Моделирование процесса предварительной высадки головки болта Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.778

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ВЫСАДКИ ГОЛОВКИ БОЛТА1

Малаканов С.А., Железков О.С., Арзамасцева В.А.

ФГБОУВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.П. Носова», г. Магнитогорск, Россия

В способах холодной объемной штамповки стержневых крепежных изделий на многопозиционных автоматах наибольшее распространение получили технологические процессы, включающие высадку бочкообразной головки за несколько переходов и обрезку головок [1-4] (рис. 1).

Отрезка заготовил "Г* 1"Г.......... Иь,.шяк- им«и мшроиян..... р.и« ПП]**|ОК»К11 Нш1к1рс1ь6и

литы (игныи нисалки гс юакк

0

1

4-

П 1

гтп

ТТ

ГТП

Рис. 1. Многопереходная технология изготовления болтов с шест игранной головкой

Одним из основных недостатков технологии изготовления болтов с шестигранной головкой, включающей обрезку головки заготовки, является образование отходов (облоя) в количестве 5-8 % от объема заготовки. Безоблойная штамповка шестигранных головок болтов не получила широкого применения по причинам плохого оформления (незаполнения) ребер многогранника, сложности инструмента и требования к высокой точности настройки штамповочного оборудования.

Известно, что для исключения появления дефектов поверхности на гранях шестигранника при обрезке, предварительная высаженная головка должна иметь цилиндрическую форму, диаметр цилиндрической головки должен быть немного больше диаметра описанной окружности шестигранника. Вследствие действия контактных сил трения между инструментом и заготовкой, последняя приобретает бочкообразную форму, что приводит к увеличению объема обрезаемого металла. Причем, чем выше возникающие силы трения, тем больше боч-кообразность осаживаемой заготовки и вероятность появления трещин.

Предлагается использовать принцип, заложенный С.И. Губкиным [5], в эмпирическом способе определения коэффициента трения при осадке («метод конических бойков»). Сущность способа формирования головки заключается в том, что цилиндрический образец осаживается между пуансоном и матрицей с коническими торцевыми поверхностями с одинаковым углом образующей конуса. Сила трения будет задерживать течение металла от центра образца к периферии, а нормальное давление, наоборот, будет способствовать течению металла в этом направлении. Таким образом, при соблюдении определенных условий (угла конусности) заготовка при осадке сохранит цилиндрическую форму, что будет способствовать уменьшению отходов при обрезке головки.

Моделирование процесса осадки осуществляли в применявшейся ранее при исследовании многопереходных процессах пластической деформации [6] программе «ОЕРСЖМ-ЗЭ». основанной на применении метода конечных элементов, при трехмерной постановке задачи. В расчете использовались три объекта: подвижный инструмент - верхний боек, неподвижный инструмент - нижний боек, заготовка. В силу симметричности сечения выполнялось моделирование 1/2 части заготовки цилиндрической формы, длина заготовки - 25 мм, диаметр заготовки - 9,75 мм. Были приняты следующие допущения: заготовка обладает упруго-пластическими свойствами; материал заготовки - сталь марки 10 (кривая упрочнения из справочника [7]); модуль упругости -

Е = 2-105МПа; коэффициент Пуассона - ц = 0,3; процесс изотермический; связь между поверхностной силой трения с силой нормальной реакции подчиняется закону Кулона-Амонтона; коэффициент трения скольжения/постоянная величина равная 0,1.

Рассматривалось три варианта исполнения инструмента:

1. нижний и верхний бойки с плоскими рабочими поверхностями; 2. верхний боек с конической рабочей поверхностью, нижний - с плоской рабочей поверхностью; 3. нижний и верхний бойки с коническими рабочими поверхностями. Угол конусности а определялся по известной формуле [5]

а = агс!ап/= агс^ап 0,1 = 5,71°. цч

1 Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ

в рамках научного проекта № 16-38-00026 мол_а

На рис. 2 показана деформация заготовки при различном исполнении инструмента. Из рис. 2 видно, что наибольшую бочкообразность имеет заготовка, осаживаемая плоскими бойками, наименьшую - с бойками с конической поверхностью.

В)

Рис. 2. Абсолютная деформация заготовки (в радиальном направлении): а) нижний и верхний бойки с плоскими рабочими поверхностями; б) верхний боек с конической рабочей поверхностью, нижний - с плоской; в) нижний и верхний бойки с коническими рабочими поверхностями

Применение конической формы рабочей поверхности при одинаковом перемещении подвижного инструмента (ДА = 12 мм) позволяет уменьшить бочкообразность на 8,04 и 15,63 %, соответственно.

Так как выполнение пуансона с конической поверхностью ограничивается условием обеспечения продольной устойчивости заготовки и качеством торцевой поверхности после отрезки заготовки, то было проведено моделирование процесса высадки головки с применением матрицы с конической рабочей поверхностью.

На рис. 3 показан промежуточный этап процесса предварительной высадки головки болта с шестигранной головкой М12 с использованием матрицы с плоской и конической рабочей поверхностью.

I_ _, ОгерисвтеП • > (Пни]

0 • А

ЗЭ5

I I

I

I I

I

б)

Рис. 3. Деформация заготовки при предварительной высадке головки болта: а) матрица с плоской рабочей поверхностью; б) матрица с конической рабочей поверхностью

Из рис. 3 видно, что коническая рабочая поверхность матрицы обеспечивает меньшую бочкообразность головки, по сравнению с плоской поверхностью при равенстве диаметров головки в плоскостях прилегания к инструменту.

Адекватность результатов моделирования проверяли путем сопоставления результатов компьютерного и натурного моделирования. Численный эксперимент проводился в «ОЕРСЖМ-ЗЭ» при соблюдении подобных условий.

Для проведения натурного эксперимента были изготовлены цилиндрические образцы из калиброванного круглого проката из стали марки 10 по ГОСТ 10702-78 диаметром 9,75 мм. Отрезку образцов проводили с помощью отрезного станка 015СоЮт-6 «Зйпеге» (Дания), обеспечивающего параллельность торцов.

Осадка образцов осуществлялась на гидравлическом испытательном прессе с ручным управлением ИП 2000 с наибольшей номинальной нагрузкой 2000 кН. На рис. 4 показаны осаженные с различной степенью деформации образцы.

ОО Фее*

Рис. 4. Осаженные с различной степенью деформации образцы

Сравнивая результаты натурного и численного экспериментов, было установлено, что погрешность вычислений не превышает 9 %.

Таким образом, применение конической формы рабочего инструмента при предварительной высадке головки болта позволяет уменьшить бочкообразность заготовки, тем самым сократить отходы металла при обрезке на ~ 2 %.

Список литературы

1. Петриков В.Г. Прогрессивные крепежные изделия. М.: Машиностроение, 1991. 256 с.

2. Мокринский В.И. Производство болтов холодной объемной штамповкой. М.: Металлургия, 1978. 72 с.

3. Навроцкий Г.А. Технология холодной объемной штамповки на автоматах. М.: Машиностроение, 1972.

96 с.

4. Овчинников А. Г. Основы теории штамповки выдавливанием на прессах. М.: Машиностроение, 1983.

200 с.

5. Железков О.С. Поиск рационального формоизменения в многопереходных процессах пластической деформации на основе комплексного критериального подхода // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2015. № 4. С. 8-12.

6. Основы теории обработки металлов давлением / С. И. Губкин [и др.]; под ред. М. В. Сторожева. М.: Машгиз, 1959. 540 с.

7. Кроха В.А. Упрочнение металлов при холодной пластической деформации: справочник. М.: Машиностроение, 1980. 157 с.

УДК 621.771

К ВОПРОСУ КОНСТРУИРОВАНИЯ КАНАТОВ С УЧЕТОМ ИХ МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Шубин И.Г., Шубина Н.И.

ФГБОУВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.П. Носова», г. Магнитогорск, Россия

Стальной канат как гибкий элемент, способный нести высокую растягивающую нагрузку, широко применяется в современной подъемно-транспортной технике. Сейчас трудно себе представить работу многих важ-