CC BY
11
The article focuses on the analysis of the possibilities of practical implementation of the drawing with pushing the corner elements of a square workpiece into a matrix of circular cross-section. The stress-strain state of the workpiece has been established. Power modes are revealed. The comparison of the data obtained is given, the share of the proposed technology with the existing one.
Key words: drawing, pushing, square blanks, shaping.
Samsonov Nikita Alekseevich, postgraduate, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula state University
УДК 621.7.043 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-3-50-54
МОДЕЛИРОВАНИЕ ШТАМПОВКИ ДЕТАЛЕЙ КАТУШЕЧНОЙ ФОРМЫ
Г.В. Панфилов, А.В. Черняев, А. Т. До
Предложена технологическая схема штамповки осесимметричных деталей катушечной формы. Выполнено моделирование процесса холодной штамповки цилиндрической заготовки в разъемных матрицах. Установлены зависимости силы операции от геометрических параметров инструмента, степени деформации и условий трения на контактных поверхностях. Выполнена оценка повреждаемости материала заготовки.
Ключевые слова: детали катушечной формы, холодная объемная штамповка, выдавливание, сила, повреждаемость материала.
Осесимметричные детали катушечной формы (ДКФ) могут использоваться в качестве поршней в дизельных, гидравлических и пневматических приводах различных механизмов [1]. Технология их производства включает операции отрезки мерных прутковых заготовок, предварительной высадки или прямого выдавливания средней части заготовки и окончательной штамповки торцевых утолщений различного профиля. Окончательные размеры изделия формируются операциями механической обработки. Рассматривается возможность получения заготовки ДКФ на одной позиции штамповки, что позволит существенно повысить производительность её изготовления в результате сокращения числа формоизменяющих операций и исключения промежуточного отжига.
Выполнено моделирование штамповки ДКФ в программном комплексе Qform 2D/3D (рис. 1). Штамповка осуществляется в штампе с разъемными матрицами двумя пуансонами, движущимися во встречном направлении. Под воздействием инструмента металл заполняет полости матрицы, образуя торцевые утолщения. Одновременно формируется внутренняя полость на торце заготовки, которая выполняет функцию наметки для сверления сквозного отверстия.
На рис. 2 представлены графические зависимости изменения силы операции P от относительного перемещения инструмента h = h / Ак, где h и Ик - текущее и конечное перемещение пуансонов соответственно, при штамповке заготовок из стали 10, латуни Л70 и алюминиевого сплава АМг6. На начальном этапе штамповки формируется внутренняя полость радиусом r на торце заготовки, что сопровождается незначительным ростом силы деформирования. Далее следует этап набора металла в полостях разъемной матрицы с образованием торцевых утолщений, сопровождающийся плавным ростом силы. На заключительном этапе происходит окончательное
оформление контура заготовки заполнением угловых участков матрицы, что проявляется в резком росте силы операции. Максимальных значений технологическая сила достигает в конечный момент штамповки при И = 1. В дальнейших исследованиях в качестве силы операции понимается её максимальное значение.
й
Пуансон 2/ [£ \ Заготовка
а
Рис. 1. Штамповка деталей катушечной формы: а — схема операции; б — последовательность формоизменения
Основными факторами, влияющими на силовые режимы штамповки ДКФ, являются геометрические параметры инструмента и заготовки: радиус закругления полости матрицы Я, радиус закругления выступа пуансона Г , начальный d и конечный О диаметры заготовки, а также условия трения на контактных границах инструмента и заготовки, характеризующиеся коэффициентом трения ¡Л . Теоретические исследования силовых режимов штамповки ДКФ выполнены в следующих диапазонах варьируемых параметров: Я = 3...9мм; г = 1...4мм; / = 0,05...0,2. Диаметр заготовки принимался постоянным d = 19 мм, диаметр изделия О = 31,6...25,3 мм, что соответствует значениям относительного диаметра d = d /О = 0,6...0,75. Длина заготовки и изделия принимались I = 28 мм, Ь = 22 мм. Результаты расчетов представлены на рис. 3.
Гталь 10 \ /
270
АМгб у/
\ У
О 0,2 0,4 0,6 0,8 /)
Рис. 2. Графики «сила — путь» при штамповке ДКФ: /Л = 0,1; Я = 5 мм; Г = 2мм; d = 19мм; О = 25,3 мм
Установлено, что наибольшее влияние на силу штамповки в исследованных диапазонах изменения варьируемых параметров оказывает относительный диаметр d . Уменьшение d от 0,75 до 0,6, что соответствует увеличению диаметральных размеров изделия и, следовательно, степени деформации при неизменных размерах заготовки, приводит к росту силы штамповки на 20...30%. Диаметральный размер изделия определяется требованиями чертежа и не является предметом оптимизации силовых режимов.
Существенное влияние на силу штамповки оказывает радиус внутренних полостей матрицы Я. Увеличение Я от 3 до 9 мм приводит к снижению силы на 15-20%, что объясняется более благоприятными условиями течения металла с меньшими затратами энергии на изменение траектории. Увеличение Я, если это допускается чертежом изделия и условиями его эксплуатации, приводит к снижению силы и повышению стойкости штампа.
Увеличение радиуса Г внутренней полости на торце заготовки от 1 до 4 мм приводит к росту силы на 5. 10%. Величина указанного радиуса не имеет существенного значения в конструкции изделия, т.к. в центральной части заготовки впоследствии образуется сквозное отверстие, и формируемая при штамповке полость, являющаяся наметкой, будет удалена в отход. Поэтому с целью снижения силы штамповки целесообразно назначать меньшие значения Г .
Увеличение трения на контактных поверхностях инструмента и заготовки может приводить к росту силы на 10%. Для снижения трения целесообразно использовать технологические смазки и предусматривать тщательную обработку поверхностей внутренней полости штампа. В процессе эксплуатации необходимо следить за состоянием рабочих поверхностей инструмента, не допускать износа и образования задиров, приводящих к росту силы и ухудшению внешнего вида изделий.
р,
МПа
Р, МПа
\ Сталь 10 Л70
/ АМгб
\
\ Сталь 10
Л 70
/ А.Мг6 /
/ /
Р МПа з
2.5 2 1.5 1
0.5
б
\ Сталь 10
Л 70
/ АМгб
\
м
Рис. 3. Силовые режимы штамповки ДКФ: а - ); ¡1 = 0,1; Я = 5 мм; г = 2 мм;
б - Р(Я); 1 = 0,1; г = 2 мм; d = 0,75; в - Р(г); 1 = 0,1; Я = 5мм; d = 0,75 ; г - Р(1); Я = 5 мм; г = 2 мм; d = 0,75 52
а
Выполнено сравнение силы штамповки ДКФ по двум вариантам технологии: из цилиндрической заготовки (одна штамповочная операция) и из предварительно профилированной заготовки, согласно существующей технологии (вторая штамповочная операция в двухоперационном процессе). Установлено, что использование цилиндрической заготовки вместо предварительно профилированной приводит к росту силы штамповки на 10... 15% (рис. 4). Однако такое повышение не является критичным и при необходимости может быть компенсировано за счет использования оборудования большей номинальной силы.
К МПа 1
0,8
0,6
0,4
0,2
О
0 0,2 0,4 0,6 0,8
Рис. 4. Сила штамповки ДКФ из цилиндрической (р) и профильной (Р?) заготовок: материал — Амг6; /и = 0,1; Я = 5мм; г = 2 мм; й = 0,75
Сравнение величин накопленной повреждаемости материала заготовки С показывает, что при штамповке ДКФ из цилиндрических заготовок за один переход степень использования ресурса пластичности С выше, чем при использовании профилированной заготовки С? (рис. 5). Но в диапазоне изменения й = 0,65...0,75 накопленная повреждаемость не превышает допустимых значений, которые согласно рекомендациям [2, 3] для деталей ответственного назначения составляют 0,25.0,3.
СО
0,30
0.20
0.10
0.6 0.65 0.7 с]
Рис. 5. Повреждаемость материала цилиндрической (с) и профильной (с?) заготовок: материал — Амг6; /и = 0,1; Я = 5 мм; г = 2 мм; й = 0,75).
Таким образом, установлено, что при заданных соотношениях геометрических параметров и степени деформации ДКФ можно изготавливать за одну операцию штамповки с допустимыми для деталей ответственного назначения величинами степени ис-
53
1
д I
\ \
С0\
0)2
пользования ресурса пластичности. При штамповке торцевых утолщений большого диаметра необходимо использовать предварительное профилирование средней части ДКФ для обеспечения рациональной кинематики течения деформируемого материала и снижения повреждаемости. Назначением рациональных значений геометрических элементов матрицы и пуансона, а также использованием смазки можно добиться снижения силы штамповки на 15-20%.
Работа выполнена в рамках гранта по государственной поддержке ведущих научных школ Российской Федерации НШ-2601.2020.8.
Список литературы
1. Панфилов Г.В., До А.Т., Ле М.Д. Проектирование штамповой оснастки для изготовления осесимметричных деталей с торцевыми утолщениями и их применение // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2021. №3(117). С. 7-15.
2. Богатов А.А., Мижирицкий О.И., Смирнов С.В. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1984. 144 с.
3. Колмогоров В. Л. Механика обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1986. 688 с.
Панфилов Геннадий Васильевич, д-р техн. наук, профессор, tulpan.2000@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Черняев Алексей Владимирович, д-р техн. наук, профессор, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
До Ань Ту, аспирант, doanhtu1991.ru@,gmail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
MODELING OF THE STAMPING THE COIL SHAPE PARTS G. V. Panfilov, A. V. Chernyaev, A. T. Do
A technological scheme for stamping axisymmetric parts of a coil shape is proposed. Simulation of the process of cold stamping of a cylindrical billet with split dies has been carried out. Dependences of the operation force on the geometric parameters of the tool, the degree of deformation and friction conditions on the contact surfaces are established. Evaluation of the damageability of the workpiece material is completed.
Key words: coil shape parts, cold die forging, extrusion, force, material damageability.
Panfilov Gennady Vasilyevich, doctor of technical sciences, professor, tulpan.2000@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State Uuniversity,
Chernyaev Aleksey Vladimirovic, doctor of technical sciences, docent, mpf-tiila a ramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Do An Htu, postgraduate, doanhtu1991. ru@,gmail. ru, Russia, Tula, Tula State University
