CC BY
16
УДК 621.77.01; 621.01; 531.3
ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ТОРЦЕВОЙ
РАСКАТКИ ДЕТАЛИ КЛАССА «ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ
С ФЛАНЦЕМ»
А.С. Морозов, С.А. Морозов, А.В. Щенятский
Рассмотрена параметрическая оптимизация процесса торцевой раскатки типовой детали «Цилиндрическая с фланцем». В качестве параметров оптимизации выбирались: геометрия заготовки и инструмента; линейная скорость пуансона; угловая скорость вращения матрицы; угол наклона пуансона к оси заготовки. В результате исследования получены зависимости, отражающие влияние параметров оптимизации на протекание процесса торцевой раскатки.
Ключевые слова: торцевая раскатка, параметрическая оптимизация, параметры инструмента, пуансон, матрица, поковка, моделирование.
Торцевая раскатка является одним из прогрессивных процессов обработки металлов давлением [1-4]. Однако широкое внедрение торцевой раскатки на производстве сдерживается отсутствием научнообоснованных методик по проектированию оптимальных технологических процессов.
Нами исследована динамика протекания процесса торцевой раскатки с помощью математического и компьютерного моделирования в программах РАПИД [5] и QForm [2-4, 6]. Это позволяет на стадии проектирования технологии промоделировать процесс, выявить дефекты при штамповке, устранить их за счет корректировки инструмента или режимов деформирования, а также решить задачу по оптимизации параметров, влияющих на деформирование металла [7]. Исследование процесса позволяет определять напряженно-деформированное состояние в заготовке и инструменте, решать задачу прочности инструмента. Эти исследования позволяют нам сформулировать научно-обоснованные методики по проектированию технологий торцевой раскатки.
В данной статье приведена параметрическая оптимизация типовой детали «Цилиндрическая с фланцем». Такие детали широко используются в машиностроении, имеется опыт их изготовления торцевой раскаткой, геометрия поковки и инструментов относительно проста. Штамповка реа-лизовывалась на универсальных гидропрессах с установкой на них приставок для торцевой раскатки [8, 9].
В качестве параметров оптимизации выбирались: геометрия заготовки и инструмента; линейная скорость пуансона; угловая скорость вращения матрицы; угол наклона пуансона к оси заготовки.
Рассмотрим влияние геометрических параметров заготовки и инструмента.
Для параметрического анализа была выбрана поковка типовой детали «Цилиндрическая с фланцем», материала 20Х (рис. 1).
425
то
0112,6 * 1
# Л ( 1 / ^ Г
086
Рис. 1. Эскиз поковки
Технологический процесс изготовления поковки включал в себя операцию отрезки заготовки от прутка; нагрев заготовки; торцевую раскатку. Моделирование процесса торцевой раскати в программе QForm V 8.2 включала две операции:
1) Линейное движение пуансона и вращение матрицы до контакта инструментов (расстояние 0 мм).
2) Вращение матрицы на месте без линейного движения пуансона для выравнивания фланца (для остановки расчётов указывается время вращения или необходимый угол поворота матрицы).
Пуансон имеет две оси - ось линейного перемещения (находится на одной прямой с осью заготовки и матрицы) и ось вращения.
Заготовка нагревалась до температуры 960°С.
Для анализа трения использовался закон трения Леванова:
г 0 ^
Т = шк
1 - е
о
где ш - фактор трения; к = ; е - число Эйлера, е ~ 2.72; Ъ- экспери-
л/3
ментальный коэффициент (по рекомендациям Леванова Ъ = 1,25); оп -нормальное напряжение, МПа; о 8 - сопротивление деформированию материала, МПа.
Смазка применялась только на нижний инструмент - матрицу. Со-Состав смазка - смесь масла с графитом: ш = 0,5; Ъ = 1,25; коэффициент теплоотдачи а = 45000, Вт/(м2*К); коэффициент паузы равнялся 0,05.
На пунсон действует трение качения, поэтому был задан новый файл смазки с параметрами: ш = 0,05; Ъ = 1,25 .
Материал инструментов - 4Х5МФС.
Температура нагрева 300 °С.
Исходная заготовка - цилиндр диаметром 85 мм и высотой 75 мм (вариант 1 технологии).
Моделирование в программе QForm выявило существенное образование облоя. Характер образования облоя - с наличием вырывов (рис. 2).
Рис. 2. Формирование облоя
Исходя из этого, было принято решение пересчитать значение высоты исходной заготовки на основании равенства объёмов поковки и исходной заготовки во 2 варианте технологии. Также был добавлен радиус фланца в матрице Я2. Отметим, что исходный объём поковки считался с учётом фланца, так как при быстром заполнении полости штампа этот дополнительный объём будет необходим. Объём поковки был определен из 3Б модели поковки в программе КОМПАС-3Б.
Таким образом, высота заготовки была измена с 75 на 72,5 мм. Были изменены и другие размеры в конфигурации матрицы (рис. 3).
а б
Рис. 3. Конфигурация матрицы: а - вариант 1; б - вариант 2
У основания матрицы необходим уклон для выталкивания заготовки после штамповки. Уклона в 7 градусов достаточно. Радиус отверстия в матрице 43,17 мм взят для моделирования с учётом допуска на размер (типа вал), поэтому он имеет такое значение. Внесение изменений в чертеж матрицы по 2 варианту технологии проводились в соответствии с ГОСТ 7505-89. Изменения в конструкцию пуансона не вносились, так как формоизменение заготовки происходит в матрице.
427
Важно отметить, что для каждого угла наклона пуансона требуется свой пуансон с соответствующей геометрией. Отсутствие соответствия угла пуансона с углом наклона пуансона относительно оси заготовки приводит к браку. Например, образованию воронки в заготовке при малом угле наклона пуансона по сравнению с углом пуансона (угол пуансона равен 4°, угол наклона 2°) (рис. 4).
Рис. 4. Воронка в заготовке
В случае обратного соотношения образуется бугор на торце заготовки.
Рассмотрим влияние других параметров оптимизации. Для любого процесса обработки металлов давлением существует общая формула для определения усилия:
^ К
Р = | р^, 0
где Р - усилие, МН (кгс); р - давление, МПА (кгс/мм2); £к - площадь контактной поверхности. мм2. В упрощённом виде:
Р = рЯ к ,
где р - среднее нормальное давление, МПА (кгс/мм2).
Среднее нормальное давление определяется по формуле
Р = ,
где а - нормальное напряжение. МПА.
Для анализа параметров инструмента и конструкционных параметров введём новую переменную г:
. 60И
г =-
с ,
где И - ход пуансона, мм/с; с - угловая скорость матрицы, об/мин (мм/об).
Физический смысл г - в том, какое расстояние в миллиметрах проходит пуансон за один оборот матрицы вокруг своей оси.
Далее будем использовать показатель г как один из основных для анализа и систематизации данных процесса.
428
Для анализа площади контактной поверхности (пятна контакта) введём переменную
а = ,
^общ
где £конт - контактная площадь инструмента с заготовкой, мм2; £общ -общая площадь торца заготовки в рассматриваемый момент, мм2. Методика определения £конт изложена в [10]. Физический смысл параметра а - относительная площадь пятна контакта.
В данной статье все значения приводятся для шага с максимальным усилием пуансона.
Моделирование проводилось для углов в 2, 3 и 4° с изменяющимися значениями хода пуансона и угловой скорости матрицы.
В таблице приведен фрагмент результатов исследования для 2°
Результаты моделирования для 2°
п 1, мм /об И, мм/с; ш, об/ми н Р, МН а ^общ, 2 мм2 V °конт 2 мм2 Р, МПа Рп Р V °конт п Рп Рг
я к-'конт1
1 1 5;300 1,266 0,206 24885 5126 246,98 1 1 1
2 1 2;120 1,241 0,223 24885 5549 223,64 0,980 1,083 0,905
3 1 7;420 1,322 0,224 24885 5574 237,17 1,044 1,087 0,960
18 4,5 30;400 2,873 0,532 22432 11934 240,74 2,269 2,328 0,975
Примечание: п - номер моделирования; i - отношение хода пуансона к угловой скорости матрицы; И - ход пуансона; ^ - угловая скорость матрицы; Р - усилие; а - доля площади пятна контакта в общей площади; Зобщ- общая площадь торцевой части;
£конт - площадь пятна контакта; р - среднее нормальное давление пуансона на заго-Рп ^ конт п рп
товку; -, -, - - относительные изменения усилия, пятна контакта и сред-
Р1 ^ конт 1 р1 него нормального давления.
Построим график зависимости Р = / (/) (рис. 5).
429
Рис. 5. Зависимость P = f (i) при 2°
График неоднородный, так как при его построении использовались разные значения угловой скорости.
Проанализируем зависимость P = f (i) при постоянном значении угловой скорости матрицы.
Характер зависимости близок к прямой пропорциональности. Получим математическое уравнение прямой с помощью функции линии Тренда программы Excel.
Линия Тренда представляет собой прямую или кривую линию, аппроксимирующую исходные данные на основе уравнения регрессии или скользящего среднего. Аппроксимация определяется по методу наименьших квадратов. Для оценки точности полученной математической зависимости использовался коэффициент достоверности аппроксимации.
Коэффициент достоверности аппроксимации R2 показывает степень соответствия трендовой модели исходным данным. Его значение может лежать в диапазоне от 0 до 1. Чем ближе R2 к 1, тем точнее модель описывает имеющиеся данные.
Приведём все полученные уравнения: 120 об/мин: P = 0,3975 i + 0,8491 R2= 0,999, 200 об/мин: P = 0,406 i + 0,896 R2= 0,999, 240 об/мин: P = 0,434 i + 0,852 R2= 0,989, 300 об/мин: P = 0,495 i + 0,771 R 2= 1, 400 об/мин: P = 0,426 i + 0,976 R2= 0,996, 420 об/мин: P = 0,441 i + 0,922 R 2= 1.
По данной методике были определены зависимости и по другим критериям оптимизации. Полученные зависимости применимы только для данного конкретного случая, но позволяют выявить общие закономерности процесса.
Например, сравним основные параметры процесса для угла наклона пуансона в 2, 3, 4°.
Сравнение 2° и 3°:
- Отношения усилий штамповки Р при 2° и 3°° изменяются в пределах (1,19;1,42).
- Отношения доли площади пятна контакта в общей площади а -изменяются в пределах (1,21 ;1,38), со средним арифметическим 1,33.
- Общая площадь торцевой части поковки V общ - практически
неизменно.
Сравнение 2° и 4°:
- Отношения усилий штамповки Р - изменяется в пределах (1,33;1,65).
- Отношения доли площади пятна контакта в общей площади а -изменяются в пределах (1,47;1,69), со средним арифметическим 1,62.
- Общая площадь торцевой части поковки V общ - практически
неизменно.
Сравнение 3° и 4°:
- Отношения усилий штамповки Р - изменяется в пределах (1,09;1,23). Констатируем, что изменения отношения усилий для 300 об/мин происходит медленнее, чем для 200 об/мин.
- Отношения а - изменяются в пределах (1,16;1,25), со средним арифметическим 1,21.
- Общая площадь торцевой части поковки V общ - практически неизменно.
Среднее нормальное давление пуансона на заготовку р в среднем выше для 4° относительно 2° и 3°. С максимальной разницей ^ 10% .
Общие выводы по исследованию:
1. Заполняемость гравюры матрицы:
- Не рекомендуется использовать угловую скорость < 200 об/мин из-за плохой заполняемости.
- При увеличении угла наклона пуансона заполняемость ухудшается.
- Ход пуансона не влияет на заполняемость (при одинаковой угловой скорости матрицы).
2. Пятно контакта:
- При увеличении отношения хода к угловой скорости площадь пятна контакта увеличивается.
- При увеличении угла наклона пуансона площадь пятна контакта уменьшается.
3. Усилие:
- Усилие растёт с увеличением /.
- При увеличении угловой скорости (при том же ходе) усилие увеличивается.
- При увеличении угла наклона пуансона усилие уменьшается.
- Чем больше угол наклона пуансона, тем медленнее растёт усилие.
431
Список литературы
1. Морозов С. А., Фоминых Н.В. Разработка участка торцевой раскатки // Сб. трудов Пятой Всерос. конф. молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана. М., МГТУ им. Н.Э Баумана, 2012.
2. Ясавиев Т.Р., Морозов С.А. Деформирование металла методом горячей торцевой раскатки // Техника и технологии машиностроения: материалы IV междунар. студ. науч.-практ. конф. / Минобрнауки России, ОмГТУ. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2015. С. 283-286.
3. Морозов С.А., Морозов А.С. Актуальность и опыт внедрения торцевой раскатки на производстве // Интеграция науки, общества, производства и промышленности: проблемы и перспективы: сборник статей Международной научно-практической конференции. Уфа: Аэтерна, 2019. С. 33-35.
4. Морозов С.А., Щенятский А.В., Морозов А.С. Торцевая раскатка сложнопрофильных деталей из алюминиевых сплавов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2019. Вып. 12. С. 196-199.
5. Морозов С. А., Феофилова Н.В. Математическое моделирование процесса торцевой раскатки / Прогрессивные технологии в современном машиностроении: сб. статей IX Международной научно-технической конференции. Пенза: Приволжский Дом знаний, 2013. С. 53-56.
6. Морозов С.А., Морозов А.С. Инновационная технология изготовления детали «Шкив» // Международная научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Электрофизические методы обработки в современной промышленности». Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2017. С. 91-93.
7. Морозов С.А., Морозов А.С. Определение оптимальных параметров торцевой раскатки // Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке: электронное научное издание: сборник материалов III Всероссийской научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых с международным участием. Ижевск: ИжГТУ имени М.Т. Калашникова. Ижевск: ИжГТУ имени М.Т. Калашникова, ИННОВА, 2015. С. 57-61.
8. Морозов С. А., Фоминых Н.В. Установка для торцовой раскатки // Прогрессивные технологии в современном машиностроении: сб. статей VIII Международной научно-технической конференции. Пенза: Приволжский Дом знаний, 2012. С. 34-37.
9. Морозов С.А., Морозов А.С. Реализация торцевой раскатки на универсальном гидропрессе // Техника и технологии машиностроения: материалы IV междунар. студ. науч.-практ. конф. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2015. С.166-169.
10. Морозов А.С., Щенятский А.В., Морозов С.А. Определение площади контакта инструмента и заготовки при торцевой раскатке // Электрофизические методы обработки в современной промышленности. Специальный выпуск: Аддитивные технологии. Материалы III Межд. научно-практич. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов. Пермь: Изд-во Пермского национального исследовательского политехнического университета, 2020. С. 61-63.
Морозов Александр Сергеевич, аспирант, sashamor2@ mail.rH, Россия, Ижевск, Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова,
Морозов Сергей Александрович, канд. техн. наук, доцент, msa-omd@mail. ru, Россия, Ижевск, Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова,
Щенятский Алексей Валерьевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, bkkupol@,istu.ru, Россия, Ижевск, Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова
PARAMETRIC OPTIMIZATION OF THE ROTARY FORGING OF THE CLASS
«CYLINDRICAL WITH FLANGE»
A.S. Morozov, S.A. Morozov, A.V. Schenyatsky
Parametric optimization of the rotary forging of a typical «Cylindrical with Flange» part is considered. The following parameters were selected as optimization parameters: geometry of the workpiece and tool; linear velocity of the upper die; angular velocity of rotation of the lower die; the angle of inclination of the upper die to the axis of the workpiece. As a result of the research, dependencies are obtained that reflect the influence of optimization parameters on the course of the rotary forging.
Key words: rotary forging, parametric optimization, tool parameters, upper die, lower die, forging, modeling.
Morozov Aleksandr Sergeevich, postgraduate, sashamor2@mail. ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University,
Morozov Sergey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University,
Schenyatsky Alexey Valerevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, bkkupol@,istu. ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University
