CC BY
18
ТЕХНОЛОГИИ И МАШИНЫ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.771.074
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-5-376-377
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОПЕРАЦИЙ ГОРЯЧЕГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПОКОВКИ ТИПА «ГАЕЧНЫЙ КЛЮЧ»
С.А. Рогулин, Е.Н. Сосенушкин
Технологическая подготовка операций горячей штамповки, включает несколько этапов, среди которых определение группы детали-представителя, назначение марки материала, выбор рационального технологического процесса изготовления удлиненной в плане поковки. Поковка детали типа гаечный ключ двухсторонний с открытым зевом является представителем поковок, имеющих тонкое полотно и изготавливаемых преимущественно на молотах. В статье предложена комбинированная технология изготовления типовых поковок с применением ковочных вальцов и кривошипного горячештамповочного пресса (КГШП). Для чего разработаны чертежи поковки с назначением припусков, построением эпюры сечений, проведен расчет размеров исходной заготовки и определены размеры калибров секторов-штампов для профилирования штучной заготовки.
Ключевые слова: горячее деформирование, вальцовка, калибры, моделирование
В современном кузнечно-штамповочном производстве при изготовлении удлиненных в плане поковок важную роль играет профилирование заготовок перед штамповкой на КГШП, т.к. заготовительные ручьи в технологии штамповки на прессах не предусматриваются. Также это необходимо для облегчения заполнения ручья штампа при окончательном формоизменении. Такой подход снижает расход металла, энергозатраты на операции горячей штамповки, а значит и себестоимость продукции. Профилирование является заготовительной операцией, осуществляемой на различном оборудовании, таком как ковочные вальцы, станы поперечно-винтовой [1], радиально-сдвиговой [2] и поперечно-клиновой прокатки, а также в штампах с подкатными и протяжными ручьями, используемых на молотах.
Статья посвящена разработке комплексной технологии изготовления поковки гаечного ключа, включающей этап профилирования заготовок на ковочных вальцах, а также последующую горячую штамповку поковки на КГШП.
Объектом производства является изделие гаечный ключ (рис. 1а) двухсторонний с открытым зевом 17^19, чертеж которого разработан в соответствии с ГОСТ 2839-80 [3].
В качестве материала используется конструкционная легированная сталь марки 40ХФА ГОСТ 4543-2016 [4], которая обладает повышенной износостойкостью и прочностными характеристиками, удовлетворяющими требования потребителей.
Этапы проектирования поковки и профилированной заготовки. Чертеж поковки (рис.1, б) выполняется по чертежу детали, руководствуясь указаниями ГОСТ 7505-89 [5]. Определяется масса заготовки, группа стали, степень сложности, класс точности и, в итоге, исходный индекс. На основе полученных данных назначаются припуски на механическую обработку, определяются номинальные размеры поковки, допускаемые отклонения. Окончательный штамповый ручей разрабатывается по чертежу поковки с размерами в горячем состоянии (рис. 1, в), учитывающим объемное расширение металла.
Профилированная заготовка изготавливается на основе построения эпюр диаметров и сечений (рис. 2 а), которые помогают определить размеры исходной заготовки [6]. По сортаменту [7] выбирается ближайший диаметр исходной заготовки. С учетом участка под клещевину (0,5d) исходная заготовка имеет размеры: длина 136±0,5 мм, диаметр 022^^'^. В соответствии с указаниями [8] определяется общий коэффициент вытяжки и средний коэффициент вытяжки за каждый проход вальцовки. При профилировании заготовок под поковку гаечного ключа выбрана последовательность калибров - овал-круг. Первый переход в овальном калибре, необходим для разгона металла в будущие головки (зевы) гаечного ключа. Второй переход в круглом калибре, необходим для увеличения поковки по длине и формирова-
нии круглого участка в области будущей рукоятки. Расчет размеров калибров включает в себя определение зазора между секторами-штампами, радиуса закругления бурта, ширины калибра, ширины вреза калибра в сектор, радиуса калибра, высоты калибра [9]. Результаты проектирования калибров представлены на рисунке 2 б, в.
Рис. 1. Чертежи детали «гаечный ключ» (а), поковки с размерами в холодном состоянии (б) и поковки с размерами в горячем состоянии (в)
Реализуется операция вальцовки на консольных ковочных вальцах открытого типа модели СА1335, которые имеют валы диаметром 180 мм, оборудованные шпонками и упором для крепления секторов-штампов.
Материалом секторов-штампов является инструментальная штамповая сталь марки 5ХНМ ГОСТ 4543-2016 [4], обладающая теплостойкостью. Начальная температура исходной заготовки 1250°С; скорость вращения валков 1,08 с-1. Температура секторов-штампов 250°С, что является необходимым для обеспечения оптимальных условий формообразования.
377
I' \2 И V И
ь ь
Щш
I
и
17 И* I ¡0
Ы'М
Т771
I
со
*
а б в
Рис. 2. Эпюра сечений расчетной и вальцованной заготовки (а) и калибры для ее получения - овальный (б); круглый - (в)
Исследование технологических параметров вальцовки в соответствии с определяющими соотношениями механики сплошной среды [10], были проведены методом конечных элементов - одним из численных методов, являющимся математической основой многих пакетов прикладных программ, в том числе программного комплекса DEFORM-3D. Компьютерное моделирование операции вальцовки в овальном и круглом калибрах на основе данных технологических расчетов позволяет получить визуальное представление об изменении формы и размеров элементов профилированной заготовки в процессе реализации двух переходов, вывести графики зависимости силы от времени вальцовки в овальном калибре (рис. 3, а) и в круглом калибре (рис. 3, б).
Максимальная сила при вальцовке в овальном калибре на верхнем валке равна 105 кН, на нижнем валке равна 100 кН. Можно заметить, что значения сил на валках почти совпадают. В начале операции вальцовки, когда сектора начинают соприкасаться с поковкой, происходит рост силы с большой интенсивностью, соответственно растут и напряжения. Максимальная нагрузка наблюдается в момент, когда сектора находятся напротив друг друга в положениях крайнем нижним (верхний валок) и крайнем верхнем (нижний валок), затем сила деформирования уменьшается. Это объясняется тем, что в описанном взаимном положении секторов-штампов площадь пятна контакта имеет максимальную величину, во всех остальных положениях площадь пятна контакта меньше [11]. График зависимости силы от времени вальцовки в круглом калибре (рис. 3, б) показывает, что вальцовка в круглом калибре проходит с меньшей силой (на верхнем валке сила равна 61,2 кН; на нижнем валке сила равна 61,3 кН), по сравнению с вальцовкой в овальном калибре. Это также связано с уменьшением площади пятна контакта валков с поковкой.
Для представления полной картины напряженного состояния в металле заготовки определены компоненты тензора напряжений при вальцовке в овальном (рис. 4) и круглом (рис. 5) калибрах.
По длине заготовки, в зоне касания валков, преобладают сжимающие нормальные напряжения. В направлении оси X (рис. 4, а) действуют преимущественно растягивающие нормальные напряжения, так как в данном направлении валки растягивают поковку. Максимальные значения не превышают 231 МПа. Максимальные значения сжимающих напряжений, достигающие значения 324 МПа, наблюдаются в направлении, перпендикулярном оси поковки в направлении У (рис. 4, б). На протяжении всего цикла перемещения пятна контакта валков с заготовкой распределение нормальных напряжений по объему непрерывно меняется. В направлении, совпадающем с направлением осей валков 2 (рис. 4, в), преобладают сжимающие напряжения.
Перейдем к анализу напряженного состояния заготовки, профилируемой в круглом калибре.
Рис. 3. Форма, размеры и силовые параметры при профилировании заготовок вальцовкой: а - в овальном калибре; б - в круглом калибре
При оценке компонентов тензора напряжений, стоящих на главной диагонали установлено, что максимальное растягивающее напряжение наблюдается в направлении оси X, значение которого - 208 МПа (рис. 5 а). Максимальные значения сжимающих напряжений, не превышающие 267 MПa, действуют в направлении, перпендикулярном оси поковки, т.е. в направлении оси У (рис. 5, б). По оси 2 максимальные нормальные напряжения в зоне растяжения - 76,2 МПа, а в зоне сжатия 201 МПа со знаком «минус».
Оценка касательных напряжений позволяет сделать вывод, что больших перепадов численных значений касательных напряжений не наблюдается, т. к. изменения происходят только при врезании секторов-штампов в заготовку и при выходе из контакта с ней.
Приведем также изменение деформированного состояния профилируемой заготовки, оцениваемое интенсивностью деформаций, а также температурных полей, как показано на рис. 5, на переходах вальцовки в овальном (ж) и круглом (з) калибрах.
Наибольшая интенсивность при вальцовке в овальном и круглом калибрах наблюдается в момент начала процесса, когда инструмент внедряется в поковку и в момент окончания, когда инструмент выходит из контакта с поковкой. Наибольшее значение в очаге составляет 1,24 (овальный калибр), 1,39 (круглый калибр).
Остаточная температура заготовки 1120 °С после вальцовки в овальном и круглом калибрах не выходит за пределы нижней границы допустимого интервала горячей штамповки (840 °С) и не требует дополнительного нагрева под окончательную штамповку.
В ходе исследований проведено компьютерное моделирование операции штамповки на КГШП для анализа особенностей течения металла при заполняемости окончательного ручья штампа (рис. 6 а). Анализ графика изменения силы по ходу ползуна пресса при штамповке профилированной заготовки в окончательном ручье, показал, что максимальное значение силы при горячей штамповке составляет 3710 кН (рис. 6 б).
Также результаты моделирования операции горячей штамповки на КГШП показывают отсутствие дефектов, связанных с неполным заполнением ручья, что говорит о достаточном объеме металла исходной заготовки. Таким образом, можно заключить, что профилированная заготовка, полученная операцией вальцовки, имеет корректные форму и размеры.
Рис. 4. Значения нормальных и касательных напряжений в поковке на разных этапах вальцовки в овальном калибре. Компоненты нормальных напряжений: а - вдоль координатной оси X - ах; б - в направлении оси У - ау; в - вдоль осей валков в направлении, совпадающим с осью Z - а Компоненты касательных напряжений: г - Тху; д - Ту&; е - т&х
380
а
б
в
г
е
е
Рис. 5. Значения нормальных и касательных напряжений в заготовке на разных этапах вальцовки в круглом калибре. Компоненты нормальных напряжений а - вдоль оси X - ах; б - в направлении оси У - а у; в - вдоль осей валков, совпадающим с направлением Z - аг. Компоненты касательных напряжений: г - Тху; д - Туг; е - Тх Интенсивность деформации и температурное поле (начало)
ж з
Рис. 5. Значения нормальных и касательных напряжений в заготовке на разных этапах вальцовки в круглом калибре. Компоненты нормальных напряжений: ж - овальный калибр, з - круглый калибр
(окончание)
а б
Рис. 6. Поковка гаечного ключа (а) и график изменения силы деформирования (б) при горячей штамповке профилированной заготовки в окончательном ручье штампа КГШП
Вывод. Предварительное профилирование заготовок горячей вальцовкой позволяет вести окончательную штамповку поковок типа «гаечный ключ» на прессе в один переход с использованием остаточной температуры 1120 °С. Проведенное компьютерное моделирование на основе расчетных данных, показало корректность технологических параметров как этапа вальцовки в двух калибрах, так и этапа последующей горячей штамповки на КГШП. Проведена оценка схем и компонентов напряженного состояния и силовых параметров, сопровождающих изменение форм и размеров профилированных заготовок при вальцовке, а также поковок гаечного ключа при окончательном формоизменении, при этом видимых дефектов не обнаружено.
Посвящается 80-летию кафедры систем пластического деформирования федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».
Список литературы
1. Патент № 2784307 РФ МПК B21K 5/16 (2006.01) B21K 5/16 (2022.05) Способ изготовления гаечных ключей пластическим деформированием/ Е.Н. Сосенушкин, А.Е. Сосенушкин, В.А. Кадымов, Е.А. Яновская, Д.С. Гусев, М.В. Шарыкин, Н.Г., Хохлова. ФГБОУ ВО «МГТУ СТАНКИН». Опубл. 23.11.2022. Бюл. № 33.
2. Патент № 2781825 РФ МПК B21K 5/16 (2006.01) B21K 5/16 (2022.05) Способ изготовления гаечных ключей пластическим деформированием/ Е.Н. Сосенушкин, А.Е. Сосенушкин, В.А. Кадымов,
382
Е.А. Яновская, Д.С. Гусев, С.А. Рогулин, Н.Г. Хохлова. ФГБОУ ВО «МГТУ СТАНКИН». Опубл. 18.10.2022. Бюл. № 29.
3. ГОСТ 2839-80. Ключи гаечные с открытым зевом двусторонние. Конструкция и размеры. М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1980. 22 с
4. ГОСТ 4543-2016 Металлопродукция из конструкционной и легированной стали. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2019. 50 с.
5. ГОСТ 7505-89 Поковки стальные штампованные. Допуски, припуски и кузнечные напуски. - М.: Изд-во стандартов, 1990. - 53 с.
6. Ковка и штамповка: справочник. В 4 т. Т. 2. Горячая объемная штамповка. 2е изд., перераб. и доп. / Под общ. ред. Е.И.Семенова. М.: Машиностроение, 2010. 720 с.
7. ГОСТ 2590-2006 Прокат сортовой стальной горячекатаный круглый. Сортамент. М.: Изд-во стандартов, 2012. 10 с.
8. Золотухин П.И., Володин И.М., Карпайтис Е.П. Моделирование горячей вальцовки заготовок в овальных и круглых калибрах// Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 10. С. 115-121.
9. Смирнов В.К., Литвинов К.И., Харитонин С.В., Применение горячей вальцовки заготовок в кузнечно-штамповочном производстве// Научно-техническое издательство «Инновационное машиностроение». 2006. №4. С. 25 - 35.
10. Георгиевский Д.В. Избранные задачи механики сплошной среды. М.: ЛЕНАНД, 2018. 560 с.
11. Процесс прокатки/ Зайков М.А., Полухин В.П., Зайков А.М., Смирнов Л.Н. М.: МИСИС, 2004. 640 с.
Рогулин Сергей Александрович, аспирант, serzh. rogulin2013@yyandex. ru, Россия, Москва, Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»,
Сосенушкин Евгений Николаевич, д-р техн. наук, профессор, sen@stankin.ru, Россия, Москва, Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»
RESEARCH OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF HOT DEFORMATION OPERATIONS FOR
FORGING TYPE «WRENCH»
S.A. Rogulin, E.N. Sosenushkin
Technological preparation of hot stamping operations includes several stages, including the definition of a representative part group, the assignment of a material grade, the choice of a rational technological process for manufacturing an elongated forging. A forging of a part of the double-sided wrench type with an open end is a representative of forgings that have a thin web and are made mainly on hammers. The article proposes a combined technology for manufacturing standard forgings using forging rolls and a crank hot forging press (CHP). For this purpose, forging drawings were developed with the assignment of allowances, plotting of sections, the calculation of the dimensions of the initial workpiece was carried out, and the dimensions of the calibers of die sectors for profiling a piece workpiece were determined. On the basis of the data obtained, computer simulation of hot rolling operations in oval and round calibers, the shape and dimensions of which are calculated according to known methods, as well as hot forging in the final strand on a press, was carried out in order to confirm the correctness of the calculations, evaluate stresses and strains in profiled blanks, as well as power parameters of processes. The kinematic features of the metal flow in calibers during rolling and filling in the engraving of a press die are studied. Computer modeling of the processes was carried out using a software package focused on metal forming (MPD) "DEFORM - 3D".
Key words: hot deformation, rolling, calibers, modeling.
Rogulin Sergey Alexandrovich, postgraduate, serzh.rogulin2013@yandex.ru, Russia, Moscow, Moscow State Technological University «STANKIN»,
Sosenushkin Evgeny Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, sen@stankin.ru, Russia, Moscow, Moscow State Technological University «STANKIN»
