CC BY
9ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВА ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
УДК 621.961.2.002.54:621.8:631.3
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫРУБНОГО ШТАМПОВОГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕНОЙ ТЕХНИКИ
Н. И. Мозговой
Алтайский государственный технический университет им. И. И.
Ползунова, Алтайский государственный университет
Аннотация. На предприятиях сельскохозяйственного машиностроения в современных рыночных условиях специалисты вынуждены решать задачи по оптимизации имеющегося производства и постоянно внедрять новые технологии изготовления деталей для оптимизации производства и сокращения собственных затрат. В частности, приходится осуществлять выбор технологического процесса изготовления вырубного инструмента, который оказывает непосредственное влияние на стоимость изготавливаемой продукции, ее качество и, как следствие, на срок ее службы и производительность процесса обработки, то есть на те параметры, которые оказывают влияние на уровень приведенных затрат при эксплуатации инструмента.
Предложено усовершенствование технологического процесса изготовления пуансона для изготовления деталей для сельскохозяйственой техники на роторных линиях, в котором операция штамповки заменяет операции токарной обработки. Разработана иерархическая гибридная модель, состоящая из четырех модулей алгоритма, которые учитывают минимизацию силовых параметров процесса, снижение отходов металла, математеческую модель, учитывающую геометрические и силовые параметры компенсационной полости и содержащую расчет усилия штамповки. Получена математическая модель технологического процесса горячей объемной штамповки, позволила выявить зависимость усилия штамповки от временного параметра штамповки и визуально представить процесс деформирования от заготовки до конечной формы штампованной поковки. Выполнено технико-экономическое
обоснование на примере производства вырубного штампового инструмента.
Ключевые слова: показатели качества, технологический процесс, роторные линии, выдавливание, обработка металлов давлением, пуансон, оптимизация, технико-экономические показатели, моделирование, штамповка.
Введение. Выбор технологического процесса изготовления вырубного инструмента оказывает существенное влияние на его стоимость, качество и, как следствие, на срок его службы и производительность процесса обработки, то есть на те параметры, которые оказывают влияние на уровень приведенных затрат при эксплуатации инструмента. Следовательно, конфигурация инструмента, возможные способы его изготовления, а также его эксплуатация в значительной мере влияют на уровень затрат при выполнении операций по изготовлению деталей для сельскохозяйственой техники на роторных линиях.
Традиционный процесс изготовления вырубного штампового инструментана примере пуансона для производства деталей для сельскохозяйственой техники на роторных линиях представляет собой последовательность следующих операций: заготовительная, токарная, круглошлифовальная, торцешлифовальная и маркировочная.
Выбранная технология для производства вырубного штампового инструмента для производства деталей для сельскохозяйственой техники на роторных линиях ограничивается маршрутной технологией, разработанной в начале прошлого века. Традиционный технологический процесс отстал от современных промышленных темпов развития.
Данная технология изготовления вырубного инструмента несет низкий коэффициент использования металла (высоколегированной стали Х12МФ ГОСТ 5950-2000) при производстве, тем самым увеличивая расходы на дорогостоящий материал.
Целью данной научно-исследовательской работы является снижение себестоимости вырубного инструмента, предназначенного для получения заготовок для деталей сельскохозяйственой техники на роторных линиях, за счет совершенствования действующего технологического процесса с использованием компьютерного моделирования.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:
1. Предложить метод получения заготовки.
2. Спроектировать процесс обработки металла давлением.
3. Разработать технологический процесс изготовления пуансона.
4. Определить технико-экономические показатели технологического процесса.
Для приближения формы заготовок вырубного инструмента к форме готового инструмента, рекомендуется применение штамповки заготовок инструмента. Применение штамповки повышает коэффициент использования металла на 25-50%, а также на 2-3%, снижается карбидная неоднородность металла, улучшая механические свойства инструмента и снижая трудоемкость механической обработки за счет уменьшения припусков[1, 2].
Описание теоретических или экспериментальных исследований
Компьютерное моделирование производилось с помощью системы трехмерного и графического проектирования «SolidWorks» исистемы моделирования операций обработки металла давлением «QFormV8».
Система «Solidworks» позволила создать объемную 3D модель: детали, проектируемой заготовки, проектируемой поковки и заготовки из технологического процесса предприятия (рисунок 1).
А) Деталь Б) В) Г) Заготовка из
Проектируемая Проектируемая технологического заготовка поковка процесса
предприятия
Рисунок 1 - 3D модели детали, проектируемой заготовки и поковки
На основании компьютерных моделей удалось рассчитать разницу объемов и процентноесоотношение между заготовкой
(заводской) и готовой деталью, между заготовкой (проектируемой) и готовой деталью.
В результате расчета разница объемов между заготовкой (заводской) и готовой деталью составила 39537,7 мм3, процентное соотношение 53,44%, разница объемов между заготовкой (проектируемой) и готовой деталью составила 7331 мм3, процентное соотношение 17,54%.
Для моделирования двухмерного процесса обработки металла давлением необходимо создать полномасштабный блок инструментов и заготовки в любой CAD системе в формате dfx, для осесимметричных изделий допускается одна часть контура, а вторую программа достравает автоматически.
После создания блока инструментов и запуска QForm программа пошагово предлагает создать операцию обработки металлов давлением (ОМД). При вводе исходных данных пользователь оперирует исключительно технологическими понятиями и общается с системой на привычном языке конструктора-технолога, а мастер подготовки исходных данных в режиме «вопрос-ответ» позволяет быстро и легко ввести все необходимые для расчета параметры.
Изучение процесса формообразования поверхности деталей из пластически деформируемых материалов осуществлялось путем целенаправленного изменения входных параметров в соответствии с методикой полного факторного эксперимента и регистрации выходных характеристик технологической системы [3, 4, 5].
Для проведения эксперимента в лабораторных условиях в качестве образцов были взяты сплошные заготовки из сплава Х12МФ длиной 85 мм, диаметром 25 мм. Пластическое деформирование проводилось с усилием 220 кН рабочим инструментом - пуансоном, выполненным из высококачественной износостойкой инструментальной штамповой стали 4Х4ВМФС(ДИ22). Основываясь на литературных данных, были выбраны материал рабочего инструмента, начальная температура 1100°С для процесса ОМД и графитоводная смазка, которые обеспечивают необходимые значения геометрических параметров изделия (рисунки 2).
Параметры инструментов
В Привод
Инструмент 1 Инструмент 2 В Смазка
Инструмент 1 Инструмент 2 В Материал
Инструмент! Инструмент 2 ЕЬТемпература [°С] Инструмент 1 струмент 2 Свести в контакт Инструмент 1 Инструмент 2 Трение между инструментами В Совместная деформация Инструмент 1 Инструмент 2 Й-Теплообмен с заготовкой - Инструмент 1 Инструмент 2 В Подпружиненный инструмент Инструмент! Инструмент 2 [^-Начальноеусилие сжатия [МН] Инструмент I Инструмент 2 ЁЬЖесткость пружины [МН/мм] Инструмент 1 Инструмент 2
бЗМЫ
^гд1пд\31ее15\СгарИ^е + water Н<ЛТогд1пд^ее15\0гарИ№с + water Kot foгaina\Steel5^GFaphite + тл^ег ДИ-22:4Х4М2ВФС ДИ-22: 4Х4М2ВФС ДИ-22; 4Х4М2ВФС 20
20
с отводом назад с отводом назад с отводом назад ГВыбрать,.,!
ш о 0 Про< Про< Про<
О
0 0
В Объекты
Заготовка 1 V Инструменты
Й Инструмент 1 ¥ Инструмент 2
© N V» Ф N 1 1/95
Первый переход [1]
Удар
| цНИЕ
с
■йийни
(омпьютерное модеяирс
Рисунок 2 - Компьютерное моделирование ОМД в программе «QFormV8», ввод исходных параметров инструмента
После ввода исходных данных программа осуществляет моделирование и визуализацию процесса расчета в заданных технических_условиях (рисунок 3).___
: ¡1 V ■ ■ 1 г »за „ ¡а :| ■■■ а в 1 - и|- . • ш
О с - : : >
Рисунок 3 - Визуализация процесса штамповки первого перехода
Во время проведения расчёта можно наблюдать процесс ОМД с изменением исходных форм и параметров заготовки. По окончанию процесса расчета проводится анализ температурных интервалов поковки; напряжений, возникающих в процессе обработки; пластической деформации поковки; требуемых усилий пресса.
Представленный пример ОМД имеет два перехода обработки. По итогам первого перехода программа предлагает провести второй переход, пошагово используя уже имеющие результаты (рисунок 4).
®К 1ЫЙ ЙлЗ
айк,' ■1' ^МС ' Ш ' ТЙЯГ1" Тбг1"^' «иц?
ОЛтПЙЯ.^ о |
В р » * I □!
■ ■
Рисунок 4 - Результаты штамповки первого перехода
Для проведения второго перехода были взяты результаты первого перехода и изменены инструменты (рисунок 5).
, »и™«
3 333 I - I Л!
°Т™Г
>
Рисунок 5- Выполнение расчетов штамповки второго перехода
По окончанию расчетов второго перехода была получена двухмерная компьютерная модель процесса ОМД, что позволило нам провести анализ напряжённо-деформированного состояния поковки при пластической деформации, относимое к числу наиболее существенных факторов, влияющих на свойства изделия. Ктаким
факторам относятся: процесс высоких температур и неоднородного распределения потенциальной энергии.
На рисунках 6, 7 показано напряжённо-деформированное состояние поковки. Максимальные напряжения и деформации сконцентрированы на верхнем торце заготовки вырубного инструмента в виде бобышки лишнего металла, а поверхность рабочей части инструмента попадает в интервал допустимых значений 0,8-1,4 коэффициента распределения пластических деформаций.
Рисунок 6 - Напряжённо-деформированное состояние поковки
н
ЗагшЮка
м
■ :
Пербый переход
Р4-Л
штс авхс
Второй переход
Г Л 1 к | т _
Г- т
\ г
яДг
Рисунок 7-Комиьютерное моделирование переходов штамповки
Результаты и обсуждение
Процесс выдавливания стержневых изделий характеризуется избытком металла, который как правило формируется в торце стержневого элемента под действием стержневой полости матрицы. В процессе последующей операции, заключающейся в подрезке торца поковки происходит удаление избытка металла, в результате которого неизбежно происходит перерезание волокон металла. В результате чего, на торцевой поверхности рабочей части инструмента выходят волокна, ориентированные перпендикулярно этой поверхности, что значительно снижает стойкость штамповочного инструмента.
Для предотвращения нежелательного эффекта был предложен двухпереходный процесс закрытой штамповки выдавливанием стержневых поковок с использованием нагрузочного элемента, сформированного на торце утолщения в первом переходе с компенсацией избытка металла в центровой компенсатор, выполненный на торце деформирующего пуансона. В этом случае волокна в торцевой рабочей части инструмента располагаются по контуру этого элемента.
В процессе моделирования в специальной программной среде можно наблюдать первый технологический переход с формированием силового элемента на торцевой части поковки. Силовой элемент имеет утонение кромок, которые охлаждаются быстрее основной массы заготовки, что существенно повышает сопротивление его деформации.
Поэтому при выполнение второго перехода формирование стержня до полной длины осуществляется при деформации этого силового элемента в конце формирования, когда его торец упирается в выталкиватель, сопротивление деформации полости штампа существенно возрастает, начинается выдавливание из центральной части торца заготовки.При этом избыток металла удаляется в компенсационную полость устроенную в полости пуансона. На торце поковки образуется бобышка, равная объему избытка металла, которая удаляется при подрезке торца при окончательной обработке детали. Данная технология позволяет получить благоприятное волокнистое строение на торце рабочей части пуансона.
Технико-экономическое обоснование совершенствования технологического процесса изготовления вырубного стержневого инструмента на примере пуансона представлено в таблице 1.
Таблица 1 - Технико-экономическое обоснование усовершенствованного технологического процесса изготовления выру бного стержневого инструмента на примере пуансона_
Парам Дейст Вр Предла Вр
етры вующий ТП емя об работки гаемый ТП емя об работки
Стоимость 243 руб/кг - 215 руб/кг -
материала
Масса 0,557 кг - 0,387 кг -
заготовки
Заготовка 141 руб. 89 руб. -
Штамповка - - 58 руб. 3 мин.
Токарная 68руб. 8 мин. 17 руб. 2 мин.
операция
Кругло -шлифовальна 53руб. 7 мин. 53руб. 7 мин.
я операция
Торце- шлифовальна 29руб. 5 мин. 29руб. 5 мин.
я операция
Маркировка 7руб. 2 мин. 7руб. 2 мин.
Итого 298 руб. 22 мин. 253 руб. 19 мин.
Выводы
1. Предложен усовершенствованный технологический процесс получения вырубного пуансона для получения заготовок
деталей для сельскохозяйственой техники на роторных линиях с использованием операции ОМД.
2. Получена математическая модель технологического процесса горячей объемной штамповки, которая позволила построить зависимость усилия штамповки от времени операции и визуализировать процесс деформирования от заготовки до конечной формы штампованной поковки.
3. Повышение стойкости инструмента за счет формирования стержневого штампового инструмента, исключающего подрезание торца рабочей части инструмента и сохранения благоприятного волокнистого строения металла.
4. Снижена металлоемкость проектируемой заготовки вырубного инструмента.
5. Повышен коэффициент использования материала.
6. Уменьшены затраты на механическую обработку.
Список использованных источников:
1. Мозговой Н.И., Мозговая Я. Г.Проектирование операций изготовления отверстий в деталях из стеклопластика. Обработкаметаллов. №>1(54)/2012, НГТУ: Новосибирск, 2012. - С. 4550.
2. Мозговой Н.И., Мозговая Я. Г.Особенности обработки отверстий в деталях из стеклопластика. Информационные технологии в промышленности: тезисы докладов седьмоймеждунар.науч. -техн.конф. 30 - 31 октября 2012 года. - Минск: ОИПИ НАН Беларусии, 2012. - С. 207-209. - ISBN 978-985-6744-78-8.
3. Мозговой Н.И., Мозговая Я. Г., Пашкова Е. А.Экспериментальные исследования внутренних дефектов пластичных материалов методом неразрушающего контроля. Инновации в машиностроении: материалы VII международной науч. - практ. конф. 23-25 сентября 2015 г. КузГТУ: Кемерово, 2015. - С. 512-515.
4. Мозговой Н.И., Мозговая Я. Г.Разработка программно-аппаратного комплекса для контроля внутренних дефектов и остаточного ресурса инженерных конструкций и изделий из стеклопластика. Обработкаметаллов. №4(73)/2016, НГТУ: Новосибирск, 2016. - С. 06-15.
5. Мозговой Н.И., Мозговая Я. Г.Контроль внутренних дефектов и остаточного ресурса инженерных конструкций и изделий из композиционных материалов в сельском хозяйстве. Инновациивсельскомхозяйстве. ГНУВИЭСХ, 2017. - №3 (24) / 2017 С. 230-238.
TECHNOLOGICAL IMPROVEMENT OF ROD PUNCHING TOOLS MANUFACTURING
Abstract. In current market conditions specialists of agricultural engineering enterprises have to bring operation excellence, new technologies implementation and cost cutting issues into focus. In particular, it is necessary to choose the manufacturing process of the cutting tool, which has a direct impact on the cost of manufactured products, their quality and, as a consequence, on their service life and processing performance, that is, on those parameters that affect the level of reduced costs in the operation of the tool.
It is suggested to improve the technological process of punch manufacturing for the production of agricultural machinery parts on rotary lines, in which the stamping operation replaces the turning one. A hierarchical hybrid model, consisting of four algorithm modules, is developed. The model takes into account the minimization of the force parameters of the process, the reduction of metal waste, and a mathematical model that responds the geometric and force parameters of the compensation cavity and contains the calculation of the punching force. The mathematical model of hot volumetric stamping technological process is received. It reveals the dependence between the stamping effort and time parameter of stamping and visualizes the deformation process from preparation to the final form of the stamped forging. The feasibility study on the example of die-cutting tools production has been done.
Key words: quality indicators, technological process, rotor lines, extrusion, metal forming, punch, optimization, technical and economic indicators, modeling, stamping.
Mozgovoy N.I., Ph.D. (Engineering), e - mail: nick_3@mail.ru,
FSAEI HE Polzunov Altai State Technical University, 656038, Lenina avenue, 46, Barnaul, Altai region, Russian Federation
Altai State University, 656049, Lenina avenue, 61, Barnaul, Altai region, Russian Federation
