CC BY
24
УДК 621.983
ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИНСТРУМЕНТА НА НЕРАВНОМЕРНОСТЬ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ ВЫСАДКЕ ЗАГОТОВКИ ГОЛОВКИ БОЛТА
Ефремова Е. А., Хлопов О. И.,
Донской государственный технический
университет, Ростов-на-Дону, Российская
Федерация
lena52@mail.ru
oleghlopov40@gmail.com
Проведен анализ формоизменения при изготовлении заготовок болта с фланцем М10 по DIN 6921 на холодновысадочном автомате. Рассмотрены методы его изготовления, выявлены преимущества и недостатки. Промоделированы первый и второй переходы, рассмотрено влияние геометрических параметров на напряженно-деформированное состояние. Для моделирования процесса использовался программный комплекс Q Form 2D/3D. По результатам анализа предложены рекомендации по выбору геометрических параметров.
Ключевые слова: болты с фланцем, высадка, редуцирование, инструмент, неравномерность деформации, программный комплекс Q Form 2D/3D.
UDS 621.983 INFLUENCE OF TOOL GEOMETRICAL PARAMETERS ON IRREGULARITY OF DEFORMATIONS IN BLANK HEADING OF A BOLT HEAD
Efremova E. A., Khlopov O. I.
Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russian Federation
lena52@mail.ru oleghlopov40@gmail.com
The analysis of a shape change in the manufacture of bolt blanks with a M10 flange according to DIN 6921 is carried out on a cold header. Methods of its manufacturing are considered, advantages and disadvantages are revealed. The first and second junctions are simulated and the effects of geometric parameters on the stress-strain state are considered. To simulate the process, the QForm 2D / 3D software complex was used. Based on the results of the analysis, recommendations were proposed on the choice of geometric parameters of the bolt head manufacturing processes.
Keywords: bolts with flange, heading, reduction, tool, unevenness of deformation, software complex QForm 2D / 3D.
Ведение. Одним из направлений в современном машиностроении является снижение расхода металла с одновременным повышением качества и эксплуатационных характеристик изделия. Это достигается за счет оптимизации технологических процессов и использования современных расчетных программ, основанных на аналитических методах теории обработки металлов давлением.
Холодная объемная штамповка является наиболее прогрессивным методом изготовления деталей, таких как втулки, гайки, винты, валики, шпильки и болты. Большинство этих деталей изготавливается на высокоскоростном холодновысадочном оборудовании за несколько переходов. Объемы выпуска таких деталей велики, так как они используются не только в автомобилестроении, но и в сельхозмашиностроении, строительстве, мебельной промышленности, нефтепереработке и приборостроении. Поэтому основным направлением усовершенствования технологий являются снижение энергозатрат, экономия металла и повышение качества деталей.
Болты с фланцами относятся к новым видам крепежных изделий, в которых совмещаются несколько деталей, в данном случае болт с шайбой. Это обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики крепежных соединений и приводит к снижению себестоимости изготовления из-за сокращения количества операций и инструмента [1, 2]. Как и болт с шестигранной головкой, болт
с фланцем состоит из стержня с метрической резьбой, на одном конце которого располагается шестигранная головка, имеющая жесткое соединение с фланцем в виде «мертвой шайбы» (рис. 1). Это упрощает процесс скручивания деталей механизма и увеличивает поверхность соединения. Благодаря гладкой поверхности фланца, узел получается довольно герметичным, под головку болта при плотном соединении с гладким корпусом ничего не попадает даже в жидком состоянии [1].
Рис. 1. Типы болтов с фланцем, изготовленные на холодновысадочном оборудовании
Болты с фланцем изготавливаются на многопозиционных холодновысадочных автоматах. Шестигранные головки болтов формируются различными способами: обрезкой граней головки и фланца, редуцированием шестигранной головки болта с последующей высадкой фланца в пуансоне [3, 4, 5, 6].
Болты фланцевые изготавливаются по немецким техническим стандартам DIN. Основные
Рис. 2. Болт М10 по DIN 6821
За основу технологии изготовления болта М10 по DIN-6921 была принята технология, приведенная в работе [3]. Технологический процесс изготовления болта состоит из 3 переходов. Сначала отрезают мерную заготовку диаметром 10мм. На первом переходе производится редуцирование стержня до диаметра 8,94 мм; на втором — высадка конической головки; на третьем — образование шестигранной головки с фланцем путем прошивки торцевой поверхности.
Цель работы. Целью данной работы являлся анализ особенностей течения металла в напряженном и деформированном состояниях на первом и втором переходах, а также выбор оптимальных параметров инструмента, позволяющих снизить неравномерность деформаций при формировании головки заготовки.
В настоящей работе приведены результаты математического моделирования технологических переходов изготовления болта М10 по DIN 6921. Расчеты производились в
L4QQ/J
программном комплексе Q Form 2D/3D. Исходя из чертежа изделия, были назначены допуски на холодную штамповку, разработан чертеж, рассчитан объем заготовки и, с учетом конфигурации полости изделия, назначена геометрия рабочей части пуансона. Были приняты следующие размеры заготовки: D3 X Н3 = 9,8 X 50,2мм, где D:5 — диаметр заготовки, Из — высота. Ниже представлены условия моделирования процесса.
За основу была принята технология изготовления болта, приведенная в работах [2, 6]. Она включает в себя отрезку заготовки, редуцирование стержня под резьбу, высадку конической головки болта, окончательную высадку головки болта шестигранным пуансоном с одновременной глухой прошивкой отверстия. Прошивку отверстия предлагалось производить глубиной 1,5 мм цилиндрическим пуансоном диаметром 12 мм.
При анализе процесса рассматривались различные варианты подготовки заготовки на первом и втором переходе. Для этого производилось моделирование процесса редуцирования стержня и высадки конической головки.
Редуцирование стержня болта производилось на длину 30 мм. При этом рассматривались два варианта изготовления:
— формирование заготовки в пуансоне и матрице;
— формирование только матрицы
Как показали результаты расчетов, при редуцировании заготовки по первому варианту, когда расстояние между пуансоном и матрицей составляет 3 мм, металл вытекал в зазор между пуансоном и матрицей. При этой степени деформации на данном переходе достигают е = 1,9 со значительным градиентом по сечению (рис. 3).
Для устранения этих недостатков рассматривалось формирование заготовки только в матрице, используя при этом заталкивающий пуансон диаметром 10 мм, оставляя зазор между блоком пуансона и матрицей 0,7 мм.
Как показали результаты расчетов, при редуцировании заготовки по второму варианту изделие формируется полностью в матрице без вытекания в зазор между инструментами. При
Рис. 3. Степени деформации при первом варианте
этом степени деформации на данном переходе значительно меньше. Наибольшее значение £ = 0,4 с незначительным градиентом по сечению (рис. 4).
Рис. 4. Степени деформации при втором варианте
Расчет изготовления болта на втором переходе производили также по двум вариантам:
— высадка головки болта со скруглением на торце матрицы;
— высадка головки болта с фаской на торце матрицы.
Как показали результаты расчетов, при редуцировании заготовки по первому варианту, когда расстояние между пуансоном и матрицей составляет 1,25 мм, скругление на торце матрицы — 0,4 мм, образовывается головка необходимой формы. При этом степени деформации на данном переходе достигают е = 2,2 со значительным градиентом по сечению (рис. 4).
Рис. 5. Степени деформации на втором переходе (первый вариант)
Для устранения этих недостатков рассматривалось формирование заготовки в матрице с идентичными размерами, но фаской 0,5*45° на торце. При этом зазор между пуансоном и матрицей оставался неизменным.
Как показали результаты расчетов, при высадке головки болта по второму варианту также образуется головка требуемой формы. При этом степени деформации на данном переходе значительно меньше. Наибольшее значение £ = 1,5 с незначительным градиентом по сечению (рис. 6).
Рис. 6. Степени деформации на втором переходе (второй вариант)
Выводы. Как показало моделирование изготовления заготовок болта М10 по DIN 6921 на первом и втором переходах, наиболее оптимальными являются геометрические параметры, приведенные во втором варианте:
- при редуцировании стержня формирование заготовки должно проводиться только в матрице с использованием заталкивающего пуансона диаметром 10 мм, оставляя зазор между блоком пуансона и матрицей 0,7 мм;
- высадку конической головки на втором переходе необходимо производить в матрице с фаской 0,5*45° на торце при расстоянии между пуансоном и матрицей равном 1,25 мм.
Полученные расчеты в Q Form 2D/3D дают возможность детально проанализировать напряженно-деформированные состояния на всех переходах высадки и скорректировать их и соответствующую оснастку на этапе разработки технологии. Это позволит сократить время на запуск в производство новых изделий.
Библиографический список
1. Болт с фланцем — залог надежного соединения [Электронный ресурс] // Ogodom.ru. — Режим доступа : http://ogodom.ru/bolt-s-flantsem-zalog-nadezhnogo-soedineniya.html (дата обращения : 20.02.2018).
2. Ковка и штамповка. Справочник : в 4 т. Холодная объемная штамповка / под ред. Г. Н. Навроцкого. — Москва : Машиностроение, 1987 — Т. 3. — 387 с.
3. Напалков, А. В. Схемы высадки головок стержневых крепежных деталей [Электронный ресурс] / www.nav.t-k.ru авторский проект Напалкова Александра Валерьевича. — Режим доступа : http://navtech.webservis.ru/atcl13/atcl13.htm (дата обращения :20.03.2018).
4. Новиков, С. В. Анализ вариантов изготовления шестигранных головок болтов с фланцем и выбор рационального метода / С. В. Новиков, Е. А. Ефремова // Разработка и внедрение ресурсосберегающих и импортозамещающих технологий и устройств : сб. статей VII междунар. науч.-практ. конф. — Пенза, 2016. — С. 50-53.
5. Кроха, В. А. Упрочнение металлов при холодной пластической деформации: Справочник. / В. А. Кроха. — Москва : Машиностроение, 1980. — 155 с.
6. Навроцкий, Г. А. Исследование возможностей управления качеством изделий при холодной объемной штамповке / Г. А. Навроцкий, В. Г. Шибаков, В. А. Головин // Обработка металлов давлением в автомобилестроении. — Москва : МАМИ, 1980. — С. 76-79.
