CC BY
136
The laws of axisymmetrical details rotary thinning drawing power circumstances changing depending on deformation level, real approach, working tool geometry and etc. are identified.
Key words: rotary drawing, anisotropic material, pipe, roller, mandrel, power, feed step, deformation level.
Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor,
tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Tregubov Viktor Ivanovich, doctor of technical sciences, professor,
tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Osipova Elena Vitalievna, competitor mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.771
РАСЧЕТ ЭНЕРГОСИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ КОВОЧНОГО МОЛОТА
В.Ю. Лавриненко, А.Е. Феофанова
Приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований процесса ударного деформирования при осадке, показывающие возможность снижения силы деформирования и увеличения работы пластической деформации при осадке заготовок бабой с наполнителем. Предложены формулы для определения работы деформации и массы падающих частей ковочного молота при осадке стальных заготовок при использовании бабы молота с наполнителем.
Ключевые слова: осадка, ударное деформирование, ковочный молот, баба молота с наполнителем, высокоскоростная видеосъемка.
Ковка и штамповка на молотах являются одними из основных способов получения высококачественных и точных заготовок, обладающих требуемыми стабильными механическими свойствами для дальнейшего изготовления ответственных деталей различных форм и размеров.
Г лавным недостатком ковки и штамповки на молотах является низкий коэффициент полезного действия (КПД) удара вследствие кратковременности ударного деформирования заготовки, возникающих больших сил деформирования, а также потерь энергии на упругую деформацию поковки и деталей молота, трение и смещение центра взаимодействующих масс. Это снижает КПД всего молота и повышает расход энергии.
Одной из главных ковочных операций является осадка, которую применяют для получения поковок с большими поперечными размерами из заготовок (поковки дисков, фланцев, шестерен), для выравнивания торцов и увеличения диаметра при изготовлении полых поковок (поковки типа колец, барабанов, муфт), а также для уменьшения неравномерности механических свойств заготовки при осадке с протяжкой.
Осадку на молотах проводят за несколько ударов бабы молота. Если энергия удара молота оказывается недостаточной, то число ударов увеличивают и поковку все же получают на данном молоте. Если энергия удара молота значительно превосходит требуемую энергию, то число ударов для получения поковки резко уменьшается, но при этом большая часть затраченной энергии удара молота будет рассеиваться.
Неправильный выбор молота приводит к снижению производительности труда, уменьшению точности поковок и стойкости штампов, увеличению расхода энергии и металла.
В связи с этим большое значение имеют точное определение необходимой работы деформации и массы падающих частей молота, а также правильность выбора ковочного молота.
Ранее были проведены экспериментальные исследования [1] процесса осадки заготовок на специальной установке, состоящей из вертикального копра и системы скоростной видеосъемки, которые показали возможность увеличения продолжительности и КПД удара при осадке бабой с наполнителем.
В качестве материала заготовок для моделирования горячего деформирования углеродистых и низколегированных сталей использовали свинец. Заготовки имели размеры: высота Нзаг = 26 мм, диаметр Озаг = 50 мм.
Для деформирования заготовок на копре использовали стандартную бабу и бабу с наполнителем с одинаковыми общими массами 22,3 кг. Баба с наполнителем была заполнена металлическими шариками из стали ШХ15 с диаметрами Ошар =1; 2; 6 и 12 мм, которым соответствуют отношения
массы одного шарика т1шар к общей массе бабы Кш = 1шар = 0,2-10'6;
тбабы
1,5-10-6; 40-10-6; 300-10-6.
Масса корпуса бабы с наполнителем составляет 13,4 кг, а массы засыпаемых внутрь шариков тшар = 4,5; 6,7 и 8,9 кг, им соответствуют отно-
тшар
шения массы всех шариков к общей массе бабы Км == 0,2;0,3 и 0,4.
тбабы
Для обеспечения необходимой общей массы бабы, равной 22,3 кг, варьировали массу крышки бабы.
Бабу копра сбрасывали с высот 0,5; 1,25 и 2 м, которым соответствовали теоретические энергии удара А = 109,3; 273,2 и 437,1 Дж и скорости
движения бабы в момент соударения с заготовкой 3,13; 4,95 и 6,26 м/с.
При осадке заготовок на копре проводили видеосъемку процесса с помощью скоростной видеокамеры «ЕА8ТУГОЕ0-250» с частотой 3000 кадров/с.
Далее при обработке полученных видеоизображений процесса осадки были определены: продолжительности нагрузочной Т1 и разгрузочной Т2 фаз удара, полная продолжительность удара Ту, пластическая деформация заготовок ДНп на нагрузочной фазе удара, относительная деформация заготовок £п = ^Н-.
Н заг
Было установлено, что при осадке заготовок бабой с наполнителем происходит существенное увеличение продолжительности нагрузочной фазы удара Т1 (до 1,6 раза), а также степени деформации заготовок еп (до 1,5 раза) по сравнению со стандартной бабой. При этом наибольшее увеличение данных показателей имело место при использовании бабы с наполнителем КМ = 0,2 и Ошар = 12 мм (К1М = 300-10-6).
Также были определены силы деформирования ¥ и работа пластической деформации Адеф при осадке заготовок [2]. Установлено, что применение бабы с наполнителем для осадки заготовок приводит к существенному снижению ¥ (до 1,6 раза), увеличению Адеф и КПД удара (до 1,4 раза) по сравнению с осадкой стандартной бабой. При этом наименьшая сила деформирования, наибольшая работа пластической деформации КПД удара имели место при использовании бабы с наполнителем с КМ = 0,2 и Бшар = 12 мм (Км = 300-10-6).
Таким образом, увеличение продолжительности нагрузочной фазы удара при осадке бабой с наполнителем значительно снижает силу деформирования и увеличивает КПД удара по сравнению с осадкой стандартной бабой.
Результаты экспериментальных исследований по определению сил деформирования и работы деформации при осадке свинцовых заготовок -моделей - бабой с наполнителем с различными отношениями массы одного шарика к массе бабы К1М и отношениями массы всех шариков к массе бабы КМ были распространены на поковки с другими размерами и из других материалов.
Для этого экспериментальные графики зависимостей силы деформирования от величины деформации заготовки были перестроены в относительные графики. При этом значения на осях абсцисс ДНп и ординат ¥ разделили на параметры, характеризующие заготовки и поковки. В результате получили относительные зависимости в виде
_¥_ = , (1)
5 'О, ”Н заг У’
где ДНп - деформация заготовки, мм; 5 - площадь поперечного сечения
60
поковки, мм2; а - напряжение текучести, соответствующее температурноскоростным условиям деформации Мпа; АИзаг - высота заготовки, мм.
По площади, ограниченной построенными графиками для всех экспериментов были определены значения относительной работы деформации А* при осадке заготовок бабой с наполнителем (таблица).
Значения относительной работы деформации А* при ^ осадке бабой с наполнителем с различными К1М и КМ
№ экспер. Км Км = 0,2-10-6 К1м = 1,5-10-6
Ип, мм Опок, мм АИп, мм А И п И заг А* Ип, мм ОпоК1 мм АИп, мм АИ п И заг А*
1 0,2 24,30 51,96 1,70 0,065 0,103 23,75 52,56 2,25 0,087 0,111
0,3 23,90 52,39 2,10 0,081 0,090 23,81 52,49 2,19 0,084 0,095
0,4 23,61 52,72 2,39 0,092 0,083 24,0 52,29 2,00 0,077 0,073
2 0,2 22,34 54,19 3,66 0,141 0,159 21,80 54,86 4,20 0,162 0,224
0,3 21,70 54,99 4,30 0,165 0,180 21,60 55,11 4,40 0,169 0,158
0,4 21,70 54,99 4,30 0,165 0,191 21,90 54,73 4,10 0,158 0,226
3 0,2 20,75 56,23 5,25 0,202 0,254 20,40 56,71 5,60 0,215 0,257
0,3 20,70 56,30 5,30 0,204 0,239 20,60 56,44 5,40 0,211 0,208
0,4 20,70 56,30 5,30 0,204 0,212 20,51 56,56 5,49 0,208 0,225
№ экспер. Км К1м = 40-10-6 К1м = 300-10-6
Ип, мм ОпоК1 мм АИп, мм А И п И заг А* Ип, мм ОпоК1 мм АИп, мм АИ п И заг А*
1 0,2 23,70 52,62 2,30 0,088 0,138 23,50 52,84 2,50 0,096 0,096
0,3 24,01 52,27 1,99 0,077 0,089 23,75 52,56 2,25 0,087 0,110
0,4 23,70 52,62 2,30 0,088 0,117 23,90 52,39 2,10 0,081 0,111
2 0,2 21,70 54,99 4,30 0,165 0,231 21,75 54,92 4,25 0,163 0,181
0,3 22,20 54,36 3,80 0,146 0,202 22,05 54,55 3,95 0,152 0,118
0,4 22,18 54,39 3,82 0,147 0,153 22,30 54,24 3,70 0,142 0,176
3 0,2 20,42 56,68 5,58 0,215 0,265 20,26 56,91 5,74 0,221 0,216
0,3 20,90 56,03 5,10 0,196 0,243 20,58 56,46 5,42 0,208 0,197
0,4 20,60 56,44 5,40 0,208 0,232 20,61 56,42 5,39 0,207 0,274
На рисунке приведены графики зависимостей величины относительной работы деформации А* от соответствующих значений отношения
А И п
И— при осадке бабой с наполнителем с различными КМ (эксперимен-
заг
тальные значения, соответствующие различным К1М, показаны точками).
Полученные зависимости были аппроксимированы прямыми линиями с уравнениями:
А И
- при КМ = 0,2 (рисунок, а) А* = 1Д73 • ^ п ; (2)
заг
- при КМ = 0,3 (рисунок, б)
- при КМ = 0,4 (рисунок, в)
А* = 1,061 • А* = 1,162 •
АН п
Н заг
АН
я _
(3)
(4)
При этом усредненная зависимость относительной работы деформа-А Н„
ции А* от
имеет вид
при осадке бабой с наполнителем с различными КМ и К
А Н
А* = 1,132----------п
В
пок
а
0,3
0,2
0.1
о
0,3
0.2
0.1
•
К
ТТ пок
б
я ______ X
ЛА/„ нпок
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
в
График зависимости относительной работы деформации А*
А Я
от
Я
при осадке бабой с наполнителем:
1М
(5)
а - Км = 0,2; б - Км = 0,3; в - Км = 0,4 •- Кім = 0,210-6; ■- Кш = 1,510Тб; ▲-Кш = 4010Т6; Х- Кш = 30010Т6
Для вывода формулы для определения работы деформации при осадке бабой с наполнителем величину А* умножили на основные параметры, характеризующие реальную поковку и которые были использованы для построения графиков относительных зависимостей (см. рисунок).
62
В результате была получена формула для определения работы деформации при осадке цилиндрических заготовок бабой с наполнителем:
* —1 Адеф = А • Я О, • Изаг = 1,132 •10 •АИп • Я О, . (6)
С учетом масштабного коэффициента п = 4,58, использованного при проведении экспериментальных исследований, получаем формулу для определения работы деформации при осадке на молотах стальных заготовок бабой с наполнителем (Км = 0,2...0,4 и К1М = 0,2-10-6 ... 300-10"6):
Адеф = 1,09 • АИп • Я • °, . (7)
Величину деформации заготовки АИп, входящую в формулу (7) определяют как разность высоты заготовки Изаг и высоты поковки Ипок, заданной чертежом. При этом высоту заготовки определяют через ее объем,
заданный чертежом поковки.
Величину напряжения текучести о5 определяют с помощью соответствующих диаграмм деформирования стали при данных температурноскоростных условиях деформирования. Также за величину <О для сталей
можно принять предел прочности ОВ при температуре окончания ковки, значения которого представлены в справочных таблицах. При этом скорость деформации на молотах учитывают скоростным коэффициентом w.
При осадке на молотах за каждый последующий удар поковка осаживается на меньшую высоту, при этом развиваются большие силы деформирования. Чем больше силы деформирования и чем меньше величина осадки за каждый последующий удар, тем меньше оказывается КПД удара и тем больше происходит потерь на сотрясение шабота, фундамента, упругую деформацию бойков и т.д.
При последнем ударе молота возникают наибольшие силы деформирования и достигается наименьшая величина осадки за весь процесс (обычно не более 10 %). По данным [3], для совершения экономичной осадки за последний удар необходима определенная работа деформации и соответствующая энергия падающих частей, которая будет заведомо достаточна для получения экономичной осадки за предыдущие удары. При этом также предполагается, что КПД удара не меньше определенной величины.
Таким образом, расчет необходимой массы падающих частей ковочного молота можно проводить по последнему удару молота при осадке заготовки.
Работу деформации при осадке заготовок на последнем ударе молота можно определить по формуле
лттнаиб АИ п
Адеф = | (АИп) (8)
0
где ¥ - сила деформирования в течение последнего удара молота; АИп - текущее значение пластической деформации заготовки при осадке; Аипнаиб - наибольшая пластическая деформация заготовки при осадке на последнем ударе молота.
Для цилиндрических поковок ¥ можно определить по формуле
Э. Зибеля
а
1 + 0,17
пок Н пок
(9)
Однако более удобно величину ¥ можно определить по упрощенной формуле
Адеф = РСред -ДИнаиб, (10)
где ¥сред - средняя сила деформирования в течение последнего удара молота.
Расчеты фактических значений ¥ и Адеф, проведенные по данным экспериментальных исследований процесса ударного деформирования при осадке свинцовых цилиндрических заготовок [2] позволили определить значения средней силы деформирования и работы деформации при осадке специальной бабой:
¥сред » 0,63 • ¥наиб , (11)
Адеф = 0,63- Рнашб •ДИГб, (12)
где ¥наиб - наибольшая сила деформирования в окончательный момент последнего удара молота.
Рассчитанная таким образом работа деформации при осадке заготовок на последнем ударе молота составляет некоторую определенную часть от всей энергии удара падающих частей молота А, которую можно определить по формуле
Оф -V2
А = -Ф^, (13)
где Оф - фактическая масса падающих частей молота, кг; Оф = 1,25 Оном; Оном - номинальная масса падающих частей молота, кг; V - начальная скорость бабы молота при ударе (для ковочных молотов V = 5.. .7 м/с).
Для V = 7 м/с получаем
А = 3,110 2 • Он0м, кДж (14)
Согласно полученным экспериментальным данным при осадке специальной бабой пу = 0,82.0,92. Отсюда энергия, необходимая для деформирования заготовки специальной бабой молота
Адеф =Л у • А или
Адеф » 2,7-10-2 •Оном,кДж. (15)
Приравняв необходимую энергию деформирования заготовки к энергии, определенной по формуле (12) и подставив соответствующие значения ¥наиб, определяемые по формуле Э. Зибеля, получаем
За величину ов для сталей можно также принять предел прочности аВ при температуре окончания ковки, значения которого представлены в справочных таблицах. При этом скорость деформации на молотах учитывают скоростным коэффициентом w, следовательно,
где w - коэффициент, учитывающий скорость деформации. По данным А.В. Ребельского w = 3,2 - (1 - 0,0005 • DnoK), где DnoK - диаметр поковки, мм; z - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения температуры и деформации в поковке, z =1,2; ß - коэффициент, учитывающий влияние сил трения, формы поковок и характера напряженного состояния штамповки, ß = 2,4; sB - напряжение текучести материала при температуре окончания штамповки (из справочника).
В результате была предложена формула для нахождения массы падающих частей ковочного молота при осадке заготовок бабой с наполнителем (КМ = 0,2...0,4 и К1М = 0,2-10-6 ... 300-10-6:
Формула (18) показывает зависимость необходимой для осадки массы падающих частей молота от основных факторов: высоты, диаметра и площади поперечного сечения поковки, величины деформации заготовки и величины аБ, зависящей от температуры окончания ковки.
Предлагаемые формулы (7) и (18) применимы при расчете работы деформации и массы падающих частей ковочного молота при осадке заготовок из углеродистых и низколегированных сталей при крупносерийном и массовом производстве поковок. При мелкосерийном производстве возможно применение молотов с меньшей массой падающих частей при условии увеличения количества ударов при ковке.
Пример. Необходимо определить массу падающих частей и число ударов ковочного молота для осадки заготовки с размерами Эзаг = 150 мм, Нзаг = 100 мм. Осадку провести до высоты Нпок = 80 мм. Температура начала осадки 1200 °С, температура окончания осадки 900 °С.
Материал заготовки: сталь 40Х, предел прочности ов= 400; 20 и 45МПа при температуре і = 20; 1200 и 900°С соответственно.
Диаметр поковки после осадки
Оном = 8,7 10-6 'Ss-S- 1 + 0,17-D»
пок
(16)
as = W'Z' ßoB
(17)
2 2 Объем заготовки р °заг • нзаг = 3,14 4150 • 100 = 1767145 мм 3 .
Масса заготовки тзаг = Узаг • р = 1767145 • 7,85 • 10-6 = 13,2 кг.
Площадь
поперечного
сечения
поковки
4
4
Работу деформации при осадке на молотах цилиндрических заготовок из низкоуглеродистых сталей при использовании бабы молота с наполнителем определяем по формуле (7)
Массу падающих частей ковочного молота при использовании бабы молота с наполнителем определяем по формуле (18)
Выбираем ковочный молот с массой падающих частей 1000 кг и энергией удара 25 кДж.
Число ударов молота
Также были определены значения Адеф и Оном по известным формулам, приведенным в [3]. При этом Адеф~ 20 кДж и Оном ~ 880 кг при числе ударов молота я~ 5, что соответственно в 1,2 раза больше работы деформации и в 1,7 раза больше массы падающих частей ковочного молота при осадке, вычисленных по предлагаемым формулам (7) и (18).
1. В результате проведенных экспериментальных исследований процесса ударного деформирования при осадке заготовок установлено, что увеличение продолжительности нагрузочной фазы удара (до 2,5 раза) при осадке бабой с наполнителем приводит к существенному увеличению степени деформации заготовок (до 1,3 раза), снижению силы деформирования (до 1,35 раза) и увеличению работы пластической деформации и КПД удара (до 1,15 раза) по сравнению с осадкой стандартной бабой.
2. Предложена новая формула для определения работы деформации при осадке заготовок на ковочных молотах при использовании бабы с наполнителем.
Адеф = 1,09• АНп • Б •о5 = 1,09• 20• 17671 • 45»17,3 кДж
1 /^7 7
80,2 • 10-6 • (1 - 0,0005 • 167,7) • 45 • 17671 • (1 + 0,17--------------------) • 20 = 531 кг.
80
п =
Выводы
3. Расчет необходимой массы падающих частей ковочного молота проведен по последнему удару молота при осадке заготовки. Предложена новая формула для определения массы падающих частей молота при осадке заготовок на ковочных молотах при использовании бабы с наполнителем.
4. Предлагаемые формулы применимы при расчете осадки заготовок из углеродистых и низколегированных сталей в условиях крупносерийного и массового производств поковок. При мелкосерийном производстве возможно применение молотов с меньшей массой падающих частей при условии увеличения количества ударов при ковке.
Список литературы
1. Феофанова А.Е., Лавриненко В.Ю. Экспериментальные исследования процесса удара при осадке цилиндрических заготовок // Заготовительные производства в машиностроении. 2012. № 2. С. 12-15.
2. Лавриненко В.Ю. Определение энергосиловых параметров процесса ударного деформирования при осадке цилиндрических заготовок // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2012. №7. С. 24-28.
3. Ковка и штамповка: справочник в 4 т. Т.1. Материалы и нагрев. Оборудование. Ковка / под общ. ред. Е.И. Семенова. М.: Машиностроение, 2010. 717 с.
Лавриненко Владислав Юрьевич, канд. техн. наук, доц., mpf-tula@rambler.ru. Россия, Москва, Московский государственный индустриальный университет,
Феофанова Анна Евгеньевна, д-р техн. наук, проф., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Москва, Московский государственный машиностроительный университет
CALCULATION OF ENERGY-POWER PARAMETERS OF DROP FORGING HAMMER
V. U. Lavrinenko, A.E. Feofanova
Results of the experimental and theoretical researches of the impact deformation during upsetting of cylindrical workpieces with decreasing of impact load and increasing of work ofplastic deformation are shown. New formulas for definition of deformation work and drop parts mass during hammer upsetting are proposed.
Key words: upsetting, impact deformation, ram of hammer, drop forging, high-speed video camera
Lavrinenko Vladislav Urievich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Moskow, Moscow state industrial university,
Feofanova Anna Evgenivna, doctor of technical sciences, professor, tula@rambler.ru, Russia, Moskow, Moscow state machine-building university
