CC BY
12
The paper describes a new method of applying a groove mesh simultaneously on the inner and outer surfaces of the workpiece. The process was simulated in the QForm program, and its results.
Key words: corrugation, corrugation mesh, shell surface, metal processing, shell,
method.
Yakovlev Sergey Sergeevich, master, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.7.043 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-5-137-143
МОДЕЛИРОВАНИЕ ШТАМПОВКИ ДЕТАЛЕЙ КАТУШЕЧНОЙ ФОРМЫ
НА ОПРАВКЕ
Г.В. Панфилов, А.В. Черняев, А.Т. До
Предложена технологическая схема штамповки осесимметричных деталей катушечной формы на оправке. Выполнены исследования влияния геометрических параметров инструмента, степени деформации и условий трения на контактных поверхностях на силу штамповки, напряженно-деформированное состояние и повреждаемость материала заготовки. Приведены рекомендации по назначению числа требуемых операций штамповки.
Ключевые слова: детали катушечной формы, холодная объемная штамповка, выдавливание, сила, повреждаемость материала.
Осесимметричные детали с торцевыми утолщениями и сквозной осевой полостью (детали катушечной формы) находят широкое применение в качестве поршней в дизельных, гидравлических и пневматических приводах различных механизмов (рис.1) [1].
а б
Рис. 1. Детали катушечной формы: а — полуфабрикат после штамповки; б — деталь с прорезанными пазами
Технология их производства включает операции отрезки мерных прутковых заготовок, штамповки торцевых утолщений различного профиля на холодно-высадочных автоматах за одну или несколько операций в зависимости от геометрических размеров изделия и завершающие операции механической обработки резанием. Если диаметр осевого отверстия значительно меньше осредненного наружного диаметра участка детали катушечной формы (ДКФ), расположенного между торцевыми
утолщениями, целесообразно использовать исходную цилиндрическую заготовку с последующим сверлением сквозного отверстия [2]. Если диаметр отверстия значительный, то сверление существенно уменьшает коэффициент использования материала. В этом случае в качестве заготовки целесообразно использовать мерную трубную заготовку, предварительно насаженную на твердосплавную или закаленную оправку (рис. 2). С целью исследования силовых режимов процесса и определения количества необходимых формоизменяющих операций выполнено моделирование штамповки ДКФ в штампе с разъемными матрицами на оправке в программном комплексе <31х>гт 20/30.
б
Пуансон 2 / /'--1 \Загоговка
/Оправка
Рис. 2. Схема штамповки деталей катушечной формы на оправке
В качестве заготовки принимался патрубок длиной I = 35 мм наружным диаметром ё = 14,5 мм. Диаметр буртиков ДКФ варьировался в диапазоне Б = 24,2...22 мм, что соответствовало значениям относительного диаметра заготовки ё = ё/Б = 0,6...0,66. Диаметр оправки ё0 принимался равным 5,18; 6; 7,25 и 9 мм, что
соответствует относительному диаметру оправки ё0 = ё / ё0 = 2,8...1,6, длина изделия Ь = 22 мм. Помимо диаметральных размеров буртиков изделия и оправки, на силу штамповки оказывают влияние радиус закругления Я перехода срединной части ДКФ в утолщенный буртик и коэффициент трения на контактной поверхности инструмента и заготовки ц. В расчетах принимались одинаковые значения Я на обоих буртиках. Толщина верхнего и нижнего буртиков на наружном диаметре составляла 2,6 и 1,4 мм соответственно.
На рис. 3 представлены графические зависимости изменения максимальной силы операции Р от исследуемых факторов при штамповке заготовок из стали 10, латуни Л70 и алюминиевого сплава АМг6. Анализ результатов расчета показывает, что для исследуемых материалов увеличение ё от 0,6 до 0,66 и Я от 3 до 8 мм приводит к снижению Р на 10-25 и 15-20% соответственно. Увеличение ё0 от 1,6 до 2,8 и ц от
0,05 до 2 приводит к росту Р на 25-30 и 25-35% соответственно. Качественно полученные результаты согласуются с данными расчета силы штамповки сплошных цилиндрических заготовок [2], при этом количественно меньше в 1,8-2 раза.
Напряженно-деформированное состояние заготовки рассматривалось в 5 характерных точках, выделенных на ее наружной поверхности. На рис. 4 представлены картины распределения интенсивностей нормальных напряжений 71 и линейных деформаций 81 на конечной стадии штамповки ДКФ из сплава АМг6. Характер зависимостей величин интенсивностей напряжений и деформаций от ё , Я и ц соответствует аналогичным зависимостям, полученным при моделировании штамповки сплошных цилиндрических заготовок [3].
При увеличении ё0 от 1,6 до 2,8 при фиксированном ё = 14,5 мм, что соответствует уменьшению диаметра оправки от 9 до 5,18 мм, величины 71 и 8 в рас-
сматриваемых точках возрастают на 5...10 и 10...20% соответственно (рис. 5). Наибольших значений 71 и £^ достигают в точках Р3 , располагающихся на радиусной части заготовки.
р,
МПа 1,5
Сталь 10
Л70 /
/ / АМгб _ /
Р, МПа
1,6
1,4 1.2
\С1аль 10
Л70 /
Т АМгб
0,6
0,62 0,64
а
1,6
2 2,4 <1„
б
Р, МПа
0,9
0,6
0,3
\Сталь И
пю АМгб /
■
р
МПа 1,5
Сталь 10
Л70 /
1 АМгб
0,05
0,1 0,15 Ц
в г
Рис. 3. Силовые режимы штамповки ДКФ на оправке:
- Р{с! ); /л = 0,1; Я = 5 мм; do = 1,6; б - Р{с!0 ); /л = 0,1; Я = 5 мм; d = 0,66;
- Р(Я); л = 0,1; 10 = 1,6; d = 0,66 ; г - Р/); Я = 5 мм; 10 = 1,6; й = 0,66
Ь Ро
£1 Ро
а б
Рис. 4. Распределение 71 (а) и (б) на конечной стадии штамповки
(материал — АМг6; / = 0,1; Я = 5 мм; d0 = 1,6; d = 0,66)
Количество необходимых формоизменяющих операций определяется повреждаемостью материала заготовки со, зависящей от среднего напряжения 7ср, величин
71 и £1 [4]. На рис. 6 представлены картины распределения 7ср и с при штамповке
ДКФ на оправке. Установлено, что наибольших значений с достигает на торцевых участках утолщенных фланцев заготовки, что соответствует точкам Р2 и Р4. На указанных участках с может превышать критические значения [с] = 0,3, что недопустимо с точки зрения обеспечения необходимых эксплуатационных характеристик получаемого изделия.
МПа
175 170 165 160 155 150 145 140
----
— ъ!
Р: Р4 -1=— Р1
Ро
8,
1,6
м 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
\Рз
Р2 \Р4
\Р|
Ро
г
1,6
2,4 £?,,
2,4
а б
Рис. 5. Зависимости 71 (а) и 81 (б) от ё0 (ц = 0,1; Я = 5 мм; ё = 0,66)
ЗМО
а б
Рис. 6. Распределение 7ср (а) и С (б) на конечной стадии штамповки
(материал — АМг6; ц = 0,1; Я = 5 мм; ё0 = 1,6; ё = 0,66)
Выполнены исследования зависимости повреждаемости материала с от исследуемых параметров при штамповке ДКФ из сплава АМг6 (рис. 7). Установлено, что в исследуемом диапазоне изменения варьируемых параметров с увеличением ц от 0,05 до 2,0 и уменьшением Я от 9 до 3 мм с возрастает на 15-20%, но при этом не превышает критических значений. Уменьшение ё от 0,68 до 0,6 и увеличение ё0 от 1,6 до 2,8 приводит к росту с на 20-25%. Штамповка ДКФ на оправке при значениях ё < 0,64 и ё0 > 2,4 сопровождается превышением предельно допустимых значений с на торцевых участках утолщенных фланцев заготовки.
Если расчетное значение повреждаемости материала превышает рекомендованное, изделие за одну операцию штамповки получить невозможно. В этом случае необходимо предусмотреть операцию предварительной штамповки с набором металла в зоне формирования буртика большей толщины (рис. 8). После первой операции штамповки, сопровождающейся пластическим деформированием определенных участков заготовки, предусматривается проведение полного отжига для снятия упрочнения, полученного в результате предварительно сообщенной заготовке пластической деформации.
При использовании предварительно профилированной заготовки с диаметром верхней части 19 мм, длиной утолщенной части 7 мм и общей длиной 27 мм повреждаемость материала заготовки в точке Р2 снижается в 1,4.. .2 раза в зависимости от сочетания геометрических параметров операции (рис. 9). Уменьшение повреждаемости в точке Р4 составляет 10-20%. При этом значения С не превышаю предельно допустимых.
СО
0,325
р>
Р4
СО
0,6 0,62
Р:
Р4
К,ММ
СО
0,275
0,25
0,2 0,05
б
Р>
Р4
м
Рис. 7. Зависимости со от й, й0, Я, /: а - с{й); / = 0,1; Я = 5 мм; й0 = 1,6; б - с{й0 ); / = 0,1; Я = 5мм; й = 0,66; в - о{Я); / = 0,1; й0 = 1,6; й = 0,66;
г - с{/); Я = 5мм; й0 = 1,6; й = 0,66
а
а) б) в) г)
Рис. 8. Схема двухоперационной штамповки ДКФ на оправке: а — заготовка; б — заготовка на оправке, в — предварительная штамповка;
г — окончательная штамповка
На рис. 10 представлена диаграмма для определения количества необходимых формоизменяющих операций при штамповке ДКФ на оправке. Область диаграммы, расположенная ниже кривой, соответствующего радиуса закругления Я, при заданных
й и йо характеризуется значениями повреждаемости С > 0,3, что означает необходимость операции предварительного профилирования заготовки. В этом случае штамповка производится в 2 перехода. Область диаграммы, расположенная выше указанных кривых, соответствует допустимым значениям повреждаемости С < 0,3, что означает возможность получения изделия за 1 операцию штамповки.
141
Рис. 9. Повреждаемость материала профильной (Щ) и трубной (<2) заготовок (материал — АМг6): а - <с{ё); ц = 0,1; Я = 5мм; ё0 = 1,6; б - Сд(ё0 ); ц = 0,1; Я = 5мм; ё = 0,66
1
0,63
0,62 0,6!
0,6 0,59
3 2,8 2,6 2,4 с1а
Рис. 10. Определение количества операций штамповки (ц = 0,1)
Таким образом, установлена возможность штамповки ДКФ на оправке как за одну операцию из трубной заготовки, так и за две с использованием предварительной высадки участка трубной заготовки на первом переходе и окончательную штамповку на втором. Регламентирующим фактором, определяющим чисто требуемых операций, является повреждаемость материала, зависящая главным образом от степени формоизменения. При использовании многооперационных технологий требуется проведение разупрочняющего отжига полуфабриката.
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. Панфилов Г.В., Черняев А.В., До А.Т. Моделирование штамповки деталей катушечной формы // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 3. С. 50-54.
3. Панфилов Г.В., Черняев А.В., До А.Т. Исследование напряженно-деформированного состояния заготовки при штамповке деталей катушечной формы // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 4. С. 312-316.
Й-З ми
8=!™\
1Н>Ш1 К-7 мм \
ш < 0,з\ \
4. Богатов А.А., Мижирицкий О.И., Смирнов С.В. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1984. 144 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 ON THE MANDREL
G.V. Panfilov, A.V. Chernyaev, A.T. Do
A technological scheme for stamping axisymmetric parts of a coil shape on a mandrel is proposed. Studies of the influence of the geometric parameters of the tool, the degree of deformation and friction conditions on the contact surfaces on the stamping force, stressstrain state and damageability of the workpiece material have been carried out. Recommendations for assigning the number of required stamping operations are given.
Key words: coil shape parts, cold die forging, extrusion, force, material damageabil-
ity.
Panfilov Gennady Vasilyevich, doctor of technical science, professor, tul-pan.2000@yandex.ru, Russia, Tula, Tula StateUuniversity,
Chernyaev Aleksey Vladimirovich, doctor of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Do An Htu, postgraduate, doanhtu1991.ru@,gmail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.7.043 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-5-143-146
НАПРЯЖЕННОЕ И ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРИ ШТАМПОВКЕ
ВТУЛКИ С ГЛУХИМ ОТВЕРСТИЕМ
В.Э. Подтягин
Исследовалось напряженное и деформированное состояние в детали при штамповке втулки с глухим цилиндрическим отверстием. Приводятся также результаты исследования параметра повреждаемости детали.
Ключевые слова: напряжения, объемная штамповка, осевая симметрия, температура, напряжение, повреждаемость.
Детали типа «Втулка» относятся к осесимметричным деталям, при этом они могут быть любой длины, и иметь отверстия, как сквозные, так и глухие. Одним из наиболее целесообразных способов получения подобных деталей в серийном производстве является объемная штамповка [1-5]. Формоизменение может осуществляться при различных температурах, которая может быть холодная, горячая, полухолодная, полугорячая.
