CC BY
10
ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.777.24
РАСШИРЕНИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ХОЛОДНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ВТУЛОК КОМБИНИРОВАНИЕМ ИХ В ЕДИНУЮ ДЕТАЛЬ
А.М. Дмитриев, Н.В. Коробова
Приведены математические модели зависимости относительной удельной деформирующей силы, создаваемой пуансоном, и соотношения высот выдавленных стенок от размеров детали, построенные по результатам экспериментального исследования выдавливания сдвоенных втулок из стали 10. Показана возможность оценки стойкости пуансонов при выдавливании заготовок из различных сталей. Экспериментально доказано наличие самоцентрирования выдавливающего полость пуансона при двухканальном течении металла заготовки. Продемонстрировано увеличение стойкости пуансонов при объединении выдавливаемых втулок в комбинированные детали.
Ключевые слова: Холодная объемная штамповка выдавливанием, втулки сдвоенные, силы контактного трения активно направленные, стали углеродистые, стали легированные.
Холодная объемная штамповка (ХОШ) имеет преимущества перед горячей в том, что отсутствует окалина, возможно изготавливать штампованную деталь, имеющую минимальные припуски и нуждающуюся лишь в незначительных доводочных операциях. При ХОШ в штамповочных цехах отсутствуют нагревательные устройства и горячий металл, что существенно повышает культуру труда. Кроме того, процесс ХОШ легче механизировать и автоматизировать, чем процесс горячей штамповки. ХОШ сопровождается упрочнением материала заготовки, что также может рассматриваться как преимущество, если из малоуглеродистой стали требуется изготавливать детали, обладающие высокой прочностью.
ХОШ имеет два основных недостатка. Первый - это невысокая пластичность заготовок, поскольку рекристаллизация отсутствует, и существенные межзеренные деформации вызывают разрушение заготовки. Формоизменение, происходящее в результате внутризеренных деформаций, помимо ограничения пластичности, приводит к анизотропии механических свойств изготавливаемых штампованных деталей. Второй - очень большая величина удельной силы, которую необходимо приложить к заго-
444
товке со стороны инструмента, чтобы привести заготовку в пластическое состояние и осуществить ее формоизменение. Удельная сила определяется как сила, необходимая для деформирования заготовки, деленная на площадь сечения инструмента, перпендикулярного действию деформирующей силы. Таким образом, удельная сила - это усредненное напряжение в направлении, поперечном движению деформирующего заготовку инструмента.
Величина удельной, деформирующей заготовку силы зависит от напряжения текучести материала заготовки as, определяемого по кривым упрочнения (рис. 1).
Напряжение as надо создать и поддерживать в заготовке, чтобы осуществлялось ее непрерывное формоизменение, несмотря на происходящее упрочнение ее зерен. Удельная деформирующая сила q при ХОШ детали типа стакана определяется как произведение as на функцию, значение которой составляет несколько единиц (для деталей рассматриваемого в статье типа не менее 2,5). Указанная функция определена разными учеными в результате проведенных ими теоретических и экспериментальных исследований.
éç, Н/мм2 700
500
300
1001 1 "
0 0,2 0,4 0,6 е, %
Рис. 1. Кривая упрочнения стали 10 после нагрева до 680 ... 700 0С, выдержки 3 ч, охлаждения с печью
По оси абсцисс графика на рис. 1 отложена величина степени деформации заготовки. Степень деформации изменяется в ходе формоизменяющей операции, что можно строго оценить с использованием методики, приведенной в работе [1].
После определения q оценивают сопротивление пуансонов усталости. На рис. 2 приведена кривая сопротивления усталости деформирующих заготовку пуансонов, изготовленных из сталей Р18 и Р6М5 и закаленных на 61...63 HRC.
Данная кривая построена на основании экспертных оценок, собранных авторами данной статьи на протяжении нескольких десятков лет и приведенных в работе [2]. По этой кривой можно определить, во сколько раз увеличится сопротивление пуансона усталости при снижении удельной силы ХОШ, например на 10 %.
При попытках подвергать ХОШ заготовки из среднеуглеродистых и существенно легированных сталей удельная сила, действующая на пуансон, превышает 2500 МПа, и его сопротивление усталости становится неудовлетворительным .
ч,
МПа
2500
2200 -2000 -
0 1000 3000 N
Рис. 2. Кривая сопротивления пуансонов усталости: q - удельная сила;
N - количество циклов, которые может выдержать пуансон
Будет ли возможность реализации ХОШ ограничена разрушением заготовки или недостаточным сопротивлением пуансона усталости (в предельном состоянии - его прочностью), зависит от величины гидростатического давления, при котором осуществляется требуемое формоизменение заготовки.
Гидростатическое давление - это среднее нормальное напряжение: оср = (01 + о2 + о3)/3 = (ох + оу + о2)/3, которое равно одной трети первого инварианта тензора напряжений. Термин применяют, если величина оср отрицательна.
Напряженное состояние, определяемое шаровым тензором, представляет собой всестороннее равномерное сжатие (если Оср отрицательно) или всестороннее равномерное растяжение. Такое напряженное состояние не может вызвать изменения формы тела, возможны лишь изменение его объема (при упругой деформации) и разрушение.
Вычитание шарового тензора из тензора напряженного состояния точки деформируемого тела дает девиатор напряжений, который описывает изменение формы тела без изменения объема.
Чем больше величина гидростатического давления, тем сильнее зерна прижаты друг к другу и тем меньше возможность протекания межзе-ренных деформаций. Как следствие, возможно достижение существенного формоизменения заготовки при холодной пластической деформации за счет внутризеренных деформаций без образования и развития микротрещин по границам зерен. Однако увеличение гидростатического давления приводит к увеличению удельной силы, требуемой для осуществления формоизменения, и ограничению области применения ХОШ по причине недостаточного сопротивления пуансонов усталости.
Поскольку область применения ХОШ ограничивают две изложенных выше причины, введено понятие технологической деформируемости [3]. Это комплекс свойств тела, включающий деформируемость и общую силу при обработке давлением, которые зависят от пластичности и сопротивления материала деформации.
В данной статье внимание сосредоточено на изготовлении полых осесимметричных деталей типа стаканов деформированием цилиндрических заготовок. При этом гидростатическое давление в деформируемой заготовке большое, и возможность деформирования ограничивается величиной q и, как следствие, сопротивлением пуансонов усталости.
446
ХОШ позволяет изготавливать детали с очень высокой точностью диаметральных размеров, имеющие настолько незначительную шероховатость поверхностей, что она выглядит зеркальной. Указанные преимущества ХОШ содержат в себе и скрытые недостатки. Чтобы пояснить эти недостатки, рассмотрим для сравнения технологический маршрут изготовления деталей с помощью горячей объемной штамповки.
Поковки деталей, полученные горячей объемной штамповкой, как правило, имеют существенные напуски и припуски по сравнению с чертежами деталей. Эти напуски и припуски удаляют обработкой штампованной поковки резанием, всегда сопровождающей ее штамповку и позволяющей изготовить детали, имеющие размеры с заданной их точностью, а также заданную шероховатость поверхностей деталей.
Напуски и припуски на размеры, заданные чертежом детали, при горячей штамповке поковок деталей предусматривают по следующим причинам. Это невозможность точного дозирования объема отрезаемой от прутка заготовки, необходимость удаления металла, окисляющегося или подвергающегося обезуглероживанию на поверхности заготовки при ее нагреве под штамповку, необходимость иметь технологические уклоны, облегчающие выталкивание штампованной поковки из штампа (поскольку трение на контакте с инструментом при горячей объемной штамповке существенно выше, чем при ХОШ).
В то же время при ХОШ заготовки, максимально приближенной по форме к готовой детали, стремятся напуски и припуски сократить до минимума по возможности вообще отказаться от обработки штампованной заготовки резанием, т.е. штамповать сразу готовую деталь. При этом возникают трудности, не характерные для горячей объемной штамповки.
В частности, при штамповке детали типа цилиндрического стакана имеет место проблема обеспечения заданного чертежом детали жесткого требования к соосности полости с внешней поверхностью детали. При изготовлении закрытой прошивкой детали, показанной выше на рис. 3, вследствие неравномерного истощения смазочного слоя под торцом пуансона, неравномерной структуры прутка, из которого изготовлена заготовка, создаются условия для увода пуансона от оси, и вблизи дна штампованной детали может иметь место неравномерная толщина стенок.
Рис. 3. Фотографии заготовки и штампованного из нее стакана
447
Эффективным путем обеспечения самоцентрирования, выдавливающего полость в заготовке пуансона на оси изготавливаемой детали, является обеспечение двухканального течения металла деформируемой заготовки на протяжении всего этапа ее деформирования. Примером двухка-нального выдавливания является операция, реализуемая при производстве деталей типа сдвоенных втулок (рис. 4).
IV
1
£ г*,
//
1 Г / / / / / 1 1 7~ / / / / /
9. У// / / /// 'Л
г гг
у гя
Рис.4. Деталь типа сдвоенной втулки
К таким деталям относятся шпульные колпачки швейных машин, корпуса электромагнитов постоянного тока и др. Их целесообразно изготавливать с использованием технологической схемы, показанной на рис. 5.
Уп
Рис. 5. Схема комбинированной закрытой прошивки с активно направленными напряжениями контактного трения
448
На рис. 5 показан штамповый инструмент для ХОШ с активно направленными напряжениями контактного трения деталей рассматриваемого типа. Слева от оси инструмент находится в положении перед началом закрытой прошивки, а справа от оси - в конце прошивки заготовки. Заготовка 3, имеющая осевое отверстие, в которое входит рабочая часть оправки 5, размещается в матрице 2. Пуансон 1 неподвижен, а заготовка 3 деформируется относительно него под действием перемещающегося со скоростью 1'п контрпуансона 4.
Величина 1\, характеризует направление напряжений контактного трения. В зависимости от направления перемещения матрицы (на схеме условно обозначено ум = 0 или у\, = 2), меняя направление напряжений контактного трения, можно создать преимущественное течение металла, соответственно в стенку внутренней втулки или в стенку внешней втулки детали и обеспечить таким образом заданное соотношение высот стенок. Значение ум = 1 соответствует закрытой прошивке в неподвижной матрице.
На рис. 4 фактические размеры изготавливаемой детали обозначены буквами с чертой сверху. В то же время в описанном ниже исследовании приняты следующие относительные размеры:
О ^ 7 1 ^ ^ Л/ ^ /и
д = —; г = — = 1; п = —; г2 = —; АИ = — . (1)
г г г г I
Размер А/г имеет положительный знак, если длина внутренней втулки меньше длины внешней, и отрицательный, если внутренняя втулка длиннее внешней.
Использование относительных размеров расширяет область применения математических моделей, полученных ниже путем обработки результатов штамповки образцов с экспериментальными размерами. Эти модели можно применять для расчета параметров зарытой прошивки при производстве деталей с размерами, отличными от размеров экспериментальных образцов. При этом для деталей с производственными размерами следует сначала перевести их заданные чертежом размеры в относительные величины с использованием формул (1), а затем рассчитать параметры штамповки.
При расчете относительной удельной силы £//оЛ напряжение текучести деформируемого материала заготовки определяется по кривым истинных напряжений, в частности, по кривой, приведенной на рис. 1, или по кривым из справочника [1] в зависимости от степени деформации, рассчитываемой по формуле
е = (\-г2+г22)/(1?-г22). (2)
Поскольку удельная сила q имеет размерность в МПа и напряжение текучести оЛ также в МПа, относительная удельная сила д/Оз является безразмерной величиной.
Величины относительной удельной силы и значений АИ высот внутренней и внешней выдавленных сдвоенных стенок описаны полученными авторами данной статьи, в результате экспериментов проведенных на заготовках из стали 10, следующими математическими моделями [4]:
ц/ъ = 18,22 Я2- 43,98 Я + 33,6г? - 24,62г1 - 8,06г22 + 2,62г2 -
- 0,17 V2 + 0,24 ^ + 34,51, (3)
А И = - 6,13 Я2 + 16,4 Я + 43,2 г12 - 31,4 г1 + 5,37 г22 + 0,02 г2 +
+ 0,17 V2 - 0,29 ^ - 5,36. (4)
При использовании в качестве исследуемого параметра величины относительной удельной силы математические модели, построенные по результатам эксперимента на стали 10, можно использовать для расчета удельной силы деформирования заготовок не только из этой марки, но и из других марок стали.
Для этого по математической модели (3) надо рассчитать величину д/о, затем в справочнике, например [1], надо найти диаграмму истинных напряжений для той стали, которая задана чертежом изготавливаемой детали. По этой диаграмме истинных напряжений в зависимости от степени деформации, рассчитанной по формуле (2), определить напряжение текучести для заданной стали. Рассчитанную по математической модели величину надо умножить на определенную по диаграмме истинных напряжений величину о5 и определить удельную силу выдавливания для заданной стали.
Одновременно с изменением направления преимущественного течения металла, напряжения контактного трения влияют на величину силы выдавливания. Если скорость перемещения матрицы Vм в направлении, обозначенном на рис. 5 стрелкой Vм = 2, больше скорости истечения металла в стенку внешней втулки штампуемой детали, то направление напряжений трения на контакте заготовки с матрицей уменьшает выдавливания заготовки, которую должен создать пуансон. Удельная сила выдавливания, создаваемая пуансоном, уменьшается на 10...15 %. В результате такого снижения удельной силы, как можно оценить по приведенной выше на рис. 2 кривой сопротивления пуансонов усталости, срок службы пуансонов увеличивается примерно в 1,5 раза.
Для снижения напряжений контактного трения между стенкой внутренней втулки штампуемой детали и оправкой последняя имеет возможность перемещаться под действием трения вслед за направлением течения металла в стенку внутренней втулки. ХОШ в соответствии с приведенной на рис. 5 схемой можно осуществлять на созданных по чертежам авторов данной статьи специализированных прессах [5 - 7].
Для подтверждения этого тезиса о самоцентрировании пуансона при двухканальном течении металла проведен следующий эксперимент. Заготовку для выдавливания, аналогичную заготовке, показанной на рис. 3, сделали состоящей из двух половинок, разрезанных в меридиональном се-
450
чении, совпадающем с осью заготовки. Одна из половинок была изготовлена из алюминиевого сплава АД1, а другая - из меди М1.
При внедрении пуансона в такую комбинированную заготовку можно предположить, что условия неодинакового трения на половинках его торца, очень существенная неравномерность структуры заготовки в ее поперечном сечении намного превышают различие этих факторов, которые могут иметь место при внедрении пуансона в заготовку, изготовленную целиком из одного материала.
Результат выдавливания комбинированной заготовки из двух материалов приведен на рис. 6.
На рис. 6 видно, что в одной доле детали деформируемый материал вытек как в ее стенку и в ее отросток на существенно большую высоту, чем в другой доле детали. Большую высоту имеет доля из сплава АД1, поскольку этот сплав оказывает меньшее сопротивление пластической деформации, чем медь М1.
Рис. 6. Деталь, изготовленная из сдвоенной заготовки
В результате, если смотреть на штампованную из двойной заготовки деталь сверху, то видно, что медь в тангенциальном (окружном) направлении заняла больше половины окружности штампованной детали, при том, что объемы исходных половин заготовок из меди М1 и сплава АД1 одинаковые. Поскольку на долю сплава Д1 в тангенциальном направлении осталась меньшая доля, чем половина окружности, то этот сплав вытек в стенку и отросток детали на большую высоту, чем медь М1.
В то же время толщины стенок изготовленной комбинированной детали из двух материалов остались постоянными по высоте и одинаковыми для долей детали из разных материалов. Таким образом, подтверждено, что схема двухканального течения материала заготовки обладает свойством самоцентрирования пуансона относительно оси изготавливаемой выдавливание детали.
На рис. 7 показаны некоторые из экспериментальных деталей, изготовленных выдавливанием с двухканальным течением деформируемого материала.
По результатам описанного исследования видно, что деформация заготовки по схеме, позволяющей материалу вытекать в две полости инструмента (см. рис. 5), происходит при меньшей удельной силе на пуансоне по сравнению с ХОШ деталей типа стаканов без течения во внутренний отросток. Эта установленная в результате исследования закономерность позволяет рекомендовать предприятиям, выпускающим широкую номенклатуру изделий в виде стальных втулок, комбинировать разные типоразмеры втулок в детали показанного на рис. 7 типа, производить такие детали ХОШ и разделять их на отдельные втулки.
Рис. 7. Втулки, изготовленные ХОШ: верхний ряд из стали 10, нижний
ряд из стали 15Х
Поскольку при одной штамповке такой комбинированной детали будут произведены сразу 2 втулки, кроме прокомментированного выше повышения сопротивления пуансонов усталости, обеспечиваемого благодаря истечению материала в две полости, сопротивление пуансонов усталости повысится еще вдвое.
Список литературы
1. Ковка и штамповка: справочник. в 4 т. Холодная объемная штамповка. Штамповка металлических порошков / под ред. А.М. Дмитриева. 2-е изд., перераб. и доп.; под общ. ред. Е.И. Семенова. М.: Машиностроение. 2010. Т. 3. 352 с.
2. Наукоемкие технологии в машиностроении / А.Г. Суслов [и др.]; под ред. А.Г. Суслова. М.: Машиностроение. 2012. 220 с.
3. Пластичность и разрушение / под ред. В. Л. Колмогорова. М.: Металлургия, 1977. 336 с.
4. Дмитриев А.М., Коробова Н.В. Повышение эффективности холодной объемной штамповки стальных сдвоенных втулок // Сталь. 2017. №8. С. 38-41.
5. Дмитриев А.М., Гречников Ф.В., Коробова Н.В. Специализированное штамповочное оборудование и выбор его технологических параметров. Самара: Изд-во Самарского научного центра РАН, 2016. 334 с.
452
6. Отечественное развитие и решение проблемы штамповки полых деталей цилиндрической формы, имеющих конический придонный участок / А.М. Дмитриев, Н.В. Коробова, Н.С. Толмачев, А.Ю. Аксененко // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 10. Ч. 2. С. 3-18.
7. Дмитриев А.М., Коробова Н.В. Конструирование штамповой оснастки для холодной объемной штамповки глубоких стальных стаканов в подвижной матрице // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2019. Вып. 9. С. 441-456.
Дмитриев Александр Михайлович, д-р техн. наук, профессор, чл.-корр. РАН, countess. olga@gmail.com, Россия, Москва, Московский государственный технологический университет «Станкин»,
Коробова Наталья Васильевна, д-р техн. наук, профессор, mt-6@yandex.ru, Россия, Москва, Московский государственный технологический университет «Станкин»
EXTENSION OF THE FIELD OF APPLICA TION OF COLD VOL UME STAMPING OF CYLINDRICAL BUSHES BY COMBINING THEM IN ONE PART
A.M. Dmitriev, N. V. Korobova
Based on the results of an experimental study of the extrusion of twin bushings from steel 10 mathematical models of the dependence of the relative specific deforming force created by the punch and the ratio of the heights of the extruded walls on the dimensions of the part are given. The possibility of evaluating the resistance of punches when extruding billets from various steels using the constructed models is shown. The existence of self-centering of the extruding cavity during the two-channel flow of the metal of the workpiece in the extrusion process of twin bushings is experimentally proved. Increase of the resistance of punches by combining extruded bushings is demonstrated.
Key words: Cold forging by extrusion, double bushings, active directed forces of contact friction, carbon steels, alloy steels.
Dmitriev Alexander Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, corresponding member of RAS, countess. olga@gmail. com, Russia, Moscow, Moscow State Technological University «Stankin»,
Korobova Natalia Vasilievna, doctor of technical sciences, professor, mt-6@yandex.ru, Russia, Moscow, Moscow State Technological University «Stankin»
