CC BY
53
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.735.001.2
Железков О.С., Гатин Ф.Ф., Чуйко Е.Ю., Железков С.О.
ПРИМЕНЕНИЕ КРИТЕРИЯ МИНИМАЛЬНОЙ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ДЕФОРМАЦИИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
В процессах обработки металлов давлением, в частности при горячей штамповке поковок сложной формы, необходимо обеспечить требуемое качества изделий при минимальных затратах на производство. Качество поковок в значительной степени определяется однородностью макроструктуры, которая существенно зависит от равномерности распределения степени деформации по объему деформированного тела. При этом наиболее рациональными считаются процессы пластического формоизменения, при которых обеспечивается минимальная неравномерность деформации [1-3]. Дополнительно следует отметить, что высокая неравномерность напряженно-деформированного состояния зачастую приводит к снижению стойкости формообразующего инструмента [4]. Поэтому при сопоставлении различных возможных вариантов процессов ОМД и выборе наиболее рационального оценивать эффективности технологии можно по параметру, который учитывает возникающую неравномерность деформации.
В работах Ю.Н. Резникова [1-3] рассматриваются проблемы поиска рациональных технологических процессов ковки и штамповки по критерию минимальной неравномерности деформации. При этом рекомендуется при решении плоских задач использовать безразмерный показатель неравномерности деформации
J5 =
У|в -e.|S.
/ у \ Cp 1\ 1
n
US.
(1)
i=1
где еi, Si - степень деформации на i-м участке и площадь этого участка; ъср - среднее арифметическое значение степени деформации по сечению поковки.
В последние годы при моделировании процессов ОМД широкое применение получил метод конечных элементов (МКЭ) [5]. Применяемые методики и программы расчетов с использованием МКЭ позволяют определять степень (интенсивность) деформации е. в каждом узле сетки элементов, которые при решении плоских задач представляются в виде многоугольников (треугольников либо четырехугольников), а при решении объемных задач - в виде многогранников, например тетраэдров. Потому критерий J5 для случая плоского деформирования можно представить в виде
ЁК “eit| А
J ----------------, (2)
EA
k=1
где Ak - площадь k-го элемента; n - количество элементов, на которые разбивается деформируемая среда.
Для трехмерных задач
Ek> _S*K
J1 =-^--------, (3)
TV
к =1
где Ук - объем k-ro элемента.
При решении осесимметричных задач объем k-ro элемента можно представить как объем кольца, средний радиус которого rk (расстояние от оси до центра элемента), а площадь сечения - Ak. Тогда объем k-ro элемента Vk = 2%rkAk , а критерий неравномерности деформации
n
Ек -е*| Ал
1 k=1
J5 =
ЕА
(4)
Рассматривая некоторый элемент k, можно определить площадь этого многоугольника АК и значения интенсивности деформации е. в узлах сетки, среднюю интенсивность деформации в элементе и среднюю ин-
тенсивность деформации объему деформируемою тела
s
ср
n
(5)
Критерий неравномерности деформации (4) использовался при выборе рациональных режимов технологии горячей штамповки заготовок цельных корпусов шаровых шарниров и заготовок рулевых тяг.
При изготовлении заготовок корпусов шаровых шарниров горячей штамповкой на дугостаторных прессах [6] в качестве исходной заготовки рационально использовать заготовку цилиндрической формы, которую
46
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.
Применение критерия минимальной неравномерности...
Железное О.С., Гатин Ф.Ф., Чуйко Е.Ю., Железное С.О.
сравнительно просто можно получить из прутков круглого поперечного сечения резкой на ножницах Однако при условии равенства объемов исходной заготовки и поковки возможно использовать заготовки с различным
% %■/■■■ ;
:■! I
Рис. 1. Распределения интенсивности деформаций по объему штампуемой заготовки при отношении ho/do=1,0
Рис. 2. Изменение критерия неравномерности деформации J5 в зависимости от отношения ho/do
йние.
Рис. 3. Распределения интенсивности деформаций в чашкообразной головке рулевой тяги при штамповке из заготовки с головкой цилиндрической формы
отношением высоты к диаметру (ho/do). Используя методы компьютерного моделирования на базе программного комплекса MARK/Auto Forge, проведены исследования, направленные на поиск рациональной формы ис-хэдной заготовки. На рис. 1 представлена картина распределения интенсивности деформаций по объему штампуемой заготовки при отношении ho/do=1,o. Аналогичные поля распределения интенсивности деформаций по объему штампуемой заготовки определялись при отношенияхh0/d0=2,\6; hо/do=1,45; ho/do=0,74; hо/d0=0,56.
По результатам компьютерного моделирования выполнены расчеты и построен график изменения критерия неравномерности деформации JJ в зависимости от отношения высоты исходной заготовки к её диаметру h0/d0 (рис. 2).
Анализ полученныхрезультатов показал, что при штамповке цельных корпусов шаровых шарниров минимальная неравномерность деформации достигается при отношении ho/do=1,o—1, l.
Критерий минимальной неравномерности деформации (4) использовался при оценке эффективности процесса горячей штамповки наконечников рулевых тяг на горизонтально-ковочных машинах (ГКМ). Применяемый на ВАЗе технологический процесс штамповки заготовок рулевых тяг осуществляется на ГКМ за четыре перехода [7]. На первом и втором переходах штампуют конические головки с большим основанием, примыкающим к стержню. На третьем переходе осуществляют штамповку сферической головки с перехэдным коническим участком к стержню. На четвертом - окончательно штампуют головку заготовки корпуса рулевой тяги в виде чашки.
Недостаток применяемой технологии - низкая стабильность процесса штамповки вследствие продольного изгиба штампуемого участка заготовок на первом и втором переходах Причинами возникновения продольного изгиба являются неперпендикулярность торца ис-хэдной заготовки продольной оси, а также большая относительная высота штампуемого участка. Искривление заготовок на первом и втором переходах приводит к образованию складок (зажимов), незаполнению штампа с одной стороны и образованию заусенца с другой, что вызывает снижение качества поковок или приводит к образованию брака. Кроме того, окончательная штамповка чашкообразной головки из головки сферической формы вызывает возникновение существенной неравномерности деформации при действии значительных сил на контакте заготовки с инструментом.
Разработана новая технология горячей штамповки наконечника рулевой тяги, которая осуществляется следующим образом. Цилиндрическую заготовку с нагретым штампуемым участком помещают на позицию первого перехэда штамповки горизонтально-ковочной машины, где при движении бокового ползуна зажимают в полуматрицах, а при движении главного рабочего ползуна с помощью пуансона штампуют головку в виде двух конусов, сопряженныхпо большим основаниям. На втором переходе осуществляют штамповку головки в виде цилиндра, ось которого перпендикулярна продольной оси исходной заготовки. Для этого вначале заготовку с головкой в виде двух конусов, сопряженных по большим основаниям, зажимают полуматрицами второго перехода за головку в местах сопряжения конусов.
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.
47
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
После чего при движении главною рабочего ползуна пуансоном второго перехода штампуют цилиндрическую головку с осью, перпендикулярной оси стержня. Зажим полуматрицами головки в местах сопряжения конусов практически полностью исключает возможность продольного изгиба штампуемого участка заготовки, что обеспечивает получение поковок высокого качества. На третьем переходе осуществляют окончательную штамповку головки в виде чашки. Штампуемая на втором переходе форма голэвки в виде цилиндра более близка к форме окончательно штампованной головки в виде чашки, формируемой на последнем переходе, чем в известном способе, когда чашкообразная головка формируется из головки сферической формы.
Используя программный комплекс MARK/Auto Forge и критерий неравномерности деформации (4), проведены соответствующие расчеты и выполнена оценка эффективности штамповки наконечников рулевых тяг из заготовок с головками сферической и цилиндрической форм.
Список литературы
1. Резников Ю.Н., Калинин Г.Г. Оптимизация заготовительных ручьев для поковок, изготавливаемых объемной штамповкой // Кузнечно-штамповочное производст-во. 1998. № 10. С. 8-10.
2. Возможности предотвращения дефектов и уменьшения неравномерности деформации поковок при объемной штамповке / Ю.Н.Резников, Г.Г.Калинин, В.Ю.Исгомин и др. // Оптимизация процессов обработки давлением: Межвуз. сб. науч. тр. Ростов н/Д: ДГТУ, 1998. С. 80-85.
3. Резников Ю.Н. Расчет оптимальных заготовок и заготовительных ручьев в процессах объемной штамповки // Изв. вузов. Черная металлургия. 1987. № 10. С. 39-43.
4. Рябичева Л.А., Усагюк Д.А. Влияние неравномерности напряженно-деформированного состояния на сгойсосгь штампов // Кузнечно-штамповочное производство. 2008. № 3. С. 30-34.
5. Биба Н.В., Лишний А.И., Сгебунов С.А. Трехмерное моделирование процессов обработки металлов давлением методом конечных элементов // Производство проката. 2003. № 12. С. 20-24.
6. Гун И.Г., Железков О.С., Чуйко Е.Ю. Технология горячей штамповки корпусов шаровых шарниров на дугостаторных прессах // Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства: Материалы 2-й Всерос. конф. Череповец, 2001. С. 25.
7. Шнейберг В.М., Акаро И.Л. Кузнечно-штамповочное производство Волжского автомобильного завода. М.: Машиностроение, 1977. С. 302.
На рис. 3 представлены поля распределения интенсивности деформации при штамповке чашкообразной головки заготовки рулевой тяги из заготовки с цилиндрической головкой. Анализ полученных результатов показал, что при штамповке заготовок рулевых тяг из заготовок с головкой цилиндрической формы критерий неравномерности деформации J5 в 1,3 разаменьше, чем при штамповке из заготовок со сферической головкой. Кроме того, проведенные экспериментальные исследования показали, что усилия штамповки снижаются на 15%.
Таким образом, используя усовершенствованный критерий минимальной неравномерности деформации и результаты математического моделирования с применением метода конечных элементов, выполнен поиск рациональных технологий горячей штамповки заготовок цельных корпусов шаровых шарниров и заготовок наконечников рулевых тяг.
List of literature
1. Reznikov Y.N., Kalinin G.G. Preliminary stream for the forged piece produced by die forging // Press-forging production. 1998. № 10.P. 8-10.
2. Defect prevention and decrease in irregularity of the forged piece deformation in die forging / Reznikov Y.N., Kalinin G.G., Istomin V.Y. and others // Optmization of metal forming processes: Collection of scientific works. Rostov-na-Donu: DSTU, 1998. P. 80-85.
3. Reznikov Y.N. Calculaton of optimal billets and preliminary sreams in the die forging processes // Institute news. Ferrous metallurgy. 1987. № 10. P. 39-43.
4. Ryabicheva L.A., Usatuk D.A. The impact of the deflected mode irregularity on the die firmness // Press-forging production. 2008. № 3. P. 30-34.
5. Biba N.B, Lushny A.I, Stebunov S.A. Three-dimensional simulation of the metal forming processes by the finite element method // Rolled metal production. 2003. № 12. P. 20-24.
6. Gun I.G., Zhelezkov O.S., Chuyko E.Y. Hot forming technology of the ball and socket joint bodies in the electric arc presses // Advanced processes and equipment of the metallurgical production: Materials of the 2nd Russian Conference. Cherepovetsk, 2001. P. 25.
7. Shneyberg V.M., Akaro I.L. Press-forging producton of Volzhsky automobile plant M.: Mechanical engineering,
1977. P. 302.
УДК 621.771.23.001.2 Бельский C.M., Мухин Ю.А.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОФИЛИРОВАННЫХ РОЛИКОВ для РЕГУЛИРОВАНИЯ ПЛОСКОСТНОСТИ ПРОКАТЫВАЕМЫХ ПОЛОС
Известно [1] что неравномерность эпюры переднего неравномерностью выходных скоростей полосы, при натяжения влечет за собой изменение выходных скоро- снятии натяжения превращаются в остаточные. Другими стей течения металла, при этом напряжения, вызванные словами, если во время прокатки измерять распределе-
48
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.
