CC BY
203
УДК 621.771
РАСЧЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОСАДКИ
И ПРОТЯЖКИ БАБОЙ МОЛОТА С НАПОЛНИТЕЛЕМ
В.Ю. Лавриненко
Проведенные экспериментально-теоретические исследования процесса ударного деформирования при осадке позволили установить, что применение бабы молота (копра) с наполнителем в виде стальных шариков приводит к увеличению продолжительности удара и КПД удара по сравнению с осадкой стандартной ба-бой.Использование разработанных рекомендаций по расчету процессов осадки и протяжки на молотах при деформировании бабой молота с наполнителем обеспечивает увеличение КПД удара и КПД работы молота, экономию энергии и увеличение производительности работы оборудования.
Ключевые слова: осадка, ударное деформирование, баба молота с наполнителем, ковочный молот.
Эффективность ударного деформирования при ковке и штамповке на молотах определяют коэффициентом полезного действия (КПД) удара, который равен отношению работы пластической деформации Адеф заготовки к энергии падающих частей молота Ь в начале удара. Основным недостатком ковки и штамповки на молотах является низкий КПД удара вследствие возникновения при ударе больших сил и, вследствие этого, потерь энергии на упругую деформацию поковки и деталей молота, трение и колебания шабота и фундамента. Это снижает КПД работы всего молота и повышает расход энергии [1].
Проведенные ранее экспериментально-теоретические исследования процесса ударного деформирования при осадке цилиндрических заготовок бабой молота (копра) с наполнителем в виде стальных шариков с увеличением продолжительности ударного взаимодействия позволили установить, что применение бабы молота с наполнителем приводит к увеличению продолжительности нагрузочной фазы удара (до 3 раз), увеличению интенсивности формоизменения и степени деформации заготовок (до 1,3 раза), снижению силы деформирования (до 1,4 раза) и увеличению работы пластической деформации и КПД удара (до 1,15 раза) по сравнению с осадкой цельной бабой [2, 3].
Поэтому повышение эффективности процесса ударного деформирования на молотах путем увеличения продолжительности ударного взаимодействия инструмента с заготовкой позволяет повысить КПД удара и молота и снизить расход энергии и затраты на производство. При этом перегрева инструмента также не происходит.
В общем случае при проектировании технологических процессов ковки на молотах проводят разработку чертежа поковки; определяют оп-
тимальные размеры заготовок; проводят выбор технологической схемы и операций ковки; назначают температурный интервал ковки, режимы нагрева заготовки и охлаждения поковки; определяют силы деформирования и работу деформации для рационального выбора оборудования, а также для расчета прочности и стойкости инструмента; определяют число переходов и режимы ковки, а также определяют технико-экономические показатели разрабатываемого технологического процесса.
Исходным документом для разработки чертежа поковки является чертеж готовой детали. В настоящее время основные типы поковок, величины кузнечных напусков, припусков и допусков регламентируют ГОСТ 7829-90 и ГОСТ 8479-90 при ковке поковок на молотах из проката или мелких слитков.
Размеры и масса заготовки, если это слиток, должны обеспечивать необходимую уковку и степень деформации по сечениям поковки для достижения требуемых механических свойств металла и достаточный объем металла для изготовления поковки с учетом различных отходов.
Масса заготовки шзаг, предназначенной для изготовления требуемой поковки, зависит от вида исходной заготовки (слиток или прокат), состава кузнечного оборудования и технологической схемы ковки. Обычно ковку проводят из проката. При этом:
шзаг _ шпок + шуг + шотх , (1)
где шпок - масса поковки; шуг - масса материала, теряемого на угар; шотх -масса отходов (концевые отходы, технологические отходы и т.п.).
Основное формоизменение заготовки при ковке происходит за счет операции осадки и протяжки. При осадке уменьшается высота заготовки с одновременным увеличением ее поперечных размеров. При этом заготовку устанавливают вертикально, деформирование происходит вдоль оси заготовки, а плоскости бойков полностью перекрывают торцы заготовки от начала до конца осадки.
Осадку характеризуют величиной степени деформации £, определяемой выражением:
£ _ Нзаг — Нпок _ АН (2)
н н ' ,
заг заг
где Нзаг - высота заготовки; Нпок - высота поковки; АН - деформация заготовки, АН _ Нзаг - Нпок
Степень деформации при осадке изменятся от 0 до 1.
После расчета массы заготовки из условия постоянства массы (объема) заготовки и поковки для осадки определяют диаметр Озаг и высоту Нзаг исходной заготовки, а также диаметр поковки Опок :
Впок = В заг
. (3)
ТТ 4 '
пок
При протяжке происходит удлинение заготовки или ее части за счет уменьшения площади поперечного сечения (рисунок).
а б
Схема процесса протяжки (а); исходная заготовка и поковка (б): Нзаг и Взаг - высота и ширина заготовки;
Нпок и Впок - высота и ширина поковки;
Н и В - размеры промежуточной пластины; Ь - подача
Процесс протяжки характеризуют:
- величиной степени деформации 8 за один проход, определяемой по формуле (2). Степень деформации за проход не должна превышать 0,3 во избежание зажимов;
- коэффициентом уширения
_ (Впок — Взаг ) ' Нпок
чения
/ =
(Нзаг — Нпок ) ' Взаг (4)
величиной уковки, равной отношению площадей поперечного сеР Н • В 1
У = £за^ =п заг »заг или У =---------------- (5)
р Н • В 1 -8(1 - /’)
1 пок 11пок юпок ^ >
- величиной относительной подачи
Х = — , (6)
Н
где Н - размер сечения в направлении приложения силы, 0,5 <А,< 1
Расчет режима протяжки по схеме квадрат - пластина - квадрат (рис.1,б) включает:
1) определение размеров исходной квадратной заготовки Нзаг =
Взаг = сзаг по известным размерам поковки Нпок = Впок = апок и значению суммарной уковки У*
рзаг а іаг /т т*
У = -¡Т^ = -?Г азаг = а^^У (7)
пок апок
2) задание степени деформации 8 за один проход;
3) определение коэффициента уширения /;
4) определение уковки У за один проход;
5) определение числа проходов.
Далее по найденным размерам Нзаг и Озаг для осадки и протяжки выбирают заготовку из проката по соответствующим ГОСТам, нормалями или отраслевым стандартам.
При этом исходная высота заготовки во избежание продольного изгиба при деформировании должна удовлетворять условию:
- при осадке: Нзаг < 2,2' Озаг; (8)
- при протяжке: Н заг < 2,5Взаг. (9)
Далее назначают допустимые температурные интервалы ковки заготовок [1].
При осадке заготовок для выбора ковочного молота с бабой с наполнителем расчет необходимой работы деформации Адеф и массы падающих частей молота Оном на последнем ударе молота проводят по формулам:
Адеф = 10,05' 102 • (1 - 0,0005' Опок) АН • 5 оВТ, [кДж] (10)
а Г О.... /
АН, [кг] (11)
Сном - 27-1о3 -(1 - 0,0005 • Опок )•аВТ ^
1 + 0,17 Т°пок-
Н пок
где АН - деформация заготовки, м; Опок - диаметр поковки, м; 5 - пло-
2
щадь поперечного сечения поковки, м ; овт - предел прочности материала поковки при температуре окончания ковки Т, МПа.
При протяжке заготовок для выбора ковочного молота с бабой с наполнителем рассчитывают необходимую работу деформации Адеф и массу падающих частей молота О ном на последнем ударе по формулам:
Адеф = 10,09'102 '(1 -0,0005' Опр)'АН' Взаг 'I'оВТ , [кДж] (12)
Сном - 0,15 •103 у • (1 - 0,0005 • Опр ) • аВТ • Взаг •1'
1 + 0,17- 1
Взаг
• АН, [кг] (13)
где V - коэффициент, учитывающий форму бойков (для плоских бойков V = 1, для вырезных бойков V = 1,25); Взаг - ширина заготовки, м; г - подача, м; АН - деформация заготовки, м; опр = 1,13'45 - приведенный диаметр по-
2
ковки, м; 5 = Вза г - площадь проекции поковки в плане, м ; о вт - предел прочности материала поковки при температуре окончания ковки Т, МПа.
Выбор молота проводят по энергии удара и массе падающих частей. Основные параметры и размеры ковочных молотов представлены в справочнике [1].
Далее при расчете осадки необходимо провести проверку отношения массы заготовки и массы падающих частей выбранного молота О, ко-
торое должно быть равно или меньше допустимой величины 0,02 [3]:
т_з
О
Полную работу деформации при осадке определяют по формуле М.В .Сторожева:
K3aг -^0^ ^ 0,02. (14)
Апполн Оs • Vзаг
ІП Нзаг + 2 ^( Опок - Озаг ) Нпок 9 Нпок Н заг
(15)
где Од - напряжение текучести материала заготовки, МПа.
Общее число ударов молота при ковке равно отношению полной работы деформации Аполн , необходимой для получения поковки с заданными размерами, к энергии молота за один удар Адеф :
А А
п — ГЛполн — ГЛполн (16)
Адеф Л у • Ь ,
где Ь - энергия выбранного ковочного молота с массой падающих частей С; пу = 0,82...0,92 - КПД ударного деформирования при ковке на молотах при использовании бабы молота с наполнителем.
Методика расчета предлагаемой бабы ковочного молота с наполнителем представлена в работе [4]. При расчете определяют размеры и массу наполнителя в виде стальных шариков, состоит из корпуса, крышки, пружины для фиксации наполнителя в виде металлических шариков, а также размеры внутренней полости бабы молота с наполнителем.
Наружные размеры корпуса 1 бабы ковочных паровоздушных молотов определяют в зависимости от массы бабы:
тбабы — С - Мштока - Мпоршня - Минстр, [кг] (17)
где Мштока и Мпоршня, - массы штока и поршня согласно ГОСТ 9752-85;
Минстр - масса инетрумжа Минстр ^ 0,25 •• С.
Корпус бабы может быть изготовлен из сталей 45, 35Х, 40ХН и 40ХН3. Для закрепления верхнего бойка в нижней части бабы молота делают паз, размеры которого назначают согласно ГОСТ 6039-82.
Пример 1. Выбрать ковочный молот, рассчитать число ударов молота и определить основные конструктивные параметры бабы молота с наполнителем для осадки заготовки с размерами Бзаг = 0,15 м, Нзаг = 0,1 м. Осадку провести до высоты Нпок = 0,08 м. Температура начала осадки 1200°С, температура окончания осадки 900°С. Материал заготовки: сталь 40Х, предел прочности о вт = 400; 20 и 45МПа при температуре Т = 20; 1200 и 900°С соответственно.
Расчет. 1. Диаметр поковки после осадки:
Опок Озаг
Нзаг — 0,15 •
Нпок "\
39
0,1 — 0,168м
0,08
2. Объем заготовки:
Узаг = • Н заг = ^І^ІУ52 • 0,1 = 0,001766м3
3. Масса заготовки: тзаг = Узаг • р = 0,001767 • 7850 = 13,87кг
4. Площадь поперечного сечения поковки:
5 = п-Оцок = 3,14 •0,168 = 0,02216м2 44
5. Работу деформации при осадке на молотах бабой с наполнителем определяем по формуле (10):
Адеф = 10,05 • 102 • (1 - 0,0005 • 0,168) • 0,02 • 0,02216 • 45 = 20,04кДж
6. При осадке массу падающих частей ковочного молота при использовании бабы молота с наполнителем определяем по формуле (13):
Оном = 27 • 103 • (1 - 0,0005 • 0,168) • 45 • 0,02216 • (1 + 0,17 • °1^8) • 0,02 = 730кг
0,08
По справочнику [1] выбираем паровоздушный ковочный молот арочного типа с массой падающих частей О = 1000 кг и энергией удара Ь = 25 кДж.
7. По формуле (15) проводим проверку отношения массы заготовки и массы падающих частей выбранного молота О, которое должно быть равно или меньше допустимой величины 0,02:
13 87
Кзаг = —— « 0,01387 < 0,02 заг 1000 •
8. Полную работу деформации при осадке определяем по формуле
(15):
ІП Нзаг + 2Рпок _ Рзаг ) Н пок 9 Н пок Н заг
9,2 • (1 _ 0,0005 • Б пок ) - а В Узаг
ІП Нзаг + 2Рпок _ Рзаг ) Нпок 9 Нпок Н заг
9,2 • 10 • (1 _ 0,0005 • 0,168) • 45 • 0,001766
т 0,1 2 _ 0.0,168 0,15.
1п--------\— 0,3(------------------)
0,08 9 0,08 0,01
= 73,6кДж.
По формуле (16) определяем число ударов молота:
п = = ^736_ = 3,2 * 3.
Пу • Ь 0,9 • 25
10. Определим конструктивные параметры бабы молота с наполнителем в виде стальных шариков по формулам (17)-(24).
Масса одного шарика: Щшар = 280 • 10-6 • 1000 = 280 • 10-3кг Соответственно, диаметр шарика:
°шар = 0,062• 103 • 3280 -10-6 1000 - 40мм Масса всех шариков: тшар = 0,17 • 1000 = 170 кг Сила поджатия шариков: Рпруж > 170 • 9,81 - 1670 Н ,
Объем внутренней полости бабы молота с наполнителем:
„ = 0,17 1000 -106 = , 21П6 ....3
* полости = 0 7 785 = 3,2 10 мм
Пример 2. Определить массу падающих частей молота для протяжки на плоских бойках заготовки высотой и шириной Нзаг = Взаг = 0,1 м при подаче ь = 0,1 м и степени деформации за один проход е= 0,1. Материал заготовки: сталь 20, предел прочности о вт = 36МПа при температуре Т = 1100°С.
Расчет. Массу падающих частей ковочного молота при использовании бабы молота с наполнителем определяем по формуле (14)
Оном = 0,15-103 •Ь(1 -0,0005• 1,13• д/0,1 • 0,1)• 36• 0,1 • 0,1 х
х
1 + 0,17 —
0,1
• 0,01 = 632кг.
Вывод. Использование разработанных рекомендаций по расчету процессов осадки и протяжки на молотах при использовании бабы молота с наполнителем, включающих расчет размеров заготовки, определение массы падающих частей молота и выбор ковочного молота, определение числа ударов молота, расчет основных параметров бабы молота с наполнителем, обеспечивает увеличение КПД удара и КПД работы молота, увеличение производительности работы оборудования, а также экономию энергии и металла.
Список литературы
1. Ковка и штамповка: справочник. Т. 1. Материалы и нагрев. Оборудование. Ковка / под общ. ред. Е.И. Семенова. М.: Машиностроение, 2010. 717 с.
2. Феофанова А.Е., Лавриненко В.Ю. Экспериментальные исследования процесса удара при осадке цилиндрических заготовок // Заготовительные производства в машиностроении. 2012. № 2. С. 12-15.
3. Феофанова А.Е., Лавриненко В.Ю. Построение математической модели процесса удара при осадке цилиндрических заготовок // Заготовительные производства в машиностроении. 2012. №11. С.16-18.
4.. Патент на изобретение № 2438825 РФ. Баба молота /
А.Е. Феофанова [и др.]. 0публ.10.01.2012. Бюл. № 1.
Лавриненко Владислав Юрьевич, канд. техн. наук, доц., mpf-tula@ rambler.ru, Россия, Москва, Московский государственный индустриальный университет
DEVELOPING OF TECHNOLOGICAL PROCESSES OF UPSETTING AND DRAWING
BY RAM OF HAMMER WITH FILLETS
V.Yu. Lavrinenko
Experimental possibility for increasing of strain of cylindrical workpieces and impact efficiency during upsetting by using special ram is shown. Recommendations for developing of technological processes of upsetting and drawing by ram of hammer with fillets will allow to increase impact and hammer efficiency, to reach a energy economy and increasing of productivity of equipment.
Key words: efficiency of impact, upset process, hammer, drop forging.
Lavrinenko Vladislav Yurievich, candidate of technical sciences,, associate professor, mpf-tula@ rambler.ru, Russia, Moscow, Moscow state industrial university
УДК 539.374; 621.983
НАБОР КРАЕВОГО УТОЛЩЕНИЯ НА КОРПУСНОЙ ЗАГОТОВКЕ
ПРИ ЛОКАЛЬНОМ НАГРЕВЕ
В.Н. Чудин, А. А. Перепелкин, А. А. Пасынков
Приведены математическая модель операции набор краевого утолщения на корпусной заготовке при локальном нагреве. Получены соотношения для оценки деформационных, силовых параметров операции и сплошности материала.
Ключевые слова: математическая модель, ползучесть, кратковременная ползучесть, напряжение, деформация, скорость деформация, нагрев, осадка, сплошность.
Крупногабаритные цилиндрические или конические корпуса изделий специального назначения изготавливают из труб или поковок. Краевые части корпусов имеют утолщения для качественного соединения с другими элементами изделия. Получение утолщений за счет осадки требует нагрева зоны деформации, т.к. материалы заготовок - высокопрочные сплавы. Деформируемый материал заготовки проявляет вязкие свойства (ползучесть). При этом процесс деформирования и, следовательно, качество
42
