Научная статья на тему 'Проектирование штампованной оснастки для способа отбортовки из конической заготовки эластичной средой'

Проектирование штампованной оснастки для способа отбортовки из конической заготовки эластичной средой Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
161
25
Читать
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СПОСОБ / ТОНКОСТЕННАЯ ДЕТАЛЬ / КОНИЧЕСКАЯ ОБОЛОЧКА / ЭЛАСТИЧНАЯ СРЕДА / ШТАМПОВАЯ ОСНАСТКА / ПРОЕКТИРОВАНИЕ / METHOD / THIN-WALLED COMPONENT / CONICAL SHELL / RUBBER / STAMPING TOOL / DESIGNING

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Демьяненко Елена Геннадьевна, Епифанов Александр Николаевич, Лыгин Захар Денисович

Рассмотрены новые способы получения тонкостенных осесимметричных деталей с заданной точностью толщины стенки. Предложена методика проектирования элементов оснастки.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Демьяненко Елена Геннадьевна, Епифанов Александр Николаевич, Лыгин Захар Денисович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Предварительный просмотр
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

DESIGNING OF STAMPING TOOL FOR THE FLANGING PROCESS FROM A CONICAL BLANK WITH RUBBER

It is suggested the new methods of manufacturing thin-walled axisymmetric parts with a given wall thickness accuracy are considered. It is developed the method for designing of stamping tool.

Текст научной работы на тему «Проектирование штампованной оснастки для способа отбортовки из конической заготовки эластичной средой»

УДК 621.4

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ШТАМПОВАННОЙ ОСНАСТКИ ДЛЯ СПОСОБА ОТБОРТОВКИ ИЗ КОНИЧЕСКОЙ ЗАГОТОВКИ ЭЛАСТИЧНОЙ СРЕДОЙ

© 2017 Е.Г. Демьяненко, А.Н. Епифанов, З.Д. Лыгин

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Статья поступила в редакцию 20.12.2017

Рассмотрены новые способы получения тонкостенных осесимметричных деталей с заданной точностью толщины стенки. Предложена методика проектирования элементов оснастки. Ключевые слова: способ, тонкостенная деталь, коническая оболочка, эластичная среда, штамповая оснастка, проектирование.

Типовыми изделиями ракетно-космической и авиационной индустрии являются тонкостенные оболочки из листовых заготовок (обшивки отсеков, обтекатели, топливные баки различных форм и размеров, баллоны хранения газов, сопловые оболочки, оболочки камер сгорания двигателей и др.). Для их получения многие из способов требуют или уникального оборудования и оснастки (штамповка взрывом, электрогидрош-тамповка и др.), или не обеспечивают заданной точности контура штампованной детали, т.е. имеют свои преимущества и недостатки. Поэтому большое значение на данный момент приобретает дальнейшее совершенствование процессов пластического формообразования листового металла [1,2,3,4,5], которые позволили бы получать сложные по форме и точные по размерам изделия при значительной экономии металла и высокой производительности труда. К таким инновационным способам, в том числе относятся способы, в устройстве (см. рисунок 1) которых используются раздвижные сектора и эластичный элемент [6] или (см. рисунок 2) эластичный элемент в виде двух конических оболочек 3 и 4 [7].

Особенность предложенных конструкции устройств в том, что изготовленная деталь лишена огранки и ее наружная поверхность практически совпадает с рабочей поверхностью матрицы, тем самым устранена дополнительная операция калибровки. Устройство должно удовлетворять следующим условиям. Чтобы избежать при увеличении диаметра эластичного элемента его уменьшения высоты и возникновения на поверхности контакта с заготовкой сжимающих сил трения, которые могут привести к потере устойчивости тонкостенной заготовки, эластичный элемент в районах наибольшего и наименьшего диаметров матрицы зажимается

Демьяненко Елена Геннадьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры обработки металлов давлением. E-mail: e-dem@mail.ru Епифанов Александр Николаевич, аспирант. Лыгин Захар Денисович, магистрант.

(в начальный момент) между матрицей и секторами. Для надежного обеспечения условия зажима эластичного элемента необходимо, чтобы его высота была больше высоты рабочей поверхности, но не превышала общую высоту матрицы, иначе эластичный элемент может попасть в зазор между матрицей и секторами. Это устраняет сжимающие силы трения на внутренней поверхности заготовки. Эластичный элемент в случае применения двух конических оболочек 3 и 4, деформируясь, увеличивается в диаметре и уменьшается в толщине, то есть соответствует условию плоского деформированного состояния, когда деформация по толщине равна по величине и противоположна по знаку деформации увеличения диаметра эластичного элемента

. В этом случае приближенно можно записать условие постоянства объема (см. формулу 1):

или

р-r

S - S 0

S 0

(1)

где р, г - соответственно радиусы по средней поверхности средние по высоте эластичного элемента до и после деформации;

£0, £ - соответственно толщины средние до и после деформации.

Несмотря на уменьшение толщины эластичного элемента в виде двух конических оболочек, прирост объема А¥р его за счет увеличения диаметра должен компенсировать разницу между внутренним объемом, ограниченным рабочей поверхностью матрицы и объемом, ограниченным наружной поверхностью эластичного элемента в виде двух конических оболочек в исходном состоянии АУ (см. формулу 2).

AVp = AV или п

(- r' 7

cosa

А„ = AV, (2)

где высота рабочей поверхности матрицы; а - угол конусности конуса. Выразим г из (1) и, подставив его в (2) после преобразований получим:

s

S

r

А-А

Рис. 1. Устройство для формообразования тонкостенных осесимметричных деталей

усеченной сужающейся формы: 1 - пуансон; 2 - матрица; 3 - эластичный элемент; 4 - подвижные сектора; 5 - конус; 6 - опорное кольцо; 7 - шпилька; 8 - плита пресса; 9 - деталь; 10 - заготовка

Рис. 2. Устройство для формообразования тонкостенных осесимметричных деталей

усеченной сужающейся формы: 1 - пуансон; 2 - матрица; 3 - эластичный элемент; 4 - эластичный элемент; 5 - конус; 6 - опорное кольцо; 7 - шпилька; 8 - плита пресса; 9 - деталь; 10 - заготовка; 11 - подвижные сектора

Р =

2 - —

АУ сои а

п-к.

/ \2 2 - —' V —0 у

+1

.(3)

S = 2

Приняв во внимание, что р = рд — 0,5£ имеем:

Ру

2--

ÁV cosa

S

n-h.

(

2 - S

S

V

+1

О у

S

Исходную толщину эластичного элемента в виде двух конических оболочек найдем, поставив ограничения по степени деформации:

5 5 п

< к < 0,9 + 0,75 или

5 = 5 + 5> ; 50 = ^, где к

5Х + 5 2 = 2

рд — (2 — к),

АУ соза _ п-км [(2 — к ) +1]

> (4)

где рд - средний радиус детали;

Б1 - толщина внешнего эластичного элемента;

Б2 - толщина внутреннего эластичного элемента.

Улучшение современной авиационной техники, и в тоже время ее усложнение, повышение требований к качеству и надежности приводит к расширению производства технологической оснастки, проектирование и изготовление которой по трудоемкости составляет около 80 %, а по длительности - до 90 % общей трудоемкости и длительности технологической подготовки производства. Рассмотрим методику проектирования элементов оснастки для способа получения тонкостенной осесимметричной детали усеченной сужающейся формы.

• Расчет матрицы на прочность:

так как контейнер находится под внутренним давлением, то с целью безопасности эксперимента необходимо рассчитать его на прочность. Используя выводы расчета на прочность толстостенных цилиндров, нагруженных изнутри равномерным давлением [8], определили напряжения в тангенциальном направлении:

(У0

Ь Гкс

я!

-+

ц,г1 Я1

4 2 конт конт

1

- I

Я!

■<[о\ (5)

— I

Рис. 3. Эластичная коническая оболочка: Н - высота эластичного конического элемента; Я, Ян - больший радиус по срединной и наружной поверхности эластичного конического элемента; г, гн - меньший радиус по срединной и наружной поверхности эластичного конического элемента; Б - толщина эластичного конического элемента

Йк

Рис. 4. Эластичный элемент в виде кольца: Як - больший радиус кольца; г - радиус отверстия в кольце; Бк- толщина кольца

нического эластичного элемента, а наружный радиус равен:

я„ =

где Я , г - радиусы контейнера наружный и

^ конт конт Г ^ ' Г Г'

внутренний соответственно;

ц2 - избыточное давление матрицы через заготовку на эластичный элемент,

[¡2 ]< 0,1кг / мм ;

\&в ] - предельное значение напряжения в тангенциальном направлении.

• Для процессов формообразования эластичным элементом конической формы (см. рис. 3) будем считать, что схема сжатия эластичного конического элемента в виде толстостенной оболочки эквивалентна сжатию эластичного элемента в виде кольца (см. рис. 4).

При этом примем, что толщина толстостенной конической оболочки равна толщине эластичного элемента в виде кольца, внутренний радиус кольца равен наименьшему радиусу ко-

2 (Я — г )2 г +---

чта

(6)

где г ~ гн — £к, т.к. гн > .

Выражение получено из условия равенства площадей по срединной поверхности конической эластичной оболочки и эластичного кольца. Предлагаемая модель позволяет рассчитать размеры эластичного конического элемента в виде толстостенной оболочки, если его размеры Як, гн, Н определены геометрией заготовки.

При применении способов необходимо определить толщину эластичного элемента кроме использования формулы (4) еще из дополнительных условий. Рассмотрим их.

• Обеспечение отсутствия заполнения эластичными элементами зазора Д. Рассмотрим схему действия сил в области зазора между подвижными секторами (см. рис. 5).

г

мр = (, • 5

где свЬл - напряжение растяжения в эластичном элементе.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Во втором случае:

л А

Меж = 9-А-(9)

где А - зазор между подвижными секторами. Величина зазора определяется из условия: 2пЯх - 2яг0

А = -

N

(10)

где N - число секторов;

Я1 - радиус по наружной поверхности подвижных секторов в момент окончания деформации в сечении, которое в исходном состоянии находилось в плоскости разъема матрицы с радиусом г0.

Суммарное давление эластичной среды равно (согласно принципу суперпозиции):

Я = Я + 42 + Яз , (11)

где Я - давление заготовки на эластичный элемент;

42 - избыточное давление матрицы через заготовку на эластичный элемент, [д 2 ] ^ 0,1кг / мм2.

Составляющая сжатия от напряжения растяжения эластичного элемента:

7

где 7 = аг^ё

д з

А

2'

(12)

2 Я в

(см. рис. 5),

где Язаг - радиус цилиндрической заготовки. Из уравнения Лапласа [9]:

Рис. 5. Схема действия сил на эластичный элемент в области зазора между подвижными секторами: 1 - матрица; 2 - заготовка; 3 - эластичный элемент; 4 - подвижный сектор; 5 - конус; А - зазор между секторами; у - угол наклона; Я - радиус до наружной поверхности секторов; Бэл - толщина эластичного элемента; Бзаг - толщина заготовки; (вэл- тангенциальное напряжение растяжения

эластичного элемента; ц - суммарное давление на эластичный элемент

Чтобы эластичный элемент не продавливался в зазор А, необходимо соблюдать равенство моментов от действия растягивающих и сжимающих сил относительно сечений перпендикулярных плоскости чертежа и проходящих через точки «0».

Ир = мсж , (7)

где Мр, МСЖ - изгибающие моменты соответственно от растягивающих и сжимающих сил на единицу ширины.

В первом случае имеем:

5.

(8)

дх = ^ (

К о,

взаг :

(13)

где (&аг ~(в - тангенциальное напряжение растяжения в заготовке.

С учётом выражений (8 ^ 13) равенство (7) примет вид:

(вэл. • 5эл. ^

д 2 +

5 „

Я.

А1

-. (14)

Отсюда имеем:

[ 2 + £ заг ! К заг (в +

'6 вэл

• 81П

(7/2)]]

£ эл.

-. (15)

вэл.

Условие (15) гарантирует отсутствие затекания эластичного элемента в зазоры между подвижными секторами. В противном случае процесс проводить нежелательно. Ограничения зависят и от относительной толщины заготовки, и от давления эластичной среды, на которое влияет величина вытесненного объёма (форма и размеры детали).

• Расчет толщины конической эластичной оболочки определяется исходя из необходимого давления. Для этого используются диаграммы сжатия эластичного элемента (резины), которые достаточно широко представлены (см. рис. 6). Условием выбора толщины и относительных размеров эластичного в виде кольца служит максимальная величина сжатия по толщине не превышающая 10-15% , при выбранном значении (см. формулу 11).

Необходимо выполнить условие, чтобы величина сжатия резины не превышала в местах наибольшего деформирования более 30%.

Далее из рассчитанных толщин (см. формулу 4, 15 и см. рис. 6) выбирается наименьшая.

• Определение числа и размеров подвижных секторов. Схема для расчета представлена на рис. 7.

0.20

Рис. 6. Диаграмма сжатия резины

М„ = P-l =

q-l2

Мв = °0,2 — . Из условия (17; 18) имеем:

(17)

(18)

2q-l2

о

(19)

0,2

где I - ширина подвижного сектора в сечении наибольшего радиуса Яс. Его длина определяется:

, 2лЯг

I =-^, (20)

N

где N - число секторов.

Из равенств (19 и 20) можно определить:

N =

8 • дж2 RC

°0,2 S 2

(21)

Рассчитываются усилия процессов формообразования эластичным буфером сложных деталей с подвижными секторами.

Схема к определению усилия представлена (см. рис. 8).

Рис. 7. Схема действия сил на подвижный сектор: Р - результирующее усилие; ц - давление эластичной среды; 1 - подвижный сектор; 2 - конус

Подвижные сектора 1 получены путем распила конической оболочки прилежащей к конусу 2,вдоль образующих на несколько частей. Поэтому при движении вдоль конуса отсечений меньшего диаметра к большему образуется зазор ш между внутренней поверхностью подвижного сектора 1 и поверхностью конуса 2.

Подвижный сектор должен передавать усилия от пресса при минимальной толщине, не деформируясь и не разрушаясь. Поэтому размеры сектора I, Б должны быть согласованные с давлением среды ц. Необходимым условием согласования этих параметров может быть равенство момента внутренних и внешних сил:

Ми = Ме , (16)

где Ми , М- моменты внешних и внутренних сил.

Будем считать:

Рис. 8. Схема действия сил на подвижный сектор: 1 - матрица; 2 - эластичный элемент;

3 - подвижный сектор; q - давление эластичной среды;

Рв - внутреннее усилие сопротивления;

Р - внешнее усилие; ас - угол конусности

Запишем условие равенства внешнего и внутреннего усилия:

Рв = Р, (22)

где Рв - результирующее внутреннее усилие.

Рв = K3qF- sin ac. (23)

При анализе назначения новых способов и оценке их технологичности важным является проработка методики проектирования элементов оснастки, так как это определяющая часть оснащения производства и оборудования с целью выполнения определенной задачи технологического процесса [10]. Обоснованная методика способствует повышению производительности; точности обработки, сборки и контроля; облегчению условий труда; сокращению количества и снижению квалификации рабочих; строгой регламентации длительности выполня-

емых операций; расширению технологических возможностей оборудования; повышению безопасности рабочих и снижению аварийности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ЕрисовЯ.А., Гречников Ф.В. Математическая модель анизотропного упругопластического материала // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2011. № 6(30). С. 73-80.

2. Шляпугин А.Г., Попов И.П., Звонов С.Ю. Особенности процесса формообразования полых конических деталей из кольцевой заготовки // Известия ВУЗов. Авиационная техника. 2010. № 3. С. 75-76.

3. Нестеренко Е.С., Попов И.П., Зимарёв М.В. Способ получения тонкостенных конических деталей в штампе с упругим элементом // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2012. № 1(32). С. 161-169.

4. Арышенский В.Ю., Гречникова А.Ф., Ерисов Я.А. Влияние параметров текстуры и структуры на предельное формоизменение обшивочных листов при обтяжке // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2012. № 2(33). С. 142-148.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

5. Демьяненко Е.Г. Исследование возможностей процесса формовки в устройстве с применением разжимных секторов // Известия Самарского науч-

ного центра РАН. 2012. Т. 14. №6. С. 182-186.

6. Патент РФ № 2493928 18.04.2012 зарегистрировано 27.09.2013 «Устройство для формообразования тонкостенных осесимметричных деталей усеченной сужающейся формы».

7. Патент РФ № 128527 09.11.2012 зарегистрировано 27.05.2013 «Устройство для формообразования тонкостенных осесимметричных деталей усеченной сужающейся формы».

8. Расчеты на прочность в машиностроении. Том 2. Некоторые задачи прикладной теории упругости. Расчеты за пределами упругости. Расчеты на ползучесть // С.Д. Пономарев, В.Л. Бидерман, К.К. Лихарев, В.М. Макушкин, Н.Н. Малинин, В.И. Фео-досьев. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1958. 974 с.

9. Теория ковки и штамповки: учебное пособие для студентов машиностроительных и металлургических специальностей вузов / Е.П. Унксов, У. Джонсон, В.Л. Колмогоров и др. [под общ. ред. Е. П. Унк-сова, А.Г. Овчинникова]. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1992. 720 с.

10. Совершенствование организации литейного производства авиационного предприятия на основе имитационного моделирования / В.И. Дровянни-ков, И.Н. Хаймович, М.А. Фролов, Е.А. Ковалькова // Фундаментальные исследования. 2015. № 2-14. С. 3023-3028.

DESIGNING OF STAMPING TOOL FOR THE FLANGING PROCESS FROM A CONICAL BLANK WITH RUBBER

© 2017 E.G. Demyanenko, A.N. Epifanov, Z.D. Lygin

Samara National Research University named after Academician S.P. Korolyov

It is suggested the new methods of manufacturing thin-walled axisymmetric parts with a given wall thickness accuracy are considered. It is developed the method for designing of stamping tool. Keywords: method, thin-walled component, conical shell, rubber, stamping tool, designing.

Elena Demyanenko, Candidate of Technics, Associate

Professor at the Metal Forming Department.

E-mail: e-dem@mail.ru

Alexandr Epifanov, Graduate Student.

Zakhar Lygin, Student.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.