CC BY
114
УДК 621.73
ПОЛУГОРЯЧАЯ ШТАМПОВКА ДЕТАЛИ "КЛАПАН"
В РАЗЪЕМНЫХ МАТРИЦАХ
В.М. Лялин
Представлен теоретический анализ перспективного процесса полугорячей штамповки детали "клапан" в разъемных матрицах. Определены кинематические и силовые параметры процесса с обоснованием стойкости инструмента.
Ключевые слова: полугорячая штамповка, разъемные матрицы.
Решение задач по увеличению выпуска высококачественной конкурентоспособной продукции машиностроения из труднодеформируемых инструментальных сталей и сплавов вызывает необходимость разработки и внедрения новых эффективных процессов обработки давлением, к которым следует отнести полугорячую штамповку выдавливанием. Она позволяет реализовывать оптимальные температурно-скоростные режимы пластического формоизменения заготовок с минимальной удельной силой при удовлетворительной стойкости инструмента.
Дополнительным эффектом, сопровождающим процесс деформирования, который достигается совмещением пластической деформации и термической обработки в режиме фазовых превращений, являются улучшение структуры и повышение прочности деталей. Кроме того, расширение технологических возможностей полугорячей штамповки позволяет изготавливать детали повышенной размерной точности на завершающей стадии технологического процесса, существенно сокращая операцию финишной обработки резанием.
В работе приводится теоретическое обоснование перспективного процесса штамповки выдавливанием в разъемных матрицах детали "клапан" из стали У12А, У12ХА ГОСТ 1435-99 (рис.1) взамен классической операции прямого выдавливания в глухой матрице, обладающей существенным недостатком - низкой стойкостью выталкивателя.
Процесс является ключевым в новой технологии изготовления указанной детали. Исходную заготовку диаметром 0,012 м, высотой 0,03 м получают методом рубки калиброванного прутка во втулочном штампе с
отношением высоты заготовки к диаметру Н= 2,5. Обезжиренную с
/ и0
нанесенной смазкой заготовку нагревали до температуры 780 °С и подвергали штамповке выдавливанием в разъемных матрицах. С целью гарантированного формирования головной части детали и предотвращения соударения матриц в конце деформирования между торцевыми поверхностями матриц предусмотрена облойная канавка для прессостатка толщи-
263
ной мм.
Рис. 1. Схема полугорячей штамповки выдавливанием в разъемных матрицах:
1 - матрица верхняя; 2 - отштампованное изделие;
3 - заготовка; 4 - матрица нижняя; 5 - выталкиватель
Для расчета силовых и деформационных характеристик процесса используется вязкопластическая модель материала (1)
Сі = с 5 + Эде і , (1)
и функционал (2)
|т+ К111 тН2(V + К2|т5 - |Xv0№*= 0, (2)
V V 2 5 /
где К1, К2 - коэффициенты; х5 =—^ - предел текучести сдвига; е; - ком-
л/3
понента скорости деформации; т - коэффициент вязкости; Н - интенсивность скоростей деформации сдвига; [у] - результирующая скорость на поверхностях разрыва касательных составляющих скоростей перемещения, дискретных элементов пластической области; £ -площадь поверхно-
сти разрыва; X - вектор поверхностных сил; V0 - вектор скорости движе-
О* ^
ния инструмента; S - площадь поверхности воздействия внешних сил.
Использование функционала мощности (2) для исследования напряженно-деформированного состояния процесса возможно при допущении:
- в случае полугорячего деформирования полагаем, что разрыв касательных составляющих весьма незначителен и коэффициенты соответственно Kj = 1, K2 = 0.
Решение уравнения (2) отыскивается с привлечением метода локальных вариаций [1, 2], сущность которого состоит в том, что за счет нахождения локальных минимумов минимизируется весь функционал. Указанный метод относится к прямым численным методам решения вариационных задач и применим к вариационным задачам для функций с любым числом переменных.
Для исследования стационарного течения материала, для которого действительное поле скорости доставляет минимум функционалу, используется конечно-элементная дискретизация пластической области (рис.2) и известная процедура решения [2], позволяющая определить значения скоростей перемещений Ujj во внутренних точках пластической области. В
рассматриваемой задаче скорость перемещения верхней матрицы составляет 0,1 , начальный радиус рабочего ручья r0 = 0,006 м, верхний ради-
ус гк = 0,001 м. Отсюда результирующая скорость в выходном сечении составляет 3,6 м/ .
с
Расчетное итоговое поле составляющей скорости перемещений Uij,
представленное на рис. 2, позволяет оценить мощность пластической деформации, составившей Жпл = 236841 Вт, технологическую силу процесса
Ртехн = 223,6 кН, а также удельную силу на инструмент Руд = 1750 МПа. Для
расчета использовалась комплексная программа на ЭВМ "KONUS".
Полное исследование кинематики процесса полугорячей штамповки выдавливанием детали "Клапан" в разъемных матрицах с расчетом составляющей скорости перемещения Wj, компонент скоростей деформации
er , ez , e0, grz , интенсивности скорости деформации сдвига H и приращений температур за счет тепловыделения проведено с помощью программы "TEMPER" [2]. Реализуемая в процессе выдавливания высокая степень деформации 0,97 приводит к значительной интенсивности деформации и тепловыделению головной части, что позволяет выйти на температурный режим закалки.
Полный анализ напряженного состояния в процессе штамповки осуществлен с использованием известных соотношений [2] с помощью программы "STRAIN".
рис.
Рис. 2. Результирующее поле составляющей скорости
перемещения и
Расчетное поле интенсивности напряжений —, представленное на 3, характеризует процесс как весьма неравномерный, при котором
266
наибольшая интенсивность наблюдается в областях, примыкающих к поверхности матрицы. Это обстоятельство требует повышения прочности и износоустойчивости верхней матрицы.
/
1035,5 \ К / Матрица нижняя Матрица верхняя
971,4 1593,2 1601,0 \ # / О > 1 г
750,0 930,6 1236,3 1272,4 \ / V
563,7 571,4 829,2 931,3 965,7 1156,0 N & \
415,8 395,5 536,0 487,7 501,3 741,5 1083,2 V
350,8 368,3 374,1 432,6 465,1 634,2 834,2 1051,4 \
320,3 287,0 219,8 294,3 315,4 601,6 733,5 986,1 1031,2 \
230,6 241,5 211,8 205,6 241,1 543,7 608,3 970,4 1050,0 1063,2
175,1 182,4 187,4 196,5 205,4 361,3 378.2 393,8 412,3 586,5 601,4 \
131,2 136,5 152,3 164,2 171,1 173,5 181,0 193,1 205,4 237.0 256,3
К \
Рис. 3. Интенсивность напряжений в узловых точках зоны
деформации
Анализ полученных результатов расчета силовых и деформационных характеристик процесса позволяет выявить оптимальный технологи-
ческий режим полугорячей штамповки детали "клапан" из инструментальных сталей в разъемных матрицах, а именно степень деформации 0,9...0,98,
скорость деформирования 0,1...0,25 , температурный интервал
720...820 °С.
В опытно-промышленных условиях процесс реализуется на горизонтальных пресс-автоматах типа "Манвилл", оснащенных приводом и поперечно-вертикальной ползушкой на основном ползуне пресса, на которой крепятся пуансон-заталкиватель и матрица выдавливания (верхняя). Схема установки инструмента представлена на рис. 4.
Рис. 4. Установка полугорячей штамповки выдавливанием:
1 - пуансон; 2 - матрица верхняя; 3 - матрица нижняя;
4 - клапан;5 - выталкиватель; 6 - пуансоно - держатель;
7 - ползушка
Процесс выдавливания осуществляется за два хода основного ползуна. На первом ходу, предварительно обезжиренная и смазанная термостойкой смазкой нагретая заготовка заталкивается пуансоном в матрицу
(нижнюю), далее на обратном ходе основного ползуна происходит смена позиций инструмента при вертикальном перемещении ползушки. На втором ходе ползуна происходит предварительная центровка верхней матрицы по нижней и непосредственно выдавливание. Так как выдавленная деталь остается в нижней матрице, то удаление ее из матрицы выталкивателем не вызывает затруднений по обеспечению его стойкости.
Таким образом, проведенный расчетный анализ процесса полугоря-чей штамповки выдавливанием деталей "клапан" из труднодеформируе-мых инструментальных сталей У12А, У12ХА в разъемных матрицах с их взаимной центровкой для обеспечения соосности непосредственно перед деформированием заготовки показал его перспективность использования в производстве, так как дает возможность значительно повысить точность геометрии и эксплуатационные характеристики детали с обеспечением приемлемой стойкости инструмента.
Список литературы
1. Черноусько Ф.Л. Метод локальных вариаций для численного решения вариационных задач // Журнал вычислительной математики и вычислительной физики. Т. 5. № 4, 1965. С. 749-754. 1990. 235 с.
2. Лялин В.М. Неполная горячая штамповка изделий специального машиностроения: дис. ... д-ра. техн. наук. Тула: ТулГУ, 1992. 378 с.
Лялин Виктор Михайлович, д-р техн. наук, проф., tevel71 @yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
SEMI-HOT STAMPING OF A DETAIL "VALVE" IN DEMOUNTABLE MATRIXES
V.M. Lyalin
The theoretical analysis of perspective process of semi-hot stamping of a detail "valve" is provided in demountable matrixes. Kinematic and power parameters with justification of firmness of the tool are determined.
Key words: hot stamping, split matrix.
Lyalin Viktor Mihaylovich, doctor of technical sciences, professor, tevel71 ayandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
