Разработка технологии штамповки фланцев с использованием компьютерного моделирования Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

:тк>(мис И МАШИНО«(А(НИ( ОМСКИЙ научный метни* Ш 1 ап. 7009

УДК 621.7.043 004 м. в. МЕДВЕДЕВ

И. В. МАРКЕЧКО В. В. НОВГОРОДЦЕВ

Омский государственный технический университет

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ШТАМПОВКИ ФЛАНЦЕВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Рассмотрена схема и способы штамповки фланцев, а также конструктивная особенность штамповой оснастки. Описан технологический процесс штамповки фланцев.

Ключевые слова: фланец, оснастка, технологический процесс, моделирование.

Обработка металлов давлением (ОМД) позволяет обеспечить не только заданную форму деталей (поковок), но и формировать их свойства, требуемые для изготовления и последующей работы конечного изделия.

Среди видов ОМД горячая объёмная штамповка характеризуется наибольшей сложностью и неравномерностью происходящих при формоизменении исходной заготовки процессов, ввиду разброса величин поперечного сечения различных участков штампованной поковки и большой накопленной в процессе нагрева энергии деформируемого материала. В результате при штамповке провоцируется локализация деформационных процессов, неравномерность скоростных и температурных параметров деформации. Как следствие, картина оигималыюй деформационной проработки металла штампованной поковки может отличаться от заданной, не соответствовать профилю чистовой детали. Поэтому важно владеть и управлять механизмом деформирования в процессе получения деталей ответственного назначения.

Распространённым типом деталей ответственного назначения, получаемых с помощью ОМД, являются поковки типа "фланец", которые после механической обработки широко применяются в трубопроводных системах в качестве приварных деталей, и представляют собой осесимметричные детали со сложной образующей.

Другие способы получения деталей данной формы, такие как токарная обработка фасонных отливок или сортового проката, не обеспечивают получения комплекса свойств, необходимых для надёжной работы деталей ответственного назначения, и к тому же увеличивают нормы расхода металла. Литьё не обеспечивает равномерную мелкозернистую структуру достаточной сплошности; токарная обработка из сортового проката нарушает сплошность и замкнутость структуры их волокон.

Использование компьютерного моделирования при разработке технологических процессов штамповки позволяет реализовать ряд преимуществ. Во-первых, это оптимизация формы штамповой оснастки. Во-вторых, снижение затрат на изготовление дорогостоящей оснаст ки, связанное с отладкой технологического процесса. В-третьих, выбор подходящего оборудования, в связи с определением технологических параметров штамповки.

Выбор схемы и способа штамповки зависит от

формы изделия, программы выпуска и наличия соответствующего оборудования у производи теля.

Для получения детали "Фланец" (рис. 1) (сталь 10, программа выпуска - несколько десятков штук в месяц), первоначально был разработан чертеж поковки (рис. 2) и технологическая оснастка (рис. 3). Для упрощения штамповой оснастки, что существенно при небольшой программе выпуска, поковка выполнена осесимметричной формы без наметки под отверстия (с полным напуском).

Для простоты удаления готовой поковки из штампа принято решение оформлять ее в верхней половине штампа 3 (рис. 3), а в качестве нижней половины штампа использовать плоскую плиту 2. Принцип работы данной схемы заключается в следующем: исходная заготовка цилиндрической формы 1 устанав-ливается на плиту 2 коицентрично с верхней половиной штампа 3 по специальному шаблону и совершается рабочий ход, при совершении обратного хода ползуна готовая поковка остается на плите, которая удаляется с помощью клещей.

Для определения оптимальных размеров заготовки и технологических параметров штамповки проведено компьютерное моделирование процесса из заготовок с различным отношением диаметра исходной заготовки к ее высоте (0^,/Н^). При компьютерном моделировании исследовались следующие технологические параметры штамповки: заполнение гравюры штампа и полное усилие деформирования.

Исходными даннымидоя моделирования являлись:

- материал исходной заготовки — сталь 10 по ГОСТ 1050-88;

- заготовки с 00/Н0 = 0,49; 00/Н0=1,01; О0/Н(1= 1,51; Р0/Н0= 1,98 и объемом, равным объему поковки (предполагается получение поковки без образования заусенца с целыо экономии металла);

- температура исходной заготовки - принимается 1200 °С в связи с ограниченными возможностями нагревательного оборудования у производителя, хотя температура начала ковки для стали 10 составляет 1300 °С (1);

- материал инструмента - 5ХНМ по ГОСТ 5950-2000;

- температура инструмента — 150 °С;

- коэффициент трения - 0,3;

- оборудование - пресс гидравлический;

- деформация образца до получения высотного размера фланца 46,2 (рис. 2);

- температура окружающей среды - 20 °С.

Результаты исследования получены в виде видеороликов формоизменения образцов (табл. 1) и графиков зависимости полного усилия деформирования отхода ползуна (Р"1(Н)) (рис. 4) при различных отношениях О/Н0.

Анализ формоизменения (табл. 1) показал, что в начальный момент деформации происходит течение металла как в осевом (в отросток) так и в радиальном (во фланец) направлениях с различной интенсивностью в зависимости от отношения О(/Н0. Также наблюдается увеличения диаметров заготовок только в верхней части, образуя тем самым рюмкообразную боковую поверхность. Образование такой поверхности характеризуется тем. что при встрече верхней половины штампа с заготовкой происходит формирование локального очага деформации в ее верхней периферийной части, причем интенсивность увеличения диаметра деформируемой части заготовки зависит от первоначальной величины кольцевой площади ее контакта с инструментом.

В случае деформирования относительно высокой заготовки (00/Н0=0.49) ее край попадает на коническую поверхность полости штампа. В результате происходит преобладающее осевое течение металла в отросток до достижения значительных степеней деформации с частичным радиальным течением. В дальнейшем происходит осадка заготовки с радиальным течением и формированием ’‘бочки". При встрече такой поверхности со стенкой штампа остается незаполненной верхняя угловая часть и в то же время происходит частичное вытекание металла в зазор между половинами штампа. В результате при достижении конечного высотного размера фланца этого выдавленного металла в заусенец недостаточно для полного оформления поковки.

При деформировании заготовок с отношением 0</Но= 1.01; О0/Н, = 1,51 и О0/И0= 1,98 происходит течение металла, как в осевом, так и в радиальном направлениях. Однако с увеличением отношения 0,/Н(, радиальное течение увеличивается, а осевое уменьшается, что связано с увеличением площади кольцевого контакта заготовки с инструментом и вовлечения большего объема металла заготовки в процесс осадки. В процессе деформирования образующая боковой поверхности заготовки (рюмкообразной формы) сохраняет свой характер, т.е. происходит опережающее течение металла верхней части фланца относительно нижней. При встрече такой поверхности со стенкой штампа происходит полное заполнение верхней угловой части и создается дополнительный подпор, уменьшающий радиальное течение металла и увеличивающий осевое. При отношении О0/Н0* 1.98 касание со стенкой штампа осуществляется на ранней сталии, т.е. когда зазор между верхней половиной штампа и плитой слишком большой и при дальнейшем деформировании заготовки металл вытекает в заусенец, в результате чего происходит недозаполненне гравюры. В случае, когда О0/Н0= 1,01 и 00/Н0= 1,51. при достижении заданного высотного размера фланца происходит полное заполнение гравюры инструмента без вытекания металла в заусенец.

При анализе силового режима (рис. 4) на каждой из кривых можно выделить 3 участка:

- участок ОА - формирование местного очага деформации в при контактной с верхней половиной штампа зоне;

- участок АВ - постепенное распространение очага деформации на всю высоту фланца и его осадка. В точке В боковая поверхность заготовки касается стенки верхней половины штампа;

Формоизменение образцов при различных отношениях Э,/Н#

Таблица I

ШЕШ

00А{М9

0»/НуЮ1

ант

Таблица 2

Формоизменение образцов при различных отношениях О./Н, при использовании модернизированной штамповой оснастки

Оо/Ц>>101

Оо/Не-151

- участок выше точки В - полное оформление поковки без вытекания металла в заусенец для заготовок с отношением 1,01 и О0/Н0в 1,51, или де-

формация заусенца вытекающего в постоянно уменьшающийся зазор между половинами штампа для заготовок с отношением Э/Нд^О^Э и О0/Н0в 1,98. За счет сил контактного трения и сопротивления со стороны стенок штампа создается ярко выраженное напряженное состояние сжатия в конечный момент деформации, что и объясняет резкое возрастание усилия при незначительном ходе ползуна.

Таким образом, найдено такое соотношение размеров диаметра и высоты исходной заготовки, при котором происходит одновременное заполнение отростка и фланца поковки к концу процесса штамповки без вытекания металла в заусенец. Причем

ІНИС И МАШИИОМЛГНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ КСТМИК М» 1 О Ті. 3009

*2Ю

у/Лз 25 М/

В скобках размеры горячей покобки

---------- Контур покобки

----------Контур детали

Рис. I. Чертеж детали "Фланец"

Рис. 2. Чертеж поковки

Рис. 3. Схема штампової! оснастки: Рис. 4. Графики зависимости Р=((1)) при различных

I - заготовка; 2 - плита; 3 - верхняя половина штампа отношениях Э/Н#: I - 0/Н#С0,49; 2 - 0#/Н#в1,01;

3 - Э/Н =1.51; 4 - 0,/Н#=1.98

В скобках размеры горячен покобки

----------Ксип£ покобси

----------Конп/) депзи

Рис. 5. Чертеж модернизированной поковки

Рис. 6. Схема модернизированной штамповой оснастки: I - заготовка; 2 - плита: 3 - верхняя половинаї штампа

причине моделирование процесса по схеме 2 (рис. 6) производилось для заготовок с отношением D0/H0= 1,01 и D0/H0= 1,51. Результаты исследования процесса при различных отношениях D/H,, представлены в таблице 2 и на рис. 7.

В результате уменьшения глубины полости происходит уменьшение полного усилия в конечный момент деформирования практически в 5 раз. По результатам графиков (рис. 7) видно, что наименьшее потребное усилие штамповки при использовании заготовки с отношением D0/H0= 1,01.

Разработанный технологический процесс по схеме 2 (рис. 6) реализован на гидравлическом прессе ДО -138 усилием 4 МН и включает в себя:

- резку мерных заготовок D0 = 1 -10 мм и Ны = 138.1 мм;

- нагрев заготовок до температуры 1200°С;

- однопереходную штамповку на гидравлическом прессе.

При штамповке инструмент подогревался до температуры 150 °С, а в качестве смазки использовалась водно-графитовая эмульсия АГ-3 поТУ-6-08-392-77.

Библиографически*) список

I. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин. А.В. Волосникона, С.А. Виткин и др.; пол общ. рел- В.Г. Сорокина. — М. : Машиностроение, 1989. — 640 с.

МЕДВЕДЕВ Максим Валерьевич, ассистент кафедры «Машины и технология обработки металлов давлением».

МАРКЕЧКО Игорь Владимирович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Машины и технология обработки металлов давлением»». НОВГОРОДЦЕВ Владимир Валерьевич, студент гр. Д-514, специальность «Машины и технология обработки металлов давлением».

Дата поступления статьи н редакцию: 19.03.2009 г.

© Медведев М.В., Марксчко И.В., Новгородцев В.В.

Книжная полка

Прокопенко, Н. И. Термодинамический расчет идеализированного цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания (Текст] / Н. И. Прокопенко. - М.: БИНОМ. Лаб. знаний, 2006. - 141 с. - ISBN 5-94774-380-9.

Приведены краткие теоретические сведения по идеализированным циклам ДВС, методические указания по расчету идеализированного цикла поршневого ДВС со смешанным процессом подвода тепловой энергии к рабочему телу, задания для расчета идеализированных циклов поршневых ДВС. В качестве примера выполнен расчет одного из вариантов заданий с использованием математического пакета Ма1ЬСас1-8 (2000).

Рис. 7. Графики зависимости Р=Г(Ь) при различных отношениях 0,/Н,прн использовании модернизированной штампопоЛ оснастки: 1 - 0/Н,=1.01;2 - Оф/Н#*1,51

максимальное усилие соответствует моменту оформления угловой полости образованной верхней половиной штампа и плитой. Четкое оформление этой угловой полости необязательно, гак как годная деталь при механической обработке из нее все равно получится. Следовательно, нет необходимости четкого оформления этой полости, а возможные колебания объема исходной заготовки можно компенсировать выходом металла в увеличенный зазор между половинами штампа. Для этого предложено уменьшить глубину гравюры верхней половины штампа.

Чертеж модернизированной поковки и схема штамповой оснастки представлены на рис. 5 и 6соответственно.

При деформировании заготовок с отношением 00/Н0 = 0,49 и 01)/Н|)= 1,98 по схеме I (рис. 3) происходит вытекание металла в заусенец, соответственно при увеличении зазора между половинами штампа также произойдет вытекание металла. По этой

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ КОНИК Ш 1 (JП. JOO* МАШИНОС1КННИ1 и