CC BY
16
УДК 621.983; 539.374
РАЦИОНАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТУПЕНЧАТЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА
Я.А. Вилимок, С.Н. Ларин
Рассматривается влияние технологических параметров на предельные высоты ступенчатых деталей различных габаритов.
Ключевые слова: алюминиевый сплав, ступенчатая деталь, вытяжка, предельная высота, технологический параметр.
Возможность изготовления вытяжкой сложнопрофильных ступенчатых деталей различной конфигурации представляет большой интерес для различных отраслей электротехнической, приборостроительной и машиностроительной промышленностей, где в связи с постоянным расширением номенклатуры выпускаемых изделий необходимо совершенствование технологий производства и процессов интеграции. Вытяжкой можно изготовить детали следующих конфигураций в плане: цилиндрические, коробчатые и произвольной формы. Кроме того, профиль их стенки может быть прямолинейным, наклонным к оси, ступенчатым и т.д.
Стоит отметить, что операции вытяжки в ленте исследовали множество авторов: А.Ю. Аверкиев, Ю.А. Аверкиев, Е.А. Попов, И.П., Л.И. Рудман, М.Е. Зубцов, А.Н. Малов, В.П. Романовский, С.П. Яковлев, С.С. Яковлев и др. В трудах этих ученых разработаны и усовершенствованы методы анализа процессов пластического формоизменения, даны примеры их применения к анализу процессов обработки металлов давлением.
Перед началом работы был проведен анализ существующей литературы по тематике изготовления ступенчатых деталей (рис. 1) в ленте, рассмотрены примеры последовательностей операций, схем раскроя полосы, рекомендаций, формул, а также конструкции штампов.
с!\
Рис. 1. Конфигурация детали
26
Выяснено, что рекомендации по проектированию технологических процессов и инструмента для изготовления ступенчатых деталей в ленте носят обобщенный характер, а именно влияние технологических параметров на изготовление деталей не оценивалось, сравнение способов изготовления не рассматривалось. На основании проведенного обзора выявлена необходимость дальнейших исследований закономерностей и явлений, происходящих при вытяжке ступенчатых деталей.
Для исследований операций вытяжки был выбран метод конечных элементов, который позволяет детально рассмотреть процесс деформации металла при изготовлении ступенчатых деталей, тем самым повышая эффективность теоретического анализа. Для компьютерного моделирования методом конечных элементов был выбран пакет программного обеспечения Автоформ как наиболее подходящий для операций листовой штамповки. Результаты моделирования отражаются в программном комплексе в виде цветных ЗБ-моделей (рис. 2). Каждый цвет отображает характеристики своего состояния. По распределению напряжений и деформаций можно судить о характере дефектообразования для конкретной детали.
а б
Рис. 2. Распределение деформаций (а) и напряжений (б), МПа
На изготовление вытяжкой осесимметричных ступенчатых деталей из листовых материалов влияет множество технологических параметров, к основным из которых можно отнести геометрию инструмента, а именно различные радиусы пуансона и матрицы, геометрию получаемой детали, коэффициент трения на контактных поверхностях, тип материала, толщину материала, силу давления прижима. В геометрию детали входят количество ступеней, относительная высота ступеней Я, относительный диаметр ступеней ¿, габаритные размеры, а также угол наклона стенок ступеней.
Теоретические исследования выполнялись для двухступенчатых деталей различных габаритов. Исследования проводились для алюминиевого сплава А5М, материал заготовки рассматривался как однородный, несжимаемый, изотропный, упрочняющийся, упругопластический, процесс -квазистационарный изотермический, трение на контактных поверхностях рассматривалось по закону Прандтля.
27
Так как штамповка деталей в ленте осуществляется для изделий небольших габаритов (как правило, не более 100 мм в диаметре), были выбраны следующие рассматриваемые диаметры ступеней: диаметр меньшей ступени dj = 4...20 мм, диаметр большей ступени d2 = 6...30 мм; а также были выбраны соотношение высот ступеней hjlh^ = 0,5... 1, радиусы закругления rh г2 , г3 , г4 = 0,2...0,5 мм, толщина материала /= 0,3...0,5 мм, коэффициент трения ¡л = 0,05... 0,4, сила давления прижима Q = 2... 8 МПа.
Деформация ступеней детали проводилась последовательно: вначале вытягивалась ступень меньшего диаметра dh затем большего d2. Используя данный технологический маршрут, были выявлены зависимости предельной высоты Н от коэффициента относительных диаметральных размеров d, коэффициента трения // и геометрии инструмента.
Коэффициент относительных диаметральных размеров определяется как отношение меньшей ступени детали к большей: d = d1/d2. В зависимости от относительного размера ступеней детали ее предельная высота будет различной. В ходе эксперимента диаметр большей ступени d2 оставался неизменным, равным 20 мм, изменялось только значение диаметра меньшей ступени - от 10 до 16 мм.
На рис. 3 приведены зависимости предельной высоты Н от коэффициента d для алюминиевого сплава А5Мтолщиной 0,3...0,5 мм.
1
0.5 0 55 0 6 0. 65 0 7 0." 75
Рис. 3. Зависимости предельной высоты Н от коэффициента d для алюминия А5М: 1 -t= 0,5 мм; 2 -t= 0,4 мм; 3 -t= 0,3 мм
Установлено, что рациональная величина относительных диаметральных размеров d, при которой высота будет максимальной, находится в диапазоне 0,71 ...0,76. При увеличении толщины материала t рациональная величина (¿возросла на 4...7 %. Также стоит отметить, что при превышении рациональной величины предельная высота детали начинает резко снижаться из-за нехватки металла в очаге деформации.
28
Выявлено влияние масштабного фактора на рациональные величины относительных диаметральных размеров Л: были проведены аналогичные теоретические исследования для деталей с диаметрами d2 = 6, 10, 15, 30 мм. Установлено, что характер зависимости предельной высоты Н от коэффициента Л и от толщины материала ? сохраняется.
Результаты исследований влияния коэффициента трения ¡л на контактных поверхностях матрицы, пуансона, прижима и заготовки на предельную высоту Н ступенчатой детали (диаметры ступеней d1 = 12 мм, d2 = 20 мм) приведены на рис. 4.
Рис. 4. Зависимости изменения предельной высоты от коэффициента трения дляалюминия А5М: 1 - 0,5 мм; 2 - * = 0,4 мм; 3 - * = 0,3 мм
Анализ графических зависимостей показывает, что с увеличением коэффициента трения с 0,05 до 0,4 предельная высота детали уменьшилась на 40...46 %. Установлено, что наибольшее влияние на операции вытяжки ступенчатых деталей оказывает коэффициент трения на пуансоне. Выявлено, что с изменением габаритных размеров характер зависимости максимальной высоты Н от коэффициента трения ц сохраняется.
Влияние геометрических характеристик инструмента на предельную высоту Н рассмотрено для ступенчатых деталей толщиной 0,3...0,5 мм. В качестве примера в таблице представлены результаты исследований для детали с габаритами d1 = 14 мм, d2 = 20 мм, коэффициентом трения ^ = 0,12 и толщиной материала ? = 0,5 мм. В каждом столбце приведены значения радиусов гь г2, г3 и соответствующая им высота детали.
Результаты исследований
Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8
Радиус г1 (мм) 0,2 0,3 0,4 0,5 0,5 0,5 0,2 0,5
Радиус г2 (мм) 0,2 0,3 0,4 0,5 0,2 0,2 0,5 0,5
Радиус г3 (мм) 0,2 0,3 0,4 0,5 0,2 0,5 0,5 0,2
Предельная высота Н (мм) 4,1 5,1 6,2 7,05 6,05 6,55 6,8 6,6
Анализ результатов показывает, что радиусы закругления пуансона существенно влияют на высоту ступенчатой детали. С увеличением радиусов инструмента с 0,2 до 0,5 мм предельная высота детали возрастает на 35...42 %. Также стоит отметить, что коэффициент трения на пуансоне наиболее влияет на высоту детали.
Список литературы
1. Аверкиев Ю.А. Холодная штамповка. Формоизменяющие операции. Ростов-на-Дону: РГУ, 1984. 288 с.
2. Аверкиев Ю.А., Аверкиев А.Ю. Технология холодной штамповки: учебник для вузов. М.: Машиностроение, 1989. 304 с.
3. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки. М.: Машиностроение, 1977. 278 с.
4. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1977. 423 с.
Вилимок Ярослав Александрович, соискатель, vilimokya@yahoo. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ларин Сергей Николаевич, д-р техн. наук, проф., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
RATIONAL TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF MANUFACTURING THE STEPPED
PARTS OF THE ALUMINUM ALLOY
Y.A. Vilimok, S.N. Larin
The influence of technological parameters on the utmost heights of the stepped parts of various sizes is discussed.
Key words: aluminum alloy, step detail, drawing, limit the height of technological parameter.
Vilimok Yaroslav Aleksandrovich, postgraduate, vilimokya@yahoo. com, Russia, Tula, Tula State University,
Larin Sergey Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
