. Based on the simulation results, recommendations were formulated using which the snap-in was designed.
Key words: lateral extrusion, high-strength alloys, deformation, stress, force.
Shamin Nikita Andreevich, student, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Gurova Olga Yuryevna, student, olya-gurova-2016@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Eroshkin Daniil Viktorovich, student, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
