CC BY
33
УДК 621.7.016.3
Белан А.К., Белан О. А.
МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОЦЕССА ХОЛОДНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ ПРОГРЕССИВНЫХ ВИДОВ КРЕПЁЖНЫХ
Аннотация. Рассмотрен метод поперечного выдавливания для получения холодной объемной штамповкой прогрессивных крепежных изделий. Проведен сравнительный анализ традиционной высадки и поперечного выдавливания. Представлены результаты компьютерного моделирования технологии изготовления некоторых видов крепёжных изделий методом поперечного выдавливания (закладной болт, винт с внутренним шестигранником).
Ключевые слова: поперечное выдавливание, высадка, самонарезающие винты, закладной болт, винт с внутренним шестигранником, устойчивость, интенсивность напряжений, интенсивность деформаций.
С развитием машиностроения,
автомобилестроения и строительства все чаще возникает потребность в крепежных изделиях более сложной усовершенствованной конструкции, позволяющих создавать прочные,
высокоэффективные, надежные и долговечные разъемные соединения. К таким крепежным изделиям можно отнести фланцевый крепеж, самосверлящие, резьбовыдавливающие и самонарезающие винты, их применение существенно упрощает и ускоряет выполнение монтажных и сборочных работ (рис. 1).
головки, для получения которой требуется большой объем металла.
Крепежные изделия изготавливаются методом холодной объемной штамповки на многопозиционных автоматах. Одним из факторов, ограничивающих высадку головки за один переход, является продольная устойчивость стержня, которая в значительной мере определяет стабильность технологических процессов и их точность.
Конструктивными элементами подобных деталей являются стержень в виде конуса, цилиндра или их сочетания и увеличенная головка в виде сферы, полусферы, усеченного конуса, цилиндра, шестигранника.
Особенностью таких изделий является удлиненный конический участок длиной > 0,25Ьизд, где Ьизд - длина изделия и увеличенная головка. Для формирования такой головки применяют заготовку с отношением £0 / ё0> 2.5, где £0 - длина заготовки под
¿о"
диаметр заготовки под высадку
ж з и
Рис. 1. Прогрессивные виды крепежных изделий: а, б -самонарезающие винты; в - путевой шуруп с шестигранной головкой; г - закладной болт; д - кровельный саморез; е -
штепсель для электротяговых соединителей; ж -сферический шаровой палец; з — болт с фланцем; и — винт с внутренним шестигранником
Данные крепежные изделия по своей конструкции, а значит, и по технологии изготовления значительно сложнее обычных стандартных болтов, винтов, шурупов, заклепок. Общим во всех перечисленных изделиях является сложная форма
высадку головки, головки.
Для предварительной высадки головки с отно-
£
шением —— > 2.5 применяют специальные штампы Л о
для поперечного выдавливания [1]. Штампы для поперечного выдавливания имеют конструкцию, обеспечивающую жесткое защемление участка заготовки. Формирование головки происходит в закрытом объеме поперечным выдавливанием.
Форма предварительной головки может быть различной (рис. 2) и зависит от того, где формируется головка: в пуансоне (а), матрице (б) или частично в пуансоне и частично в матрице (в). Важную роль играет высота полости в инструменте Ь, так как этот размер определяет свободно осаживаемую часть заготовки, не защемляемую в начале процесса высадки.
© Белан А.К., Белан О.А., 2018
речного выдавливания (закладной болт, заклёпка с увеличенной головкой и винт с внутренним шестигранником).
Закладные болты (рис. 3) используются в качестве скрепления для железобетонных опор.
а б в
Рис. 2. Схемы предварительной высадки головки а - в пуансоне; б - в матрице; в - в пуансоне и матрице
Схемы деформирования при предварительной осадке должны предупреждать продольный изгиб на первой операции, при этом в рабочей полости пуансона не должно быть резких переходов, которые могут привести к образованию кольцевых складок.
Существенным преимуществом деформации в штампе для поперечного выдавливания является то, что длина свободной, не защемляемой части, высаживаемого участка относительно мала, и таким образом, при отношении длины заготовки к ее диаметру свыше 2.5 не возникает опасности изгиба. Такая конструкция штампа позволяет высаживать головки с большим объемом металла или головки сложной конфигурации. Кинематика течения металла в вышеуказанном штампе и силовой режим отличаются от обычной высадки. Формирование головки происходит в закрытом объеме и делится на две стадии [2,3]. На первой стадии в начале процесса деформации большая часть длины высаживаемой части заготовки, идущей на формирование головки, находится в канале пуансона, полностью заполняя его. После приложения деформирующей силы течение металла заготовки относительно боковых стенок пуансона происходит в направлении, совпадающим с направлением движения скользящего сердечника. Первая стадия процесса обеспечивает направление металла в канале подпружиненного пуансона, без потери продольной устойчивости и изгиба заготовки. На второй стадии металл, осаживаясь, заполняет пространство в корпусе пуансона или матрицы под углом к направлению движения пуансона, принимая предварительную форму головки.
Ввиду постоянно возрастающих требований в отношении гибкости производственного оборудования и качества продукции при новых технологических разработках возникает необходимость улучшения возможностей опробования и варьирования процессов обработки металлов давлением. С целью сокращения сроков разработки и внедрения новых видов крепёжных изделий применяются системы автоматизированного проектирования и моделирования, позволяющие промоделировать несколько вариантов предполагаемой технологии и выбрать наиболее оптимальный [4-6].
Рассмотрим применение компьютерного моделирования при разработке технологии изготовления некоторых видов крепёжных изделий методом попе-
Рис. 3. Закладной болт по ГОСТ 16017-79
При выполнении расчетов в качестве входных данных принимались следующие параметры: диаметр исходной заготовки 20 мм; длина заготовки 232 мм; материал заготовки - сталь 20; начальная температура 20°С; режим деформирования на первой стадии (согласно технологической схеме, представленной на рис. 6.б), сведен в табл.1.
Таблица 1
Режим деформирования на первой стадии при поперечном выдавливании металла для изготовления закладных болтов по ГОСТ 16017-79 на автомате-комбайне КА-74
Формообразующая мат-
Но рица Ход
мер опера- В Д Ш пуансона,
ции ысота Н, лина L, ирина В, мм
мм мм мм
1 3 3 23 30
3 8,9 ,6
Для моделирования процесса поперечного выдавливания использовалась схема расположения деформирующего инструмента и заготовки, показанная в разрезе (рис. 4).
Рис. 4. Геометрическая интерпретация математической модели (а) и объемная сетка конечных элементов (б) на начальной стадии деформирования Описание процесса деформирования металла в рабочей области штампа является наиболее сложным при объемной штамповке стержневых изделий с головками увеличенного размера. Это обусловлено как сложной формой самой головки, так и конструктивными особенностями рабочего инструмента. Данный процесс предотвращает продольный изгиб заготовки, что отличает его от свободной высадки. Равномер-
ность деформации обеспечивается за счет двойного защемления заготовки.
Результатом решения при помощи конечно-элементной модели является ряд характеристик НДС металла в процессе поперечного выдавливания. К основным из них относятся интенсивности напряжений, деформаций и скоростей деформаций. Распределение интенсивностей напряжений на поверхности и в продольном сечении головки болта представлены на рис. 5.
Рис. 5. Поля интенсивностей напряжений по объему головки болта: а - конец первой операции; б - конец второй операции
Следует отметить, что практически по всему объему головки болта наблюдаются самые высокие значения интенсивностей напряжений, достигающие 668 МПа в конце первой стадии и 684 МПа - в конце второй. Увеличение данного параметра объясняется
упрочнением материала в процессе пластической деформации. При переходе к стержню значения рассматриваемого параметра плавно снижаются вплоть до нуля.
Рассмотрим, как изменяются при переходе с первой стадии процесса на вторую интенсивности деформаций. Распределение исследуемого параметра на поверхности и в продольном сечении головки болта показаны на рис. 6.
Рис. 6. Поля интенсивностей деформаций по объему головки болта: а - конец первой операции; б - конец второй операции
В результате моделирования разработан технологический процесс изготовления закладных болтов (рис.7).
Рис. 7. Технологический процесс изготовления болтов по ГОСТ 16017-79
Рассмотрим применение компьютерного моделирования при разработке технологии изготовления винтов с цилиндрической головкой и шестигранным углублением под ключ М8х40 по ГОСТ Р ИСО 47622012 (аналог DIN 912) (рис. 8).
Исходным сырьем является прокат горячекатаный из стали марки 20Г2Р. Подготовка металла к вы-
садке состоит из следующих операций: травление, известкование, волочение, отжиг, травление, фосфати-рование, волочение. Для хорошего течения металла при штамповке и необходимой стойкости инструмента временное сопротивление готового калиброванного металла должно быть не более 750 Н/мм2 [2].
Технологический процесс изготовления вин-
тов, например на четырехпозиционном четырёхудар-ном автомате АВ 1920, состоит из следующих операций (рис.9):
- подача металла и отрезка заготовки;
- предварительная высадка головки;
- окончательная высадка головки;
- редуцирование стержня;
- накатка резьбы.
Рис. 8. Винт с цилиндрической головкой и шестигранным углублением под ключ
Рис. 9. Технологические переходы штамповки винта на автомате АВ 1920
Моделирование этого процесса в программном комплексе DEFORM 3D позволило оценить устойчивость заготовки при формировании головки, отсутствие изгиба в процессе деформирования и выбрать наиболее оптимальный вариант. Программа позволяет
моделировать пластическое течение материала, оценивать качество формоизменения по операциям и определять энергосиловые параметры процесса штамповки. На рис. 10 представлены результаты моделирования.
Рис. 10. Распределение полей интенсивности напряжений при формировании головки винта за три операции
Результаты показали, что технология формирования головки за три операции позволяет получить более равномерное распределение нагрузки и течение металла по операциям, что сказывается на работе автомата и стойкости высадочного инструмента, а также получить изделие с более оформленными контурами.
Таким образом, моделирование технологических процессов холодной объёмной штамповки позволяет быстро и с высокой точностью провести исследование нескольких вариантов схем деформирования и на стадии проектирования выбрать наиболее оптимальную технологию, тем самым сэкономить ресурсы и время.
Список литературы.
1. Белан А.К., Малышева М.С., Белан О.А. Холодная штамповка головок стержневых изделий методом поперечного выдавливания: монография. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. 176 с.
2. Белан А.К., Малышева М.С., Белан О.А. Совершенствование процесса поперечного выдавливания на основе математического моделирования // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2008. №8. С. 19 - 25.
3. Белан А.К., Белан О.А. Механика и энергосиловые параметры процесса поперечного выдавливания// Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2011. №2. С. 21 - 24.
4. Белан А.К., Моторыгин М.Е., Белан О.А. Прикладная механика устойчивости при обработке металлов давлением: монография: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011. 218 с.
5. Белан А.К., Белан О.А. Конструкция самонарезающих винтов и технология их производства// Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2015. №9. С. 20 - 25.
6. Белан А.К., Картунов А.Д., Белан О.А. Разработка конструкции и технологии производства самонарезающих винтов повышенной прочности в условиях ОАО «ММК-МЕТИЗ» // Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: междунар. сб. науч. тр. / под ред. В.М. Салганика. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2016. С.150-157.
Сведения об авторах
Белан Анатолий Кириллович - канд. техн. наук, профессор кафедры механики, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. E-mail: akbelan@yandex. m
Белан Ольга Анатольевна - канд. техн. наук, доцент кафедры механики, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. E-mail: [email protected]
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
MODELING AND DEVELOPMENT OF COLD FORGING PROGRESSIVE TYPES OF FASTENERS TECHNOLOGY
Belan Anatoliy Kirillovich - Ph.D. (Eng.), Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: [email protected]
Belan Olga Anatolyevna -Ph.D. (Eng.), Associate Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: [email protected]
Abstract. The method of transverse squeezing to obtain a cold forging progressive fasteners is described in the paper. The comparative analysis of traditional forming and transverse squeezing is shown. The results of computer modeling of manufacturing technology of some types of fasteners by transverse squeezing extrusion (inserted bolt for rail track fastenings and a screw with internal hexagon) are presented.
Keywords:Ttransverse squeezing, die forging, self-tapping screws, bolt, screw with internal hexagon, stability, stress intensity, strain intensity.
Ссылка на статью:
Белан А.К., Белан О.А. Моделирование и разработка технологии процксса холодной объёмной штамповки прогрессивных видов крепёжных изделий// Теория и технология металлургического производства. 2018. №2(25). С. 27-32.
Belan A.K., Belan O.A. Modeling and development of cold forging progressive types of fasteners technology, Teoria i tehnologia metallurgiceskogo proizvodstva. [ The theory and process engineering of metallurgical production]. 2018, vol. 25, no. 2, pp. 27-32.
