CC BY
13
ТЕХНОЛОГИИ И МАШИНЫ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 539. 374 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-6-365-374
ВАРИАНТЫ ТЕХНОЛОГИЙ МНОГООПЕРАЦИОННОЙ ХОЛОДНОЙ ШТАМПОВКИ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ С ОДНОВРЕМЕННОЙ ВЫСАДКОЙ ТОРЦЕВЫХ УТОЛЩЕНИЙ
Г.В. Панфилов, А.В. Черняев, А.Т. До
Разработаны варианты изготовления деталей катушечной формы с одновременной высадкой обоих торцевых утолщений на мерных цилиндрических и трубных заготовках из алюминиевых сплавов. Заключительные формообразующие операции предусматривают обработку резанием с пропилом узких глубоких пазов с образованием цангового секторного участка детали.
Ключевые слова: холодная объемная штамповка, высадка, детали катушечной формы, штампующее устройство.
Осесимметричные детали катушечной формы с торцевыми утолщениями и сквозным осевым отверстием находят широкое применение в различных отраслях промышленности [1]. В частности, они используются в качестве поршней в дизельных, гидравлических и пневматических приводах для многих машин и технических устройств.
В случае, когда диаметр требуемого осевого отверстия значимо меньше осред-ненного наружного диаметра участка детали катушечной формы, расположенного между торцевыми утолщениями, целесообразно использовать исходную цилиндрическую мерную заготовку и просверливать указанное отверстие при заключительной механической обработке резанием (табл. 1) [2,3]. Если диаметр такого отверстия является большим, и сверление существенно уменьшит коэффициент использования металла, то следует выбирать вариант технологического процесса изготовления такой детали, предусматривающий применение мерной трубной заготовки, предварительно насаженной на твердосплавную или закаленную оправку (табл. 2) [4].
Разработаны варианты конструкций штампующего устройства и специального пуансона [5-8], позволяющие реализовать указанные способы получения деталей катушечной формы с различным соотношением геометрических размеров. При проектировании указанных штампующих устройств были соблюдены следующие нормы и правила:
пунсон должен обеспечивать точную выставку заготовки (полуфабриката) относительно деформирующего инструмента;
предварительный полуфабрикат перед пластическим формообразованием торцевых утолщений должен иметь конфигурацию, способствую последующей рациональной кинематике течения деформирующего материала и наименьшей степени использования запаса пластичности, при которой желательно первоначально заполнить дальнюю полость 5 матриц, формирующих соответствующее торцевое утолщение; а на заключительной стадии штамповки - переднюю 3 (рис. 1).
Вариант формообразующих операций при изготовлении детали _из мерной цилиндрической заготовки_
Таблица 1
№ п/п
Наименование операции
Схема операции
Отрезать заготовку в размер 1 от прутка 019 мм
Штамповать среднюю часть полуфабриката в размеры 1.. .3 (прямое выдавливание)
Высадить торцевые утолщения в размеры 1.6 требуемого профиля
Обработать резанием наружный диаметр в размер 1. Подрезать торец в размер 2
Сверлить и развернуть отверстие в размер 1
Прорезать пазы в размер 1 на длину 2
1
2
3
4
5
6
Вариант формообразующих операций при изготовлении _детали из мерной трубной заготовки_
Таблица 2
№ п/п
Наименование операции
Схема операции
Отрезать мерную заготовку от трубы
Монтировать заготовку на калибровочный стержень
Высадить полуфабрикат в подвижной матрице
Высадить торцевые утолщения на полуфабрикате
Обработать резанием профили торцевых утолщений
Демонтировать калибровочный стержень из изготовленной детали
Прорезать продольные узкие пазы
1
2
3
4
5
6
7
для качественного заполнения деформируемы материалом указанных полостей матрицы полуфабрикат, являющийся заготовкой на данной текущей операции, может иметь не только ступенчатую с коническими переходными участками срединную (между формируемыми торцевыми утолщениями) часть, но и также предварительно изготовленные торцевые полости различного диаметра и толщины.
/ 2 г 3 Г Г 5 Г ! 1
/// жЖЖЖ шж/ //А
Жт г~\ /г\ п АНЯ //// ///,
1 "ГТч , - лт
1 ■ Ш Ь1 и 1 ЧЧЧЧЧ\Цг.
ШУ у// //// ////
у///г /////// ////
Рис. 1. Упрощенная схема штампующего устройства для одновременного пластического формообразования торцевых утолщений на цилиндрических заготовках: 1 — корпус пуансона; 2 — заготовка; 3 — полость; 4 — разъемная матрица; для изготовления левого (ближнего к пуансону) торца изготавливаемой детали; 5 — полость в разъемной матрице для формирования правого торца
детали
Сам штамп устанавливается в неподвижном корпусе холодновысадочного автомата, а разработанный пуансон крепится на его ползуне [1]. В корпусе штампа неподвижно зафиксирована направляющая с конической внутренней поверхностью, по которой перемещаются разъемные полуматрицы 4. В крайнем правом положении (рис. 1) они сведены и поджаты действием пружины пуансона. При обратном ходе пуансона указанные полуматрицы под действием пружин растяжения (на рисунке не показаны) перемещаются в крайнее правое положение и радиально разводятся системой пружин, вставленных между ними. Образовавшийся при этом зазор между ними должен быть достаточным для отштампованной детали (полуфабриката) с торцевыми утолщениями.
При разработке технологии изготовления деталей катушечной формы из цилиндрических заготовок можно выделить следующие основные этапы:
1. Отрезка мерной заготовки от прутка. Типовые схемы отрезки мерных заготовок от прутков в штампе приведены на рис. 2. При неполной закрытой отрезке исключается возможность поворота и изгиба прутка и отрезаемой части благодаря поперечному зажиму их в ножах. Благодаря ограничению изгиба и уменьшению растягивающих напряжений отрезанные заготовки имеют меньшее искажение формы по сравнению с открытыми способами отрезки.
Неполная закрытая отрезка - основной способ безотходного получения точных заготовок длиной более 0,8.1,0 диаметра. Этот вид отрезки проводят с пассивным или активным поперечным зажимом заготовки. В первом случае (рис. 2, а) между прутком и отверстием ножа имеется поперечный зазор, в пределах которого возможен изгиб прутка и отрезаемой части. В случае активного зажима (рис. 2, б), при котором пруток и его отрезаемая часть зажимаются в отрезных ножах поперечными силами Q, точность и качество реза повышается.
Закрытая отрезка (рис. 2, в), наиболее пригодная для изготовления наиболее точных мерных заготовок по массе и длине отличается тем, что отрезаемая часть прутка замкнута в полости подвижного ножа [9]. В очаге деформации создается напряженное состояние всестороннего неравномерного сжатия. Образованные пластическим сдвигом торцы заготовки имеют гладкую, плоскую и перпендикулярную к оси заготовки поверхность. Из-за сложности технической реализации закрытая отрезка до настоящего времени имела ограниченное применение (в частности, для отрезки точных заготовок из алюминиевых и медных сплавов). Часто при повышенных требованиях к точности размеров заготовки и качеству поверхности торцов применяют резку на прессах в штампах специальных конструкций, обеспечивающих зажим прутка с обеих сторон реза.
т
:л
тк ш
I
я* к
а б в
Рис. 2. Схемы отрезки заготовки от прутка: а — неполная закрытая отрезка с поперечным пассивным зажимом; б — неполная отрезка с поперечным активным зажимом; в — закрытая отрезка с осевым сжатием: Р — сила резки; Q — поперечные силы; Я — силы реакции зажима; N — силы осевого сжатия; М — силы зажима свободной части прутка; Ь — длина зоны резки
Проведенные ранее экспериментальные исследования [10] показали, что обычная отрезка мерных цилиндрических заготовок от прутка в горизонтальных холодновы-садочных автоматах не обеспечивает требуемых жестких допусков получаемых заготовок по длине и массе. Потребность таких допусков обусловлена жестким геометрическим замыканием конструктивных элементов инструмента при изготовлении деталей с торцевыми утолщениями (рис. 1).
В связи с изложенным, наиболее рекомендуемой является разрезка прутка на наиболее более точные мерные заготовки в соответствии со способом [11] (рис. 3).
Рис. 3. Способ разрезки прутка на мерные заготовки: 1 — заготовка; 2 — упор; 3 — неподвижный нож; 4 — концевая часть прутка; 5 — пружина; - подвижный нож; 7 — зона отрезки.
Указанный способ включает шаговую подачу прутка 1 до упора 2, зажим прутка в неподвижном ноже 3, сжатие концевой части прутка 4, равной длине мерной заготовки, осевой силой, возникающей при сжатии пружины 5, и отрезку мерной заготовки 1 от прутка посредством подвижного ножа 6 с упругим элементом. Шаговую подачу прутка осуществляют с установкой продольной оси его концевой части под углом к продольной оси прутка, тангенс которого не превышает значения допустимого упругого относительного прогиба концевой части прутка. Данная подача выполняется до упора, выполненного в виде цилиндрического ролика 2.
Этот ролик имеет возможность совершать поворот вокруг оси, перпендикулярной продольной оси прутка и установленной ниже продольной оси прутка на величину, равную величине упругого прогиба концевой части прутка. Зажим прутка в неподвижном ноже осуществляют перемещением упругого элемента подвижного ножа. При сжа-
тии концевой части прутка создают осевую распорную силу и соответственно, сжима-юще напряжения в зоне отрезки 7 мерной заготовки от прутка. Эти сжимающие напряжения превышают величину растягивающих напряжений, возникающих в этой зоне в процессе отрезки мерной заготовки от прутка.
Данный процесс реализуется поворотом концевой части прутка путем обкатки ее торцевой поверхности соответствующей контактирующей цилиндрической поверхностью ролика вплоть до момента отделения мерной заготовки от прутка. В результате обеспечивается повышение качества получаемых заготовок при расширении технологических возможностей процесса разделения.
2. Пластическое формообразование средней части детали катушечной формы. Задачей данной формообразующей пластическим деформированием операции является изготовление на цилиндрической заготовке соответствующих ступеней, соединенных коническими переходными участками, образование на торцах заготовки углублений различных размеров и формы, а также прочих конструктивных элементов, обеспечивающих рациональную кинематику течения деформируемого материала при последующей высадке торцевых утолщений большого диаметра.
3. Полный отжиг, проводимый после каждой формообразующей операции методами обработки металлов и сплавов давлением. После каждой формообразующей операции, сопровождающейся пластическим деформированием определенных участков заготовки, предусмотрено проведение полного отжига, т.е. отжига, проводимого при таких температурах, которые обеспечивают протекание диффузионных процессов распада твердого раствора в сплаве и коагуляцию продуктов распада. При этом полностью снимается упрочнение, полученное материалом в результате старения и предварительно сообщенной ему пластической деформации. Также в значительной степени удаляются внутренние остаточные напряжения в изготовленных полуфабрикатах. После полного отжига указанные полуфабрикаты можно подвергать холодной обработке давлением с высокими степенями деформации.
4. Высадка торцевых утолщений. В зависимости от геометрических размеров и формы торцевых утолщений их можно изготавливать за одну или две формообразующих операции с промежуточным термохимическим циклом. При этом рабочий инструмент и соответствующую штамповую оснастку целесообразно проектировать таким образом, чтобы на заключительных стадиях каждой из этих операций периферийные слои высаживаемых торцов, по возможности, контактировали по наружной поверхности с инструментом. Это будет способствовать созданию сжимающих гидростатических давлений в деформируемом материале в зоне этого наружного диаметра высаживаемых торцевых утолщений, залечивающих дефекты и повреждения, возникающие от значительных степеней деформации, сообщаемой материалу на данных участках.
Помимо указанной ранее важности точной осевой выставки заготовки (полуфабриката) относительно деформирующего инструмента следует предусмотреть в их осевой зоне (как при использовании сплошных мерных цилиндрических, так и трубных заготовок) в конструкции этого инструмента компенсирующие полости для образования заусенцев для вытекания в них излишков материала, возникающего вследствие нестабильности массы исходных заготовок. Эти заусенцы, в последствии удаляются заключительными операциями резания.
5. Закалка полуфабрикатов перед комплексом заключительных операций обработки резанием. Перед заключительными операциями механической обработки резанием, проводимой с целью придания обрабатываемой детали требуемого окончательной формы, следует проводить закалку и старение изготовленных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов.
Под закалкой полуфабриката, в данном случае, понимается термическая обработка, состоящая из его нагрева с определенной скоростью до заданной температуры, выдержке при этой температуре при установленной величине времени. Последующим
является быстрого охлаждения с целью фиксации достигнутой при температуре закалочной среды перенасыщенного твердого раствора на основе алюминия, устойчивого при высоких температурах и способного к последующему старению. Конкретные режимы сопутствующих операций при закалке приведены и инструкции [12].
При нагреве под закалку протекает процесс растворения упрочняющих элементов и фаз в алюминии. Продолжительность выдержки обусловлена, главным образом, скоростью процессов растворения легирующих элементов и фаз, т.е. скоростью диффузии легирующих в алюминии. Чем выше температура, тем больше скорость растворения. Обработка давлением указанных полуфабрикатов, предшествующая их нагреву под закалку, также оказывает влияние на процессы, также оказывает влияние на процессы, происходящие в алюминиевом сплаве при нагреве.
В частности, чем меньше предварительная степень деформации, тем грубее структура металла и тем медленнее протекает процесс растворения упрочняющих фаз элементов. Продолжительность нагрева таких полуфабрикатов и деталей следует, по возможности, увеличивать. В рассматриваемых полуфабрикатах и деталях предварительно подвергшихся значительной пластической деформации, при нагреве под закалку, наряду с процессом растворения протекает и процесс рекристаллизации. Величина рекристаллизационного зерна, в основном зависит от степени предварительной пластической деформации и скорости нагрева под закалку. Чтобы не вызывать значительного роста зерна нагрев под закалку необходимо производить с возможно максимальной скоростью.
Температура нагрева заготовки под закалку выбирается с учетом особенностей каждого сплава. Верхний и нижний пределы температуры нагрева под закалку устанавливаются в зависимости от характера границ легирующих элементов в твердом алюминии, а также с учетом возможного наличия в составе неравновесных легкоплавких составляющих. Под верхним пределом температуры под закалку понимают ее значение, выше которого может произойти пережог сплава, т.е. местное оплавление границ зерен. Нижний предел указанной температуры определяется необходимостью обеспечения требуемых механических и коррозионных свойств алюминиевого сплава.
Температура начала отсчета продолжительности выдержки выбирается несколько ниже температуры нагрева под закалку, исходя из двух основных условий:
а) при этой температуре скорость диффузионных процессов в сплаве достаточно велика;
б) кривая нагрева партии деталей при этой температуре достаточно крута и время отсчета выдержки может быть определено с требуемой точностью.
В таблице 3 приведены рекомендуемые температуры под закалку штампованных полуфабрикатов из наиболее прочных и малопластичных деформируемых алюминиевых сплавов.
Важное значение при обеспечении качества закалки материала алюминиевых (как и прочих) сплавов играет продолжительность выдержки детали (полуфабриката) в нагретом состоянии в интервале температур, указанных в табл. 3. Указанная продолжительность выдержки зависит, в первую очередь, от наибольших диаметров изготавливаемых деталей (табл. 4).
Время выдержки при нагреве под закалку изделий из сплавов В92ц, В96 и В96ц должно быть в 1,5 раз больше указанного в таблице 4 из-за замедленного растворения упрочняющих интерметаллидных фаз. Также рекомендуется экспериментально корректировать и уточнять прочие значения времени выдержки в зависимости от предварительно сообщенной материалу пластической деформации, характера перепада площадей поперечных сечений и прочих особенностей оборудования и технологии данного термического цикла.
В настоящее время для нагрева под закалку наиболее широко применяют электрические печи с принудительной циркуляцией атмосферы, рециркуляционные печи типа ПАП [13] и селитровые ванны [14]. Наибольшую скорость нагрева металла обеспечивает селитровая ванна. При нагреве в селитровых ваннах в качестве нагревающей
среды, в частности, применяется смесь следующего состава: натриевая селитра 65-35 %; калиевая селитра 35-65 %. С целью получения лучшей поверхности изделий, нагреваемых в селитровой ванне, рекомендуется расплавленную селитру добавлять хромпик [15] в количестве 1-3 % от массы загружаемой селитры.
Таблица 3
Рекомендуемые температуры под закалку
для различных марок алюминиевых сплавов_
№ п/п Марка сплава Температура начала отсчета продолжительности выдержки, °С Допустимый интервал температуры под закалку, °С
1 ВАД1 500 503 - 508
2 М40 504 504 - 510
3 Д16 480 485 - 503
4 Д19 490 495 - 505
5 Д20 525 530 - 540
6 Д21 515 520 - 530
7 ВД17 490 495 - 505
8 ВАД23 510 515 - 520
9 В92ц 445 450 - 470
10 В93 445 450 - 465
11 В95 460 465 - 475
12 В96 460 465 - 475
13 В96ц 460 465 - 475
Таблица 4
Время продолжительности выдержки деталей (полуфабрикатов), изготовленных операциями высадки, выдавливания, прошивки и прочими, _в зависимости от их наибольшего диаметра_
№ Максимальный диа- Продолжительность выдержки, мин
п/п метр, мм В воздушных печах В селитровых ваннах
1 До 2,5 15 -30 10
2 2,6 - 5,0 25 -40 15
3 5,1 - 15 30 -50 25
4 16 - 30 40 -60 40
5 31 - 50 60 - 150 50
6 51 - 75 150 -210 60
7 76 - 100 180 - 240 90 - 180
8 101 - 150 210 -360 120 - 240
9 151 - 200 240 - 440 180 - 300
Для обеспечения наилучших механических и коррозионных свойств деталей общее время их пребывания на воздухе после выдержки в нагревательной среде перед погружением в закалочный бак не должно превышать 15 сек. При наибольшем диаметре деталей время пребывания на воздухе может достигать 240-440 мин.
Работа выполнена в рамках гранта по государственной поддержке ведущих научных школ Российской Федерации НШ-2601.2020.8.
Список литературы
1. Панфилов Г.В., До А.Т., Ле М.Д. Проектирование штамповой оснастки для изготовления осесимметричных деталей с торцевыми утолщениями и их применение // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2021. № 3 (117). С. 7-15.
2. Панфилов Г.В., Черняев А.В., До А.Т. Моделирование штамповки деталей катушечной формы // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 3. С. 50-54.
3. Панфилов Г.В., Черняев А.В., До А.Т. Исследование напряженно-деформированного состояния заготовки при штамповке деталей катушечной формы // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 4. С. 312-316.
4. Панфилов Г.В., Черняев А.В., До А.Т. Моделирование штамповки деталей катушечной формы на оправке // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 5. С. 137-143.
5. Дурандин М. М., Рымзин Н. П., Шихов Н. А. Штампы для холодной штамповки мелких деталей. Альбом конструкций и схем. М.: Машиностроение, 1978. 108 с.
6. Справочник конструктора штампов: Листовая штамповка / Под общ. ред. Л.И. Рудмана. М.: Машиностроение, 1988. 496 с.
7. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3-х т. М.: Машиностроение, 1982. Т 3. 6-е изд. перераб. и доп. 576 с.
8. Ковка и штамповка. Справочник: в 4 т. Т. 4. Листовая штамповка / Под ред. А.Д. Матвеева. М.: «Машиностроение», 1985-1987. 544 с.
9. Авт. свид. 454098 СССР. Штамп для отрезки металлических заготовок с осевым поджимом / И.М. Носоветский, Б.С. Семенов. Опубл. 25.12.1974. Бюл. № 47.
10. Панфилов Г.В., Недошивин С.В., Шибаев М.Л. Статистические исследования точности заготовок сердечников пуль // Известия Тульского государственного университета. Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. 2006. Вып.2. С. 188-198.
11. Патент 2704043 РФ. Способ разрезки прутка на мерные заготовки / М.И. Поксеваткин, Д.И. Бакланов, С.В. Герман. Опубл. 23.10.2019. Бюл. № 30.
12. ПИ 1.2.255-83. Термическая обработка полуфабрикатов деталей из алюминия и алюминиевых деформируемых сплавов. Производственная инструкция. М.: [б. и.], 1983. 62 с.
13. Рециркуляционные нагревательные установки типа ПАП: [Альбом в 3-х ч.]. Ч. 1 / М.: Науч.-исслед. ин-т информации по тяжелому, энерг. и трансп. Машинострое-нию,1969. 87 с.
14. ТУ 3442-024-24662585-2015 Печь-ванны (СВС, СВЩ, СВГ, СВМ, СВ). Изд-во: Тула: ООО «МИУС». 2015. 18 с.
15. ГОСТ 4220-75 Реактивы. Калий двухромовокислый. Технические условия. М.: ИПК «Издательство стандартов, 2018. 9 с.
Панфилов Геннадий Васильевич д-р техн. наук, профессор,
tulpan2000@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Черняев Алексей Владимирович, д-р техн. наук, профессор, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
До Ань Ту, аспирант, doanhtu1991.ru@,gmail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
VARIANTS OF TECHNOLOGIES FOR MULTI- OPERATION COLD STAMPING OF AXISYMMETRIC PARTS WITH SIMULTANEOUS UPSETTING OF END THICKENINGS
G.V. Panfilov, A.V. Chernyaev, A.T. Do
Variants for the manufacture of coil-shaped parts with simultaneous upsetting of both end thickenings on dimensional cylindrical and tubular billets made of aluminum alloys have been developed. The final shaping operations involve cutting and sawing narrow deep grooves with the formation of a collet sector section of the part
Key words: cold die forging, upsetting, coil-shaped parts, punching device.
373
Panfilov Gennady Vasilyevich, doctor of technical sciences, professor, tul-pan2000@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State Uuniversity,
Chernyaev Aleksey Vladimirovich, doctor of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Do An Htu, postgraduate, doanhtu1991.ru@,gmail.ru, Russia, Tula, Tula State Uni-
versity
УДК 621.983
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-6-374-376
НАПРЯЖЕННОЕ И ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРИ ГОРЯЧЕЙ
ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКЕ СЛОЖНОПРОФИЛЬНОЙ ДЕТАЛИ
А.В. Алексеев
Проводится сравнение двух видов заготовок для проведения операции горячей объемной штамповки с целью изготовления детали со сложным профилем, а также приводятся схемы распределения напряжений, деформаций и иных параметров, которые представляют наибольший интерес.
Ключевые слова: напряжение, повреждаемость, деформации, горячая объемная штамповка, деформирование.
Получение сложнопрофильных деталей возможно с применением различных заготовок, отличающихся не только размерами, но и формой [1-7]. При этом заготовка оказывает значительное влияние на процесс формоизменения, и может давать как положительный, так и негативный эффект. Поэтому исследования, нацеленные на выявление оптимальной заготовки, являются весьма актуальными.
Так, рассмотрим получение детали с помощью горячей объёмной штамповки (рис. 1) из двух разных форм заготовок: цилиндрической и призматической с пятью гранями.
Рис. 1. Профиль требуемой заготовки
Для осуществления цели было проведено моделирование в QForm в котором были выявлены интенсивности деформаций (рис. 2) и деформаций (рис. 3).
Данные были получены с помощью метода конечных элементов, реализованном в QForm. Цилиндрическая и призматическая заготовки имели одинаковый объем и материалов их выступала сталь 15, которая широк используется во всех сферах жизнедеятельности человека. Заготовка является жестко-пластичной, анизотропия не учитывалась. Начальная температура материала заготовки и инструмента составляет 1100 градусов.
