CC BY
23
УДК 621.7.044
М.К. Князев, А.И. Долматов, Я.С. Жовноватюк, О.В. Мананков Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ»,
Украина
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРИЕМАМИ ПРИ ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСНОЙ ШТАМПОВКЕ
В ходе опытной штамповки глубокой листовой детали из алюминия АД1М толщиной 1 мм с наличием локальных элементов большой кривизны установлены характерные дефекты и причины их возникновения. Различные технологические приемы использованы для повышения качества изделия и оптимизированы условия их применения. Для улучшения условий вытяжки и обеспечения заданной ширины фланцев оптимизирована форма протяжной поверхности прижимной плиты. Установлена последовательность, зарядное напряжение и энергия разрядов для исключения прижогов на стадии формовки. Определена форма и толщина резиновой подкладки, которая позволила исключить избыточное утонение и разрывы на рифтах радиусом 1 мм. Использованы уменьшенные величины межэлектродного расстояния для повышения стабильности разрядов и параметров импульсов давления. Намечены исследования по оптимизации конструкции электродов для обеспечения стабильности большого количества разрядов.
Листовая заготовка, разряд, проставка, прижог, утонение, разрыв, подкладка.
Введение
Применение электрогидроимпульсной штамповки (ЭГШ) листовых деталей экономически эффективно в условиях единичного и малосерийного производства и, иногда, в условиях крупносерийного производства.
На деталях, которые изготавливают способом ЭГШ, возможно появление следующих дефектов, связанных с особенностями организации процесса формообразования: утяжка и гофрение фланцев (особенно критические дефекты в случае конструктивных фланцев); надиры при вытяжке фланца; дефекты, связанные со сжатием воздуха под заготовкой: обратное выпучивание и следы обратного перегиба заготовки, нагрев и изменение структуры материала заготовки, расплавление заготовки, нагрев и окисление, прижоги и прожоги заготовки; избыточное утонение, разрывы заготовки при образовании генеральной формы детали; утонения и разрывы в местах расположения локальных элементов большой кривизны; отпечатки и пробивка заготовки в местах расположения отверстий для вакуумирования полости матрицы и другие.
Появление дефектов зависит от распределения технологического усилия, условий формооб-
разования, наличия и свойств смазки, наличия прижима и величины прижимного усилия, свойств материала заготовки, формы конечной детали, конструкции матрицы (пуансона) и многих других факторов.
Особенности применения различных технологических приемов для обеспечения качества рассмотрено на примере детали «отражатель светильника».
Деталь представляет собой чашу овальной формы сравнительно большой относительной глубины 0,54 из алюминия АД1М толщиной 1,0 мм. Деталь имеет локальные элементы: в задней части — коробчатый элемент, а на купольной части — продольные рифты с малыми радиусами: внешние — 2 мм; внутренние — 1 мм.
Исследование выполняли на малом гидравлическом прессе, оснащенном разрядной камерой с одной электродной парой (рис. 1). В качестве энергетического блока использовали генератор импульсных токов установки УЭГШ-2 [1].
1. Улучшение условий вытяжки за счет модификации прижима
Процесс вытяжки глубоких деталей с применением жидкого пуансона является неустойчи-
© М.К. Князев, А.И. Долматов, Я.С. Жовноватюк, О.В. Мананков , 2008 ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 3/2008
вым, что может привести к неодинаковой ширине фланца по контуру отштампованной детали.
Рис. 1. Общий вид гидравлического пресса, разрядной камеры и технологической оснастки
Для облегчения вытяжки фланца применяют проставку для создания зазора между заготовкой и прижимной плитой, что дополнительно снижает силу трения. В работе [2] показано, что зазор, постоянный по ширине фланца, не является оптимальным. В процессе импульсного нагру-жения происходит упругая деформация прижимной плиты по внутреннему контуру, а также увеличение толщины периферии фланца заготовки по мере его перемещения в радиальном направлении. Соответственно, зазор должен учитывать указанные упругую и пластическую деформации, и иметь переменное значение, то есть увеличиваться от периферии к центру прижимной плиты. В работе [2] представлены рекомендации по оценке величин деформаций, а также по профилю прижимной плиты, с тем, чтобы во время импульсного нагружения и вытяжки фланца протяжная поверхность прижимной плиты была плоской и создавала минимум препятствий для движения фланца.
Предложенное техническое решение позволило улучшить условия вытяжки, получить генеральную форму детали «отражатель светильника» без разрывов по купольной части, обеспечить запас пластичности материала в местах формовки коробчатого элемента и рифтов, а также добиться примерного равенства левого и правого фланцев (рис. 2).
Рис. 2. Характерные дефекты ЭГШ глубокой детали:
1 — разная ширина левого и правого фланцев;
2 — разрыв по купольной части детали;
3 — воздушные пузыри и прижоги;
4 — разрывы по рифтам;
5 — шейка вдоль рифта
2. Оптимизация режимов нагружения на стадии формовки
Штамповка-вытяжка на этапе образования генеральной формы детали показала, что в полости матрицы присутствует довольно большое количество воздуха, несмотря на наличие вакуу-мирования. На первой стадии штамповки воздух не оказывает существенного влияния (при ваку-умировании), не приводит к обратному выпучиванию заготовки. На этой стадии можно использовать повышенные напряжение (13-15 кВ) и энергию разряда (2,8-3,7 кДж) для ускорения штамповки-вытяжки и сокращения общего цикла изготовления.
Однако при формовке окончательного профиля купола детали остатки воздуха образуют воздушные пузыри, которые при дальнейшем схлопывании приводят к нагреву воздуха до высоких температур, что вызывает высокотемпературное окисление смазки и металла (прижоги) (см. рис. 2) и даже расплавление материала заготовки (поверхностные оплавления и сквозные прожоги).
Поэтому формовку купольной части детали, коробчатого элемента и частично рифтов выполняли постепенно при относительно низком напряжении (10-11 кВ) и энергии (1,6-2,0 кДж), чтобы заготовка плавно подошла к поверхности матрицы, вытеснила воздух без образования воздушных пузырей и прижогов.
3. Применение подкладок для уменьшения утонения заготовки
На стадии формовки и калибровки продольных рифтов обнаружено избыточное утонение, шейкообразование и разрывы вдоль внутренних радиусов рифтов. Радиусы величиной 1,0 мм формируются выступами в полости матрицы. При формовке заготовка прилегает вначале к выступающим радиусным поверхностям, затем происходит обтяжка материала по боковым поверхностям выступов.
Обычно силы трения, которые возникают при импульсном нагружении и прижатии заготовки к поверхности матрицы, препятствуют дальнейшему перемещению, растяжению и утонению материала заготовки. Однако, в случае пары трения «алюминий-сталь» при наличии смазки происходило скольжение боковых участков заготовки в поперечном к выступам направлении, что приводило к указанным выше явлениям и дефектам в виде разрывов (см. рис. 2).
Для увеличения сил трения удаляли смазку путем обезжиривания рифтовых участков матрицы и заготовки с помощью бензина «Калоша». Это обеспечило небольшой положительный эффект: разрывов практически не было, образовывались шейки с недопустимо малой локальной толщиной детали.
Применение другого технологического приема имело большой положительный эффект. Речь идет об использовании резиновых подкладок, которые на этапе формовки позволили увеличить радиусы рифтов и, тем самым, значительно уменьшить утонение на внутренних вершинах рифтовых элементов заготовки. Конечно, подкладки создавали ступеньку на поверхности заготовки по замкнутому контуру, который определяется формой подкладки. При использовании подкладок большой толщины эта ступенька не разглаживалась при последующем нагружении. Поэтому в дальнейшем применяли двухслойные подкладки, состоящие из резины малой толщины и больших размеров и резины большей толщины, но меньших размеров, что позволило получить ступеньку плавной формы (рис.3).
Подкладки удаляли из матрицы перед стадией калибровки. Под действием разрядов высокого напряжения (30 кВ) и нагружения высоким импульсным давлением происходило небольшое растяжение заготовки, разглаживание ступеньки и калибровка рифтов без шейкообразования и разрывов (рис. 4).
Использование такого технологического приема как подкладки экономически оправдано в условиях малосерийного производства. Для средне- и крупносерийного производства экономически выгодным становится применение проме-
жуточной матрицы с радиусами на рифтовых элементах большими, чем установленные чертежом детали. Калибровку промежуточных штампованных полуфабрикатов производят в калибровочной матрице с заданными радиусами.
Рис. 3. Ступенька на заготовке, образованная резиновой подкладкой, рифты большего радиуса
Рис. 4. Слабый отпечаток ступеньки на детали после калибровки
4. Повышение стабильности разрядов и качества изделий
В ходе опытной штамповки установлено влияние износа электродов на стабильность получаемой глубины проштамповки, формы заготовки перед стадией калибровки, которая определяет появление или отсутствие дефектов на конечном этапе штамповки.
Для повышения стабильности разрядов и, соответственно, качества конечного изделия, межэлектродное расстояние устанавливали такой величины, чтобы соотношение между зарядным напряжением и межэлектродным расстоянием было равным или превышало величину 1 кВ/мм. Это несколько снижало эффективность разрядов, но существенно повышало стабильность получаемого результата.
1727-0219 Вестник двигателестроения № 3/2008
- 169 -
Заключение
Проведенное экспериментальное исследование позволило выявить характерные дефекты, которые появляются при ЭГШ глубоких листовых деталей с наличием локальных элементов большой кривизны.
Применение различных технологических приемов, а также оптимизация параметров разрядов на различных этапах формообразования, позволяет исключить появление дефектов и повысить качество конечного изделия.
Предложены и отработаны технологические приемы, которые обеспечивают заданное качество изделия в условиях малосерийного производства, а также при изготовлении больших партий листовых деталей.
Существенное влияние на качество детали оказывает стабильность разрядов и генерируемых ими импульсов давления.
В настоящее время намечен комплекс исследовательских работ по стабилизации геометрии электродов при выполнении большого количества разрядов, уменьшения влияния их износа, стабилизации положения разрядного канала от-
носительно электродов и заготовки и, соответственно, повышения стабильности параметров импульсов давления и его распределения по поверхности заготовки на различных этапах формообразования.
Литература
1. Князев М.К., Борисевич В.К., Мананков О.В. Повышение эффективности процессов электро-гидроимпульсной листовой штамповки // Авиационно-космическая техника и технология. — 2007.-№10 (46).-С. 8-11.
2. Князев М.К., Мананков О.В., Яхно Д.А. Оптимизация импульсной штамповки-вытяжки с помощью зазора переменной величины между матрицей и складкодержателем // Вюник 1нже-нерно! академн Украши. 2008. — №1. — С. 184-188.
Поступила в редакцию 31.05.08
Рецензент: д-р техн. наук, проф. Воробьев Ю.С., Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, г. Харьков
Bxodi досл1дного штампування глибоког листовог demaai з алюмшю АД1М товщиною 1 мм з локальними елементами великог кривизни установлено характеры дефекти i причини IX виникнення. Pi3rn meхнoлoгiчнi прийоми застосовано для забезпечення якoсmi виробу та oпmимiзoвaнo умови гх використання. Для покращення умов витягування i забезпечення заданог ширини фланщв oпmимiзoвaнo форму протяжног поверхт прижимног плити. Установлено по^довтсть, зарядна напруга i eнeргiя рoзрядiв для усунення прижoгiв на стадП формовки. Визначено форму i товщину гумовог тдкладки, яка дозволила усунути надлишкове утончення i розриви на рифтах рaдiусoм 1 мм. Застосовано зменшеш величи-ни мiжeлeкmрoднoi вiдсmaнi для тдвищення сmaбiльнoсmi рoзрядiв i пaрaмemрiв iмпульсiв тиску. Haмiчeнo до^дження з oпmимiзaцii конструкцП eлeкmрoдiв для забезпечення ста-бiльнoсmi великог кiлькoсmiрoзрядiв.
Typical defects and their causes were revealed during experimental forming of a deep sheet component from aluminum AD1M of 1 mm thickness with local elements of large curvature. Various manufacturing techniques were used to provide quality of an item and conditions of their application were optimized. Shape of drawing surface of hold-down ring was optimized to improve deep-drawing conditions and providing the specified width of flanges. Sequence, charge voltage and energy of discharges were determined to avoid burns at the stage of forming. Shape and thickness of rubber pad was determined that allowed to avoid excessive thinning and tears along ribs of 1 mm radius. Smaller spark gaps were applied to increase stability of discharges and parameters of pressure pulses. Investigations for optimization of electrodes designs for providing stability of large number of discharges were planned.
