Способ повышения качества детали "полусфера с широким фланцем" в штампе с упругим прижимом Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 673

СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ДЕТАЛИ «ПОЛУСФЕРА С ШИРОКИМ ФЛАНЦЕМ» В ШТАМПЕ С УПРУГИМ ПРИЖИМОМ

А.А. Дикуша, Е.С. Нестеренко

В настоящее время существует множество способов штамповки полых осе-симметричных деталей, таких, как полусфера. Однако вопрос получения качественной детали с минимально затраченными усилиями и средствами остается весьма актуальным. Необходима такая конструкция штампа, которая в процессе штамповки будет устранять следующие дефекты: гофрообразование, высокую степень утонения материала, образование трещин и разрывов заготовки.

Ключевые слова: штамп, вытяжка, листовая штамповка, упругий прижим, напряжения, деталь.

Детали из алюминиевых сплавов типа «полусфера» имеют широкое применение в ракетостроении, самолетостроении и машиностроении. В большинстве случаев такие детали изготавливают из тонколистового материла, так как они обладают достаточно небольшой массой, что очень важно в авиастроении, а также имеют высокую прочность и жесткость. В процессах обработки металлов давлением деталь - полусфера - является геометрически сложной формой. Получение качественной детали существенно усложняется, если полусфера имеет широкий фланец.

Основные дефекты, которые встречаются при изготовлении полусферы с широким фланцем: гофрообразование на фланце, непостоянство толщины металла (разнотолщинность) на фланце, потеря устойчивости, приводящая к искажению заданной формы детали, отрыв фланца либо образование трещин на сферической части детали [1].

Усовершенствованию процессов обработки металлов давлением были посвящены многие работы А.А. Ильюшина, Н.И. Безухова, С.И. Губкин, Н.Н. Малинина, А. Надаи, Р. Хилла, И.П. Ренне и других ученых. Большие работы по усовершенствованию процесса вытяжки были проведены ЦНИИТМАШ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, МИСИС и другими организациями [2 - 6].

Для определения напряжений и усилий, необходимых для реализации процессов обработки давлением, используют современные методы теории пластичности, разработанные советскими и зарубежными учеными:

A.А. Ильюшиным, С. А. Христиановичем, Л.М. Качановым, В.В. Соколовским, Д.Д. Ивлевым, Б. Сен-Венаном, Д. Друкером, Р. Хиллом,

B. Прагером и др. [2 - 6].

Условие текучести металла разрабатывали ученые Мизес и Треска.

Опыты, проводимые в 60-х гг. профессором А.Г. Овчинниковым показали, что при вытяжке относительно тонкостенных заготовок в случае,

277

если прижим распределяется не по кромке фланца, как в традиционном случае, а по всей его поверхности, коэффициент вытяжки увеличивается [7].

На кафедре обработки металлов давлением Самарского государственного аэрокосмического университета разработана конструктивная возможность проведения вытяжки с прижимом, прилегающим по всей поверхности фланца в течение всего процесса [8].

Этот процесс осуществляют с помощью использования упругих свойств штамповой оснастки, а именно прижим и матрица выполнены в виде упругих колец, которые обеспечивают упругое перемещение, позволяющее прижать фланец заготовки с необходимым давлением по всей его поверхности.

Конструкция штампа была проработана и спроектирована для получения сферических деталей с широким фланцем. Схема штампа представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема штампа для вытяжки сферических деталей с широким фланцем: 1 - пуансон; 2 - упругий прижим; 3 - упругая матрица;

4 - опорное кольцо; 5 - кольцо, передающее усилие на прижим;

6 - заготовка; 7 - калибровочная матрица

В процессе вытяжки сферических деталей с фланцем в заготовке на различных участках возникает разное напряженно-деформированное состояние.

Распределение главных напряжений и главных деформаций по контуру сферической детали показано на рис. 2 и 3 соответственно.

Условие возможности протекания процесса вытяжки сферических днищ без разрушения представляется следующим балансом напряжений в опасном сечении[9]:

= Од + Ог + От1 + ат2 + от3 - от4 < ов , (1)

ош - напряжение штамповки в опасном сечении заготовки, МПа; од - компонент напряжений от объемно-пластического деформирования, МПа; ог -компонент напряжений от изгиба заготовки вокруг вытяжного радиуса матрицы, МПа; от1, от2, от3 - компоненты напряжений соответственно от сил трения на радиусе матрицы под прижимом в вытяжном зазоре, МПа; от4 -компонент напряжений от блокировки опасного сечения силой трения между заготовкой и пуансоном, МПа.

Усилие вытяжки сферообразных днищ с Н/Д > 0,3 определяют по формуле

Рв = 2пЯс50аКс5тас, (2)

где 50 - начальная толщина исходной (плоской) заготовки, мм; Яс - радиус нейтрального сечения днища по тангенциальным напряжениям, мм; аКс -меридиональные напряжения в нейтральном сечении, МПа.

Рис. 2. Распределение главных напряжений по контуру

сферической детали

Рис. 3. Распределение главных деформаций по контуру сферической детали

Радиус нейтрального сечения вычисляется по формуле [9]

ЯС = ЯС0 5Ш(9О -ас) 9 (3)

где Ясф - радиус кривизны сферической поверхности днища, мм.

Величина главных меридиональных напряжений в нейтральном сечении вычисляется по формуле [9]

ЦЯгр/Яс) + °Ягр , (4)

где о8гр - сопротивление материала деформированию на границе контакта заготовки с матрицей, МПа; Ягр - радиус границы контакта заготовки с матрицей, мм; оКгр - меридиональные напряжения на границе контакта заготовки с матрицей, МПа.

Сопротивление металла деформированию находим по формуле

~ А ] 1

К;/ П^о + Я? + К«2

П

(5)

где А,п — константы упрочнения штампуемого материала.

Максимальные контактные давления на радиусе закругления кромки матрицы можно представить в виде следующей формулы:

о кшах = ^0,2 ■ к± ■ + [0,87/Да + 0Д4^][1 - (к^)]}. (6)

Для практических расчетов принимаем для алюминия и его сплавов к± = 1,35; к2 = 2,35 [9].

Максимальная разнотолщинность на фланце определяется по формуле [10]

^^тах ^кромки ^матрицы , С^)

где Бкромки - толщина детали кромке; 5матрщы - толщина детали на сходе матрицы.

Толщина детали на кромке

_ IКзаготовки _ л /37 /'ОЛ

^кромки I р а/чп ^ ^

кфланца \ ■зи ?

где 5 - толщина заготовки; Язаготовки - радиус заготовки; Яфшща - радиус фланца.

Толщина детали на сходе матрицы определяется по формуле:

с

°матрицы °

р

лзаготовки _ ^

р

лматрицы -у

37

20' (9)

где 5 - толщина заготовки, Изаготовш - радиус заготовки, Яматрицы ~ радиус матрицы.

Таким образом, рассчитав процесс вытяжки сферической детали (с1д=30мм, Бфл=60мм) с широким фланцем из сплава АМц (заготовка с Б=74мм, 8=1мм), получаем следующее.

Усилие вытяжки Р = 3,2 кН.

Величина максимальных напряжений в заготовке на радиусе закругления кромки матрицы сгктах = 19,32Мпа.

Величина главных меридиональных напряжений в нейтральном сечении заготовки:

аКс = 83,9 МПа.

Разнотолщинность на фланце

37

5промни = 1 — = 1Д1ММ,

5 = 1

°матрицы -1-

37

— = 1,36мм,

таким образом, разнотолщинность составляет 25 %.

На рис. 4 представлен график зависимости величины сопротивления металла деформированию от ширины фланца.

Исходя из расчета процесса вытяжки, можно сделать следующие выводы, что предлагаемая конструкция штампа позволяет получать сферические детали с широким фланцем, так как напряжения, возникающие в процессе вытяжки, в опасном сечении меньше предела прочности материала АМц сгв = 110 МПа > <тКс = 83,9 МПа, разнотолщинность на фланце детали составляет не более 25 %, что меньше, чем при штамповке в штампе без упругого прижима, которая составляет 35 %.

280

Рис. 4. График зависимости величины сопротивления металла деформированию от ширины фланца

Упругие элементы штампа создают дополнительные растягивающие напряжения на фланце, что способствует уменьшению процесса гофрообра-зования.

Список литературы

1. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение, 1979. 520 с.

2. Основы теории обработки металлов давлением / С.И. Губкин, Б.П. Звороно, В.Ф. Катков, Е.А. Попов. М.: Машгиз, 1959. 529 с.

3. Ильюшин, A.A. О связи между напряжениями и малыми деформациями в механике сплошных сред / Прикладная математика и механика. 1954.

4. Хилл Р. Математическая теория пластичности. М.: Гостехиздат,

1956.

5. Вытяжка с утонением стенки / И.П. Ренне, В.Н. Рогожин, В.П. Кузнецов, Н.Д. Тутышкин. Тула: 1970. 141 с.

6. Малинин Н.Н. Большие деформации при пластическом изгибе. // Известия АН СССР. Механика. 1965. №2.

7. Овчинников, А.Г. Анализ напряженного состояния в очаге деформации заготовки при последующей вытяжки // Машины и технология обработки металлов давлением. 1964. №111 С. 157 - 161.

8. Штамп для глубокой вытяжки осесимметричных деталей: пат. 2494830 РФ № 2011149621/02; заявл. 06.12.2011; опубл. 10.10.2013. Бюл. №28.

9. Мельников Э.Л. Холодная штамповка днищ. М.: Машиностроение, 1986. 192 с.

10. Нестеренко Е.С., Кузина А. А. Вытяжка осесимметричных деталей в штампе с упругими матрицей и прижимом // Заготовительные производства в машиностроении. 2011. №5. С. 28 - 30.

Дикуша Андрей Александрович, студент, A.Dikush@yandex.ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева,

Нестеренко Елена Сергеевна, канд. техн. наук, доцент, Nesterenko 7 7@mail. ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева

THE WAY TO IMPROVE THE QUALITY OF THE "WIDE FLANGE HEMISPHERE" PART

IN A STAMP WITH AN ELASTIC CLAMP

A.A. Dikusha, E.S. Nesterenko

Currently, there are many ways of stamping hollow axisymmetric parts, such as a hemisphere. However, the issue of obtaining high-quality parts with minimal effort and money remains highly relevant. Such a stamp design is needed, which in the process of stamping will eliminate such defects as corrugation, a high degree of material thinning, the formation of cracks and breaks in the workpiece.

Key words: stamp, drawing, sheet punching, elastic clamping, stress, detail.

Dikusha Andrey Aleksandrovich, student, A.Dikush@yandex.ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after academician S.P. Korolev,

Nesterenko Elena Sergeevna, candidate of technical sciences, docent, Nesterenko 7 7@,mail. ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after academician S.P. Korolev

УДК 673

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ДЕТАЛЕЙ П-ОБРАЗНОГО ВИДА,

ПОЛУЧАЕМЫХ МЕТОДОМ ХОЛОДНОЙ ЛИСТОВОЙ

ШТАМПОВКИ

П.Е. Рихтер, Е.С. Нестеренко

П-образную деталь получают, используя процесс гибки. Типовые дефекты, которые могут появиться при выполнении операции: утяжина в месте изгиба, трещины, складки, неточности размеров и формы. Предлагается проводить данный процесс с помощью штампа из патента для гибки П-образных деталей. Данный метод позволит получить детали c более точными углами и без отклонения размеров.

Ключевые слова: двухугловая гибка, угол пружинения, нейтральный слой, радиус гибки, упругое пружинение, штамп, усилие гибки, технологический процесс.

В ходе выполнения операции гибки происходят различные внутренние изменения в заготовке. Волокна, которые располагаются снаружи изгиба, испытывают деформацию растяжения, а волокна, которые находятся ближе к изгибу, испытывают деформацию сжатия.

Широкое применение в авиастроении, автомобильной и электронной промышленности имеют детали П-образной формы.

282