Прогнозирование устойчивости формоизменния при холодной штамповке головок стержневых изделий Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 621.771.07

О.С. Железков, Б.А. Никифоров, Е.Н. Тефтелев

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ФОРМОИЗМЕННИЯ ПРИ ХОЛОДНОЙ ШТАМПОВКЕ ГОЛОВОК СТЕРЖНЕВЫХ ИЗДЕЛИЙ

Одна из основных проблем обеспечения стабильности процессов холодной штамповки головок стержневых крепежных изделий связана с необходимостью предотвращения продольного изгиба штампуемого участка заготовки, так как потеря устойчивости приводит к образованию складок на головке, смещению головки относительно оси стержня и, как правило, к возникнове -нию неисправимого брака. Эта проблема должна решаться на стадии проектирования технологического процесса.

Для исключения продольного изгиба холод -ную штамповку головок болтов, винтов, шурупов, заклепок, шаровых пальцев и т.п. осуществляют за 2-3 перехода. Анализ известных процессов штамповки крепежных изделий с головками показыва-ет, что одно и тоже изделие может быть отштамповано по различным схемам, т.е. на предварительных переходах могут формироваться головки различной формы и использоваться различные операции (высадка, поперечное выдавливание,

прямое выдавливание). В настоящее время выбор схемы технологического процесса, применяемых операций и режимов деформирования в основном осуществляется на основе экспериментальных

данных, а также опыта и интуиции технолога. Поэтому разработка научно , | -■ обоснованных методик

поиска оптимальных схем многопереходных процес -сов штамповки стержневых крепежных изделий имеет важное практическое значение.

Оценку продольной устойчивости при штам -повке головок стержневых изделий осуществляют по коэффициенту высадки К=1(/ёо, где отношение длины высаживаемой части заготовки ¡о - исходная длина штампуемого участ-

' -["Т '1

■ '■■■У к Vv

h] / -V

V ' У !

Начальный и конечный этапы деформирования на первом переходе

ка заготовки; ё0 - диаметр исходной заготовки. Чем меньше К, тем легче протекает процесс высадки и лучше оформляется головка. Обычно за один удар без продольного изгиба высаживаемой части заготовки можно получить головку на стержневом изделии при К <2,3 [1].

В технической теории изгиба используется модель, рассматривающая деформацию центрально-сжатого стержня при использовании гипотезы плоских сечений, в основу которой положено дифференциальное уравнение

rTd2 v п ~ EJ—- + Pv = 0; dx

(1)

где Е - модуль упругости; 3 - момент инерции поперечного сечения; Р - сжимающая сила; у=у(х) - прогиб стержня.

При исследовании продольного изгиба за пределом упругости согласно рекомевдациям, изложенным в работах [2, 3], вводится касательный модуль.

E1 =

do± de.

(2)

В случае использования условия текучести Губера-Мизеса (^=иь) и кривой упрочнения по Г.А.Смирнову-Аляеву [4] получено

E1 = Ce

(3)

Следует отметить, что искривление продоль-ной оси штампуемой заготовки, как правило, происходит на начальном этапе деформирования, когда высота заготовки максимальна, а ее торец неровен и не обеспечивается надежное защемление концов в пуансоне и матрице. Если начальный этап штамповки протекает без потери устойчивости, то при дальнейшем деформирова-нии продольная ось не искривляется.

Рассматривая начальный этап процесса деформирования (высадка, поперечное выдавливание ) цилиндрической заготовки (см. рисунок)

Прогнозирование устойчивости формоизменения при холодной.

0,С.Жележков, Б.А.Никифоров, Е.Н.Тефтелев

с учетом соответствующих граничных условии на основании решения дифференциального уравнения (1) может быть получена зависимость критического соотношения длины штампуемого участка к его диаметру [5]

Кр =

^ I > _0

V У

кр

(4)

о= (М - А) - Се е‘ - Ве 1'іе‘,

(5)

где До^ - снижение сопротивления деформации за счет проявления эффекта Баушингера. При этом согласно данным работы [6]

т

-- 2 е.

V ек

(6)

у

где и,, - предел текучести калиброванного со

степенью деформации е + металла; ек - критиче-ская степень осадки, при которой разупрочнение

где Р - коэффициент, учитывающий способ за -крепления концов заготовки.

Используя уравнение (4), можно оценить устойчивость процесса деформирования цилиндрических заготовок на первом переходе пред -варительной штамповки. Оценка производится следующим образом. По известному объему V головки и диаметру исходного металла й0 опре -деляется фактический коэффициент высадки

Кф =1оу, и сравнивается с критическим Ккр,

/и о

рассчитанным по формуле (4). Если Кф < Ккр ,

то процесс будет протекать устойчиво. В противном случае высока вероятность продольного изгиба заготовки и необходимо вносить измене -ния в технологический процесс (увеличить вы -соту к 0 защемления в пуансоне, перейти от вы -садки к поперечному или прямому выдавлива-нию, уменьшить высоту 10 высаживаемого участка заготовки, откорректировать степень деформации при калибровке и т.п.).

Следует отметить, что исходная заготовка, как правило, в процессе подготовки металла к штамговке подвергается калибровке со степенью деформации е+ = 21п ^^, где и0, и - диаметры исходного и калиброванного металла. На первой операции технологического процесса на начальном этапе деформирования происходит смена знака пластической деформации, что приводит к снижению прочностных свойств штам -пуемого металла вследствие проявления эффекта Баушингера.

В работе [6] на основании экспериментальных данных установлены закономерности изме -нения механических свойств при многопереход -ной штамповке стержневых изделий из углеро-дистых сталей с учетом проявления эффекта Баушингера . Предложено использовать эти зависимости при определении! сопротивления де -формации, т.е.

достигает максимальных значении; т =

V у

максимальное относительное разупрочнение.

Используя вышеотмеченные закономерности и зависимости, разработана математическая модель, позволяющая за счет изменения отдельных параметров технологического процес -са регулировать устойчивость формоизменения на начальном этапе штамповки цилиндриче -ской заготовки. Разработанные алгоритм и программа расчета включают следующие этапы. Задаются геометрические параметры штампуемых головок и параметры, характеризующие механические свойства штампуемого металла (размеры головки; й0 - диаметр исходной заготовки; к0 - высота защемленного участка; Дйо -шаг изменения высоты защемленного участка; М, С, В, N - параметры кривой упрочнения; е + - степень деформации при калибровке; е_ -степень деформации на начальном этапе штамповке; Р - коэффициент, учитывающий способ закрепления концов; параметры разупрочне -ния). При этом к0 принимается минимально возможным. Рассчитываются объем штампуемой головки V, длина штампуемого участка заготовки Ь, длина свободного участка заго-

фактический коэффициент

¡0

высадки кф = —. Используя зависимости (4)-

й о

(6), рассчитываются параметры Дстж, ст^, Е и определяется критический коэффициент вы -садки к^р. Если кф < ккр ,то расчет прекращается . При кф > ккр высота защемления к0 увеличивается на Дк и расчет повторяется до момента, когда кф становится меньше ккр. Если при этом высота к0 защемления в пуансоне становится больше (0,6-0,7)й0, необходимо в технологию штамповки вместо высадки закладывать поперечное выдавливание и выполнить анало-гичные расчеты. Если и поперечное выдавливание не обеспечивает устойчивость формоизменения, то следует рассмотреть возможности использования прямого выдавливания.

товки 10 = Ь — к 0

Библиографический список

1. Биллигман И. Высадка и другие методы объемной штамповки. М: Машгиз, 1960. 457 с.

2. Томленов А.Д. Теория пластического деформирования металлов. М.: Металлургия, 1972. 408 с.

3. Паршин В.Г., Картак Б.Р. К расчету устойчивости цилиндрических заготовок при холодной высадке // Кузнечно-

штамповочное производство. 1968. № 7. С. 6-8.

4. Смирнов-Аляев Г.А. Механические основы пластической обработки металлов. П.: Машиностроение, 1968. 266 с.

5. Аркулис Г.Э., Паршин В.Г., Герасимов В.Я. Устойчивость цилиндрических заготовок при холодной высадке // Черная металлургия // Бюл. ин-та «Черметинформация». 1972. № 17. С. 45-47.

6. Паршин В.Г., Железков О.С., Савинкина О.В. Прогнозирование прочности холодновысаженных стержневых изделий из

низкоуглеродистой стали // Изв. АН СССР. Металлы. 1990. № 4. С. 158-161.

УДК 621.771

A.B. Сабадаш, Д.М. Закиров, С.С. Скворцова, С.П. Васильев, Д.А. Шушарин

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ СТАЛИ МАРКИ 30Г1Р ПРИ РЕДУЦИРОВАНИИ ПОСЛЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОСАДКИ

Эксперименты по исследованию изменения свойств стали планировались таким образом, чтобы редуцирование с различными относитель -ными степенями деформации д проводилось после предварительной осадки на постоянную величину относительной степени деформации е. При этом принималось несколько различных значений относительной степени деформации е.

Для повышения чистоты эксперимента редуцирование осуществлялось на одной редуцирующей матрице с диаметром редуцирующего пояска 11,15 мм, длиной редуцирующего пояска 3,5 мм и с углом входного конуса матрицы 2а=26° Для осуществления обширной програм -мы испытаний из одной заготовки прутковой отожжённой стали диаметром 16 мм вытачивались образцы различной высоты и различного диаметра. Шероховатость поверхности по 8 клас-су Ла=0,63 мкм.

Первоначальная высота образцов - к0=1,4й0. Диаметры образцов изменялись от 8,68 до 13,31 мм.

При осадке в случае образования бочки от -носительная степень деформации е определялась по формуле

e = ■

F

где О - максимальный диаметр осаженного образца.

Для определения твёрдости на предварительно осаженных образцах изготавливались образцы-дубликаты, которые разрезались по ме -ридиональному сечению.

После осадки все образцы фосфатировались.

Перед редуцированием диаметры образцов изменялись от 11,18 до 13,31 мм. Сквозное редуцирование проводили на специальной оснастке, установленной на испытательной машине, с применением смазки

После редуцирования образцы разрезались по мервдиональшму сечению. Результаты испытаний образцов из стали марки 30Г1Р приве-дены на рис. 1-2. На рис. 1 показано изменение твёрдости НУ 5/10 центрального слоя редуцированного образца. Твёрдость НУ 5/10 определялась как среднеарифметическое 6-ти замеров по оси образца.

Видно, что интенсивность упрочнения стали при редуцировании снижается (уменьшается угол наклона прямой) с увеличением предварительного упрочнения при осадке. При относительных степенях деформации е=7 и 10% осаженных образцов отмечается интервал в пределах до 7 и 9% соответственно относительной степени деформации д при редуцировании, когда упрочнения стали не происходит. В этом случае проявляется эффект Баушингера.

Особым проявлением эффекта Баушингера является неизменность прочности стали при ре-дуцировании, когда предварительно образцы осаживались с относ иге льными степенями деформации е, равными 20 и 30%. При степени деформации е=40% наблюдается до сих пор не отмеченное в литературе незначительное разупрочнение стали при редуцировании.

Отмечается, что при относительной степени деформации д=30% при редуцировании проч-ность стали при любых деформациях е (в преде-