CC BY
23
2. Яковлев С.П., Чудин В.Н., Яковлев С.С., Соболев Я.А. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных материалов. М.: Машиностроение, 2003. 427с.
3. Чудин В.Н., Соболев Я.А., Пасынков А.А. Изотермическая осесимметричная осадка в условиях вязкопластичности // Заготовительные производства в машиностроении. М. 2015. №6. С. 22-25.
4. Пасынков А.А. Изотермическое выдавливание ребер на плите // Заготовительные производства в машиностроении. 2020. Том 18. № 4. С. 158-161.
Чекмазов Никита Михайлович, студент, olya-gurova-2016@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ESTIMATION OF THE DEFORMED STATE OF THE BILLET DURING ISOTHERMAL
DEFORMATION OF PLATES
N.M. Chekmazov
The article presents the results of studies of the process of deformation of plates from de-formable non-ferrous alloys with a relief punch. The influence of technological parameters on the deformed state of the blanks is revealed.
Key words: deformation, hot stamping, non-ferrous alloys.
Chekmazov Nikita Mikhailovich, student, olya-gurova-2016@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.983(045); 621.01:531.3
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-10-429-436
ШТАМПОВКА С ЛОКАЛИЗАЦИЕЙ ОЧАГА ДЕФОРМАЦИИ
С.А. Морозов, А.С. Морозов, А.В. Щенятский
Рассмотрены способы штамповки, основанные на локализации очага деформации. Это штамповка обкапыванием и торцевая раскатка. Разница между ними в различной кинематике процесса. Рассмотрены преимущества штамповки с локализацией очага деформации по сравнению с обычной штамповкой. Приведена классификация процессов штамповки обкатыванием и торцевой раскатки.
Ключевые слова: штамповка обкатыванием, торцевая раскатка, кинематика процесса, пуансон, матрица, локализация очага деформации.
В условиях рыночной экономики проблемы экономии металла, повышения качества и надежности изделий, увеличения производительности и переналаживаемости оборудования выдвигаются на первый план.
В решении этих задач ведущая роль будет принадлежать обработке металлов давлением (ОМД). Однако использование традиционно сложившихся методов ОМД не всегда является возможным. Так, снижение массы изделия за счет уменьшения относительной^ толщины заготовок, использование высокопрочных с малым ресурсом пластичности материалов ставит перед заготовительным производством задачи все большей сложности.
В связи с этим неуклонно растет интерес к технологиям, базирующимся на процессах обработки металла пластическим деформированием с более широкими технологическими возможностями, достигаемыми, например, локализацией очага пластической деформации [1]. Как было отмечено в «Ассоциации лиги содействия оборонным предприятиям» для выполнения задач по импортозамещения и диверсификации производств оборонного комплекса торцевая раскатка и штамповка обкатыванием может сыграть значимую роль в решении этих задач. Это отражено в «Стратегии развития тяжелого машиностроения на период до 2020 года и на перспективу до 2030 года».
При формировании локального очага пластической деформации, перемещающегося в заготовке по винтовой линии, как правило, меняются механизм течения металла, граничные условия, создаются возможности для дальнейшего снижения усилий деформирования. Несмотря на разное оборудование, процессы с локально подвижным очагом пластической деформации имеют общие черты, связанные с особыми условиями течения металла в локальном очаге пластической деформации, окруженном жесткими недеформируемыми пластическими зонами [2,
3].
Штамповка обкатыванием выполняется на прессовом оборудовании. Локализация очага пластической деформации достигается колебательным (обкатывающим) движением инструмента (рис. 1). Штамповка обкатыванием зарекомендовала себя как многообещающий способ деформирования металла.
5
Рис. 1. Схема осадки обкатыванием цилиндрической заготовки в штампе (а) и вытяжки с утонением стенки в обкатывающей матрице (б): 1 - обкатывающий инструмент; 2 - заготовка; 3 - инструмент с осевым перемещением; 4 - проекция
поверхности контакта на торец заготовки обкатывающего инструмента
с деформируемой заготовкой
При торцевой раскатке очаг деформации циклически перемещается по торцу заготовки. Это позволяет значительно уменьшить очаг деформации и усилие для деформирования заготовки. Кинематика движения инструмента при торцевой раскатке обеспечивается линейным перемещением пуансона или матрицы вдоль оси заготовки и вращательным движением пуансона вдоль собственной оси, наклоненной под углом 2-7 градуса относительно оси заготовки (рис.2). Это позволяет снизить деформирующее усилие в 10-15 раз по сравнению с обычной штамповкой; повысить коэффициент использования металла до 0,6-0,9; получать за один переход заготовки с отношением высоты к диаметру НЮ=0,015-0,1 и со сложной конфигурацией [4, 5].
Торцевую раскатку можно осуществить на специализированном оборудовании или на универсальном прессе с установкой на нем специальной приставки, реализующей кинематику процесса.
Приведем классификацию процессов штамповки обкатыванием.
Классификацию проведем по конструктивно-технологическому признаку. Он основывается на группировании деталей изделий по конструктивному назначению и на общности способа (технологии) обработки.
В зависимости от формы исходной заготовки детали изделий можно разделить на два класса (рис.3): детали из заготовок с дном для приложения усилия при штамповке; заготовки трубные, утонение стенки которых возможно в основном за счет приложения усилия к торцу трубы.
Полые и трубные детали по конструктивной общности формы объединим в следующие виды:
- детали полые (трубные) цилиндрические с постоянной толщиной стенки;
- детали полые (трубные) цилиндрические снаружи и конический или ступенчатые внутри (с переменной по длине толщиной стенок за счет внутреннего диаметра);
- детали полые цилиндрические внутри и конические или ступенчатые снаружи (с переменной толщиной стенки за счет наружного диаметра);
- детали (изделия) переменного по длине сечения с изменяющийся толщиной стенки за счет внутреннего и наружного диаметров.
Из приведенной классификации следует, что довольно большое многообразие конструкций корпусных деталей изделий можно свести к сравнительно небольшому количеству видов заготовок, которые изготавливались бы по общей технологии.
Объединим процессы штамповки обкатыванием в три основные группы в зависимости от вида штампуемых заготовок (рис.4).
Вид заготоВки детали
с постоянной толщиной стенки С переменны Внутренние диаметром К Л а ч с переменным наружным диаметрам ее X С переменными наружным и Внутренним диаметрами
~т I III ш К Л а 'с с с Л Ф 1$
- .1 1. I I III Ы ! \ 3 I;
Тип э а г о т о в к и
круг о! а и * Вадрап 7 првмоуголь наружный Внутен-
О 0 1Ф Ф £
Рис.3. Классификация заготовок по конструктивно-технолигическим признакам
431
В первой группе представлены примеры следующих процессов:
1а) вырубка обкатывающим пуансоном;
1б) безотходная штамповка обкатыванием плоских заготовок типа дисков;
1в) высадка обкатыванием;
1г) штамповка обкатыванием заготовок сложной формы, например зубчатых колес, днищ, тарелей.
Для получения точных заготовок под последующее деформирование могут быть использованы вырубка и штамповка плоских заготовок типа дисков.
Целесообразность применения вырубки обкатыванием определяется рядом благоприятных факторов, таких как многократное снижение усилия вырубки, перпендикулярность поверхности среза, малые заусенец и остаточный прогиб заготовки, возможность толстолистовой вырубки заготовок для последующего выдавливания.
Безотходная штамповка обкатыванием плоских заготовок типа кружков с отношением И/П> 0,02 представляет особый интерес в связи с возможностью значительного повышения КИМ.
Рис.4. Классификация процессов штамповки обкатыванием по группам
Во второй группе (рис. 4, схемы 2а-2г) объединены процессы штамповки полуфабриката в виде стакана:
2а) выдавливание обкатывающим пуансоном из заготовок различной формы;
2б) выдавливание полых заготовок в матрице с колебательным движением дна;
2в) выдавливание в обкатывающей матрице;
2г) глубокая вытяжка из листа с колебательным движением прижима или матрицы.
Приведенные варианты выдавливания имеют разные возможности и отличаются геометрическими параметрами исходных и штампуемых заготовок, требуемыми усилиями и другими показателями.
В третью группу входят процессы, приведенные на рис.4 (схемы 3а-3г):
за) вытяжка с утонением в инструменте обкатывания;
зб) вытяжка-прессование;
зв) раздача или деформирование полых заготовок внутренним инструментом обкатывания;
зг) обжим.
Три первых процесса (см. рис.4, схемы 3а-3в) позволяют проводить основное формоизменение полуфабриката - увеличение длины за счет уменьшения толщины стенки. На этих операциях формируются и механические свойства деталей. Раздачу и обжим концов полых и трубных заготовок используют на заключительной стадии штамповки деталей.
Как и для процессов объемной шташовки, обработка обкатыванием полых и трубных заготовок сопровождается многократным снижением усилий и повышением предельных степеней деформации. При вытяжке с утонением в матрице с колебательным движением степень деформации несколько ниже, чем при вытяжке-прессовании, но все же достаточно высока. За один переход стенка утоняется в 3-5 раз [6, 7].
Процесс обжима в обкатывающей матрице (см. рис.4, схема 3г) выгодно отличается от традиционных процессов. При обжиме в неподвижной матрице с приложением усилия по оси заготовки предельная степень деформации резко ограничена вследствие потери устойчивости в
той части трубной заготовки, через которую передается осевое усилие. Более широкие возможности обеспечивает процесс обжима вращающейся заготовки: роликами (валками) или инструментом трения. Однако в этом случае необходим предварительный нагрев краевой части трубной заготовки. Обжим в обкатывающей матрице с коэффициентом обжима (отношение диаметра заготовки к диаметру горловины), равным двум и более, проводится в холодном состоянии [6].
Рассмотрим применение торцевой раскатки для изготовления деталей с тонким полотном.
В результате анализа номенклатуры предприятий отрасли разработан классификатор типовых деталей с тонким полотном (рис. 5).
Дисковая фреза является представителем деталей первого класса типа дисков постоянной толщины. Для достижения больших степеней деформации быстрорежущих сталей разработана технология торцевой раскатки в два перехода. На первом - применяется инструмент с углом заправки рабочей конусной поверхности 5 = 4-5°, раскатка производится при у = 1,52,5° с получением необходимой толщины в центре заготовки. На втором переходе (5 = 4-5°, у = 8-10°) дополнительные напряжения растяжения используются для калибровки чашеобразной заготовки плоским растяжением с дополнительной деформацией утолщенных краев до нужного размера. Раскатку производят за два-три оборота до момента, когда заготовка занимает среднее положение между инструментами. Дальнейшая раскатка может привести к разрушению центра заготовки под действием указанных напряжений.
Кольца постоянной толщины могут быть с относительно малым (<50% наружного диаметра) и относительно большим внутренним диаметрами (>50% наружного диаметра). Кольца с относительно малым внутренним диаметром, например, тарельчатые пружины, могут быть получены с одновременной прошивкой отверстия в заготовке.
Класс деталей Наименование деталей представителей Характерные признаки деталей Эскиз детали представителя
1. Диски постоянной толщины Дисковая фреза H/D < 0,1 з: D
2. Кольца постоянной толщины Диск трения, тарельчатая пружина И/Внар < 0,1 з: I - D HaP » I
3. Профильные диски:
3.1. Круглые в плане Звездочка цепной передачи, шестерня Нпол/Впол < 0,1 Массивные элементы и тонкие полотна § аТ 1 D пол 1
3.2. Некруглые в плане. Облицовка, плата Рифленое тонкое полотно H/B = 0,01-0,03 3 g в
4. Профильные кольца Венец Нпол/Впол < 0 ,1 Массивные элементы и тонкие полотна I § 1 D пол 1 -17777^
5. Детали типа:
5.1. Стержень с фланцем Грибковая фреза, крышка Нф/Вф < 0,1 а: g D h—
1 L
5.2. Труба с фланцем Кольцо Нф/Вф < 0,1 ■e С D * .
r
Рис. 5. Классификация процессов торцевой раскатки типовых деталей
с тонким полотном
При этом на прошивник от выталкивателя подается усилие, равное произведению предела текучести материала заготовки на площадь торца прошивника. На первой стадии раскатки усилие, необходимое для деформации центра заготовки больше усилия, приложенного к про-шивнику, поэтому последний остается неподвижным (рис. 6, а). На стадии деформации, соответствующей появлению дополнительных напряжений растяжения в центре заготовки, контактные давления в этой области становятся ниже давлений на прошивник, и он начинает перемещение навстречу обкатывающему пуансону, оформляя коническое отверстие (рис. 6, б). При смазке вершин пуансона и прошивника тонкая пленка в центре заготовки разрывается, усилие с прошивника снимается, он возвращается в исходное положение при дальнейшем движении обкатывающего пуансона. Прошитое отверстие при этом увеличивается, так как раскатка идет с широкой формой очага (рис. 6, в). Соотношение наружного и внутреннего диаметров кольца подбирается экспериментально изменением угла наклона инструмента в диапазоне от 4 до 10°.
средняя, конечная стадии раскатки; 1 - матрица; 2 - прошивка; 3 - заготовка; 4 - пуансон
Кольца с относительно большим внутренним диаметром, например, диск трения, могут быть получены раскаткой с одновременным отделением колец от прутка. Исходной заготовкой является пруток с объемом, рассчитанным на несколько колец. Пруток устанавливается в матрицу, выступая из нее на величину объема кольца. При раскатке до степени деформации, соответствующей появлению дополнительных напряжений растяжения, в прутке у кромки матрицы образуется увеличивающаяся кольцевая шейка, по которой в дальнейшем отделяется кольцо от прутка. Пруток снова выдвигают на величину объема кольца и цикл повторяется.
Профильные диски типа звездочек ценных передач и шестерен оформляются в закрытом штампе при у = 3-5°. Эти детали могут быть получены из круглого проката, однако более предпочтительна полосовая заготовка, вписываемая в наружный диаметр детали.
Не круглые в плане детали оформляются в фигурном углублении матрицы пуансоном соответствующей формы, входящим в соединение с матрицей до деформации заготовки. В этом случае площадь заготовки в плане чаще всего равна площади поковки, т.е. при деформации металл только перераспределяется по высоте заготовки. Угол наклона инструмента, принимается равным 3°.
Таким образом, с помощью основных процессов штамповки обкатыванием и торцевой раскатки можно разрабатывать комплексные малопереходные технологии изготовления корпусных деталей изделий, деталей с тонким полотном. Экономический эффект от внедрения рассмотренных процессов достигается за счет снижения нормы расхода материала, повышения коэффициента использования материала, снижения технологической себестоимости.
Список литературы
1. Корякин Н.А. Штамповка обкатыванием. Состояние и перспективы развития // Куз-нечно-штамповочное производство. 1990. №12. С.5-7.
2. Богоявленский К.Н., Лапин В.В. Развитие процессов раскатки и сферодвижной штамповки // Кузнечно-штамповочное производство. 1981. №8. С.24-27.
3. Капорович В.Г. Состояние и перспективы развития локальных методов обработки металлов давлением // Кузнечно-штамповочное производство. 1985. №7. С.5-6.
4. Морозов С.А., Морозов А.С. Актуальность и опыт внедрения торцевой раскатки на производстве // Интеграция науки, общества, производства и промышленности: проблемы и перспективы: сборник статей Международной научно-практической конференции (27 ноября 2019 г., г. Ирутск). Уфа: Аэтерна, 2019. С. 33-35.
5. Морозов С.А., Щенятский А.В., Морозов А.С. Торцевая раскатка сложнопрофиль-ных деталей из алюминиевых сплавов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 12. С. 196-199.
6. Корякин Н.А., Алексеев В.М., Шалаев В.Д. и др. Деформирование металла качающимся инструментом. М.: ЦНИИТЭИ, 1976. 72 с.
7. Корякин Н.А. Сравнительная классификация процессов обработки металлов давлением с локально-подвижным очагом пластической деформации // Научно-технический сборник. Сер.ХУП. 1977. Вып.89. С.19-23.
Морозов Сергей Александрович, канд. техн. наук, доцент, доцент, msa-omd@mail.ru, Россия, Ижевск, Ижевск государственный технический университет имени М.Т. Калашникова,
Морозов Александр Сергеевич, аспирант, sashamor2@mail. ru, Россия, Ижевск, Ижевск государственный технический университет имени М. Т. Калашникова,
Щенятский Алексей Валерьевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, bkkupol@istu.ru, Россия, Ижевск, Ижевск государственный технический университет имени М.Т. Калашникова
FORGING WITH LOCALISATION OF THE DEFORMATION ZONE S.A. Morozov, A.S. Morozov, A.V. Schenyatsky
Forging methods based on localisation of the deformation zone are considered. These methods are orbital forging and rotary forging. The difference between the two is the different kinematics of the process. The advantages of localised forging over conventional forging are discussed. A classification of the orbital forging and rotary forging is given.
Key words: orbital forging, rotary forging, process kinematics, punch, lower die, localization of deformation zone.
Morozov Sergey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, msa-omd@mail.ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University,
Morozov Aleksandr Sergeevich, postgraduate, sashamor2@mail. ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University,
Schenyatsky Alexey Valerevich, doctor of technical sciences, professor, bkkupol@istu.ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University
