CC BY
5
15. Ural mining and Moscow mining: interaction of universities / A.V. Dushin, N.G. Valiev, Yu.A. Lagunova, A.G. Shorin // Mining Journal. 2018. No. 4. pp. 4-10.
16. Preparation of refractory metal diboride powder by reduction of refractory metal oxide with calcium hexaboride / Yu. Wang [E.A.] // International ceramics. 2019. No. 45 (12). pp. 15772-15777.
17. Fahrenholz V.G., Binner J., Zou J.Synthesis of superelastic compounds of transition metal diborides // Journal of Materials Research. 2016. No. 31 (18). pp. 2757-2772.
18. Mechanochemical and volumetric synthesis of ZrB2 by gorenje / B. Akgyun [et al.] // International Journal of Refractory Metals and Solid Materials. 2011. No. 29 (5). pp. 601-607.
19. The effect of sol-gel additives ZrO2 and ZrC on the microstructure and properties of composites ZrB2 / C. Ang [et al.] // J. Eur. Ceramics. Soc. 2014. (34), №13. Pp. 31393149.
20. Monteverde F. Ultrahigh-temperature ceramics HfB2-SiC obtained by hot pressing and spark plasma sintering // Journal of Alloys and Compounds. 2007. 428. pp. 197-205.
УДК 622-1/-9; 621.983 DOI 10.46689/2218-5194-2022-2-1-425-431
ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ С РИФЛЯМИ НА НАРУЖНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПЛАСТИЧЕСКИМ ФОРМОИЗМЕНЕНИЕМ
В.А. Коротков, С.С. Яковлев
Анализируется и решается проблема изготовления деталей ответственного назначения с нанесенной сеткой рифлей на поверхности цилиндрической оболочки. Описываются основные разновидности процесса получения сетки рифлей на наружной поверхности оболочки применяемые в технологии машиностроения и приводится схема технологического процесса на основе предложенного авторами нового способа, в основе которого лежит локальное пластическое утонение стенки заготовки при редуцировании. Проводится компьютерное моделирование для оценки работоспособности способа рифления локальным пластическим утонением при редуцировании. Исследуется возможность получения рифлей методом локального утонения, делаются выводы о возможности его применения для изготовления деталей. Приводятся результаты моделирования, а именно график технологической силы, напряжения и деформации в полуфабрикате, оценивается характер их изменения и максимальные величины на первой операции локального пластического утонения при редуцировании. Особое внимание уделяется качеству наружной рифлёной поверхности и форме получаемого полуфабриката.
Ключевые слова: горные машины, рифление, рифли, пластическая деформация, компьютерное моделирование, технологическая сила, метод, локальное формоизменение, цилиндрическая оболочка.
Введение
В настоящее время в горнодобывающей отрасли используется большое разнообразие машин, оборудования и технических средств, кото-
рые позволяют упростить, автоматизировать и ускорить работу. Большинство этого оборудования представляет собой сложную систему из различных деталей, в частности, в схему могут входить детали с рифленой поверхностью. Они могут использоваться для подведения смазочно-охлаждающих жидкостей, для повышения зацепа, в качестве сортирующих или перемещающих элементов. Однако изготовление подобных деталей является сложной научно-технической задачей, которая в настоящее время решается обработкой резанием, методами точного литья, накаткой или физико-химической обработкой. Большинство этих методов сопровождается высокой трудоемкостью изготовлений. Для уменьшения трудоёмкости изготовления был разработан новый способ [1], который заключается в применении локального пластического формоизменения с использованием новой технологической оснастки.
Сущность способа (рис. 1) основана на редуцировании цилиндрического полуфабриката в специальной фасонной матрице для редуцирования с локальным утонением, на рабочем пояске которой расположены впадины и выступы. Выступами матрицы формируются впадины (рифли) на внешней поверхности заготовки, и их высота в общем случае соответствует требуемой глубине рифлей, а диаметр матрицы по впадинам соответствует наружному диаметру цилиндрической заготовки. Однако диаметр матрицы по впадинам может также быть больше или меньше диаметра заготовки. В первом случае обеспечивается локальное утонение стенки заготовки, в который происходит пластическое течение металла, во втором неравномерное по периметру утонение стенки. Во всех случаях происходит формоизменение заготовки операцией редуцирования с получением рифлей на наружной поверхности.
Рис. 1. Схема процесса: 1 - матрица; 2 - пуансон ступенчатый;
3 - трубная заготовка
В работе по новому способу (рис. 1) используется пуансон, матрица фасонная и заготовка. В качестве заготовки может выступать как оболочка без дна, так и с дном. Фасонная матрица на своём рабочем пояске имеет выступы с заданным углом наклона а. Если требуется рифление на детали типа стакан, то в таком случае используется пуансон, если необходимо получить рифли на оболочке без дна, то применяется ступенчатый пуансон с опорным выступом.
Иногда требуется получить на поверхности заготовки сетку рифлей ромбовидной формы. Для этого необходимо после первой операции провести еще одно редуцирование с утонением, но уже в матрице с противоположным углом наклона выступов -а. В этом случае можно провести формоизменение заготовки через две матрицы за один рабочий ход. Для этого располагают фасонные матрицы соосно и на расстоянии большем, чем высота заготовки. Также возможно нанесение сетки рифлей за две отдельные операции. При реализации способа необходимо, чтобы в процессе получения спиральных рифлей на наружной поверхности рабочий инструмент имел возможность вращения вокруг оси. Так, на рис. 1 приведена схема формоизменения, в которой фасонная матрица закреплена неподвижно, а заготовка с пуансоном поступательно перемещаются и вращаются вокруг оси под воздействием составляющей силы формоизменения. Возможно использование технологической оснастки, в которой пуансон и заготовка при рабочем ходе перемещаются только поступательно, а фасонная матрица при этом вращается вокруг своей оси под воздействием составляющей силы формоизменения.
Материалы и методы
Для оценки работоспособности предлагаемого способа было проведено компьютерное моделирование в программе QForm, которое предполагало, что необходимо нанести рифли на внешней поверхности заготовки из стали 10. Для этого был выбран ступенчатый пуансон, а также матрица, имеющая 8 спиральных клиновых выступа. Необходимо получить рифли глубиной 1,7 мм, при этом высота выступа матрицы составила не 1,7 мм, а 2,2 мм для обеспечения зазора в 0,5 мм между заготовкой и впадиной матрицы. Толщина заготовки составляет 3,55 мм, а ее высота - 50 мм. Исследовалась только первая операция нанесения рифлей одного направления.
Оценивались форма получаемого изделия и технологическая сила, которые являются одними из самых важных параметров [2 - 6].
В результате компьютерного моделирования был получен полуфабрикат (рис. 2) с рифлёной наружной поверхностью требуемой формы и глубины. На верхней части полуфабриката образуется заусенец, который при необходимости обрезают на последующей механической обработке.
Рис. 2. Полученный полуфабрикат
На рис. 3 приведён график изменения технологической силы в зависимости от рабочего хода пуансона. График имеет участки холостого хода, начального этапа редуцирования, стационарного и конечного.
СП
X 5 50 с; 5 40 я в 5 зо ч г го о о 10 Г X £ 0
0
) 10 20 30 40 50 60 70 8 Перемещение пуансона, мм
Рис. 3. График технологической силы
Наибольшая технологическая сила составляет 53 кН. Холостой ход зависит от подвода пуансона к заготовке, установленной на фасонной матрице. Начальный этап редуцирования определяется геометрией заходной части фасонной матрицы и высотой её выступов, стационарный этап зависит от высоты заготовки, степени локального утонения её стенки. Неравномерность высоты на торце возникает в результате неравномерной степени утонения стенки заготовки.
Компьютерное моделирование позволило исследовать деформации и напряжения в детали (рис. 4), что позволило провести анализ операции пластического формоизменения аналогично [7 - 10].
а б
Рис. 4. Деформации (а) и напряжения (б) в месте нанесенной рифли
Из рис. 4 следует, что деформационные изменения происходят локально только в зоне формируемых рифлей. Наибольшая деформация наблюдается в вершине рифли (наиболее утонённом участке) и составляет примерно 6,5. Наибольшая интенсивность напряжений также характерна для зоны рифления и составляет 800 МПа.
Выводы
1. Новая представленная технология по предлагаемому способу позволяет получить рифли требуемой глубины и заданной геометрии на внешней поверхности цилиндрической оболочки.
2. Технологическая сила рифления в данном случае составила
53 кН.
3. Наибольшая степень деформации составила 650 %, а интенсивность напряжений - 850 МПа.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-29-20212, https://rscf.ru/project/22-29-20212/ и Правительства Тульской области.
Список литературы
1. Способ формирования рифлей ромбовидной формы на наружной поверхности цилиндрической оболочки: пат. В21С 37/20 РФ №2655555; опубл. 28.05. 2018; бюл. №16.
2. Пасынков А. А., Герасимова О. М., Яковлев Б. С. Изотермический обжим крупногабаритных заготовок // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 5. С. 102-106.
3. Яковлев С. С., Коротков В. А. Определение силовых параметров на последующей операции вытяжки с утонением и интенсивной пластиче-
ской деформацией // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2017. № 10. С. 40-43.
4. Пасынков А. А., Яковлев Б. С., Матасов И. И. Влияние темпера-турно-скоростных условий на обжим габаритных труб в горячем состоянии // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 5. С. 68-71.
5. Ларин С. Н. Платонов В. И., Нуждин Г. А. Силовые режимы обратного выдавливания стальной трубы // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. № 2. С. 18-21.
6. Гасанов А. И. Получение нестандартных головок соединительных элементов пластическим деформированием // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. № 2. С. 21-24.
7. Исследование эксперимента и моделирование процесса раздачи труб при гидроформовке / Д. Х. Чан, А. А. Пасынков, Д. З. Лай, Х. Х. Фам // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. № 2. С. 28-33.
8. Ларин С. Н., Ларина М. В. Напряженное состояние изделий при обжиме с утонением элемента трубной заготовки // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2021. № 12(126). С. 3-6.
9. Ларина, М. В., Нуждин Г. А. Анализ напряженного состояния цилиндрических изделий при обжиме трубной заготовки с утонением стенки краевого элемента // Сб. науч. тр. V междунар. науч.-техн. конф. Проблемы машиноведения: Омск, 16-17 марта 2021 года. Омск: Омский государственный технический университет, 2021. С. 241-246.
10. Пасынков А. А., Мальцева Н. С. Анализ изотермического обжима трубных заготовок с локальным нагревом // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 9. С. 457-461.
Коротков Виктор Анатольевич, канд. техн. наук., доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Яковлев Сергей Сергеевич, асп., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
PRODUCTION OF METAL PRODUCTS WITH RIFLES ON THE EXTERNAL SURFACE BY
PLASTIC FORM CHANGING
V.A. Korotkov, S.S. Yakovlev
The article touches upon, analyzes and solves the problem of manufacturing critical parts with a grid of corrugations applied on the surface of a cylindrical shell. The main varieties of the process of obtaining a corrugated mesh on the outer surface of the shell used in mechanical engineering technology are described, and a flow diagram is given based on the new method proposed by the authors, which is based on local plastic thinning of the work-piece wall during drawing. Computer simulation is carried out to assess the performance of the method of corrugation by local plastic thinning during drawing. The possibility of obtain-
ing corrugations by the method of local thinning is investigated, conclusions are drawn about the possibility of its application for the manufacture of parts. The simulation results are presented, namely, the graph of the technological force, stress and strain in the semi-finished product, the nature of their change and the maximum values in the first operation of local plastic thinning during drawing are estimated. Particular attention is paid to the quality of the outer corrugated surface and the shape of the resulting semi-finished product.
Key words: mining machines, corrugation, corrugations, plastic deformation, computer simulation, technological force, method, local deformation, cylindrical shell.
Korotkov Victor Anatolievich, candidate of technical sciences, doc., mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Yakovlev Sergey Sergeevich, graduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
Reference
1. The method of forming diamond-shaped riffles on the outer surface of the cylindrical shell: pat. V21S 37/20 RF No. 2655555; publ. 28.05. 2018; bul. No. 16.
2. Pasynkov A. A., Gerasimova O. M., Yakovlev B. S. Isothermal crimping of large-sized blanks // Izvestiya Tula State University. Technical sciences. 2021. No. 5. pp. 102-106.
3. Yakovlev S. S., Korotkov V. A. Determination of power parameters at the subsequent operation of drawing with thinning and intense plastic deformation // Forging and stamping production. Processing of materials by pressure. 2017. No. 10. pp. 40-43.
4. Pasynkov A. A., Yakovlev B. S., Matasov I. I. Influence of temperature and speed conditions on the crimping of dimensional pipes in the hot state // Izvestiya Tula State University. Technical sciences. 2021. No. 5. pp. 68-71.
5. Larin S. N. Platonov V. I., Nuzhdin G. A. Power modes of reverse extrusion of steel pipe // Izvestiya Tula State University. Technical sciences. 2022. No. 2. pp. 18-21.
6. Hasanov A. I. Obtaining non-standard heads of connecting elements by plastic deformation // Proceedings of Tula State University. Technical sciences. 2022. No. 2. pp. 21-24.
7. Experimental investigation and modeling of the pipe distribution process during hydroforming / D. H. Chan, A. A. Pasynkov, D. Z. Lai, H. H. Pham // Izvestiya Tula State University. Technical sciences. 2022. No. 2. pp. 28-33.
8. Larin S. N., Larina M. V. The stressed state of products during crimping with thinning of a pipe billet element // High-tech technologies in mechanical engineering. 2021. No. 12(126). pp. 3-6.
9. Larina, M. V., Nuzhdin G. A. Analysis of the stress state of cylindrical products when crimping a pipe billet with thinning of the wall of the edge element // Sb. nauch. tr. V internat. nauch.-tech. conf. Problems of machine science: Omsk, March 16-17, 2021. Omsk: Omsk State Technical University, 2021. pp. 241-246.
10. Pasynkov A. A., Maltseva N. S. Analysis of isothermal crimping of pipe blanks with local heating // Izvestiya Tula State University. Technical sciences. 2021. No. 9. pp. 457461.
