CC BY
9
УДК 621.73.01
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-364-367
КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ШТАМПОВКИ ГОЛОВОК
КРЕПЕЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ
А.И. Гасанов
Крепежные изделия могут изготавливать разной формы, особенно это касается головок, что необходимо для выполнения ими определенных задач. Например, секретные болты или болты, необходимые для того, чтобы не дать персоналу разорвать соединение. В большинстве случаев такие изделия получают штамповочными операциями, что связано с высокой производительностью и качеством получаемой детали, а также возможностью автоматизации процесса. Поэтому исследования процессов штамповки головок крепежных элементов является очень важной задачей. В данной работе проводится комплексное исследование силовых режимов, напряженного и деформированного состояния, повреждаемости материала, вероятности дефектообразования при холодной и горячей штамповки таких изделий. Приводятся максимальные значения перечисленных выше характеристик, которые были получены в ходе компьютерного моделирования в программном комплексе QForm. Делаются выводы о том, как влияет температурный режим штамповки на сам процесс и важные его характеристики. Даются рекомендации по выбору температурного режима формоизменения головки крепежного изделия. Делаются предположения о дальнейшей перспективе и направлениях изучения поставленной в работе задачи.
Ключевые слова: головка, метизы, крепежные изделия, штамповка, сталь, анализ, сила, напряжения.
Процессы ковки и штамповки могут быть реализованы при разных условиях, которые в значительной степени влияют на качество получаемого изделия, его форму, размеры. Поэтому изучение влияния различных факторов на процесс штамповки является важной задачей. К таким факторам можно отнести: трение на границах инструмент-заготовка, форма инструмента, материал заготовки и оснастки, скорость формоизменения, температура штамповки. Именно последний фактор будет исследоваться в настоящей работе, так как именно температурный режим оказывает значительное влияние на весь процесс формоизменения. Так температура заготовки и инструмента может повлиять на форму конечного изделия, износ инструмента, напряженное и деформированное состояние, повреждаемость материала, качество изделия, технологическую силу, трудоемкость процесса и пр. [1-5]. Поэтому будет рассмотрен процесс получения метиза с нестандартной головкой методом объемной штамповки при нескольких температурах: 20 и 1100°С, что позволяет провести оценку формоизменения как при холодной, так и при горячей штамповке. При этом целью работы является комплексная оценка нескольких факторов: максимальные напряжения и деформации, наибольшая технологическая сила, повреждаемость материала и вероятность образования дефектов.
Для этого были проведены компьютерные расчеты в ПО QForm [6-11], при котором были получены необходимые данные при горячей и холодной штамповки метиза (рис.), занесенные в таблицу. Моделирования проводились при одинаковых условиях, за исключением температуры штамповки. Совпадали материал заготовки (сталь 10), форма инструмента, начальные параметры сетки конечных элементов, отсутствовали начальные внутренние напряжения, температура окружающей среды составляла 20 градусов.
В целом необходимая головка изделия представляет собой цилиндр, расположенный на плоской поверхности и имеющий несколько выемок, которыми создаются пазы для специального ключа. Нанесение резьбы и прочее в настоящей работе не рассматривалось.
Сводная таблица, полученная в результате компьютерного моделирования
Температура штамповки 20°С 1100°С
Сила, кН 710 100
Напряжения, МПа 430 285
Деформации 7,8 8
Повреждаемость 1 0,92
Вероятность поверхностного дефекта (Поле Gartfield) 1 0,95
Технологии и машины обработки давлением
Выявлено, что технологическая сила формообразования взаимосвязана с температурой штамповки, и чем она выше, тем меньшая сила требуется для осуществления изменения формы. В данном случае сила отличается практически на 710%.
Метиз с нестандартной головкой
При анализе напряженного и деформированного состояния было установлено, что на деформацию, а именно ее максимальную величину не влияет температура штамповки, а разница составляет примерно 0,2, что составляет меньше 5% и может быть вызвана погрешностью в расчетах и измерениях. Напряжения же отличаются значительно и при горячей штамповке составляют 285 МПа, что примерно на 35% ниже, чем при холодной обработки.
Также важной частью исследования является изучение повреждаемости и вероятности дефектообразования. Повреждаемость в данной работе оценивалась по параметру Кокрофт-Латам и во всех случаях близка к 1, что свидетельствует о большой вероятности разрушения материала, однако повышенные значения данной характеристики наблюдается только во внешних слоях материала, в некоторых небольших локальных зонах и могут быть убраны механической обработкой. Это же касается и полей GartfieЫ, которые характеризуют вероятность внешнего дефектообразования и наблюдаются в тех же местах, где повышена повреждаемость.
В ходе исследования было выявлено, что наиболее оптимальной температурой штамповки является 1100 градусов, что соответствует горячей обработке. Однако стоит учитывать габаритные размеры головки, в случае если размеры не велики, то можно применять и холодную штамповку, так как технологическая сила будет небольшой, при этом также уменьшится трудоемкость производства, так как отсутствует необходимость в нагреве заготовки перед началом формообразования. При этом исходя из параметров повреждаемости и вероятности дефектов на наружной поверхности следует рассмотреть другой способ штамповки или применить многопереходную штамповку для улучшения качества получаемого изделия.
Дальнейшие исследования могут быть направлены на изучения штамповки головок метизов при разных формах инструмента и при отличающихся материалах заготовки, что позволит расширить представление о данном процессе.
Список литературы
1. Гасанов А.И. Получение нестандартных головок соединительных элементов пластическим деформированием // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. № 2. С. 21-24.
2. Яковлев С. С. Исследование температуры инструмента при рифлении // Инновации технических решений в машиностроении и транспорте // Сборник статей VIII Всероссийской научно-технической конференции для молодых ученых и студентов с международным участием, Пенза, 17-18 марта 2022 года / Под научной редакцией В.В. Салмина. Пенза: Пензенский государственный аграрный университет, 2022. С. 266-269.
3. Пасынков А. А., Хрычев И. С. Оценка изменения напряженного состояния заготовки при прямом горячем выдавливании трубы // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 3. С. 117-122.
4. Каркач Л.В. Оценка деформаций и повреждаемости в детали при обратном выдавливании // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 11. С. 469-471.
5. Алексеев А.В. Напряженное и деформированное состояние при горячей объемной штамповке сложнопрофильной детали // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 6. С. 374-376.
6. Ремнев К.С., Яковлев С.С., Калашников А.Е. О потере устойчивости тонких анизотропных заготовок при вытяжке осесимметричных деталей // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2014. № 11. С. 32-35.
7. Березина К.А. Исследование напряжений и деформаций при реализации обратного выдавливания // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 4. С. 467-471.
8. Березина К.А. Исследование полуфабриката при его выдавливании // Инновации технических решений в машиностроении и транспорте: сборник статей VIII Всероссийской научно- технической конференции для молодых ученых и студентов с международным участием / Министерство науки и высшего образования РФ, Пензенский государственный университет [и др.]; под ред. Салмина В.В. Пенза: Пензен. гос. аграр. ун-т, 2022. С. 14-16.
9. Яковлев С. С. Новый энергоэффективный способы рифления // Проблемы развития предприятий: теория и практика // Сборник статей IX Международной научно-практической конференции, Пенза, 18-19 апреля 2022 года / Под научной редакцией В.И. Будиной. Пенза: Пензенский государственный аграрный университет, 2022. С. 195-198.
10. Гасанов А.И. Анализ инструмента при штамповке нестандартных головок // Инновации технических решений в машиностроении и транспорте: сборник статей VIII Всероссийской научно- технической конференции для молодых ученых и студентов с международным участием / Министерство науки и высшего образования РФ, Пензенский государственный университет [и др.]; под ред. Салмина В.В. Пенза: Пензен. гос. аграр. ун-т, 2022. С. 50-53.
11. Каркач Л.В. Напряженное и деформированное состояние при получении ступенчатой детали // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 12. С. 147-149.
Гасанов Аббас Иса оглы, магистрант, mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
COMPREHENSIVE ANALYSIS OF THE PROCESS FOR FORGING HEADS OF FASTENING
PRODUCTS
A.I. Gasanov
Fasteners can be made in various shapes, especially for heads, which is necessary for them to perform certain tasks. For example, secret bolts or bolts needed to prevent personnel from breaking the connection. In most cases, such products are obtained by stamping operations, which is associated with high productivity and quality, as well as the possibility of process automation. Therefore, research into the processes of stamping heads of fasteners is a very important task. In this work, a comprehensive study of power modes, stressed and deformed states, material damage, the probability of defect formation during cold and hot stamping of such products is carried out. The maximum values of the characteristics listed above, which were obtained in the course of computer simulation in the QForm software package, are given. Conclusions are drawn about how the temperature regime of stamping affects the process itself and its important characteristics. Recommendations are given on the choice of temperature regime for forming the fastener head. Assumptions are made about the future prospects and directions for studying the problem posed in the work.
Key words: head, hardware, fasteners, stamping, steel, analysis, force, stress.
Gasanov Abbas Isa ogly, student, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
