Исследование силовых параметров процесса полугорячего выдавливания Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.735.043

В.И. Петров, д-р техн. наук, проф., (4872) 24-02-37,

Ыа10г07@таП.ги (Россия, Тула, ТулГУ)

ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ПОЛУГОРЯЧЕГО ВЫДАВЛИВАНИЯ

Приведены результаты экспериментов по определению удельной силы при по-лугорячем выдавливании роликов и втулок цепного производства с целью разработки математических моделей силового нагружения инструмента и выявления влияния основных технологических параметров процесса.

Ключевые слова: ролики и втулки, полугорячее выдавливание, удельная сила, математическая модель, инструмент.

Во многих отраслях машиностроения широко применяются цепные передачи и цепные устройства. Основным органом в них - приводным, тяговым - является цепь, в которой ответственными элементами изделия являются ролики и втулки, представляющие большую группу деталей цилиндрической формы. К ним предъявляются повышенные требования по механическим свойствам материала, точности изготовления и качеству поверхности. Поэтому для их производства используются углеродистые и легированные конструкционные стали, такие как 15, 50, 30ХН3А и другие.

Производство цилиндрических деталей традиционными методами (горячее и холодное выдавливание, механическая обработка на многошпиндельных токарных станках-автоматах) отличается высокой трудоемкостью, низкой производительностью технологического процесса и значительными отходами дорогостоящих углеродистых и легированных конструкционных сталей. При этом коэффициент использования металла составляет не более 0,3-0,5.

Современное массовое производство роликов и втулок цепей требует решения следующих основных задач:

1. Максимальное приближение формы, размеров и качества заготовок к соответствующим параметрам готовых деталей с целью повышения коэффициента использования дорогостоящих конструкционных сталей.

2. Получение поковок с заданными физико-механическими свойствами и структурой - важнейшие факторы повышения качества продукции и эффективности цепного производства.

Одним из наиболее производительных и экономически целесообразных способов изготовления подобных деталей является полугорячее выдавливание [1, 2].

Применение процессов полугорячего выдавливания позволяет повысить пластичность сталей и сплавов (по сравнению с холодным выдавливанием) и на этой основе расширить номенклатуру обрабатываемых труднодеформируемых углеродистых и легированных конструкционных

сталей. Процесс полугорячего выдавливания обеспечивает получение деталей, по точности и качеству поверхности незначительно уступающих деталям, изготовляемым холодным выдавливанием, но при существенном снижении удельной силы. Кроме того, реализация рациональных термомеханических режимов пластического формоизменения и охлаждения деталей в едином технологическом цикле позволяет получить высокий комплекс механических характеристик материала (твердость) изготовляемых деталей с улучшением эксплуатационных свойств изделия в целом. При этом резко сокращаются энергетические затраты, исключаются промежуточные операции отжига и нанесения упрочняющих покрытий.

В то же время поиск путей совершенствования технологических процессов полугорячего выдавливания в условиях серийного производства открывает возможность использования горячекатаного пруткового материала в качестве экономичного вида проката для получения заготовок под обратное выдавливание.

Реализация этого прогрессивного метода в промышленность при изготовлении цилиндрических деталей осуществляется медленными темпами из-за ряда технических сложностей, связанных с исследованием силовых параметров процесса и обеспечением стойкости штампового инструмента. Всё это требует проведения определенных теоретических исследований и экспериментальных работ, направленных на научное обоснование выбора основных термомеханических режимов полугорячего выдавливания заготовок из сталей класса 15, 50, 30ХН3А с учетом температурных условий работы штампового инструмента: температуры обработки, предельной степени деформации за один ход деформирующего инструмента, силовых параметров, скорости деформирования, сопротивления деформированию.

При проектировании технологических процессов с применением операции полугорячего выдавливания для оценки силовых параметров используются эмпирические зависимости (при различных упрощающих допущениях) из различных справочных материалов, а также результаты теоретических и экспериментальных исследований, в которых не в полной мере учитывается совокупность температурно-скоростных режимов выдавливания на силовой режим инструмента.

В качестве одного из возможных решений поставленной задачи является рассмотрение приближенного физического моделирования в рамках общего подхода при наложении требования количественной оценки степени точности измерения и расчета силовых параметров с использованием методов математического планирования экспериментов.

Предложенный подход апробирован для приближенного физического моделирования процесса полугорячего выдавливания. Этот метод

характеризуется, как показано на рис. 1, различной формой рабочей час-

2 2

ти пуансона и степенью деформации (обжатием е = гП / ^ ).

Рис. 1. Схема обратного выдавливания:

1 - пуансон; 2 - матрица; 3 - заготовка; 4 - выталкиватель;

5 - выдавленный стаканчик

Для реализации в лабораторных условиях процесса полугоря-чего выдавливания стальных заготовок предложен способ обратного выдавливания стаканчиков из цилиндрических заготовок. Рассматривалась расчетная схема (см. рис. 1) взаимодействия пуансона, изготовленного с рабочим торцом 2 а = 150 ± 300, с материалом заготовки на начальном участке стационарной стадии полугорячего обратного выдавливания с получением цилиндрического стаканчика.

В процессе выдавливания область заготовки, расположенная под пуансоном, находится в состоянии всестороннего неравномерного сжатия. При истечении материала заготовки в зазор между матрицей и пуансоном в кольцевой зоне заготовки формируются схемы главных напряжений - всестороннее сжатие, схема деформаций - простое растяжение . Изменяя степень деформации (обжатие), можно получать различные соотношения между величиной удельной силы и регламенти -рованными значениями температуры, степени деформации (обжатия), размеров исходной заготовки (глубина внедрения пуансона) и формы рабочей части пуансона.

Рассмотрение процесса полугорячего выдавливания в лабораторных условиях позволяет установить те физические переменные и константы, которые определяют силовой режим деформирования. Этими определяющими характеристиками в рассматриваемом случае являются:

102

е - степень деформации (обжатие); д - удельная сила выдавливания;

О0, Н0 - соответственно исходные диаметр и высота заготовки; 2 а - угол торца рабочей части пуансона; 1З - температура заготовки.

Наибольший интерес представляет функциональная зависимость удельной силы выдавливания от таких параметров, как глубина внедрения, степень деформации (обжатие), температура заготовки, марочный состав деформируемого сплава, геометрия рабочей части пуансона.

По результатам эксперимента в этом случае получаем в различные моменты времени искомую зависимость с использованием метода математического планирования экспериментов и при одновременном варьировании нескольких параметров [3].

В качестве материалов применяли малоуглеродистую сталь 15, углеродистую сталь 50 и легированную конструкционную сталь 30ХН3А в состоянии поставки, что позволило путем варьирования отношения 7Т / 7В в пределах 0,5 - 0,8 охватить широкий класс сталей полугорячему деформированию (например, стали 20ХН3А, 20Х2Н4А, 25ХГСА, 30ХГСА и т.п.).

В работе в качестве объекта изучения принято полугорячее обратное выдавливание цилиндрической полости в заготовке из сталей класса 15 (7в = 400 МПа), 50 (7в = 650 МПа), 30ХН3А (7в = 1000 МПа), при 600-800 0С со скоростью деформирования ид = 0,2 м/с.

Экспериментальные работы по полугорячему выдавливанию проводились на кривошипном прессе модели К2130Б силой 1000 кН и частотой 80 ходов в минуту. Средняя скорость перемещения деформирующего инструмента в начале процесса выдавливания составляла 0,2 м/с. Инструментальный блок (штамп) с матрицей диаметром 16,0 мм устанавливался на нижней плите штампа. Матрицу предварительно подогревали до температуры 200 0С.

Исходя из заданных степеней деформации е = 0,42; 0,52; 0,62, диаметры рабочих частей пуансонов цилиндрической формы устанавливались равными dП = 10,4; 11,5; 12,6 мм. Влияние размеров исходных заготовок

на силовые параметры процесса и показатели качества исследовалось при выдавливании заготовок диаметром 00 = 15,7 мм и высотой Н0 = 9,0;

11,0; 13,0 мм (Н = Н0/ = 0,57; 0,70; 0,83) со степенью деформации

е = 0,42; 0,52; 0,62, полученных точением на токарном станке из прутка в состоянии поставки.

Для изучения влияния формы рабочей части инструмента на исследуемые параметры применялись пуансоны с диаметром рабочей части dП = 10,4; 11,5; 12,6 мм и коническим торцом рабочей части (2 а = 1200; 1500; 1800) (рис. 2).

Пуансоны с плоским торцом 2 а = 1800 имели радиус закругления кромки 0,05 мм.

Все пуансоны изготовлялись из стали Р6М5 с последующей закалкой при температуре 1170 ± 10 0С и отпуском при 530 ± 10 0С до твердости ИЯСэ 62 ... 64, далее шлифованием рабочей части доводились до нужного размера.

а б

Рис. 2. Пуансоны с различной формой рабочего торца (а) для обратного выдавливания заготовок (e = 0,42):

2a = 120; 2a = 150; 2a = 180°; б - общий вид

Регистрация силы на пуансоне в экспериментальных исследованиях проводилась методом тензометрирования. Суммарная погрешность измерительной системы согласно рекомендациям не превышала 3,4 %.

При проведении экспериментальных работ в интервале температур 600 — 800 0С применялся смазочный материал: КБЖ - водный 20 % раствор концентрата сульфитно-спиртовой барды ГОСТ 5818-83 с серебристым графитом ГОСТ 5279-74 (или дисульфид молибдена) в пропорции 3^1 по объему. Температура печи для нагрева заготовок измерялась и контролировалась автоматически потенциометром КСП-4 от заделанной в заготовку термопары «хромель-алюмель».

Для разработки математичеких моделей силовых параметров и характеристик качества был выбран план типа В4. В табл. 1 приведены уровни и интервалы варьирования независимых факторов процесса полугорячего обратного выдавливания стальных заготовок в натуральных значениях.

Затем составили матрицу планирования эксперимента и провели опыты. По результатам экспериментальным данным рассматривалась дисперсия опытов, проверялась её однородность с помощью критерия Фишера и методом наименьших квадратов определялись коэффициенты в уравнении регрессии. Адекватность модели проверялась с помощью критерия Фишера, а значимость коэффициентов - с помощью критерия Стъюдента при 5 %-ном уровне значимости.

Таблица 1

Уровни и интервалы варьирования факторов процесса______________

Обозначение факторов Хг Х4

г, 0С е н 0/ О0 2 а, град

Основной уровень 0 700 0,52 0,70 150

Верхний уровень + 1 800 0,62 0.83 180

Нижний уровень - 1 600 0,42 0,57 120

Интервал варьирования 100 0.10 0.13 30

Регрессионные зависимости удельной силы от исследуемых факторов процесса получены в виде:

- для заготовок из стали 15

у1 = 783,1 -152,0х1 + 30,7х3 + 42,2х4 -10,5х\ + 8,3х| -14,5х| - 2,8х4 ; (1)

- для заготовок из стали 50

у2 = 1079,7 -159,8х1 + 22,1х3 + 43,1х4 -11,2х? + 7,6х| -15,2х32 - 3,2х4 ; (2)

- для заготовок из стали 30ХН3А

у3 = 1158,2 -149,8хх + 30,7х3 + 42,0х4 -11,4х:2 + 7,4х2 -15,4х32 - 3,4х£. (3)

Из приведенных зависимостей (1) - (3) видно, что наибольшее влияние на величину удельной силы в исследованном температурноскоростном интервале полугорячего выдавливания (г = 600...800 0С,

Уд = =0,2 м/с) оказывает температура выдавливания. Влияние глубины выдавливания (относительная высота заготовки Н = Н0 / 00) и геометрии рабочей части пуансона практически равновелико и заметно меньше, чем влияние температуры. Влияние степени деформации (обжатия) весьма незначительное.

На рис. 3 представлены зависимости изменения удельной силы д от исследуемых параметров (при г = 600 0С; Н = Н0 / 00 = 0,57; 2 а = 1800). Оптимизация регрессионных зависимостей позволяет выявить значения факторов в натуральном масштабе, при которых удельная сила д на пуансоне будет минимальной. Переход к оценке силового режима нагружения пуансонов других типоразмеров был осуществлен с использованием зависимостей (1), (2) или (3) при соответствующем пересчете критериев подобия.

Таким образом, полученные результаты позволяют обоснованно подойти к выбору основных технологических параметров полугорячего выдавливания: температурного интервала деформации, глубины выдавливания и геометрии рабочей части инструмента. Выходными параметрами процесса являются удельная сила, определяющее энергоемкость процесса и работоспособность деформирующего инструмента (пуансона), и качество выдавливаемой полости.

q, МПа 1300 1200 1100 1000

600 700 t,°C 0,57 0,70 Ho/D0 120 150 2а°

а б в

Рис. 3. Зависимости изменения удельной силы q от температуры t (а), отношения Но/De (б), угла торца пуансона a (в) (сталь 30ХН3А)

При выборе основных параметров полугорячего выдавливания необходимо руководствоваться следующими рекомендациями:

- по верхнему пределу температурный интервал выбирается исходя из условия отсутствия окалины и обезуглероживания материала заготовки, по нижнему - по уравнениям регрессии типа (1) - (3), сообразно с номинальной силой кузнечно-прессовой машины для выдавливания, а также с минимально допустимой (по экономическим соображениям) стойкостью пуансонов выдавливания;

- при выдавливании поковок с предельными скоростями, характерными для полугорячего выдавливания (иД = 2,0 - 10,0 мм/с), процесс следует осуществлять, исходя из условия минимизации q, при предельно высоком, но допустимом температурном интервале;

- при снижении скорости деформирования до значений, характерных для интервала холодного выдавливания (иД = 0,15 - 0,30 мм/с), ограничением при выборе нижнего температурного предела единственно является допустимая стойкость пуансона (в связи с заметным повышением температуры разогрева пуансона, связанная с увеличением длительности контакта рабочей части пуансона, достигающей более 0,015 с);

- требуемая высота получаемых поковок при выдавливании определяется из допустимого уровня удельной силы, который определяется для каждого конкретного случая зависимостями типа (1) - (3);

- при разработке технологии точного выдавливания в узком температурном интервале особое внимание следует уделять оптимизации конструкции поковки и выбору переходов выдавливания, используя метод компьютерного моделирования, который позволяет учитывать взаимосвязь практически всех технологических параметров.

Особенностью процесса полугорячего выдавливания стальных поковок при температуре нагрева заготовок 700-750 °С является проявление эффекта термомеханической обработки, которая позволяет в полной мере использовать положительные эффекты упрочнения материала поковки пластической деформацией и термической обработкой. Кроме того, уменьшение температуры нагрева заготовок перед штамповкой оказывает значительное влияние на величину внутренних напряжений в деформируемой заготовке. Установлено, что при выдавливании заготовки, нагретой до 700 0С напряжения в 1,5-2 раза выше, чем при выдавливании заготовки, нагретой до 900 0С.

Очевидно, что снижение внутренних напряжений в деформируемой заготовке и, следовательно, снижение контактных напряжений на рабочей поверхности инструмента, особенно пуансона выдавливания, является одним из важнейших вопросов, который необходимо решать в процессе разработки технологии точного выдавливания при нагреве стальных заготовок до относительно невысоких температур (700 - 750 0С). Эти напряжения могут быть уменьшены за счет обоснованного выбора материала, формы и размеров исходной заготовки, обеспечения необходимой температуры штампового инструмента, применения высокоэффективного технологического смазочного материала.

Таким образом, в работе с единых методологических позиций излагается новый подход к исследованию процесса полугорячего выдавливания. Методами математической статистики и теории планирования эксперимента построены математические модели изменения силовых параметров нагружения пуансонов для полугорячего выдавливания роликов и втулок цепей из сталей 15, 50 и 30ХН3А от температуры г, степени деформации е , относительной высоты заготовки Н0 и угла торца рабочей части пуансона 2а . Построены графические зависимости технологических факторов в натуральном масштабе, при которых минимально установленная удельная сила д, при её дальнейшем использовании в математической модели прогнозирования стойкости, позволит получить максимальную величину цикловой стойкости И/ с выдачей рекомендаций о целесообразности применения конкретной марки стали для изготовления штампового инструмента.

Список литературы

1. Ланской Е.Н. Совершенствование процессов полугорячей штамповки. М.: НИИмаш, 1983. 50 с.

2. Лозинский Ю.М., Яицкий В.И., Слосман А.И. Повышение стойкости инструмента при полугорячей штамповке сменных головок торцовых ключей // Кузнечно-штамповочное производство. 1975. №2 1. С. 32 - 36.

3. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение; София: Техника, 1980. 304 с.

V.I. Petrov

Investigation of force parameters of the semi-hot extrusion process

There are presented the results of experiments for determining the specific force at semi-hot extrusion of rollers and bushes of chain manufacturing that provide the mathematical model of force tool loading and detect the influence of main technological parameters of the process.

Key words: rollers and bushes, semi-hot extrusion, specific force, mathematical model, tool.

Получено 28.12.10 г.

УДК 621.73.06-52

Я.Н. Бовтало, аспирант, тел. (495)223-05-23(доб.1393), vn1ianf@mail.ru. (Россия, Москва, МГТУ «МАМИ»),

Ю.К. Филиппов, д.т.н., проф., тел. (495)223-05-23 (доб.1393), vn1ianf@mai1.ru, (Россия, Москва, МГТУ «МАМИ»),

В.Н. Игнатенко, к.т.н. тел. (495)223-05-23(доб.1393), vn1ianf@mai1.ru, (Россия, Москва, МГТУ «МАМИ»)

ВЛИЯНИЕ ДЕФОРМАЦИИ И СХЕМЫ НАПРЯЖЁННОГО СОСТОЯНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛИ

Исследовано изменение механических свойств стали в зависимости от величины деформации и схемы напряжённого состояния при холодной деформации на примере детали «Корпус шарового пальца».

Ключевые слова: механические свойства, сталь, деформация, выдавливание,

штамп

В современной промышленности в большом объёме используются полые осесимметричные детали с высокими эксплуатационными характеристиками. Широко распространены корпусные детали с фланцем, к которым относится деталь «Корпус шарового пальца», входящая в узловое соединение передней подвески легкового автомобиля (шаровую опору). На сегодняшний день её изготавливают из стали 30 листовой штамповкой с последующей сваркой и горячей объёмной штамповкой.

Целью данной работы является исследование процесса комбинированного выдавливания детали типа «Корпус шарового пальца» методом холодной объёмной штамповки с учетом влияния механических свойств на формообразование (рис. 1).