CC BY
16
a holder by methods of sheet stamping and their Assembly with application of stamping operations and soldering are investigated and developed. Information about stamps and devices used in technological processes is given. According to the results of research recommendations for implementation in production are given.
Key words: technological process, sheet stamping, Cup holder, Assembly, production, implementation.
Filippov Yulian Kirillovich, doctor of technical sciences, professor, yulianf@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Shpunkin Nikolai Fomich, candidate of technical sciences, professor, snf48@yandex.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Tipalin Alexandrovich Sergey, candidate of technical sciences, professor, tsa_mami@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
УДК 621.777.4.014
ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ ФОРМЫ ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ПРОЦЕССА ПРОДОЛЬНО-ПОПЕРЕЧНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ ПОЛЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ
Д.С. Филин, Д.В. Фёдоров
Приведены результаты исследования влияния геометрических параметров инструмента на процесс комбинированного продольно-поперечного выдавливания. Анализ геометрии инструмента и результатов исследования позволил установить наиболее рациональные требования к размерам и форме матрицы. Также была установлена рациональность применения противопуансона с конической форма торца для уменьшения удельных нагрузок. Установлена необходимость корректировки ранее предложенной зависимости для расчёта максимальной технологической силы и учёта силового режима работы противопуансона.
Ключевые слова: холодная штамповка, комбинированное выдавливание, удельные нагрузки.
Традиционно для изготовления полых полуфабрикатов из заготовок сортового проката, в основном круглого, в различных отраслях машиностроения применяют процесс продольного обратного выдавливания (рис. 1). Процесс достаточно хорошо исследован и имеет широкую экспериментальную и промышленную проработку [1 - 4], кроме того, процесс относительно прост в реализации. Однако, он обладает рядом существенных недостатков, из которых можно выделить два основных.
Рис. 1 - Схема процесса продольного выдавливания: 1 - матрица; 2 - пуансон; 3 - выталкиватель; 4 - заготовка;
5 - полуфабрикат
Первый недостаток выражен в высокой удельной нагрузке на инструмент, которая может достигать предела прочности материала инструмента. Особенно ярко это проявляется при холодном выдавливании конструкционных сталей, из-за чего степень деформации в таких процессах целесообразно ограничивать относительно небольшими значениями (е;<0.6...0.7). В противном случае, удельные нагрузки легко достигают и даже превышают значение 2000 МПа, что существенно увеличивает износ инструмента и вероятность его разрушения даже при использовании высококачественных высоколегированных инструментальных сталей и даже специальных сплавов, например вольфрамокобальтовых. По этой причине процесс имеет более широкое распространение при полугорячей или горячей штамповке. Также процесс широко применяют для штамповки материалов с высокой пластичностью и относительно небольшой прочностью (алюминий, медь, их сплавы и др.)
Вторым недостатком является необходимость существенной осадки заготовок, что требует значительных энергозатрат [1]. Осадку по различным схемам, чаще всего закрытую, применяют для калибровки заготовок, отрезанных от сортового проката. Осадка необходима, так как наиболее оптимальной формой заготовки для продольного обратного выдавливания является именно относительно низкая заготовка. Но отрезка относительно низких заготовок от сортового проката является нерациональной.
Значительное влияние на силовые параметры процесса оказывает форма рабочих частей инструмента. Известно, что наилучшей формой рабочей части пуансона при обратном продольном выдавливании, обеспечивающей минимальную технологическую силу, является полусферическая. Однако, такая форма не рациональна для последующей обработки, поэто-
му более рациональна конусная форма торца с углом 2ф=120...150° [2, 4]. Такая конструкция пуансона позволяет уменьшить технологическую силу на 30% по сравнению с пуансоном, имеющим плоский торец. Однако, даже такого снижения не всегда может быть достаточно.
Для решения указанных проблем и расширения возможностей технологических процессов можно использовать комбинированное продольно-поперечное выдавливание (ППВ). При изготовлении полых полуфабрикатов с аналогичными размерами продольно-поперечное выдавливание имеет ряд преимуществ перед продольным обратным выдавливанием:
-диаметр заготовки меньше, чем диаметр полуфабриката, что облегчает процесс отрезки, повышает качество торцев заготовок, позволяет устранить или минимизировать необходимость осадки для калибровки;
-существенно снижаются удельные нагрузки на инструмент (в 1,5.1,8 раза).
-на заготовительных операциях меньше выражено искажение торца; -форма полуфабриката после выдавливания позволяет на последующих вытяжных операциях вывести из зоны деформирования утолщённое дно заготовки, что повышает стойкость рабочего инструмента.
Процесс продольно-поперечного выдавливания имеет несколько возможных схем реализации (рис.2). В некоторых случаях применение вариантов схемыKunogi (рис.2а) и с коническим противопуансоном (рис.2б) может быть сопряжено с рядом сложностей:
-при последующем формоизменении полого полуфабриката из-за конической формы придонного участка возрастает вероятность образования внутреннего наплыва металла, например, на последующих операциях вытяжки;
-объем заготовок может ограничивать возможные размеры полуфабрикатов.
В точки зрения дальнейшей обработки операциями вытяжки более перспективным является применение схемы с радиусными переходами (рис.2в). Такая схема предусматривает относительно большие радиусные переходы на торце противопуансона и конусном переходе матрицы.
Проведённое исследование процесса [5 - 9] позволило выделить характерные стадии процесса, провести анализ напряжённо-деформированного состояния, установить основные факторы, влияющие на параметры процесса и характер течения металла, были предложены критерии ограничения деформации заготовки и рекомендации к размерам заготовки и инструмента.
Анализ геометрии рабочего инструмента позволил выявить ещё одно преимущество схемы с радиусными переходами, который заключается в простоте реализации выдавливания в постоянно сужающийся зазор, что положительно сказывается на предельных возможностях деформирования заготовки и снижает возможность образования трещин на наружной по-
верхности. Сложность реализации такой геометрии вызвана тем, что в случае процесса продольно-поперечного выдавливания следует обеспечивать не постоянное уменьшение толщины стенки, а площади поперечного сечения [10]. Именно наличие радиусных переходов позволяет обеспечивать постоянное уменьшение площади зазора между пуансоном и матрицей (рис. 3), в то время как при конической форме противопуансона это может вызвать затруднения.
Рис. 2. Варианты реализации процесса ППВ: а - по схеме Kunogi; б - с коническим противопуансоном; в - закрытая схема с радиусными переходами: 1 - матрица; 2 - пуансон подвижный; 3 - противопуансон (неподвижныйпуансон); 4, 5 - заготовка (полуфабрикат)
Рис. 3. Характер изменения зазора между противопуансоном и матрицей при реализации процесса ППВ с радиусными переходами
Анализ напряжённо-деформированного состояния и методом баланса мощностей показал наличие области торможения течения металла на плоском торце противопуансона. Наличие зоны торможения приводит к тому, что степень деформации на внутренней поверхности значительно больше, чем на наружной поверхности. По аналогии с процессом продоль-
297
ного обратного выдавливания для уменьшения влияния и размеров зоны торможения следует применять противопуансон с конической формой торца.
В соответствии со всем выше сказанным, было проведено компьютерное моделирование процесса продольно-поперечного выдавливания для определения характера влияния радиусного перехода матрицы и угла конусности торца противопуансона (рис. 4) на параметры процесса (табл.).
СИ?
Рис. 4. Эскиз рабочего инструмента для проведения операции продольно-поперечного выдавливания: а -пуансон; б -матрица;
в - противопуансон
Анализ результатов показывает, что наиболее нагруженным элементов является противопуансон, который воспринимает наибольшую технологическую силу, а соответственно и удельные нагрузки. Удельные нагрузки, действующие на противопуансон на 21,5% больше, чем на пуансоне (рис. 5). Следовательно, при проектировании инструмента проверке на прочность в первую очередь следует подвергать именно противопуан-сон. Рациональность применения больших углов конусности требует отдельного исследования.
Результаты моделирования показали, что применение конусного торца позволяет уменьшить удельную нагрузку. Так при угле 150° удельная нагрузка в независимости от других параметров снижается на 99...251 МПа.
Так же были подтверждены ранее полученные результаты, согласно которым удельная нагрузка снижается при уменьшении угла конусности матрицы. Установлено, что применение угла конусности а<30° является возможным при условии, что объём и размеры заготовки позволяют достигать требуемых размеров. Из приведённых зависимостей видно, что при большом радиусе скругления матрицы уменьшение угла конусности а меньше 25° не влечёт существенных изменений удельной нагрузки. Это можно объяснить тем, что при таком соотношении размеров обеспечен постоянный контакт заготовки с матрицей при плавном течении металла в процессе деформирования.
Варьируемые параметры процесса ППВ для моделирования и полученные з значения силовых параметров
Угол конусности противопуансона, b Радиус скругления стенки матрицы, R Угол ко-нус-ности матрицы, a Максимальная техноло- ги-ческая сила пуансона Р, кН Максимальная техно-логи-ческая сила противо-пуансона Р, кН Удельная нагрузка на пуансон q, МПа Удельная нагрузка на противо-пуансон q, МПа
150° 10 мм 20° 1083,8 1476,1 1314,6 1715,4
25° 1124,7 1459,1 1364,1 1695,7
30° 1160,8 1439,2 1407,9 1640,4
25 мм 20° 1049,7 1453,9 1273,2 1689,6
25° 1054,9 1438,2 1279,5 1671,4
30° 1130,1 1483,4 1370,7 1723,9
180° 10 мм 20° 1190,9 1640,3 1444,5 1906,3
25° 1206,2 1608,5 1463,0 1869,2
30° 1279,8 1627,9 1552,2 1891,8
25 мм 20° 1200,5 1650,5 1456,0 1918,1
25° 1192,8 1630,8 1475,6 1911,9
30° 1221,4 1645,1 1497,6 1911,8
Рис. 5. Зависимость удельной нагрузки от угла конусности матрицы при различных радиусах её скругления и угле конусности противопуансона (а - при пуансоне угле конусности 180°; б - при пуансоне угле конусности 150°; в - при противопуансоне угле конусности 180°; г - при противопуансоне угле конусности 150°)
Из анализа результатов, в том числе параметров НДС, видно, что радиус скругления матрицы не оказывает влияния на абсолютную и удельную нагрузку, но его увеличение позволяет достигать плавного и постоянного прилегания металла заготовки к матрице, что снижает вероятность образования трещин и позволяет реализовывать более высокие степени деформации.
Выводы:
1. Для минимизации удельных нагрузок следует применять матрицы с углом конусности 2а=50°...70° и противопуансоны с конусной формой торца. Радиус скругления матрицы следует назначать примерно равным двум радиусам скругления противопуансона (0,54... 0,58)ёз.
2. Имеющуюся зависимость для расчёта максимальной силы деформирования необходимо скорректировать для учёта более высоких удельных нагрузок на противопуансоне.
Список литературы
1. Кузнецов В.В., Ренне И.П., Рогожин В.Н. Холодное выдавливание полых цилиндрических изделий из мало-углеродистой стали. Тула: Тульский политехнический университет. 1976, 72 с.
2. Сопротивление материалов пластическому деформированию в приложениях к процессам обработки металлов давлением; под ред. А.В. Лясникова; С-Пб., 1995. 528 с.
3. Воронцов А.Л. Теория и расчёты процессов обработки металлов давлением: учеб пособие: в 2 т. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. Том 1. 397 с.
4. Кузнецов Д.П., Гуменюк Ю.И. Исследование напряжённо-деформированного состояния при холодном обратном выдавливании, КШПОМД, 1974. № 4. С. 5 - 7.
5. Данилин Г. А., Филин Д.С., Волжин С.Г. Исследование продольно-поперечного выдавливания полых полуфабрикатов из прутковых заготовок, Вестник машиностроения, 2016. №7. С. 77 - 80.
6. Данилин Г.А., Филин Д.С. Оценка технологических возможностей и рациональных условий проведения процесса продольно-поперечного выдавливания. Металлообработка. Изд. Политехника, 2014. №3. С. 3 - 9.
7. Данилин Г.А., Агеев Н.П., Филин Д.С., Титов А.В., Затеруха Е.В., Лобов В. А., Иванов В.Н. Исследование возможностей комбинированного продольно-поперечного выдавливания полых полуфабрикатов из прутковых заготовок // Кзнечно-штамповочное производство обработка металлов давлением, 2015. № 6. С. 11 - 16.
8. Данилин Г.А., Филин Д.С. Определение силовых параметров процесса продольно-поперечного выдавливания. Металлообработка. Изд. Политехника, 2014. № 3. С. 55 - 59.
9. Данилин Г.А., Агеев Н.П., Филин Д.С., Затеруха Е.В., Титов А.В., Лобов В. А., Иванов В.Н. Исследование возможностей комбинированного продольно-поперечного выдавливания полых полуфабрикатов из прутковых заготовок // Кузнечно-штамповочное производство обработка металлов давлением. Изд. КШП ОМД, 2015. № 6. С. 11 - 16.
10. Капустин А.И. Штамповка поковок типа стакан: учебное пособие по курсу Технология ковки и штамповки, под ред. Семёнова Е.И. М.: МГТУ им. Баумана, 1991. 239 с.
Филин Дмитрий Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, hgtHdmitri@gmail.com, Россия, Санкт-Петербург, Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова,
Фёдоров Даниил Валерьевич, магистрант, danfedorov@yahoo.com, Россия, Санкт-Петербург, Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова
RATIONALE THE SHAPE OF THE TOOL FOR THE PROCESS OF LONGITUDINAL-TRANSVERSE EXTRUSION OF THE HOLLOW SEMI-PRODUCTS
D.S. Filin, D.V. Fedorov
The results of the study of the influence of geometric parameters of the tool on the process of combined longitudinal and transverse extrusion are presented. Analysis of the tool geometry and the results of the study allowed to establish the most rational requirements for the size and shape of the matrix. It was also established the rationality of the use of fixed punch with conical shape of the top of the punch to reduce specific loads. The necessity of adjustment of the previously proposed expressions for calculating the maximum technological strength and work strength offixed punch.
Key words: cold forming, combined extrusion, specific load.
Filin Dmitryi Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, bgtud-mitri@,gmail.com, Russia, Saint-Petersburg, Baltic state technical University «VOENMEH» they. D.F. Ustinov,
Fedorov DaniilValeryevich, graduate student, danfedorov@yahoo.com, Russia, Saint-Petersburg, Baltic state technical University «VOENMEH» they. D.F. Ustinov
