CC BY
9
35. ГОСТ 1173-2006. Межгосударственный стандарт. Фольга, ленты, листы и плиты медные. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2007.
36. ГОСТ 13726-97. Межгосударственный стандарт. Ленты из алюминия и алюминиевых сплавов. Технические условия. М.: ИПК Издательство стандартов, 1998.
37. ГОСТ 2208-2007. Межгосударственный стандарт. Фольга, ленты, листы и плиты латунные. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2007.
38. ГОСТ 9045-93. Межгосударственный стандарт. Прокат тонколистовой холодно-катанный из низкоуглеродистой качественной стали для холодной штамповки. Технические условия. М.: Стандартинформ, 1997.
39. Специальные стали: учебное пособие. Братковский Е.В., Заводяный А.В., Шаповалов А Н., Шевченко Е.А. - Новотроицк: НФ НИТУ «МИСиС», 2013. 87 с.
40. Яковлев С.П., Кухарь В.Д. Штамповка анизотропных заготовок. М.: Машиностроение, 1986. 136 с.
Малышев Александр Николаевич, канд. техн. наук, доцент, 1 m-kf.mgtu@inbox. ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)
INVESTIGATION OF THE PROCESS OF ISOTHERMAL DRA WING OF LOW SQUARE BOXES FROM ANISOTROPIC MATERIAL ON THE BASIS OF THE THEORY OF PARAMETRIC
SENSITIVITY
A.N. Malyshev
This article is devoted to the analysis of the accuracy of the contour of the edge of the open end of a square box and the sensitivity of the isothermal drawing operation to various errors of the initial sheet blank and the drawing process itself based on the provisions of the theory of parametric sensitivity. The calculation of the sensitivity functions is given, the conversion coefficients are determined, the relative errors of the input parameters are determined; the dependences of the conversion coefficients and elementary errors on the thickness of the initial round sheet blank are presented.
Key words: stamping, anisotropy, short-term creep, low square box, parametric sensitivity, sensitivity functions, conversion coefficients
Malyshev Alexander Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, 1m-kf.mgtu@inbox.ru, Russia, Kaluga, BaumanMoscow State Technical University Kaluga Branch
УДК 621.7
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-450-458
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАДЕЖНОСТЬ ШТАМПОВОГО ИНСТРУМЕНТА, ПРИМЕНЯЕМОГО ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ПОЛЫХ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ МЕТОДОМ ПРОДОЛЬНО-ПОПЕРЕЧНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ
М.С. Калугина, С.А. Жуков, Э.Э. Агамирова, А.А. Лучинович, В.А. Соколова, А.В. Миранович, А.С. Кривоногова
Перспективным методом получения полых тонкостенных изделий различного назначения является процесс выдавливания. В статье рассмотрены экспериментальные результаты применения процесса продольно-поперечного выдавливания, вопросы функционирования штампового инструмента и его стойкости.
Ключевые слова: технологический процесс, выдавливание, холодная штамповка, инструмент, стойкость, матрица, пуансон.
В современных экономических условиях основным направлением развития производства полых осесимметричных деталей, различного хозяйственного назначения, наряду с обеспечением требуемых эксплуатационных свойств, является экономия труда, материалов и электроэнергии. Существенная доля материальных затрат на изготовление таких деталей
450
с использованием технологических процессов обработки металлов давлением заложена в процессе получения плоской заготовки. Операция вырубки круглой плоской заготовки, даже при оптимальном раскрое, даёт значительный отход металла [1-8].
Методика эксперимента. Наряду с хорошо изученными и отработанными типовыми технологиями изготовления таких деталей из круглой листовой заготовки, существует перспективная технология изготовления из прутковой заготовки. Эта технология на начальном этапе использует в качестве основных формоизменяющих операций такие виды процесса холодного выдавливания как поперечное для калибровки заготовок после отрубки и продольное - для получения полого полуфабриката продольным выдавливанием. Существенным недостатком начальных формоизменяющих операций этой технологии является значительное контактное давление на инструмент и, как следствие, его интенсивный износ. Кроме того, фактическое использование двух различных операций для получения полого полуфабриката требует либо двух штампов, либо переналадки универсального штампа, что влечёт дополнительные затраты. Для того, чтобы в полной мере использовать преимущества процесса выдавливания, необходимо повышать стойкость рабочего инструмента, снижать контактные давления, получать полый полуфабрикат из прутковой заготовки за одну операцию. Одним из вариантов снижения контактного давления может служить использование процесса поперечно-продольного выдавливания с преобладанием свободных поверхностей в зоне очага пластической деформации (ОПД). Эффективность разработки технологии изготовления с использованием поперечно-продольного выдавливания зависит от полноты информации о всех технологических параметрах и напряженно-деформированном состоянии материала.
По результатам экспериментальной проверки схемы деформирования поперечно-продольным выдавливанием, представленным в работе [1], сделано заключение о принципиальной возможности использования схемы поперечно-продольного выдавливания для совершенствования технологий изготовления полых деталей из прутковой заготовки и необходимости дальнейших экспериментальных и аналитических исследований. В качестве объекта исследования технологических параметров операции поперечно-продольного выдавливания приняты стальные полые полуфабрикаты.
В эксперименте использованы прутковые заготовки, изготовленные точением из отожженной прутковой стали 11кп. Диаметр прутка до обработки составлял 10 мм. Деформировали заготовки в штампе (рис. 1) на испытательной машине ИМЧ-30 с записью машинной диаграммы "сила Р - путь I пуансона".
Рис. 1. Схемы лабораторных штампов использованных в экспериментах: 1 - подвижный пуансон; 2 - заготовка; 3 - матрица; 4 - неподвижный пуансон; 5 - полуфабрикат; 6 - втулка направляющая; 7 - шайба упорная;
8 - корпус; 9 - гайка
Изменением зазора между матрицей и пуансоном задавали различную толщину стенки полуфабриката после выдавливания (от 0,8 до 1,6 мм с интервалом 0,1 мм). Осевой зазор изменяли с помощью опорных плит различной толщины (6,6; 6,8; 7,0; 7,3; 7,5; 7,6; 7,7; 7,9 и 8 мм).
Пуансоны и матрицы изготовлены с различной формой рабочей части. Пуансоны с фигурным рабочим торцом использованы для выяснения возможности окончательного формообразования полостей в донной части полуфабриката уже на операции поперечно-продольного выдавливания. Неподвижный пуансон был выполнен с различным радиусом закругления кромки рабочего торца - 1,4; 1,7; 2,4; 2,9 и 3,6 мм и диаметром рабочей части - 9,52; 10,67; 10,03; 9,70 и 9,55 мм соответственно.
Матрица изготовлена в трех вариантах: с цилиндрической и конической приёмной частью и конической формой рабочей полости. Уклон приёмной части (0°30') обеспечил снижение контактного трения между материалом заготовки и стенкой матрицы. Эскизы пуансонов и матриц приведены на рис. 2, 3.
Остро
X
а б
Рис. 2. Пуансон подвижный (а) и неподвижный (б)
б
а
в
Рис. 3. Матрица с цилиндрической (а), конической (б) приёмной частью и с конической (в) рабочей полостью
В качестве технологической смазки использована опытная смазка на основе фторида графена (ООО «ПКФ Альянс») [2,4,5]. Результаты деформирования заготовок оценены по качеству полуфабрикатов, критерием которого служили размеры (наружный диаметр, толщина стенки, разностенность) изменение твердости, шероховатость поверхности и сохранение сплошности материала.
Результаты и обсуждение. Общий характер формоизменения установлен поэтапным деформированием заготовок подвижным пуансоном с фигурным рабочим торцом. Деформацию части заготовки со стороны торца, прилегающего к неподвижному пуансону, можно считать состоящей из трех этапов.
На первом этапе в деформации участвует лишь часть заготовки, не контактирующая с инструментом по боковой поверхности. Материал течет в поперечном и одновременно в продольном направлениях в сужающуюся зону рабочей полости, расположенную между поверхностями полости матрицы, пуансона и линии общей нормали к ним. Площадь контактной поверхности заготовки возрастает. Одновременно происходит внедрение в заготовку выступающей
части торца подвижного пуансона и заполнение его полости. Когда диаметр торца заготовки, прилегающего к неподвижному пуансону, становится равным диаметру матрицы по линии общей нормали, наступает второй этап. При этом направление перемещения периферийных частиц у торца заготовки в зоне рабочей полости штампа постепенно изменяется с поперечно-продольного на продольное. Площадь контакта материала заготовки с инструментом возрастает. Момент начала третьего этапа совпадает с окончанием увеличения диаметра полости заготовки. При этом ОПД достигает своих наибольших размеров и в дальнейшем форма его не изменяется.
Как показывают результаты измерения твердости, деформация в объеме полуфабриката крайне неравномерна, особенно в донной его части. Если в центральной части дна твердость возросла с 110...120 НУ (твердость материала заготовки до деформации) до 165...195 НУ, то в периферийной - до 210. В стенке полуфабриката деформация максимальна, здесь твердость равна 225 НУ (увеличение в 1,9 раза).
Большая величина и жесткие условия деформации создают опасность разрушения заготовки. В процессе эксперимента выявлены геометрические факторы формообразующего инструмента, в наиболее полной мере определяющие условия сохранения сплошности материала заготовки.
Полуфабрикаты, деформированные с использованием неподвижных пуансонов, торцовая кромка которых с относительно небольшим радиусом скругления (1,4 и 1,7 мм), имеют кольцевые трещины на поверхности полости. Экспериментом установлено, что путем изменения формы и размеров рабочей части неподвижного пуансона можно обеспечить сохранение сплошности деформируемого материала.
При использовании пуансонов, торцовая кромка которых скруглена радиусом 3,6 и 2,9 мм, кольцевых трещин на полуфабрикатах не обнаружено. Указанная форма неподвижного пуансона обеспечивает наименьшую неравномерность деформации слоя металла, образующего поверхность полости, и значительно уменьшает возможность разрушения деформируемого материала.
На полуфабрикатах с толщиной стенки менее 1,2 мм и глубиной полости 10...15 мм возможно появление продольных трещин. С увеличением диаметра рабочей части неподвижного пуансона и уменьшением величины радиуса скругления его торцовой кромки вероятность появления продольных трещин возрастает.
Характер изменения силы деформирования заготовок одинаков. На начальном этапе пластической деформации резкий подъем силы вызван ростом сил контактного трения, упрочнением материала и увеличением объема ОПД. Уменьшение интенсивности роста силы деформирования соответствует моменту начала второго этапа деформации.
В конце второго этапа усилие достигает наибольшего значения. Последующее снижение усилия до некоторого наименьшего значения, происходит вследствие уменьшения площади контактной поверхности деформированной заготовки в приёмной части матрицы. На рис. 4 (а) показаны графики зависимости силы от хода пуансона для диаметра и радиуса пуансона = 9,55, гп = 3,6 мм и различной толщины дна. Графики изменения максимальной и минимальной силы Ртах и Ртт в зависимости от величины деформации в зоне стенки полуфабриката показаны на рис. 4 (б). Приближенное значение величины деформации вычислено по формуле:
е1 = 1п ^ + 1п ^ + 1п ^, (1)
Ро Рот Л1
где F0 - площадь поперечного сечения заготовки; ¥н - наибольшая площадь поперечного сечения полуфабриката в зоне прилегания её к матрице; ¥ст - площадь поперечного сечения стенки полуфабриката после выдавливания; Л2 - срединные диаметры стенки по линии общей нормали к рабочим поверхностям пуансона и матрицы к цилиндрической части стенки полуфабриката соответственно.
С увеличением деформации интенсивность роста наименьшей силы отстает от интенсивности роста наибольшей силы деформирования.
На рис. 5 показаны графики изменения наибольшей силы выдавливания в зависимости от величины деформации. При равных значениях толщины стенки полуфабриката большая величина силы необходима для деформирования заготовки неподвижным пуансоном с большим диаметром рабочей части и меньшим радиусом округления кромки рабочего торца.
Р, кН 90
во
Ю
гх 5
г 43
// V- 2
Ршп
Ртсх
\ 1
Р. кН
90
80
Ю
О 5 Ю 15 I, мм 2
Ртпх
/ / Рт/П
•У
2.8 е.
2.2 2.4
а б
Рис. 4. Изменение силы в процессе выдавливания (а): dп = 9,55 ; гп = 3,6 мм;
1 - / = 1.59 мм; 2 -1,45 мм; 3 -1,28 мм; 4 -1,17мм; 5 -1,06 мм; б - влияние величины
деформации на силу деформирования
Р.кН 110 100
70
60
/ / л/
/ /
9 / / ° /л /
/ 7 / /у/
у/ / / У / о/ / 4 /
У, / / /
2 2.2 2Л 2.6
2.8
Рис. 5. Влияние величины деформации на величину наибольшей силы деформирования:
1 - = 9,52 мм; гп = 1,4 мм; 2 - dп = 9,55 мм; гп = 3,6 мм; 3 - dп = 9,70 мм; гп = 2,9 мм;
4 - dп = 10,03 мм; гп = 2,4 мм; 5 - dп = 10,67 мм; гп = 1,7 мм
Наибольшая удельная сила деформирования, действующая на подвижный пуансон, зависит от величины деформации и изменяется в пределах 1250...2220 МПа, причем с уменьшением толщины стенки полуфабриката её значение возрастает. Указанные нагрузки являются допустимыми для инструментальных сталей.
По характеру и величине нагрузки, действующей на рабочие детали штампа, эти детали находятся в разных условиях эксплуатации. На подвижный пуансон действует осевая сила, вызывающая осевые сжимающие напряжения, средние значения которых могут изменяться в широких пределах, в зависимости от механических свойств деформируемого материала, величины деформации, геометрических параметров, контактного трения. В эксперименте среднее значение удельной силы на торце подвижного пуансона составило 1187... 2335 МПа. Неподвижный пуансон также нагружен осевой сжимающей силой, величина которой приближенно равна силе, действующей на подвижный пуансон. Однако вызываемые этой силой осевые напряжения значительно меньше, поскольку диаметр неподвижного пуансона больше. Таким образом, условия эксплуатации подвижного пуансона тяжелее, чем неподвижного. Ожидаемая стойкость подвижного пуансона вычислена по эмпирической формуле:
М = 5 • (42 - 0,1 • д)3
(2)
где М - число нагружений; д - удельная сила деформирования.
При формообразовании выдавливанием полуфабриката с размерами: диаметр полости - 9,7 мм, толщина стенки - 1,14 мм, радиус сопряжения стенки с дном - 3 мм, удельная сила, действующая на подвижный пуансон, изменяется в пределах 171...177 кгс/мм2, а ожидаемая стойкость, согласно расчету, должна быть не менее 71 тыс. нагружений.
По исполнению рабочего профиля полости в зоне формирования стенки полуфабриката может быть два вида матрицы: первый - с ограничением перемещения деформируемого материала в поперечном направлении; второй - со свободным оформлением наружной поверхности полуфабриката.
Форма рабочего профиля матрицы первого вида в указанной зоне может быть разной. На рис. 6 (а) показан профиль матрицы первого вида с участком тп, ограничивающим перемещение материала в поперечном направлении, выполненным в виде конуса.
Матрица второго вида изображена на рис. 6 (б). Матрицы разных видов имеют существенные отличия по величине нагрузки, действующей на поверхности полости в процессе деформации: нагрузка на матрицы первого вида больше, чем второго.
4
б
а
Рис. 6. Схема нагрузки от нормальных напряжений на контактной поверхности полости матрицы: а - первого вида (с коническим участком зоны формирования стенки
полуфабриката); б - второго вида
Нормальные напряжения (составляющие основную часть нагрузки) вызывают в материале матрицы окружные (тангенциальные) напряжения растяжения. Для обеспечения необходимой прочности матрицы, как правило, следует бандажировать [2-5]. Однако при относительно небольшой величине деформации, а значит и невысокой нагрузке, матрицы второго вида можно изготавливать цельными.
Выводы:
1. Формоизменение заготовки при поперечно-продольном выдавливании происходит в три этапа, отличающихся направлением перемещения и наличием контакта с поверхностью инструмента частиц материала в зоне интенсивной пластической деформации.
2. Общий характер изменения силы в процессе выдавливания во всех исследованных вариантах условий деформации одинаков. На начальном этапе деформации сила резко растет, после достижения некоторого (наибольшего) значения происходит её снижение, затем сила снова увеличивается. Значения наибольшей и наименьшей силы существенно зависят от величины деформации, толщины стенки полуфабриката, контактных условий. Выявлен характер влияния величины деформации на наибольшую и наименьшую силу деформирования.
3. Поперечно-продольным выдавливанием возможно изготовить полуфабрикаты с шероховатостью внутренней поверхности не больше Яа = 0,32 мкм. Шероховатость тем меньше, чем больше отношение радиуса закругления неподвижного пуансона с малым относительным радиусом закругления неподвижного пуансона (< 0,25), что может привести к появлению поперечных трещин на поверхности полости полуфабриката. Уменьшение отношения диаметра заготовки к диаметру неподвижного пуансона (d0 /йп ) увеличивает опасность появления продольных трещин в стенке полуфабриката. При d0¡dn > 0,82 у полуфабрикатов из стали 11кп продольных трещин не обнаружено.
455
4. Наиболее нагруженными рабочими деталями инструмента являются подвижный пуансон и матрица. Средняя удельная сила на торце подвижного пуансона при изготовлении полуфабриката с толщиной стенки, равной 1,6...0,8 мм из отожженных заготовок стали 11кп ( HV = 1100...1200МПа) составляет от 1200 до 2400 МПа. Ожидаемая стойкость подвижного пуансона при указанной нагрузке согласно расчету, равна 13,5 • 104 ...3 • 104 нагружений, соответственно. Такой же может быть стойкость бандажированных стальных матриц.
Список литературы
1. Исследование технологических возможностей и разработка высокопроизводительных процессов обработки металлов давлением. Отчет о НИР, ЛМИ, Ленинград, 1986. 79 с.
2. Remshev E., Rasulov Z., Voinash S., Vornacheva I., Sokolova V., Dolmatov S.N., Kole-snikov P. The evaluation effect of the active lubricating coating on the mechanical properties of stamped semi-finished products made of refractory metals // Materials Science Forum. 2022. P. 3-10.
3. Способ изготовления заготовки стального сердечника для бронебойно-зажигательной пули: Патент на изобретение 2744402 Российская Федерация / Иванов К.М., Иг-натенко В.В., Винник П.М., Ремшев Е.Ю., Лобов В.А., Затеруха Е.В. № 2020119197; заявл. 02.06.2020; опубл. 09.03.2021. Бюл. № 7.
4. Еськова Е.А., Ремшев Е.Ю., Гусев А.С., Афимьин Г.О. Разработка технологического процесса изготовления стальной гильзы КЛБ. 57 ММ. // Молодежь. Техника. Космос. Труды тринадцатой общероссийской молодежной научно-технической конференции: в 2х томах. Сер. "Библиотека журнала «Военмех. Вестник БГТУ», № 76" Санкт-Петербург, 2021. С. 276-279.
5. Remshev E.Yu., Lobov V.A., Rasulov Z.N., Frolova E.O. Use of graphene-based lubricants to reduce friction inside the units of construction equipment // AIP Conference Proceedings. 1. Сер. "I International Conference ASE-I - 2021: Applied Science and Engineering, ASE-I 2021" 2021. С.070005.
6. Маликов В.Н., Ишков А.В., Войнаш С.А., Соколова В.А., Ремшев Е.Ю. Исследование процессов упрочнения стальных деталей методом индукционной наплавки // Металлург. 2021. № 11. С. 69-75.
7. Иванов К.М., Олехвер А.И., Винник П.М., Ремшев Е.Ю. Вопросы механики сплошных сред применительно к общепромышленным технологическим проблемам // Инженерный журнал: наука и инновации. 2021. № 4 (112). С. 62-69.
8. Затеруха Е.В., Лобов В.А., Ремшев Е.Ю. Исследование технологических возможностей процесса подштамповки гильз // Инновационные технологии и технические средства специального назначения. Труды XII общероссийской научно-практической конференции. В 3-х томах. Сер. «Библиотека журнала «Военмех. Вестник БГТУ»» Санкт- Петербург, 2020. С. 4044.
Калугина Мария Сергеевна, аспирант, kalugina_ms@,voenmeh. ru, Россия, Санкт-Петербург, Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова,
Жуков Станислав Алексеевич, аспирант, zhukov_sa@voenmeh. ru, Россия, Санкт-Петербург, Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова,
Агамирова Эсмира Эснединовна, аспирант, esmira. agamirova@,yandex. ru, Россия, Махачкала, Дагестанский государственный технический университет,
Лучинович Анастасия Александровна, ассистент, aa. luchinovichl 10 7@omgau. org, Россия, Омск, Омский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина,
Соколова Виктория Александровна, канд. техн. наук, доцент, sokolova_vika@inbox.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С. М. Буденного,
Миранович Алексей Валерьевич, канд. техн. наук, доцент, первый проректор, miron23k@tut.by, Республика Беларусь, Минск, Белорусский государственный аграрный технический университет,
Кривоногова Александра Станиславовна, канд. техн. наук, доцент, kas.spb.lta@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова
TECHNOLOGICAL RELIABILITY OF THE DIGGING TOOL USED IN THE MANUFACTURE OF HOLLOW AXISYMMETRIC PARTS BY THE METHOD OF LONGITUDINAL AND TRANSVERSAL EXTRACTION
M.S. Kalugina, S.A. Zhukov, E.E. Agamirova, A.A. Luchinovich, V.A. Sokolova, A.V. Miranovich, A.S. Krivonogova
A promising method for producing hollow thin-walled products for various purposes is the extrusion process. In the article, the experimental results of the application of the process of longitudinal-transverse extrusion, the issues of the ^ functioning of the stamping tool and its durability are considered.
Key words: technological process, extrusion, cold stamping, tool, durability, matrix,
punch.
Kalugina Maria Sergeevna, postgraduate, kalugina_ms@yoenmeh.ru, Russia, St. Petersburg, Baltic State Technical University «VOENMEH» named after D.F. Ustinov,
Zhukov Stanislav Alekseevich, postgraduate, zhukov_sa@,voenmeh.ru, Russia, St. Petersburg, Baltic State Technical University «VOENMEH» named after D.F. Ustinov,
Agamirova Esmira Esnedinovna, postgraduate, esmira. agamirova@,yandex. ru, Russia, Makhachkala, Dagestan State Technical University,
Luchinovich Anastasia Aleksandrovna, assistant, aa.luchinovich1107@omgau.org, Russia, Omsk, Omsk State Agrarian University named after I.I. P.A. Stolypin,
Sokolova Viktoria Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, sokolo-va_vika@inbox.ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny,
Miranovich Aleksey Valerievich, candidate of technical sciences, docent, first vice-rector, miron23k@tut.by, Republic of Belarus, Minsk, Belarusian State Agrarian Technical University,
Krivonogova Alexandra Stanislavovna, candidate of technical sciences, docent, kas.spb.lta@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Saint Petersburg State Forest Technical University
