CC BY
81
УДК 621.882.5 5/.56:621.77 р |-
И. В. МАРКЕЧКО В. В. ГРЯЗНОВ А. Ю. ПОПОВ А. Ю. ПАНКОВ
Омский государственный технический университет
РАЗРАБОТКА ПРОГРЕССИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ШТАМПОВКИ ВЫСОКИХ ГАЕК
Представлена технология горячей штамповки и описание инструмента для изготовления высоких гаек поГОСТ 9064-75. Предложенная технология позволяет решить проблему качества поверхности боковых граней полуфабриката и износа инструмента при выталкивании из штампа. Приведены результаты опытной штамповки и рекомендации по проектированию технологии и штамповой оснастки.
Ключевые слова: высокие гайки, горячая штамповка, качество граней, разъемный инструмент.
В конструкциях деталей машин, металлоконструкциях, элементах сооружений широкое применение находят резьбовые соединения, основным рабочим элементом которых является резьбовой профиль. Среди крепежных изделий гайки составляют 30 — 35 % от общего количества выпускаемой продукции. Технология изготовления гаек состоит из двух основных операций: получение заготовки гайки и формирование внутреннего резьбового профиля.
За последнее время процессы штамповки гаек достаточно подробно изучены. В том числе распределение пластических деформаций при штамповке гаек (1), построение технологических процессов точной объемной штамповки гаек [2], а также исследованы проблемы изготовления гаек специального назначения |3|. Особый интерес представляеттехно-логия получения высоких гаек из нержавеющих сплавов. Данная технология требует более подробного изучения для решения проблем, связанных с получением чистой поверхности боковых граней полуфабрикатов.
Целью работы является разработка инновационной технологии изготовления высоких гаек, которая позволит избавиться от недостатков существующих технологий, а также исследование процессов происходящих при формоизменении данного вида деталей.
По предлагаемой технологии штамповка производится из круглого проката. Одной из проблем в производстве данных деталей является получение качественной поверхности рабочих граней гайки, без дальнейшей обработки. Другой, не менее важной проблемой является очень быстрый износ рабочих деталей штампа: пуансона и матрицы. И последняя, но не менее важная проблема — это максимальное заполнение угла между гранями по всей высоте поковки.
Для того, чтобы решит!» выявленные проблемы, поставлена задача спроектировать технологию и инструмент для штамповки высоких гаек. Инструмент создавался с учетом:
1) сокращения номенклатуры круглого проката, поэтому была предложена трехпереходная схема
штамповки высоких гаек, с применением в качестве исходной заготовки круглого проката диаметром, равным диаметру заготовки шпильки соответствующего типоразмера;
2) повышения стойкости инструмента и высокого качества получаемых деталей.
В результате учета этих требований разработан технологический процесс, который состоит из следующих переходов:
— предварительной осадки (рис. 1);
— штамповки в чистовом ручье (рис. 2);
— прошивки отверстия.
На первом переходе (рис. 1) происходит предварительная осадка заготовки. Высота и максимальный диаметр полуфабриката, получаемого на этом переходе, могут быть отрегулированы с помощью набора прокладок 11. Матрицу осадки 8 со вставкой 9 крепят к нижней половине штампа. Пуансон 1-й переход б, керн 4 и пружину собирают в корпус большой 2, затем устанавливают в пуансонодержатель 7 блока. Подпружиненный пуансон 1-го перехода обеспечивает предварительное центрирование заготовки при отклонении её оси от вертикали при неперпенди-кулярном торце. Кромка верхнего торца заготовки сначала взаимодействует с конической поверх-нбетыо пуансона, в результате чего происходит центрирование заготовки. При дальнейшем движении верхней половины штампа вниз пружина 5 сжимается, керн внедряется в верхний торец заготовки. Одновременно происходит осадка и увеличение диаметральных размеров заготовки.
На втором переходе оформляются торцы, грани и полость заготовки (рис. 2). Во время рабочего хода верхняя и нижняя полости поковки оформляются выступами соответственно на прошивном пуансоне
1 и на контрпуансоне 13. При обратном ходе поковка, как правило, остаётся на прошивном пуансоне, с которого снимается втулкой съёмника. Но в ряде случаев поковка остаётся в матрице. Для выталкивания поковки из матрицы предусмотрен толкатель 14, который от специального привода перемещается вверх, передавая движение непосредственно
Рис. 1. Первый переход штамповки: 1 - клин; 2 - корпус большой; 3 - прокладка верхняя; 4 - керн; 5 - пружина; 6 - нуансон 1-го перехода; 7 - пуансонодержатель;
8 - матриц.! осадки; 9 - вставка; 10 - опора; 11 - набор прокладок; 12 - прокладка нижняя
Пп«лм* поем лито* оіхрасяк
Рис. 2. Второй переход штамповки: 1 - пуансон прошивной;
2 - пуансон наружный; 3 - верхняя плита; 4 - втулка съемника; 5 - пуасонодержатель; б - съемник;
7 - ограничитель; 8 - пружинное кольцо; 9 - корпус
обоймы; 10 - обойма; 11 - матрица шестисекцнонная;
12 - плита; 13- контрпуансон; 14 - толкатель
контрпуансону. Отдельно стоит отметить работу шестисекционной матрицы 11. При ходе пытал-кинагеля 13 вверх силы трения между поковкой и матрицей 11 увлекают последнюю за собой вверх. При этом матрица 11 теряет контакт с обоймой 10 и не оказывает давления на выталкиваемую поковку. Такое перемещение обеспечивает минимальное трение поковки о стенки матрицы, что снижает повреждаемость поковок и износ матрицы. Деталь 7 служит ограничителем движения секций ма трицы при движении вверх. А при помощи пружинного кольца 8 происходит возврат секций в исходное положение, т.е. смыкание и посадка матрицы в обойму 10.
Па третьем переходе удаляют перемычку пробивным пуансоном Экспериментальная штамповка показала, что на третьем переходе штамповки происходит увеличение габаритных размеров поковки в плане. Для компенсации увеличения этих размеров необходимо скорректировать размеры полуфабриката на предыдущем переходе или вынести позицию прошивки на отдельный штамп в холодном состоянии.
Конструкция данного штампа позволяет при смене наладок осуществлять штамповку заготовок гаек М24, М27, МЗО, М36, М42 по ГОСТ 9064-75 [41.
Анализ результатов опытной штамповки.
С помощью опытной штамповки исследованы процессы формоизменения полуфабриката на первом переходе и окончательной штамповки заготовки гайки на втором переходе. Для эксперимента изго-
Рис. 3. Меридиональное сечение поковки гайки в конечный момент деформирования
топлены образцы из стали 50. Химический состав д анного материала определен при помощи оптического эмиссионного спектрометра АКЬ 3460 ОиапЫв. Данный анализ позволил определить, что содержание основных элементов используемой стали соответствует требованиям предъявленным ГОСТ.
Исходные данные штамповки:
1. Температурный режим: заготовка нагревалась в муфельной электропечи до температуры 1200*С.
2. Кузнечно-штамповочное оборудование: пресс К9532 усилием 1600 кН и частотой 37 ходов в минуту.
3. Материал для смазки: водографитовая эмульсия.
4. Температура инструмента: 150*С.
В ходе штамповки определено, что торцевой заусенец выполняет роль компенсатора неточности резки исходных заготовок и обеспечивает подпор металла для заполнения вер шкальных рёбер поковки. Существенное влияние на качество оформления рёбер поковки оказывает величина бокового зазора д/2. На рис. 3 изображено меридиональное сечение поковки тайки в конечный момент деформирования:
— диаметр рабочей части пуансона; Б % размер под ключ; д/2 %половина минимального суммарного зазора между пуансоном и матрицей (д/2 = (Оч % 5)/2).
Исследовалось влияние величины бокового зазора между пуансоном и матрицей на заполняемость гравюры. Боковой зазор играет важную роль в процессе штамповки гайки. При большом зазоре не создается достаточный подпор для формирования нижней части гайки. При малом зазоре условия деформирования приближаются к условиям закрытой штамповки, приводящей к перегрузке инструмента и быстрому износу контактных поверхностей пуансона и матрицы. В табл. 1 приведены технологические параметры штамповки гаек различных типоразмеров.
Для оценки величины бокового зазора удобно использовать значение относительного зазора (д/Э). По данным эксперимента выявлена оптимальная величина относительного зазора а/&1ЯЯ = 0,0364.
На рис. 4а и 46 приведены фотографии микроструктуры исходных образцов из стали 50 в увеличении
Таблица 1
Параметры, характеризующие качество оформления рёбер поковок
Тииоразм ер гаек о» мм 5, мм 8, мм 6/Б в* рсд 8/8^. мм
М24 32,5 36 3,5 0,0972 34,6 0,0364
М27 37 41 4,0 0,0975 39,5
МЗО 41,4 46 4,6 0,1000 44,3
М36 53 55 2 0,0364 53
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК Г# 2 (90) 2010 МАШИНОСТРОСНИ( И МАШИНОМДЇНИЇ
Рис. 4. Микроструктура исходного образца: а) увеличение х200; б) увеличение х500
Рис. 5. Микроструктура образца после первого перехода (увеличение х200)
х200 и х500 соответственно. По приведенным фотографиям явных дефектов не выявлено, зерно довольно мелкое. Металлургических браков не обнаружено.
На рис. 5а и 56 приведены фотографии микроструктуры после первого перехода штамповки. Рис. 5а —это приповерхностный слой центральной части заготовки, который находился иод воздействием керна. Здесь наблюдается интенсивное обеднение поверхностного слоя углеродом (обезуглероживание). Глубина такого слоя для данной заготовки и примененного вида нагрева составляет 0,3 — 0,5 мм. “ Это обстоятельство ухудшает качество поверхности ^ заготовок, полученных горячей обработкой. Улуч-« шение качества поверхности и повышение точности
| штампованных заготовок возможно при использо-< вании индукционною нагрева.
На рис. 56 приведена микроструктура характерная * для всех остальных зон полуфабриката. Здесь стоит отметить увеличение размеров зерна по сравнению | с исходной заготовкой и образование видмаш-
2 теттовой структуры. Рост зерна объясняется тем, что
§ с ростом температуры увеличивается подвижность | атомов, облегчающая объединение соседних зерен | в процессе рекристаллизации, что ириводит к огноси-
тельному увеличению размеров рекристаллизован-ШАЛ ных зерен при всех степенях деформации. Возник-
Рис. в. Микроструктура образца после второго перехода
{ДЭеГМЧЕНИех200)
новение видмаштетговой структуры объясняется тем, что при рекристаллизации в твёрдом состоянии пластинчатая или игольчатая форма образующих структуру кристаллов и сочленение их определёнными, сходными но атомному строению, плоскостями обеспечивают минимальную величину упругой и поверхностной энергии.
На рис. 6 приведена микроструктура полуфабриката после второго перехода штамповки с увеличением х200. Особенностями представленной структуры можно выделить: уменьшение размеров зерна и уменьшение количества видманштегговой структуры. Этот факт объясняется более высокими степенями деформации на втором переходе штамповки и снижением температуры после первого перехода. К тому же увеличение степени деформа1 щи на втором переходе приводит к увеличению числа центров рекристаллизации, а следовательно, и числа рекристаллизованных зерен, что приданном объеме тела дает уменьшение размеров зерна.
Микроструктурные исследования отштампованных поковок показывают удовлетворительные результаты штамповки. Некоторую тревогу вызывает присутствие остаточных следов выдманш-теттовой структуры, которая удаляется термической обработкой. Для стали 50 использована нормализация: нагрев заготовки до 750*С, выдержка при даннойтем-пературе в течение часа и охлаждение на воздухе.
Микроструктура образца после нормализации представляет собой измельченные перлитные и фер-ритные зерна. Видмашгегговой структуры не наблюдается.
По результатам опытной штамповки проведен макроструктурный анализ, который позволил выявить полосчатость макроструктуры образцов поковок. Полосчастость выявлена при помощи кислотного травления шлифованных образцов. На рис. 7 приведены фотографии макроструктур фрагмента исходной заготовки (а), полуфабриката после первого перехода (б) и поступенчатая деформация поковки на втором переходе (в, г, д, е), а также соответствующие им схемы реальной картины полосчатости, с некоторым интервалом. На рис. 7а представлено состояние фрагмента исходного образца, полосчатость которого имеет вертикальное направление в любой точке. Это связано с горячекатаным характером получения штанг в металлургическом производстве.
На рис. 76 представлен полуфабрикат после первого перехода штамповки, характерными особенностями которого являются: центральное углубление в верхней части поковки в виде наметки от керна, а также растягивание полос в радиальном направлении, что связано с бочкообразованием. Также стоит отметить характерное сохранение вертикальности полос у основания поковки и у поверхности керна, связанной затрудненной деформацией
б)
и)
А)
Рис. 7. Макроструктурный анализ штампонкн гаек
из-за контактного трения заготовки и инструмента.
На рис. 7(в, г, л, е) продемонстрированы несколько последовательных моментов процесса штамповки гайки на втором переходе.
При анализе выделены следующие стадии процесса. Внедрение выступов пуансона и контрпуансона. При этом отчетливо видно, что с самого начала процесса рабочего хода происходит формирование очага деформации в средней части деформируемой перемычки 1 (рис. 7в) и формирование застойных зон 2 в приконтактных областях выступов пуансона и контрпуансона, вызванных действием сил контактного трения. Наибольшее течение металла из очага деформации наблюдается в радиальном направлении. Большая часть этого металла движется в верхнюю часть поковки. К шагу перемещения, изображенному на рис. 7г, картина изменяется, т.е. застойная зона исчезает за счет того, что очаг деформации распрост раняется на всю высоту между выступами пуансона и контрпуансона. Происходит перераспределение металла из зоны между выступами пуансона и контрпуансона в нижнюю часть поковки гайки. При этом происходит активное заполнение нижней части ребра, что можно наблюда й» на рис. 7д К этому моменту кольцевая поверхность пуансона достигает верхней части заготовки. Далее происходит затекание в угловую полость между выступом пуансона и его кольцевой рабочей плоскостью (оформление верхней внутренней фаски) при одновременно продолжающемся процессе заполнения ребер снизу-вверх и формировании верхней внешней фаски. При дальнейшем движении пуансона вниз, в зазор между пуансоном и матрицей выдавливается металл, образуя «корону». Образование короны изображено на рис. 7е. Условия вытекания металла приближаются к закрытой штамповке, что вызывает резкое возрастание усилия и четкое оформление всех элементов гайки.
Разработанная технология и инструмент для штамповки высоких гаек являются адекватными пос-
тавленным целям и задачам. Предложенный инструмент позволил решить проблему повреждаемости гаек при извлечении из штампа, а также увеличить точность получаемых изделий. Изучение изменения микроструктуры позволяет судить о процессах происходящих на микроуровне при штамповке данного вида деталей д\я конкретных условий. Анализ формоизменения при штамповке гаек предоставил информацию о направлении движения металла во время деформации, что является фундаментом для математического анализа данной задачи.
Библиографический список
1. Кутяйкин, В.Г. Распределение пластических деформаций при объемной штамповке гаек (Текст) / В.Г. Кутяйкин, В А. Скудное // Материаловедение и высокотемпературные технологии : межвуз. сб. науч. тр. / Нижегор. гос. тех. ун-т. — Нижний Новгород, 2000. — Вып. 2. — С. 119—121.
2. Евстифеев, В. В. Построение технологических процессов точной объемной штамповки изделий с многогранной наружной поверхностью [Текст] / В.В. Евстифеев, А.А. Александров, И.С. Лексутов // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2006. — N«10. — С. 77 —81.
3. Рудаков, В.П. Изготовление высокопрочных путевых гаек из стали 20Г2Р в условиях ОАО «Магнитогорский калибровочный завод»/ В.П. Рудаков, А.П. Пестряков, И.В. Шиморешсо // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка мате риалов давлением: КШП ОМД. - 2005. - №3. - С 18-21.
4. ГОСТ 9064-75. Болты, шпильки, гайки и шайбы для фланцевых и анкерных соединений с температурой среды от0 до 650’С. Типы и основные размеры (Текст). — Взамен ГОСТ 9064-69: введ. 1976-01—01. — М.: Изд-во стандартов, 1976. — 6 с.
ШТЕЛЕ Виталий Геннадьевич, ассистент кафедры «Машины и технология обработки металлов давлением».
ПОПОВ Андрей Юрьевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Металлорежущие станки и комплексы».
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ КСТНИК № 2 (90) 2010 МАШИНОСТРО!НИ1 И МАШИНОМДЕНИ1
МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (90) 2010
МАРКЕЧКО Игорь Владимирович, кандидат технических наук, доцент, заііедующий кафедрой «Машины и технология обрабо тки металлов давлением». ГРЯЗНОВ Владимир Васильевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Машины и техно* логин обработки металлов давлением».
УДК 621.77.001.891.57
ПАНКОВ Антон Юрьевич магистрант группы ОДМ-519. Адрес для переписки: e-mail: cojidat07@mail.ru
Статья поступила в редакцию 10.03.2010 г.
©' В. Г. Штелм, А. Ю. Попов, И. В. Маркечко, В. В. Грязное,
А. Ю. Панков
М. В. МЕДВЕДЕВ В. Г. ШТЕЛЕ С. Д. МАКЕЕВ В. И. САКС
Омский государственный технический университет
РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ КОМБИНИРОВАННОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ ВТУЛОК СО СТУПЕНЧАТОЙ
НАРУЖНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ__________________________
Представлена последовательность разработки математической модели, описывающей ряд процессов холодной объемной штамповки (комбинированное, прямое выдавливание и высадку в одно- и многоступенчатую матрицу). Разработанная математическая модель позволяет определить силовой режим, конечное и текущее формоизменения заготовки при холодном выдавливании втулок со ступенчатой наружной поверхностью. Ключевые слова: выдавливание, математическая модель, полная мощность деформации, удельное усилие на пуансоне, упрочнение металла.
При изготовлении заготовок деталей в металлообрабатывающем производстве достаточно большое внимание должно быть уделено внедрению холодной объемной штамповки (ХОШ), включающей в себя комплекс процессов безотходного и малоотходного пластического деформировании. На данном этапе эффективное применение ХОШ сдерживается недостаточным количеством руководящих технических материалов по разработке технологических процессов и проектированию оснастки комбинированных и совмещенных способов выдавливания, для которых характерны возможность получения сложных по конфигурации изделий за один ход пресса, меньшие нагрузки на инструменте, возможность регулирования (в определенных пределах) формоизменением путем варьирования геометрических параметров инструмента и заготовки.
Анализ предварительных экспериментов по нос-тадийному выдавливанию деталей со ступенчатой наружной поверхностью позволил получить информацию о кинематике течения металла и областях распространения деформации. Изучение особшшостей течения металла проводилось по макрошлифам стальных деформированных образцов, выполненных в меридиональной плоскости. Эта ж 1 формация положена в основу схематизации (разделения объема заготовки на пластические /, 2, Зп-2 и Зп-1 и жесткие 3 и Зп зоны) (рис. 1).
Согласно расчетной схеме, объемы пластических областей в любой момент деформации зависят от соотношения размеров га ктрумента и неизвестных параметров Уу Л.,о>/<х4. (Уф — скорость изменения радиуса ШЕЛ фланца; /г-высоты пластических зон и стк!а$ — от-
носительное нормальное давление на контактных поверхностях). Эти параметры определяются энергетическим методом с использованием вариациошюго принципа возможных изменений деформированного состояния. Принятая схема кинематически возможных полей скоростей должна удовлетворять условию несжимаемости и граничным условиям для скоростей перемещения частиц металла. При этом варьирумые параметры V# Ьп и ак/а.ч должны принимать значения, соответствующие минимальным значениям усилий на пуансоне.
В пластических зонах скорости перемещения металла по оси г приняты линейно зависимыми от этой координаты. Закон изменения скорости в радиальном направлении определен из условия совместности скоростей деформации.
На поверхностях контакта с инструментом напряжения трения равны
изя|^ >/3 '
(1)
где Кп — коэффициент, определяемый экспериментально (1 ];
сГу — напряжение текучести материала заготовки;
В-^~ — относительное нормальное давление на
контактных поверхностях.
Неравномерность деформации учитывается введением мощностей, затрачиваемых на срез между жесткими и пластическими зонами.
Полная мощносп» деформации в момент времени,
