CC BY
341
УДК 621.983
СХЕМЫ РОТАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКИ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ НА СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОМ
ОБОРУДОВАНИИ
С.С. Яковлев, В.И. Трегубов, О.В. Пилипенко, Е.В. Осипова
Выполнен анализ влияния схем деформирования при ротационной вытяжке на обеспечение качественных характеристик сложнопрофильных осесимметричных деталей, а также приводятся рекомендации для выбора схем деформирования при изготовлении деталей на специализированном оборудовании.
Ключевые слова: ротационная вытяжка, схема, деформация, ролик, оправка, качество, сила.
Растущая потребность в производстве сложнопрофильных осесимметричных деталей, наряду с предъявляемыми к ним высокими требованиями по точности геометрической формы, диаметральным размерам, толщине стенки, качеству поверхности и механическим свойствам, связанным с обеспечением надёжности эксплуатации деталей в условиях агрессивной среды, высоких температурах и давлений, определяют необходимость совершенствования методов их изготовления. Наряду с традиционными методами изготовления сложнопрофильных осесимметричных деталей механической обработкой и многооперационной вытяжкой, за последние годы широкое применение находит ротационная вытяжка на специализированном оборудовании с использованием в качестве деформирующих элементов роликов [1, 2].
В целях создания наиболее благоприятных условий деформирования применяются различные схемы ротационной вытяжки [1-6]. Однако в этих работах практически отсутствует анализ влияния схем деформирования на обеспечение качественных характеристик изготавливаемых деталей и рекомендации для выбора схем деформирования при изготовлении деталей на специализированном оборудовании.
Выбор схемы ротационной вытяжки определяется конструктивными особенностями изготавливаемых деталей, технологическими возможностями используемого оборудования и свойствами обрабатываемого материала. Использование той или иной схемы преследует цель - создать наиболее благоприятные условия деформирования, обеспечивающие получение заданных качественных характеристик и профиля изготавливаемых деталей при высокой производительности процесса.
Существуют два способа ротационной вытяжки: прямой и обратный. При прямом способе заготовка фиксируется на оправке со стороны переднего торца (в начале обработки). В процессе ротационной вытяжки по такому способу обработанная часть детали подвергается растяжению, а
129
недеформированная часть заготовки свободна от напряжений и при утонении стенки перемещается вдоль оправки. При обратном способе заготовка устанавливается на оправку до упора задним торцем в буртик оправки. В процессе обработки не деформированная часть заготовки воспринимает осевая сила деформирования, а обработанная часть детали свободно перемещается по оправке, испытывая лишь остаточные напряжения, что способствует искажению её геометрической формы. В связи с этим, обратный способ характеризуется более низкими возможностями обеспечения точностных характеристик и применяется лишь для деталей с невысокими точностными требованиями. Изготовление деталей с повышенными требованиями производят преимущественно по прямому способу.
В зависимости от количества деформирующих роликов схемы ротационной вытяжки разделяются на одно-роликовые и много роликовые. Одно-роликовые и двух роликовые схемы используются преимущественно при изготовлении коротких деталей, поскольку указанные схемы не исключают смещения оси оправки относительно оси детали в процессе обработки, что приводит к снижению точностных характеристик изготавливаемых деталей. В связи с этим, для изготовления деталей большой длины с отношением Ь / Б > 5 наиболее широкое применение находят схемы ротационной вытяжки тремя роликами, равномерно (через 120°) расположенными по периметру окружности (рис. 1).
1_
Рис. 1. Схема ротационной вытяжки осесимметрчных деталей тремя роликами с открытой калибровкой: 1 - ролик; 2 - деталь; 3 - оправка
Использование трёхроликовых схем создаёт условия для уравновешивания сил деформирования, что позволяет разгрузить шпиндель станка от воздействия радиальные нагрузок и исключает прогиб оправки с деталью в процессе обработки.
Наряду с трёхроликовыми схемами в производстве успешно применяются схемы ротационной вытяжки с использованием четырёх роликов (рис. 2). При использовании многороликовых схем, в целях создания наи-
130
более благоприятных условий деформирования, взаимное расположение роликов, а также их расположение относительно оправки, может быть различно. В связи с этим указанные схемы разделяются на ряд разновидностей.
Схема ротационной вытяжки деталей роликами с открытой калибровкой представлена рис. 1. При такой схеме деформирующие ролики, имеющие одинаковый рабочий профиль, устанавливаются в одной плоскости, перпендикулярной оси детали, с одинаковым зазором 2 от поверхности оправки, равным толщине стенки изготавливаемой детали без учёта упругих деформаций системы «станок - приспособление - инструмент -деталь» (СПИД). Каждый из роликов имеет одинаковые размеры и форму контакта с заготовкой.
Рис. 2. Схема ротационной вытяжки осесимметричных деталей с использованием рабочих и поддерживающих роликов: 1 - деталь;
2 - оправка; 3 - ролик рабочий; 4 - ролик поддерживающий
Указанная схема может использоваться при изготовлении деталей, как с постоянной, так и с переменной толщиной стенки. Однако её применение для ротационной вытяжки ответственных деталей ограничено в связи с тем, что использование роликов с открытой калибровкой не позволяет регламентировать величину наплыва металла перед очагом деформации, что особенно необходимо при обработке высокопластичных материалов (малоуглеродистых сталей, алюминиевых сплавов, и др.), более склонных к образованию наплыва. Неограниченный рост наплыва приводит к наличию поверхностных дефектов в виде чешуйчатости, закатов, а также снижает точностные характеристики изготавливаемых деталей и возможности интенсификации процесса.
На рис. 3 показана схема ротационной вытяжки с использованием роликов с закрытой калибровкой, имеющих вспомогательную коническую поверхность под углом ав. Установка роликов при использовании указан-
ной схемы осуществляется аналогично предыдущей схеме (рис. 2).
Использование роликов с закрытой калибровкой позволяет ограничивать величину наплыва металла при ротационной вытяжке, что создаёт благоприятные условия для деформирования металла в широком диапазоне режимов обработки, обеспечивая тем самым более высокие качественные характеристики деталей и производительность процесса. Недостатком схемы (рис. 3) является возможность деформирования исходной заготовки только с постоянной величиной Аґ близкой к высоте гребня используемых деформирующих роликов Нг. Исходя из этого, схема (рис. 3) применяется для ротационной вытяжки деталей с постоянной толщиной стенки. Выбор геометрических параметров рабочего профиля роликов ар, ав, Иг осуществляется в зависимости от свойств обрабатываемого материала и величины Аґ.
Рис. 3. Схема ротационной вытяжки осесимметричных деталей роликами с закрытой калибровкой: 1 — деталь; 2 — ролик; 3 — оправка
При изготовлении деталей с переменной толщиной стенки, используются схемы с многорядным расположением деформирующих роликов. На рис. 4 показана схема ротационной вытяжки деталей с концевыми утолщениями при двухрядном расположении деформирующих роликов.
Схема предусматривает деформирование исходной заготовки передними роликами с толщины стенки ¿о до толщины стенки ¿1, соответствующей толщине стенки концевых утолщений готовой детали. Задние ролики осуществляют утонение стенки с толщины ¿1 до толщины ¿2 . В связи с тем, что при такой схеме ротационной вытяжки деталей передние и задние ролики вступают в работу не одновременно, процесс деформирования имеет свои особенности, оказывающие влияние на качественные характеристики изготавливаемых деталей.
Рис. 4. Схема ротационной вытяжки осесимметричных деталей с двухрядным расположением роликов: 1 - ролик передний; 2 - ролик задний; 3 - прижим; 4 - деталь; 5 - оправка
Первоначально процесс деформирования осуществляется только передними роликами. Степень деформации стенки на этом участке составляет 8^ = (¿о - ) / ¿о. В процессе обработки передними роликами недефор-мированный участок заготовки перемещается по оправке в направлении рабочей подачи. Фактическая подача заготовки в очаг деформации при работе только передних роликов будет равна Бф1 = £ (¿¡/ ¿о). После прохода
передними роликами участка длиной , вступают в работу задние ролики, при этом суммарная степень деформации стенки заготовки составляет 82 = (¿0 - ¿2)/¿0. Величина фактической подачи заготовки в очаг деформации, образуемый передними роликами будет при этом равна
5ф2 = 5 «2/ ¿о).
Изменение фактической подачи металла в очаг деформации приводит к изменению силы ротационной вытяжки и величины упругих деформаций системы СПИД, что в свою очередь оказывает влияние на изменение толщины стенки изготавливаемой детали. Колебания толщины стенки детали зависят от величины перепада подачи металла в очаг деформации, а также жёсткости используемого оборудования. Они могут быть довольно значительными и снижают точность изготавливаемые деталей.
В целях повышения точности деталей по схеме с двухрядным расположением роликов, процесс деформирования следует осуществлять с переменной рабочей подачей 5 роликов. При этом её величину на участке работы одних передних роликов 51 и при одновременной работе передних и задних роликов 5 2 устанавливают с учётом соотношений
51 = 52({2 /¿1); 52 = 51((1/12).
Деформирование заготовки с переменной рабочей подачей роликов позволяет обеспечить постоянную величину поступления металла в очаг деформации на протяжении всего цикла обработки, обеспечивая тем самым стабильность толщины стенки. Несмотря на использование более сложной конструкции оборудования, указанная схема обеспечивает высокую производительность при изготовлении деталей с концевыми утолщениями, что позволило использовать её при массовом производстве деталей.
Схема ротационной вытяжки с использованием 4-х роликов, расположенных через 900 по периметру окружности, приведена на рис. 2. При этом одна пара противоположно расположенных (через 180°) роликов является рабочей (осуществляет утонение стенки), а два других ролика -поддерживающими. Они служат для ограничения наплыва металла перед рабочими роликами. Схема, приведенная на рис. 2, является универсальной и может быть использована при ротационной вытяжке деталей, как с постоянной, так и с переменной толщиной стенки из различных материалов. Обеспечение переменной толщины стенки в этом случае достигается соответствующей траекторией перемещения рабочей пары роликов в процессе ротационной вытяжки.
Наряду с вышеприведёнными схемами, зарубежными фирмами, а также отечественными предприятиями, в том числе предприятием ОАО «НПО «СПЛАВ», разработаны и находят успешное применение схемы ротационной вытяжки с разделением очага деформации [3-6]. Такие схемы имеют ряд важных преимуществ, состоящих в снижении потребных деформирующих сил ротационной вытяжки (при прочих равных условиях), в достижении более высоких степеней деформации за один проход, что позволяет интенсифицировать процесс ротационной вытяжки. Сущность указанных схем состоит в том, что суммарная деформация разделяется между роликами или группой роликов по определённой зависимости. Разделение деформации осуществляется взаимным смещением роликов либо в осевом и радиальном направлении, либо смещением только в радиальном направлении, при этом используются ролики с различным профилем.
На рис. 5 представлена схема ротационной вытяжки четырьмя роликами, при которой разделение деформации между роликами осуществляется за счет их установки попарно со смещением в осевом и радиальном направлении.
При таком расположении каждая пара роликов, имеющих одинаковый профиль, создает свой очаг деформации. Расположение роликов в каждой паре через 1800 позволяет уравновесить радиальные силы при установке каждой пары роликов в одной плоскости с одинаковым зазором от поверхности оправки. В зависимости от величины смещения роликов в осевом направлении, процесс обработки по такой схеме может осуществляться с образованием двух независимых очагов деформации, создаваемых каждой парой роликов, или двух непрерывных очагов деформации.
Рис. 5. Схема ротационной вытяжки осесимметричных деталей с разделением деформации при попарном смещении роликов в осевом и радиальном направлении: 1 - ролик передний; 2 - ролик задний;
3 - деталь; 4 - оправка
В первом случае регламентирование наплыва перед очагом деформации должно осуществляться независимо каждой парой роликов. Во втором случае очаг деформации, создаваемой задними роликами перекрывается передней парой роликов, которые регламентируют величину наплыва перед задней парой роликов.
Образование регламентированного по величине и профилю наплыва при указанной схеме создает благоприятные условия для более интенсивного снижения разностенности деталей и обеспечивает высокое качество обрабатываемой поверхности. Основным её недостатком являются ограниченные возможности в части изготовления деталей с переменной толщиной стенки.
На рис. 6 представлена схема ротационной вытяжки с разделением деформации путём радиального смещения трёх роликов, установленные в одной плоскости, имеющих различные углы рабочего конуса. Разделение деформации при такой схеме достигается установкой роликов с различной величиной зазора от оправки, причём ролик с наименьшим углом устанавливается с наибольшим зазором, а ролик, имеющий наибольший угол в комплекте, устанавливается с зазором, равным толщине стенки готовой детали на обрабатываемом участке. При такой установке деформирующие ролики при ротационной вытяжке образуют три последовательно расположенные неразрывных участка деформации, наклонённых к оси детали под различными углами. Деформирование на начальном участке осуществляется роликом с минимальным углом, а на последнем участке - роликом с максимальным углом. Такой порядок расположения очагов деформации
позволяет с высокой эффективностью ограничить образование наплыва, т.к. начальный очаг деформирования создаётся роликом с малым углом, а очаги деформации, создаваемые последующими роликами, перерываются предыдущим роликом.
Рис. 6. Трех роликовая схема ротационной вытяжки осесимметричных деталей с разделением деформации при радиальном смещении роликов:
1 - ролик; 2 - оправка; 3 - деталь
Кроме того, обеспечение толщины стенки с формообразованием окончательного профиля готовой детали осуществляется роликом с наибольшим углом, что способствует обеспечению более высокой точности диаметральные размеров изготавливаемые деталей.
Схема (рис. 6) может успешно использоваться для изготовления деталей с постоянной и переменной толщиной стенки. Важным условием обеспечения высокой точности при использовании схемы (рис. 6) является обеспечение равновесия радиальных сил. При двухроликовых и трёхроликовых схемах это достигается путём соответствующего разделения суммарной деформации между роликами в определённой зависимости, учитывающей геометрические параметры используемых роликов, величину радиальной составляющей площади контакта каждого ролика с заготовкой и упрочнение материала детали на соответствующем участке деформирования.
При ротационной вытяжке деталей на оборудовании, оснащённом четырьмя роликами целесообразно использовать схему с разделением деформации, показанную на рис. 7.
Суммарная деформация при этой схеме разделяется между парами противоположно расположенные роликов, имеющих одинаковый рабочий профиль и установленных с одинаковым зазором от поверхности
оправки.
Рис. 7. Четырех роликовая схема ротационной вытяжки осесимметричных деталей с разделением деформации при попарном смещении деформирующих роликов в радиальном направлении:
1 - ролик; 2 - деталь; 3 - оправка
При такой установке роликов в процессе ротационной вытяжки создаются два последовательно расположенные очага деформации, причём начальный очаг деформации образует пара роликов с меньшими углами ар , а конечный очаг - парой роликов с большим углом ар2 . Приведённая схема (рис. 7) обеспечивает уравновешивание радиальных сил деформирования независимо от соотношения величины деформации между парами роликов.
Возможность независимого разделения суммарной деформации между парами роликов по этой схеме позволяет создать при обработке наиболее оптимальные условия деформирования. В частности, изменяя соотношение деформации между парами роликов, схема позволяет с высокой точностью регламентировать обеспечение внутреннего диаметра в широком диапазоне рабочих подач и степеней деформации, что является её важным преимуществом перед другими схемами.
Схема (рис. 7) может успешно применяться при ротационной вытяжке деталей различной конфигурации и типоразмеров, независимо от материала изготавливаемы деталей.
Выводы:
1. Схемы ротационной вытяжки с использованием одного или двух деформирующих роликов целесообразно использовать при изготовлении коротких деталей с отношением Ь/В £ 2...3. При больших отношениях Ь / В предпочтительно использовать схемы с тремя или четырьмя роликами, позволяющие уравновесить радиальные силы деформирования и исключить возможность смешения оправки в процессе обработки деталей.
2. Схемы ротационной вытяжки с открытой калибровкой, не обеспечивающие регламентирования наплыва металла в процессе обработки, имеют ограниченные возможности по точности геометрических характеристик деталей и производительности процесса. Схемы ротационной вытяжки с закрытой калибровкой позволяют регламентировать величину наплыва в широком диапазоне режимов обработки и обеспечивают более благоприятные условия деформирования для достижения высоких качественных характеристик изготавливаемые деталей и производительности процесса. Однако эта схема может быть использована при изготовлении сложнопрофильных осесимметричных деталей с постоянной толщиной стенки.
3. Схемы ротационной вытяжки с разделением деформации обладают широкими технологическими возможностями, так как изменение соотношения углов рабочего конуса роликов в комплекте, величины, взаимного радиального и осевого смещения роликов позволяют создать наиболее благоприятные условия деформирования для получения высокой точности. Наличие указанных преимуществ создаёт предпосылки для широкого применения схем с разделением деформации при изготовлении различных типоразмеров деталей, как с постоянной, так и с переменной толщиной стенки из различных материалов.
Работа выполнена в рамках государственного задания на проведение научно-исследовательских работ Министерства образования и науки Российской Федерации на 2014-2020 годы и гранта РФФИ № 13-08-97-518 р_центр_а.
Список литературы
1. Гредитор М. А. Давильные работы и ротационное выдавливание. М.: Машиностроение, 1971. 240 с.
2. Могильный Н.И. Ротационная вытяжка оболочковых деталей на станках. М.: Машиностроение, 1983. 192 с.
3. Ковка и штамповка: справочник. Т. 4. Листовая штамповка / под общ. ред. С.С. Яковлева; ред. совет: Е.И. Семенов (пред.) и др. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2010. 732 с.
4. Трегубов В.И. Ротационная вытяжка с утонением стенки цилиндрических деталей из труб на специализированном оборудовании. Тула: ТулГУ, Тульский полиграфист, 2002. 148 с.
5. Яковлев С.С., Трегубов В.И., Яковлев С.П. Ротационная вытяжка с утонением стенки осесимметричных деталей из анизотропных трубных заготовок. М.: Машиностроение, 2009. 265 с.
6. Патент № Яи 2106217 С1 РФ. Способ ротационной вытяжки полых осесимметричных деталей / Е.А. Белов, А. А. Хитрый, Н.В. Евсеева, В.Е. Ерохин [и др.]. 10.03.98.
Яковлев Сергей Сергеевич, д-р техн. наук, проф., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Трегубов Виктор Иванович, д-р техн. наук, проф., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, ОАО «НПО «СПЛАВ»,
Пилипенко Ольга Васильевна, д-р техн. наук, проф., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Орел, Государственный университет-учебно-научно-производственный комплекс,
Осипова Елена Витальевна, асп., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
PATTERNS SPINNING SLOZHNOPROFILNYH AXISYMMETRIC PARTS SPECIALIZED EQUIPMENT
S.S. Yakovlev, V.I. Tregubov, O.V. Pilipenko, E.V. Osipova
The analysis of influence diagrams deformation at Spinning at ensuring qualitative characteristics slozhnoprofilnyh axisymmetric de hoists, and provides guidance for selecting schemes deformation while preparing a detail on specialized equipment.
Key words: rotary extractor circuit, deformation roller mandrel, quality, strength.
Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-
tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Tregubov Victor Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, mpf-
tula@rambler. ru, Russia, Tula, NPO «SPLA V»,
Pilipenko Olga Vasilievna, doctor of technical sciences, professor, mpf-
tula@rambler. ru, Russia, Orel, State University — Education-Science-Production Complex,
Osipova Elena Vitalievna, postgraduate, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
