CC BY
38
УДК 621.979
ВИНТОВОЙ ПРЕСС ДЛЯ ШТАМПОВКИ С КРУЧЕНИЕМ
Б. А. Степанов, М.А. Петров
Рассмотрена конструкция винтового пресса с вращающимся штамподержа-телем для штамповки с кручением. Определены конструктивные параметры пресса, обеспечивающие оптимальные режимы штамповки. Выполнены расчеты осадки с кручением круглых дисков, которые представлены в виде графиков технологических сил и моментов. В программе QForm проведено компьютерное моделирование процесса осадки с кручением цилиндрической заготовки с разными коэффициентами относительной скорости К.
Ключевые слова: штамповка с кручением, винтовой пресс, вращающийся штамподержатель.
Особое место в номенклатуре поковок занимают осесимметричные поковки типа шестерен, дисков, ступиц, колес, тонкостенных оболочек различной формы и т.д. Штамповка с кручением таких поковок дает возможность существенно снизить как технологические силы деформирования, так и нормальные напряжения, действующие на инструмент, особенно в центральной зоне. Практическая реализация штамповки с кручением позволяет не только увеличить размеры поковок, штампуемых на тяжелых прессах, но и снизить их массу за счет уменьшения перемычек под прошивку и повысить точность за счет снижения упругих деформаций системы пресс-штамп, увеличить стойкость штампов. Штамповка с кручением реализуется одновременным воздействием на деформируемый металл осевой силы и крутящего момента. Практически такое нагружение осуществляется вращением инструмента во время формоизменения заготовки на прессах с вращающимся штамподержателем.
Наиболее простое техническое решение по осуществлению штамповки с кручением реализовано на базе винтового пресса с винтовым движением винта, соединенного со штмподержателем, в связи с чем он приобретает поступательное и вращательное движения. Соотношение угловой ю и поступательной и скоростей инструмента определяется параметрами винта: ходом 5Ь, диаметром винта ¿4, и углом подъёма резьбы с^:
ю 2р 2 /1Л
— = — =-. (1)
и 8Ь dctgab
Для оценки эффективности пресса рассмотренной конструкции необходимо определить его технологические возможности, которые оцениваются по достигаемой величине параметра кручения д. С помощью этого параметра, вычисляемого по формуле
271
Я = °°п , (2)
4 и- 2л/3 (2)
где со и и - соответственно угловая и линейная скорости штамподержате-ля, Рп- наружный диаметр поковки, определяются силовые и энергетические характеристики штамповки с кручением. С учетом формулы (1) выражение для расчёта параметра кручения д, имеет вид
д = о-Рп = р-Рп = Рп ^ tgab= °п (3)
и - 2л/3 л/3 - Бв 2л/3гс • tgab 243тс ■ д
Полученную формулу можно упростить, воспользовавшись извест-
I р 2
ными соотношениями 2гс = у Рн и Рн =— Рп он, где <7н - отношение номинальной силы пресса Рн к площади поковки в плане:
2
№ = ь . (4)
Из практического опыта кузнечно-прессовых цехов среднее значение параметра он для тонкостенных круглых в плане составляет 10 МПа. Теоретическими и экспериментальными исследованиями [1] установлены оптимальные значения параметра кручения д = 5 - 8. С использованием этих данных найдено приближенное значение угла подъема резьбы винта, при котором штамповка с кручением дает ощутимые технологические эффекты, аь = 3...6 В традиционных винтовых прессах винтовые пары выполняют с углом аь = 12.14° из условия несамоторможения и высокого КПД. Винтовые прессы с углом аь = 3.6° не удовлетворяют этому условию, такие прессы заклиниваются.
На представленном винтовом прессе (рис. 1) винт 6 имеет самотормозящуюся винтовую нарезку. Своим нижним концом он соединен со штамподержателем 4 посредством шлицевого соединения, а своим верхним концом соединен с маховиком 8 также шлицевым соединением с зазором между выступами и впадинами для обеспечения возможности прово-рота винта относительно маховика на угол у. Винт 6 выполнен пустотелым; в его полости размещен дополнительный винт 9, который своим верхним концом жестко соединен с маховиком 8, а своим нижним концом образует винтовую несамотормозящуюся пару с гайкой 5. Вращение маховика 8 посредством шлицевого соединения передается на винт 6, сочлененный со штамподержателем 4, получающим поступательное и вращательное движения, определяемые параметрами винтовой пары «винт - гайка». Рассмотрим условие равновесия винта 6, расчетная схема которого представлена на рис. 1, б, по уравнению
Мм + МВ = Мт + Мн, (5)
где ММ - момент маховика; Мт - технологический момент;
Мн = Р ■ МВ = Р ■
^ Г "
—н + / ■ гн - момент самотормозящейся пары; V2р )
С Б Л
— + / ■ гв - момент несамотормозящейся пары; и гн - соответ-V2р )
ственно ход и средний радиус винта самотормозящейся пары; Бв и гв - соответственно ход и средний радиус винта несамотормозящейся пары.
Условие заклинивания пресса запишется в виде
С мт / Л
Мв < Мт - Мн или < Бн + 2Р-Т + /Г + Гн) . (6)
V Р )
После окончания штамповки под действием реактивного момента Мв дополнительный винт вместе с маховиком реверсируется на угол
Ушп , - достаточный для вывода пресса из распора. При отскоке винт 9 свободно прокручивается относительно неподвижного штамподержателя 4 на угол у, минимальную величину которого можно определить по коэффициенту жесткости пресса С = Рн/3, принимая 3 за перемещение винта, необходимое для снятия упругих деформаций пресса при номинальной силе пресса Рн:
= 2рРн (7)
Ушт = п е . (7)
С ■ Бв
Дальнейший реверс маховика осуществляется приводом. Расчеты, выполненные по методике [1, 2] применительно к винтовому прессу силой 2,5 МН при осадке плоского диска, показывают (рис. 2), что с уменьшением хода 8в или угла аь технологическая сила осадки Рт уменьшается, а работа пластической деформации увеличивается. Оптимальные параметры винтовой пары находятся в пределах = 40.. .60 мм, при этом величина Рт снижается в 1,5 - 2 раза. Дальнейшее уменьшение этих параметров вызывает резкое увеличение работы, что снижает КПД пресса.
Используя полученные данные, четырехзаходный винт базового пресса силой 2,5 МН с ходом =160 мм (аь = 15°) принят однозаходным с = 40 мм и аь = 3°50'.
Полученные конструктивные параметры пресса положены в основу технологического расчета применительно к осадке заготовки диаметром do = 37 мм и высотой И0 = 75,3 мм до размеров диска dд = 100 мм и высотой Ид = 20,3 мм.
При расчете принято значение напряжения текучести = 80 МПа. На рис. 2 представлены графики изменения технологической силы деформирования и крутящего момента по ходу штамподержателя. По сравнению со штамповкой поступательно перемещающимся инструментом сила штамповки снижена в 1,8 раза при некотором (до ~30 %) увеличении работы пластической деформации.
Рис. 1. Винтовой пресс с дополнительным винтом (а) и расчетная схема винта (б): 1 - станина; 2 - направляющие; 3 - ползун; 4 - штамподержатель; 5, 7 - гайка; 6 - винт; 8 - маховик; 9 - дополнительный винт
Рис. 2. Зависимость силы деформирования (1) и относительных работы (2) от хода винтовой нарезки
12
О 10 20 30 40 50 60 70
Н
Рис. 3. Зависимость силы деформирования (1) и крутящего момента (2) от перемещения штампа
Моделирование проводилось в программном комплексе QForm на цилиндрических образцах, имеющих диаметр 020 мм и высоту Н0 = 30 мм, с назначением различных материалов для условий осадки (О) и осадки с кручением (О+К). Физические свойства материалов были взяты из базы данных QForm. Общая относительная высотная деформация составляла 75 % от начальной высоты. Температурные и трибологические граничные условия представлены в табл. 1. В качестве допущения было принято, что трение на всех контактных поверхностях одинаково, а значение фактора трения т не меняется в течение всего процесса. Относительная скорость К определялась по уравнению.
Ю dф dt dф е Н 0
к = — = = , я = --^, (8)
V dt ds ds 100% v '
-1 ТЛ
где ю - угловая скорость пуансона, мм ; V - линейная скорость пуансона, мм/мин; s - перемещение пуансона, мм; е - инженерная деформация; Н0 -начальная высота образца, мм
у = Ах4 + Вх3 + Сх2 + Вх + Е (9)
Таблица 1
Исследуемые материалы
№ Материал Основной химический элемент Т х загот. Т х инстр. т
1 сталь 40 железо, ^е) 800 350 0,8
2 сталь 40Х железо, ^е) 800 350 0,8
3 АМг6 алюминий (А1) 450 250 0,8
4 М1 (хол.) медь (Си) 800 350 0,5
5 М1 (гор.) медь, (Си) 25 25 0,2
6 ВТ6, ВТ16 титан, (И) 900 350 0,5
7 МА5 магний, (М§) 400 250 0,8
Результаты моделирования были представлены функциональной зависимостью четвертого порядка в соответствие с уравнением (9). Их графическая интерпретация представлена на рис. 4. Коэффициенты аппроксимации представлены в табл. 2. До К = 0,4 наблюдается линейный участок.
Таблица 2
Коэффициенты полиномиальной функции (по уравнению (9)
№ Материал Значения коэффициентов (рисунок 4)
А(х4) В(х3) С(х2) Ъ(х) Е
1 сталь 40 -26,023 34,62 -15,654 3,2343 40,918
2 сталь 40Х -59,625 69,391 -21,604 2,4453 40,918
Окончание табл. 2
№ Материал Значения коэффициентов (рисунок 4)
А(х4) В(х3) С(х2) В(х) Е
3 АМг6 25,639 -31,465 16,643 -2,0191 41,244
4 М1 16,474 -20,118 5,5529 0,3464 41,021
5 ВТ6 -87,319 106,37 -38,554 7,5349 41,038
6 ВТ16 53,683 -82,099 36,996 -0,0882 41,466
7 МА5 51,982 -65,739 23,649 -0,8819 41,255
45
44
О 43
е.
Е-
<и «
Ч зН
Я 1 в
м
42
41
40
— сталь 40_0+К •
1 сталь 40Х_0+К
4 АМгб _о+к
АМ1_0+К ..........•..................
■ ВТ6_0+К
• ВТ16_ О+К ...И'"" X.
♦ МА5_ -о О+К • ♦
• • ...-'••"" .................. ..................
.....■......;;. ............ 1.......±.........
С А ■
0,0
0,2 0.4 0,6
Коэффициент К
а
0,8
е = 0
е = 0,5
е= 0,75
до деформации (О)
б
после деформации (О)
после деформации (О+К)
Рис. 4. Влияние коэффициента относительной скорости К на изменение внешнего диаметра образца (а) и этапы моделирования О+К с указанием линий течения материала для К = 0,5 (б)
С ростом коэффициента К зависимость переходит в нелинейную область. Кроме этого, горизонтальность некоторых графиков указывает на то, что на течение материала не оказывает влияние изменение коэффициента К, т.е. независимо от изменения относительной скорости. Это означает, что титановые сплавы более чувствительны, а медные сплавы менее
276
чувствительны к изменению скорости. Для случая чистой осадки при w= 0 и K = 0 все точки располагаются на оси ординат. Зависимость изменения силы деформирования от относительной скорости К представлена в [3].
Список литературы
1. Штамповка с кручением / В.Н. Субич, В. А. Демин, Н.А. Шеста-ков, А.В. Власов. М.: Изд-во МГИУ, 2007. 411 с.
2. Винтовой пресс для штамповки с кручением: А.С. №1331662 СССР. 1987.
3. Petrov M.A., Subich V.N., Petrov P.A. Experimental and numerical research on forging with torsion // Proceedings of the ESAFORM conference 2017. Dublin, Ireland, 2017 (в печати).
Степанов Борис Алексеевич, д-р техн. наук, проф., sha40@ mail.rH, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Петров Михаил Александрович, канд. техн. наук, доц., m.a.petrova mospoly-tech.ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет
SCREW PRESS FOR FORGING WITH TORSION B.A. Stepanov, M.A. Petrov
Main aspects on the construction of the screw press with rotating punch holder were revealed in the paper, whereby the major parameters are defined for the optimal forging process realization. The calculation of the upsetting parameters for asymmetrical discs production represented through diagrams for technological force and moments. In QForm the numerical simulation of the upsetting with torsion of a cylindrical workpiece with different relative velocities K was carried out.
Key words: forging with torsion, screw press, rotating punch holder.
Stepanov Boris Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, shha40 a mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Petrov Mikhail Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, m.a.petrovamospolytech.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
