CC BY
15
Effective manufacturing methods of gear rings, gears, pulleys are considered. The optimal method for their manufacture by rotary forging method is determined. An example of the study of rotary forging of the "Pulley" part from the AD31 aluminum alloy is given. The computer simulation of the process in the QForm program was carried out, the stress-strain state of the workpiece, the force parameters of the process were determined. Die forming of an experimental batch ofparts was carried out on a specialized press PWX-100.
Key words: die forming, casting, extrusion, rotary forging, computer modeling, deformation zone, stress-strain state.
Morozov Sergey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, associate professor, msa-omd@mail. ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University,
Schenyatsky Alexey Valerevich, doctor of technical sciences, professor, bkkupol@istu.ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University,
Morozov Aleksandr Sergeevich, postgraduate, sashamor2@mail.ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University
УДК 621.983
КЛАССИФИКАЦИЯ ИСХОДНЫХ ЗАГОТОВОК ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ОПЕРАЦИИ «ВЫТЯЖКА»
А.Н. Малышев, С.А. Бысов
Настоящая статья посвящена анализу ряда наиболее распространённых видов заготовок в листоштамповочном производстве, применяемых для реализации операции «вытяжка». Приведена классификация исходных заготовок по следующим признакам: по форме профиля, по форме сечения, по материалу, по однородности материала, по напряженно-деформированному состоянию, по количеству вытягиваемых из одной заготовки деталей (поверхностей), по температуре до реализации вытяжки, по схеме подачи в штамп, по наличию предварительной термообработки и по наличию на поверхности смазочного материала и покрытия; приведено краткое описание каждого признака классификации.
Ключевые слова: штамповка, вытяжка, исходная заготовка.
Листовая штамповка является одним из наиболее развивающихся направлений машиностроительного производства с точки зрения прогресса внедрения новых видов исходных заготовок относительно применения прогрессивных технологий их изготовления, в том числе комбинированных, внедрения новых материалов и методов расчета формы исходных заготовок для максимального снижения объема последующей механической обработки, а в некоторых случаях полного ее исключения из технологического процесса изготовления деталей.
Стадия проектирования технологического процесса листовой штамповки помимо расчета усилия, необходимого для формоизменения заготовки, выбора типа прессового оборудования, в том числе по номинальной силе и кинематике исполнительных механизмов, проектирования штамповой и вспомогательной оснастки и обеспечения прочих условий, присущих процессу штамповки, предполагает выбор вида исходной заготовки [1]. Выбор заготовки включает расчет ее геометрической формы, согласно имеющимся методикам расчета, в том числе с помощью современных пакетов прикладных программ, способных моделировать процесс штамповки.
Как известно, вытяжка является одной из наиболее сложных операций листовой штамповки с точки зрения расчета исходной заготовки, моделирования процесса формоизменения с учетом анизотропии исходного материала [2] и прогнозирования вероятности появления присущих процессу вытяжки дефектов.
В машиностроении заготовкой принято называть предмет труда, из которого изменением формы, размеров, свойств поверхностей и (или) материала изготавливают деталь, а исходной заготовкой -заготовку перед первой технологической операцией [3]. Постоянное развитие технологии изготовления исходных заготовок для реализации операции «вытяжка», активное внедрение во все отрасли народного хозяйства изделий, штампованных из новых прогрессивных материалов, а также постоянное совершенствование существующих и создание новых методов расчета исходных заготовок, в том числе при помощи современных пакетов специальных прикладных программ, предполагают объединение сведений относительно видов и типов исходных заготовок, основанных на отечественном и зарубежном опыте, для создания классификации исходных заготовок по ряду определенных признаков. Как известно, детали, полученные посредством реализации операции «вытяжка», находят широкое применение
в машиностроительной промышленности (крышки, баки, картеры), электротехнической (корпуса электрощитов, корпуса и панели для монтажа электроаппаратуры), автомобильной промышленности (крышки, корпуса, поддоны), приборостроительной промышленности (крышки, корпуса, панели), часовой промышленности (крышки, корпуса), а также в медицинской (стерилизаторы, автоклавы), легкой и пищевой промышленности (мойки; детали холодильников, стиральных машин и газовых плит; посуда, коробки для порошков и кремов, консервные банки, подносы, менажницы и т.д.). Обзор современной технической литературы показывает, что в настоящее время существует достаточно большое количество классификаций и классификаторов [1, 4, 5] деталей и заготовок в машиностроительной отрасли по ряду разнообразных признаков; например, относительно обработки материалов давлением, в частности объемной штамповки, имеется ряд классификаций деталей и заготовок для реализации технологической подготовки группового производства, что достаточно сложно реализуемо в условиях листовой штамповки при получении полых деталей посредством реализации операции «вытяжка». Широкое применение полых штампованных деталей во многих отраслях народного хозяйства, интенсивное развитие комбинированных методов штамповки и применение новых материалов для листовой штамповки предполагают создание классификации исходных заготовок для реализации операции «вытяжка» при изготовлении полых деталей. Актуальность такой классификации обусловлена необходимостью быстрого принятия обоснованного и оптимального технологического решения, что особенно важно при проектировании конструкции штампованной детали (полуфабриката) на этапе запуска нового изделия, когда единственным документом является «техническое задание», включающее лишь требования к эксплуатационным характеристикам изделия. Ошибочное решение, принятое на этапе проектирования исходной заготовки (включая вид материала, толщину и ее изменение при вытяжке и т.д.), приведет к отрицательному результату валидационных испытаний изделия и соответственно к необоснованным материальным потерям.
Одним из признаков классификации исходных заготовок может быть форма их профиля, а именно, следует различать простые и профильные по форме профиля заготовки. К простым по профилю заготовкам следует отнести заготовки в форме кольца, прямоугольные, квадратные и круглые в плане [1, 6], и многогранные заготовки [7]. К профильным заготовкам следует отнести так называемые «силуэты» (по форме в плане близкие к форме вытянутой детали), заготовки в форме эллипса и овала [1, 6], профильные заготовки с учетом упреждения появления «фестонов» [2, 8] и заготовки с фигурными краями (с фигурным технологическим припуском) [9]. Основы проектирования и расчет формы профиля подробно приставлены в справочной технической литературе [6, 10, 11, 12, 13, 14] и в подавляющем большинстве базируются на методе равенства поверхностей, на основе табличных данных и графоаналитическом методе. Также проектирование и расчет профиля с достаточно высокой точностью можно осуществлять с помощью пакетов современных прикладных программ, таких как, например, программного комплекса для автоматизации проектирования процессов листовой штамповки PAM-STAMP [15] (модуль Inverse, позволяющий получить форму заготовки по форме детали или перехода штамповки; модуль «Blank optimizer» позволяет оптимизировать форму исходной заготовки); программного комплекса автоматизированного проектирования и анализа процессов обработки давлением QForm 2D/3D [16] с использованием «трассируемых» точек [17]; CAD-системы проектирования технологических процессов T-Flex
[18]; программного комплекса Gofr, в основу которого положен алгоритм проектирования оптимального контура заготовки для штамповки коробчатых изделий на основе методики обратного проектирования
[19] и других программных продуктов [20].
По форме профиля сечения исходные заготовки для вытяжки следует разделять на плоские и неплоские. К плоским следует отнести заготовки, номинальная толщина материала которого неизменна в продольном и поперечном сечениях. К неплоским следует отнести полые исходные заготовки [21], а так же исходные заготовки переменной толщины, к которым следует отнести катанные заготовки переменной толщины [22,23]; а так же оригинальные заготовки переменной толщины [24]; сварные разнотол-щинные исходные заготовки [25, 26], основной материал которых может быть различным по химическим и физико-механическим свойствам; и другие. Следует отдельно упомянуть, что действующий на настоящий момент ГОСТ 18970-84 [21] устанавливает и определяет термин «вытяжка» как «образование полой заготовки или изделия из плоской или полой исходной листовой заготовки», и, современное развитие технологий и оборудования, в том числе заготовительного производства, предполагает уточнение определения «вытяжка» как «образование полой заготовки или изделия из плоской, в том числе переменной толщины, или пространственной исходной листовой заготовки».
Так же одним из признаков классификации исходных заготовок для реализации операции «вытяжка» является их материал, а именно следует различать металлические (по применению в подавляющем большинстве это различного вида стальной прокат, а так же прокат цветных металлов и их сплавов) и неметаллические исходные заготовки (например, материалом является текстолит, стеклотекстолит, винипласт, целлулоид, органическое стекло, фибра, кожа, бумага, картон и др.) [12, 13, 27]. По однородности материала исходные заготовки следует разделить на заготовки из однородного материала и многослойные [28, 29, 30].
Повышение интенсивности и надежности формоизменяющих операций листовой штамповки, посредством предварительного растяжения исходной заготовки, снижает материалоёмкость заготовительного производства, а так же увеличивает прочность, позволяет управлять анизотропией и уменьшает
уровень брака изготавливаемых деталей [31]. Поэтому одним из признаков для классификации исходных заготовок является их напряженно-деформированное состояние, что предполагает использование в качестве исходного материала заготовок предварительно (перед операцией вытяжки) деформированных [32, 33] и в исходном состоянии (прокат).
Классификация исходных заготовок для реализации операции «вытяжка»
по форме профиля
простые - прямоугольные в плане; - квадратные в плане; - круглые в плане; - в форме кольца профильные - «силуэты»; - эллипс; - овал; - профильные заготовки для компенсации «фестонов»; - заготовки с фигурными краями (с фигурным технологическим припуском)
по форме сечения
плоские постоянной толщины в поперечном и продольном сечении (в том числе сварные) неплоские (профилированные) - переменной толщины; (сварные разнотолщинные, катанные переменной толщины); - пространственные (в том числе полые)
по материалу
металлы - стальные; - цветные металлы и их сплавы неметаллы - текстолит и стеклотекстолит; - винипласт и целлулоид; - органическое стекло; - фибра, кожа, бумага, картон
по однородности материала
однородные в исходном состоянии многослойные - многослойные конструкции, биметаллы, многослойные плакированные ленты
по напряженно-деформированному состоянию
- предварительное растяжение исходной заго-
в исходном состоянии прокат в исходном состоянии предварительно-деформированные товки; - предварительная осадка исходной заготовки; - заготовка в виде полуфабриката после предварительной вытяжки
по количеству вытягиваемых из одной заготовки деталей (поверхностей)
одинарные - для деталей типа стакан, поддон, корпус комплексные - для нескольких однотипных деталей; - для деталей типа комбинированных моек, подносов для еды, менажниц
по схеме подачи в штамп
штучные - «ручная» штамповка; - последователь ная схема - в ленте «последовательная вытяжка в ленте» а) вытяжка в целой ленте; б) вытяжка в ленте с надрезом (или вырезкой промежутков)
по наличию предварительной термообработки
без предварительной термообработки прокат в исходном состоянии предварительно термообработанные - снятие внутренних напряжений (отжиг)
по наличию на поверхности смазочного материала и покрытия
без нанесения смазочных покрытий и материалов с нанесением смазочных покрытий с нанесением смазочных материалов
по температуре до реализации вытяжки
без предварительного нагрева с предварительным охлаждением с предварительным нагревом
Высокие требования к производительности современного производства, а так же развитие материалов и схем деформирования листовой штамповки предполагают использование ресурсосберегающих технологий при реализации операции «вытяжка» посредством дифференцированного применения единичных и комплексных исходных заготовок в зависимости от конструкции и количества однотипных изделий, а так же и в зависимости от количества, в том числе разных по конструкции, вытягиваемых поверхностей в пределах одной заготовки. Поэтому следует выделить исходные одинарные (в том числе для «многослойной» вытяжки [13]) и комплексные заготовки, использование которых предполагает в первом случае изготовление единичных изделий, а во втором случае - ряда штучных однотипных изделий или одного сложного изделия с рядом поверхностей, выполненных в рамках операции «вытяжка» соответственно. Одинарные заготовки применяются для изготовления единичных деталей типа стакан, поддон, корпус, гильза и т.д.; комплексная же заготовка предполагает изготовление ряда деталей типа
стакан, поддон, гильза и т.д. (в том числе имеющих разные размеры и характеризующихся соответственно разными коэффициентами вытяжки) или одного сложного комплексного изделия (комбинированные мойки, подносы для еды, менажницы и т.д.)
По температуре перед реализацией операции «вытяжка» исходные заготовки следует различать: без предварительного нагрева, с предварительным нагревом и с предварительным охлаждением [12, 13]. По схеме подачи исходных заготовок в штамп следует различать штучные заготовки и заготовки в ленте. Штучные заготовки для реализации операции «вытяжка» при «ручной» штамповке и штамповке деталей на прессах (в том числе многопозиционных) по последовательной схеме с перемещением заготовки между операциями трансферным механизмом или грейферными линейками. Заготовки же в виде ленты, как правило, используются при так называемой «последовательной вытяжке в ленте», которая в свою очередь делится на вытяжку в целой ленте и вытяжку в ленте с надрезом [34]. Так же исходные заготовки следует различать по наличию термической обработки перед реализацией операции «вытяжка», а именно принято условно делить исходные заготовки без предварительной термической обработки (исходный материал в состоянии поставки) и предварительно термообработанные [35].
Среди исходных заготовок для реализации операции «вытяжка» по применению смазочных материалов и покрытий следует различать заготовки без нанесения смазочных покрытий и материалов, с нанесением смазочных покрытий и с нанесением смазочных материалов [1, 12]. Смазочные покрытия в большинстве случаев предполагают [36] меднение, фосфатирование, оксалатирование, известкование, бурирование, а так же другие органические и неорганические покрытия. Например, в качестве покрытия на японской фирме «JFE Steel» наносят слой соединения «Ni-Fe-O» толщиной 50 нм, который повышает не только штампуемость, но и свариваемость [37].
Приведенная в настоящей статье «классификация исходных заготовок для реализации операции «вытяжка» основана на современном отечественном и зарубежном опыте ведущих научных школ и промышленных предприятий и может быть использована при выборе исходной заготовки как при проектировании нового технологического процесса изготовления штампованного изделия, так и при совершенствовании существующего технологического процесса относительно операции «вытяжка». Безусловно, настоящая редакция «классификации» впоследствии требует развития и внесения изменений и уточнений.
Список литературы
1. Ковка и штамповка: Справочник: в 4 т. Т. 4. Листовая штамповка // Под общ. ред. С.С. Яковлева; ред. совет: Е.И. Семенов (пред.) и др. -2-ое изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2010. 732 с.
2. Яковлев С.П., Кухарь В.Д. Штамповка анизотропных заготовок. М.: Машиностроение, 1986. 136 с.
3. ГОСТ 3.1109-82. Межгосударственный стандарт. Единая система технологической документации (ЕСТД). Термины и определения основных понятий. М.: Стандартинформ, 2012.
4. Кондаков А.И., Васильев А. С. Выбор заготовок в машиностроении: справочник. М.: Машиностроение, 2007. 560 с.
5. Афонькин М.Г., Звягин В.Б. Производство заготовок в машиностроении. 2-ое изд. доп. и перераб. СПб.: Политехника, 2007. 380 с.
6. Романовский В. П. Справочник по холодной штамповке. 6-е изд., Л.: Машиностроение, 1979 г. 520с.: ил.
7. Кухарь В. Д., Бойко О. А., Вытяжка шестигранной заготовки в круглую матрицу // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2012. Вып.12. С. 60-67.
8. Гречишников Ф.В. Анализ влияния анизотропии на деформированное состояние фланца при осесимметричной вытяжке // Кузнечно-штамповочное производство, 1989. №12. С. 12-14.
9. Жарков В.А., Тетерин Г.П., Верхов Е.Ю., Самойлов Б.С., Заруцкий В.Ф., Богатырев А.И. Малоотходная вытяжка деталей из листовых заготовок с фигурными краями // Кузнечно-штамповочное производство, 1983. №7. С. 13-27.
10. Попов Е. А. Технология и автоматизация листовой штамповки. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 379 с.
11. Справочник конструктора штампов: листовая штамповка / под. ред. Л. И. Рудмана. М.: Машиностроение, 1988. 412 с.
12. Справочник по листовой штамповке: учебное пособие. Демин В.А., Львович К.Д., Маркин П.В., Семенов В.И., Феофанова А.Е.; под ред. Демина В.А. и Семенова Е.И. М.: МГИУ, 2011. 177 с.
13. Холодная штамповка: справочник. Л. Л. Григорьев, К.М. Иванов, Э. Е. Юргенсон; под ред. Л.Л. Григорьева. СПб.: Политехника, 2011. 665 с.
14. AWF 5791. Zuschnittsermittlung für rechteckige Ziehteile nach Die Zuschnittsermittlung rechteckiger Ziehteile beruht auf der Zerlegung des Hohlteiles.
15. Семенов Е.И. Применение программного комплекса PAM-STAMP для автоматизации процесса проектирования процессов листовой штамповки // Автоматизация проектирования и производства. Машиностроение и инженерное образование. М.: МГИУ, 2008. №3. С. 42-47.
16. Биба Н.В., Стебунов С. А., Гладков Ю.А., Мордвинцев П.С. QForm - универсальная и эффективная программа для моделирования ковки и штамповки // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением, 2011. №1. С. 36-42.
17. Кухарь В. Д., Малышев А.Н., Бессмертная Ю.В. Вытяжка низких прямоугольных коробок из профильных заготовок // Черные металлы, 2019. №1. С. 39-42.
18. Васильев К.И., Яблоновская А.В., Охрименко М.А. Универсальная компьютерная модель для расчета диаметра заготовки при вытяжке осесимметричных деталей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2009. Вып. 3. С. 238-243.
19. Шестаков Н.А., Соловьев Б.М. Методика обратного проектирования оптимального контура заготовки для штамповки коробчатых изделий // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2013. Вып. 4. С. 21-27.
20. Программный комплекс для моделирования двумерных процессов пластического течения при обработке металлов давлением. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки / А.В. Власов, Н.А. Шестаков, В.Н. Субич, В.А. Демин // Министерство образования РФ. ОФАП. Номер гос. рег. 50200400053.
21. ГОСТ 18970-84. Государственный стандарт СОЮЗА ССР. Обработка металлов давлением. Операции ковки и штамповки. Термины и определения. М.: Издательство стандартов, 1984.
22. Feasibility studies on manufacturing tailored blanks by rolling partially stacked blanks // Journal of Mechanical Science and Technology, 2018. №32 (4). P. 1575-1584.
23. Yang R.J., Fu. Y., Li. G. Application of Tailor Rolled Blank in Vehicle Front End for Frontal Impact // Society of Automotive Engineers, 2007. SAE Technical Paper 2007-01-0675.
24. Коротков В.А., Яковлев С.С. Заготовка для вытяжки цилиндрического полуфабриката // Патент России № 2056199. 20.03.1996.
25. Хайруллин Т.В., Столбов В.И. Применение листовых сварных заготовок для штамповки деталей в аэрокосмической и автомобильной промышленности // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. Авиационная и ракетно-космическая техника, 2011. №3(27). С. 20-27.
26. Tailor welded blank applications and manufacturing. A State-of-the-Art Survey // The Auto/Steel Partnership Tailor Welded Blank Project Team. Town Center - Suite 320 Southfield, MI 48075-1123. June 2001.
27. Попов Е.А., Ковалев В.Г., Шубин И.Н. Технология и автоматизация листовой штамповки: учебник для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. 480 с.
28. Типалин С. А., Сапрыкин Б.Ю., Шпунькин Н.Ф. Краткий обзор многослойных листовых деформируемых материалов используемых для защиты от шума // Известия МГТУ «МАМИ». Технология машиностроения и материалы. М.: МГТУ «МАМИ», 2012. №2(14). Т.2. С. 21-27.
29. Петров А.П., Галкин Е.В. Математическое моделирование процесса вытяжки пластичным пуансоном полусферических деталей из слоистых алюминиевых материалов // Технология легких сплавов, 2012. №2. С. 101-107.
30. Гуревич Л.М., Волчков В.М., Трыков Ю.П., Киселев О.С. Моделирование процессов глубокой вытяжки трубчатых переходников из слоистых титаноалюминиевых пластин // Известия вузов. Цветная металлургия. Обработка металлов давлением, 2014. №4. С. 30-35.
31. Феофанова А.Е. Повышение интенсивности и надежности формоизменяющих операций листовой штамповки: дисс. д-ра техн. наук: 05.03.05. М., 2004. 289 c.
32. Феофанова А.Е. Вытяжка деталей коробчатой формы // Сб. науч. трудов. Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. Тула: ТулГУ, 2002. 4.1. С. 127-133.
33. Феофанова А.Е. Влияние предварительного растяжения на штампуемость листового металла // Сб. науч. трудов. Механика деформируемого тела и обработка металлов давлением. Тула: ТулГУ, 2001. 4.1. С.75-80.
34. Бер В.И., Сидельников С.Б., Соколов Р.Е., Иванов Е.В. Технология листовой штамповки: учеб. пособие. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. 168 с.
35. Бурдуковский В.Г. Технология листовой штамповки: учебное пособие. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2019. 224 с.
36. Ковка и штамповка: справочник: в 4 т. Листовая штамповка // под ред. А. Д. Матвеева; ред. товет: Е.И. Семенов (пред.) и др. М.: Машиностроение, 1987. Т. 4. 544 с.
37. Матвеев Б.Н. Новые виды материалов и заготовок для автомобилестроения (обзор зарубежной и отечественной литературы) // Заготовительные производства в машиностроении, 2007. №6. С. 47-52.
Малышев Александр Николаевич, канд. техн. наук, доцент, 1m-kf.mgtu@inbox.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет),
Бысов Сергей Александрович, канд. техн. наук, доцент, 1m-kf.mgtu@inbox.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)
CLASSIFICATION OF INITIAL BLANKS FOR DRAWING OPERATION A.N. Malyshev, S.A. Bysov
The article is devoted to the analysis of set of the most distributed types of blanks in sheet-stamping production for implementation of «drawing» operation. The classification of the initial blanks is given by the following criteria: by profile shape, by section shape, by material uniformity, by stress-strain state, by the number of parts (surfaces) created on single blank, by the temperature before «drawing» operatiop, acco^^ing to the scheme of initial blanks feeding in stamp, according to the presence of preliminary heat treatment and the presence on the surface of the lubricator and lubricant coating; a brief description of each classification criteria is provided.
Key words: stamping, drawing, initial blank.
Malyshev Alexander Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, 1m-kf.mgtu@inbox.ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University Kaluga Branch
Bysov Sergey Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, 1m-kf.mgtu@inbox.m, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University Kaluga Branch
