CC BY
4
УДК 669.715 (002.62):621.777.06:629
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ОБОЛОЧЕК С ИНТЕНСИФИКАЦИЕЙ ДЕФОРМАЦИЙ СДВИГА
С.Т. Басюк (ЗАО «Диск БС»), С.Б. Левочкин, канд. техн. наук (МКБ «Факел»),
И.В. Гринберг (ЗАО «Диск БС»)
Показано, что использование в процессах горячей объемной штамповки гидравлических буферных устройств позволяет существенно расширить возможности гидравлических прессов. Составляя композиции различных технологических схем, можно производить сложные полуфабрикаты за один рабочий ход пресса.
Ключевые слова: гидравлический пресс, буферное устройство, алюминиевые сплавы, полуфабрикат.
Production of Axially Symmetric Shells Using Intensification of Shear Deformations. S.T. Bassiouk, S.B. Levochkin, I.V. Grinberg.
It is shown that the use of hydraulic buffer units in the hot die forging processes allows one to noticeably broaden potentialities of hydraulic presses. By making compositions of various technological schemes it is possible to manufacture complex semiproducts in one working stroke of the press.
Key words: a hydraulic press, a buffer unit, aluminium alloys, a semiproduct.
В ряде работ, в том числе автора [1], отмечалось, что снабжение гидравлических прессов верхними и нижними гидравлическими буферными устройствами с регулируемым усилием, обеспечивающими увеличение степеней свободы перемещения частей инструмента, позволяет реализовывать схемы с регулируемыми усилиями (по величине и направлению действия) и относительными перемещениями. Это позволит не только улучшить условия деформирования, но и расширить сортамент изготавливаемых изделий, а также, что самое главное, существенно сократить цикл изготовления деформированных изделий за счет резкого уменьшения вспомогательного времени и упростить управление самим процессом штамповки.
В качестве одного из примеров рассмотрим процессы изготовления осесимметрич-ных оболочек (стаканов) с использованием интенсификации деформаций сдвига (ИДС) в объеме получаемого полуфабриката. Известны по разработкам, в том числе в Германии и России, методы изготовления подобных полуфабрикатов прямым или обратным выдавливанием из заготовок меньшего, чем изделие, диаметра. Некоторые из них запатентованы, например, [2,3].
Ниже приводятся варианты одного из экспериментальных процессов горячей объемной штамповки стакана [4].
Общее для рассматриваемых вариантов то, что контейнер 4 подпружинен относительно пуансона 7 гидравлическим буферным устройством с регулируемым усилием Рк, а деформационный процесс включает выдавливание цилиндрической заготовки 2 через осесимметричный кольцевой канал 1, образованный поверхностями опорного пуансона 3 и сквозной ступенчатой полости контейнера. При этом заготовку размещают внутри ступени 5 меньшего диаметра, а опорный пуансон - в зоне ступени большего диаметра упомянутой полости (рис. 1).
Вариант 1. Его особенность в том, что осесимметричный кольцевой канал содержит зоны переменных и постоянных диаметральных размеров (рис. 2). В зоне переменных диаметральных размеров на участке, примыкающем к зоне постоянных диаметральных размеров, выдавливаемый из контейнера в виде фланца металл заготовки подвергают дополнительной пластической деформации путем волнистого вверх-вниз (гиб-перегиб) изменения радиального направления выдавливания на этом участке поверхностями
Рис. 1. Выдавливание стакана в условиях ИДС с применением контейнера, подпружиненного усилием Рк:
вариант 1 - прямой метод; вариант 2 - обратный метод
Рис. 2. Выдавливание стакана прямым методом с дополнительной промежуточной деформацией (схема гиб-перегиб)
торца опорного пуансона и ступени контейнера, ограничивающими упомянутый канал снаружи и изнутри [4, 5].
Суть процесса поясняется чертежом на рис. 2, где показаны заготовка в контейнере (а) и формообразование стакана (б).
Протекание процесса можно рассмотреть на примере изготовления стакана 1 диаметром 01=320 мм, толщиной стенки Б=12 мм из алюминиевого сплава В96Ц. Исходную цилиндрическую заготовку 2 размерами 0= 270 мм, Н=185 мм, массой 30,5 кг нагревали и укладывали в экспериментальный штамп, содержащий закрепленный на столе пресса (не показан) опорный пуансон 3 и контейнер 4. При этом заготовку 2 размещали в ступени 5 ступенчатого отверстия контейнера 4, а опорный пуансон 3 - в зоне ступени 6 этого отверстия. Диаметральные размеры ступени 5 меньше, чем диаметральные размеры ступени 6. При приложении усилия Р к пуансону 7 металл заготовки 2 выдавливается прямым методом через осесимметричный канал 8, образованный поверхностями опорного пуансона 3 и сквозной полости контейнера 4, имеющего ступени 5 и 6. Этот канал имеет зоны переменных 9 и постоянных 10 диаметральных размеров. В зоне переменных диа-
метральных размеров на участке 11, примыкающем к зоне 10, заготовку подвергают дополнительной пластической деформации путем волнистого в плоскости оси заготовки изменения радиального направления выдавливания выпукло-вогнутыми на этом участке поверхностями 12 и 13 - на контейнере и 14 и 15 - на опорном пуансоне. Поверхности 12 и 14, а также 13 и 15 попарно соответствуют одна другой. Поверхности попарно 12 и 13, а также 14 и 15 - это соответственно парные касательные поверхности тороидов. При этом в экспериментах придерживались следующих соотношений:
1,1*^/^*1,6, 0,32<Я3/Я4<0,84, где соответственно Н2, и НА - радиусы образующих тороидов - поверхностей 13, 15, 12 и 14. Внешняя поверхность канала ограничена соответственно вогнутой поверхностью 13 и выпуклой - 12, а внутренняя поверхность канала ограничена соответственно выпуклой поверхностью 15 и вогнутой - 14.
Конструкцией экспериментального штампа обеспечивалась возможность (не показана) извлечения готового стакана.
Вариант 2. Процесс изготовления оболочек типа стакана осуществляют за один рабочий ход пресса, также снабженного верхним гидравлическим буферным устройством (см. рис.1, б, в), но в три стадии [4, 6], причем на первой - формируют утолщение 8 у торца заготовки 2, начиная ее выдавливание из контейнера 4 приводным пуансоном 7 с осадкой на опорном пуансоне 3 с образованием в зоне заготовки, прилегающей к нему, утолщение 8. Образование утолщения 8 заготовки 2 приводит к появлению усилия Ро, воздействующего на контейнер 4 в направлении, противоположном усилию Рк.
Когда величина усилия Ро превышает величину усилия Рк, контейнер «всплывает». При этом в утолщении заготовки 2 обеспечиваются благоприятные для истечения условия всестороннего сжатия (начало второй стадии формовки). На этой стадии завершается формирование шайбы 9 приводным пуансоном 7 на опорном пуансоне 3 с одновременным приложением к зоне больших диаметральных раз-
меров осевого усилия Рк в том же направлении, что и перемещение приводного пуансона 7. При этом габаритные диаметральные размеры шайбы 9 ограничивают внутренней поверхностью ступени 6 отверстия контейнера 4.
На третьей стадии формовки выдавливали из шайбы 9 деталь 1 через осесимметричный ручей, образованный поверхностями опорного пуансона 3 и большей ступени 6 полости контейнера, совместным перемещением пуансона 7 и контейнера 4, когда упор 10 достигает опорной площадки (не обозначена) ползуна пресса.
Стадии горячей объемной формовки оболочки в экспериментальном штампе приведены на рис. 1, где показаны:
- на рис. 1, б - слева начало первой стадии, справа конец первой стадии и начало второй стадии;
- на рис. 1, в - справа конец третьей стадии.
Конструкцией экспериментального штампа обеспечивалась возможность (не показано) извлечения стакана.
Эксперименты с вариантом 2 показали, что разработанная конструкция штампа позволяет провести три серии (для начала) экспериментов, дающих возможность определить построение реальных процессов.
Серия 1. Прямое выдавливание цилиндрической заготовки в кольцевую щель, увеличивающуюся по высоте по мере выдавливания заготовки.
Определенная величина противодавления создается как усилием Рк буферного устройства, так и трением заготовки по боковой поверхности полости контейнера в процессе выдавливания. Для исключения возрастания давления при полностью заполненной полости штампа, между верхней плитой и контейнером ставятся ограничители (упоры).
В результате должна быть образована плоская шайба, равная объему исходной заготовки (первая и вторая стадии).
Серия 2. Прямое выдавливание аналогично серии 1 до образования плоской шайбы и, как продолжение выдавливания, выдавливание металла шайбы обратным методом в кольцевой зазор между контейнером и опорным пуансоном.
При этом процесс образования шайбы как в первой серии, так и во второй, происходит при перемещении контейнера вверх, навстречу движению приводного пуансона.
А после образования шайбы происходит блокировка приводного пуансона с контейнером и их последующее совместное перемещение вниз - производится выдавливание металла шайбы в кольцевой зазор.
Серия 3. Для осуществления возможности штамповки деталей типа крышек (рис. 3) конструкция штампа несколько меняется, а именно, вместо опорного пуансона устанавливается заглушка, а в контейнере размещается промежуточная втулка, образующая совместно с внутренней поверхностью контейнера боковую полость для стенки крышки и, как и в первой серии, прямым выдавливанием образуется шайба, из которой, продолжая уже совместное движение инструмента вниз, обратным методом выдавливают в образованную полость стенку крышки [7].
Рассмотренные варианты объединяет следующее:
- каждый из вариантов фактически содержит три последовательно примененных технологических процесса;
- все процессы сменяют друг друга («перетекают» один в другой) в течении одного рабочего хода;
- для экспериментов использовались прессы с гидравлическими буферными устройствами с регулируемым усилием.
Различия варианта 1 и серий 1, 2 и 3 варианта 2. В первом варианте образующийся на первой стадии фланец подвергается на второй стадии в радиальном направлении знакопеременному изгибу (гиб-перегиб). При этом металл перемещается к периметру контейнера и выдавливается в кольцевую щель между опорным пуансоном и контейнером, что позволяет достичь желаемого деформационного эффекта на простых деталях.
В первой серии, которая в принципе может считаться общей для всех трех серий, при выдавливании исходной заготовки прямым методом из контейнера, траектория перемещения металла боковой поверхности заготовки практически эквидистантна поверхности инструмента, а именно, вертикальное перемещение вдоль полости контейнера сменяется поворотом (в данном случае примерно на 90°) вокруг кромки контейнера с дальнейшим перемещением эквидистантно рабочей
Рис. 3. Окончание процесса формирования крышки (выдавливание стенки)
торцевой поверхности контейнера (или установленной втулки) к периферии кольцевой полости .
Аналогичным образом по все большему радиусу начинают поворачиваться и перемещаться к периферии и прилегающие слои. При этом, благодаря давлению перемещающегося металла на торец втулки, последняя совместно с контейнером начинает подниматься вверх, навстречу приводному пуансону.
Кольцевая щель, в которую выдавливается металл заготовки, при этом увеличивается. Протекание процесса в первой серии заканчивается совмещением кромки контейнера с кромкой приводного пуансона и блокированием перемещения контейнера с перемещением приводного пуансона.
Продолжая совместное движение приводного пуансона и контейнера навстречу опорному пуансону можно начать вторую серию, выдавливая обратным методом металл образованной шайбы в кольцевой зазор между поверхностью большего отверстия контейнера и периметром торца опорного пуансона. При этом металл торцовой поверхности шайбы начинает перемещаться в кольцевой зазор по траектории, эквидистантной поверхности инструмента, поворачивающейся примерно на 90° вокруг кромки периметра опорного пуансона. Перемещающийся в этом направлении металл образует внутреннюю поверхность выдавливаемого стакана.
Аналогичным образом по все большему радиусу начинают поворачиваться и перемещаться в кольцевой зазор и прилегающие слои.
Таким образом, если в первой серии интенсивность деформаций сдвига уменьшалась от кромки контейнера к торцу опорного пуансона, то во второй серии максимальная интенсивность деформаций сдвига была вблизи кромки опорного пуансона.
Третья серия предназначалась для оценки перспективности применения подобных схем при изготовлении деталей типа крышек.
С этой целью производится доработка втулки контейнера (или ее замена) с образо-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ванием между поверхностями контейнера и втулки полости для стенки крышки. А затем, как и в первой серии, в начале процесса выдавливания образуется шайба, из которой, продолжая движение инструмента вниз, осуществляют третью серию, выдавливая из шайбы в образованную полость стенку крышки [7].
Характер перемещения металла в третьей серии аналогичен (или весьма схож) перемещениям металла в пределах одной ячейки при штамповке вафельных или им подобных панелей.
А интенсивность деформаций сдвига будет максимальна вблизи внутренней поверхности крышки.
Сравнение процессов, состоящих из серий «один+два» и «один+три», показывает, что процесс «один+два» может дать интенсивную и достаточно равномерную (зависит от условий трения) насыщенность деформациями сдвига всего объема получаемого полуфабриката. В то же время процесс «один+три» обеспечивает интенсивную насыщенность деформациями сдвига преимущественно внутренние поверхности получаемого полуфабриката. Это необходимо учитывать при проектных работах.
Естественно, рассмотренные серии имеют определенные преимущества и недостатки, влияние которых можно изменять. Представляется это весьма возможным при рассмотрении конкретных условий реализации описанных серий.
Так например, в процессе «один+два» выдавливание металла осуществляется в зазор между периметром нижнего пуансона и стенкой движущегося в этот момент контейнера, часть которой в процессе выдавливания перемещается относительно периметра нижнего пуансона. Таким образом, если указанную часть стенки сделать профилированной как в сечении, так и по длине, то выдавливаемый трубчатый полуфабрикат может быть профилирован как по сечениям, так и по длине.
Басюк С.Т. Оценка процессов штамповки в закрытых штампах на прессах//Технология легких сплавов. 1974. № 1. С. 45-52.
2. Пат. 3 263 468 США. - 1966.
3. Пат. ^2003096549 Японии. - 2003.
4. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки
металлов давлением. - М.: Машиностроение. 1971.
5. Заявка (на пат. РФ) № 2008131788 от 04.08.08/Басюк С.Т., Гринберг И.В.
Примечание научного редактора раздела. Статья изложена не вполне традиционно, что требует пояснения. Она относится к области выдавливания и штамповки, получившей в СССР развитие, по-видимому, после опубликования в 1963 г. книги Г.Д. Фельдмана в переводе Е.Н. Ланского «Холодное выдавливание стальных деталей». - М.: Машгиз, 1963. - 188 с. (см. рис. 7-9, 19, 54, 65). Вопреки мнению авторов этой статьи, методы выдавливания изделий большего диаметра, чем заготовка, с использованием интенсивного сдвига - течения в поперечно-угловом направлении (в т.ч. с изменением канала истечения)
6. Заявка (на пат. РФ) № 2008117771 от 07.05.08/Басюк С.Т., Гринберг И.В. и др.
7. Заявка (на пат. РФ) № 2009115723 от 27.04.09/ Басюк С.Т., Левочкин С.Б., Гринберг И.В. и др.
предложены и разработаны в СССР, а не в США и Японии (в числе авторов - Ю.Ф. Шевакин, Я.М. Охрименко, В.Л. Бережной, В.Н. Щерба, Л.Д. Оленин и др.). Варианты использования буферов и пресс-маркетов также рассмотрены в ряде публикаций. Однако данная статья принята к опубликованию в нашем журнале в качестве полезной для специалистов в плане методического подхода к построению поэтапных процессов, расширение технологических возможностей которых обеспечивается оснащением гидропресса специальными буферными устройствами.
