Влияние технологических параметров на образование наплыва при ротационной вытяжке осесимметричных деталей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 621.983; 539.374

Д.В. Дудка, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, mpf-tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

В.И. Трегубов, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, mpf-tula@rambler.ru (Россия, Тула, ФГУП ГУП «ГНПП «Сплав»)

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ОБРАЗОВАНИЕ НАПЛЫВА ПРИ РОТАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКЕ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ

Приведены результаты экспериментальных исследований характера образования наплыва при ротационной вытяжке осесимметричных деталей в зависимости от схем обработки, технологических параметров и геометрических характеристик конических роликов.

Ключевые слова: ротационная вытяжка, оправка, ролик, наплыв, трубная заготовка, обжим, раздача, шаг подачи, степень деформации.

Особенностью процесса ротационной вытяжки являются образование наплыва материала перед фронтом давильных элементов при относительно небольших изменениях толщины стенки и увеличение в месте образования наплыва диаметра заготовки [1 - 5]. Величина и форма наплыва зависят от свойств обрабатываемого материала, режимов обработки, толщины стенки исходной заготовки и геометрических параметров деформирующих роликов.

На рис. 1 показаны типы наплыва, наиболее характерные для ротационной вытяжки.

Рис. 1. Типы наплыва металла перед очагом деформации при ротационной вытяжке цилиндрических деталей:

1 - деталь; 2 - оправка

Образование наплыва, показанного на рис. 1, а, характерно при ротационной вытяжке деталей из толстостенных заготовок. Такой тип наплыва представляет собой увеличение толщины стенки исходной заготовки перед очагом деформации. Наплыв, приведенный на рис. 1, б, характерен для ротационной вытяжки деталей из тонкостенных заготовок и связан с потерей устойчивости стенки заготовки, отрывом её от поверхности оправки.

На практике обычно имеет место образование наплыва, содержащего элементы того и другого типов при наиболее ярко выраженных признаках одного из них.

Нерегламентированное образование наплыва отрицательно влияет на обеспечение качественных характеристик деталей, изготавливаемых ротационной вытяжкой. В частности, чрезмерное увеличение наплыва приводит к перенаклепу металла, появлению поверхностных дефектов в виде чешуйчатости поверхности, трещин, закатов. Образование наплыва сопровождается возрастанием силы деформирования, препятствует обеспечению стабильности толщины стенки и диаметральных размеров изготавливаемой детали.

Ниже приведены результаты экспериментальных исследований образования наплыва при ротационной вытяжке цилиндрических деталей на специализированном оборудовании в зависимости от схем обработки, технологических параметров и геометрических характеристик конических роликов.

Для проведения экспериментальных исследований были использованы трубные заготовки из малоуглеродистой стали марки 10ГН и алюминиевого сплава АМг6. Заготовки подвергались предварительной калибровке и последующей механической обработке. Основные размеры исходных заготовок представлены в табл. 1.

Таблица 1

Характеристики исходных заготовок__________________

Материал заготовки Геометрические параметры

Диаметр Толщина стенки tо, мм Длина Ь, мм

Наружн. В, мм Внутр. й, мм

Сталь 10ГН Ш,3-0,26 114,3+0,23 9 ± 0,3 490

Сплав АМг6 121,5-0,26 112,7+0,23 4,2 ± 0,2 690

Ротационная вытяжка цилиндрических деталей осуществлялась по трём наиболее характерным схемам обработки:

- 3 - роликовой схеме, с использованием деформирующих роликов открытой калибровки;

- 3 - роликовой схеме, с использованием роликов закрытой калибровки;

- 3 - роликовой схеме с разделением очага деформации.

Для оценки влияния технологических параметров на качественные характеристики цилиндрических деталей ротационная вытяжка выполнялась с различными величинами степени деформации г = (1 - ? / ?о) 100 % (е = 15...60 %) и рабочей подачи £ = 0,55...2 мм/об. Здесь ¿0 и ? - толщина стенки исходной заготовки и детали.

В качестве деформирующего инструмента при проведении экспериментальных работ были использованы конические ролики с открытой и закрытой калибровкой, выбранные в диапазоне углов рабочего конуса а р = 10.30°.

Типовые конструкции роликов представлены на рис. 2. При проведении экспериментальных исследований были приняты следующие размеры деформирующих роликов: В = 220 мм; Ь = 3 мм. Выбор указанных диапазонов режимов обработки и параметров инструмента обусловлен широким их использованием на практике [4].

Ротационная вытяжка цилиндрических деталей на всех этапах эксперимента осуществлялась при постоянной частота вращения оправки

п = 180 мин-1. Экспериментальные работы проводились на стане СХП-2. Стан оснащен 3 - роликовой кареткой с гидравлическим приводом осевого перемещения. Деформирующие ролики, расположенные через 120° по периметру окружности, снабжены индивидуальными гидроцилиндрами для перемещения роликов в радиальном направлении.

Для замеров толщин и диаметров деталей использовались приборы индикаторного типа. Цена деления индикатора составляла 0,01 мм.

а

б

Рис. 2. Типовые конструкции конических роликов для ротационной вытяжки цилиндрических деталей: а - ролики с открытой калибровкой; б - ролики с закрытой калибровкой

Для оценки влияния угла рабочего конуса деформирующего ролика ар и технологических параметров обработки на образование наплыва при

ротационной вытяжке деталей из стали 10ГН по первой схеме были использованы ролики открытой калибровки с углами рабочего конуса ролика а р = 15.30° с интервалом через 5°. Ротационная вытяжка осуществлялась при значениях степени деформации е = 20...50 % и шага подачи £ = 0,55... 1,8 мм/об.

На рис. 3 приведен характерный тип наплыва металла перед очагом деформации при ротационной вытяжке цилиндрических деталей из стали 10ГН. Установлено, что во всех исследуемых диапазонах углов рабочего конуса роликов и режимах обработки при ротационной вытяжке деталей из сравнительно толстостенных (9 мм) исходных заготовок из стали 10ГН форма образования наплыва соответствует типу наплыва, показанному на рис. 3.

Рис. 3. Образование наплыва при ротационной вытяжке роликами открытой калибровки деталей из стали 10ГН

(£ = 0,55 мм/об; ар = 30°; е = 50 %)

Графические зависимости изменения относительной величины наплыва Ин = 10Ин / ¿0 от степени деформации г и угла рабочего конуса деформирующего ролика а р при ротационной вытяжке роликами с открытой калибровкой приведены на рис. 4. Здесь Ин - высота наплыва; Ин = ¿н - ¿о; ¿Н - максимальная толщина стенки детали в зоне образования наплыва.

5.0

4.0

I

3.0

1,0

0 10 20 30 40 50 0/0 70

8 ----»-

Рис. 4. Зависимости изменения Ин от г при ротационной вытяжке деталей из стали 10ГНроликами с открытой калибровкой (8 = 0,55 мм/об): 1 - ар = 15°; 2 - ар = 20°; 3 - ар = 25°; 4 - ар = 30°

Анализ графических зависимостей и результатов экспериментальных исследований показывает, что наиболее существенное влияние на образование наплыва оказывает угол рабочего конуса деформирующих роликов а р, с увеличением которого интенсивно растёт высота наплыва во

всех диапазонах степеней деформации и рабочей подачи. Следует отметить, что использование роликов с углом ар > 25° для вытяжки деталей из

малоуглеродистой стали 10ГН, вызывает интенсивный рост наплыва, приводящий к образованию на его вершине микротрещин и по этой причине -к появлению поверхностных дефектов в виде чешуйчатости и закатов.

Установлено, что при использовании роликов с углом а р = 30°, образование вышеуказанных дефектов имело место во всех исследуемых диапазонах подач и степеней деформации. Указанное обстоятельство свидетельствует о том, что нецелесообразно применять ролики с открытой калибровкой при углах ар > 25° для ротационной вытяжки деталей из малоуглеродистых сталей типа стали 10ГН.

Результаты проведённых экспериментальных исследований также показывают, что с увеличением степени деформации г и величины рабочей подачи 8 относительная величина наплыва Ин возрастает. Более интенсивный рост наплыва в зависимости от указанных параметров наблюдается с увеличением угла рабочего конуса ар деформирующих роликов.

При проведении экспериментальных работ по схеме ротационной вытяжки роликами с закрытой калибровкой были использованы ролики с рабочим

углом гребня а р = 30° и углом вспомогательной конической поверхности

(крыши) ав = 5°, имеющие высоту гребня Иг = 2, 3, 4 мм (см. рис. 2, б).

Установлено, что использование роликов с закрытой калибровкой (в аналогичных диапазонах изменения степени деформации г и рабочей подачи 8 ) позволяет в более узких пределах регламентировать величину наплыва, по сравнению с предыдущей схемой ротационной вытяжки.

При соответствии величины At = ¿0 -1 высоте гребня Иг используемых роликов (то есть & = Иг), с увеличением степени деформации г и величины рабочей подачи 8 имеет место постепенное возрастание относительной высоты наплыва Ин (рис. 5). Следует отметить, что при несоответствии величины At высоте гребня ролика Иг характер образования наплыва резко изменяется. При значении & < Иг высота наплыва возрастает на разность этих величин аналогично, как и при обработке деталей роликами с открытой калибровкой.

При формоизменении заготовок с величиной & > Иг высота наплыва несколько снижается по сравнению с условиями деформирования при & = Иг. Однако при этих условиях деформирования имеют место нежелательные явления.

В этом случае изменение толщины заготовки осуществляется как конической поверхностью гребня а р, так и вспомогательной конической

поверхностью ролика с малым углом ав = 5 , что приводит к резкому возрастанию протяженности контакта ролика с заготовкой, интенсивному росту радиальной силы деформирования и увеличению внутреннего диаметра изготавливаемой детали.

Таким образом, при ротационной вытяжке деталей роликами с закрытой калибровкой для регламентирования наплыва в узких пределах и обеспечения точности диаметральных размеров необходимо при выборе оптимальных параметров роликов соблюдать условие At = Иг .

При ротационной вытяжке деталей из стали 10ГН по схеме с разделением деформации использовались деформирующие ролики открытой калибровки с углами рабочего конуса в диапазоне от 10 до 30°.

Экспериментальные исследования по ротационной вытяжке с разделением степени деформации показали, что использование роликов с минимальными значениями угла рабочего конуса в комплекте ар > 15° вызывает более интенсивный рост наплыва, а также резко снижает внутренний диаметр детали, что затрудняет её съём с оправки. В связи с этим дальнейшие эксперименты проводились с сочетаниями углов роликов 10, 15 и 20° в одном комплекте.

1 2 3

**

0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 мм/об 2,1

5-----^

Рис. 5. Зависимости изменения Ин от г при ротационной вытяжке

деталей из стали 10ГНроликами с закрытой калибровкой:

1 - г = 20 %; 2 - г = 35 %; 3 - г = 50 %

Экспериментально установлено, что указанная схема деформирования создает наиболее благоприятные условия для ограничения наплыва металла перед очагом деформации в исследованном диапазоне изменения технологических параметров £ иг. Максимальная величина наплыва при изменении рабочей подачи от 0,5 до 1,8 мм/об составляет 0,42 мм, а при аналогичных условиях обработки роликами с закрытой и открытой калибровкой Ин = 0,9 мм.

Аналогичные экспериментальные исследования были проведены по ротационной вытяжке деталей из алюминиевого сплава АМг6 с использованием тех же режимов обработки и геометрических параметров деформирующих роликов.

Анализ результатов обработки алюминиевого сплава АМг6 показывает, что влияние технологических параметров ротационной вытяжки и геометрических параметров деформирующих роликов на наплыв имеет ту же закономерность, что и при обработке стали 10ГН. Установлено, что

форма образования наплыва при ротационной вытяжке деталей из сплава АМг6 (рис. 6) имеет такие же элементы наплывов, как на рис. 1, а, б, что особенно наглядно при ротационной вытяжке деталей роликами с открытой калибровкой.

Установлено, что наиболее интенсивно на величину наплыва металла при ротационной вытяжке деталей роликами с открытой калибровкой влияет рабочая подача £, а также угол рабочего конуса роликов а р, с

увеличением которых наплыв резко возрастает.

Экспериментально показано, что при ротационной вытяжке роликами с углом а р = 15° величина зазора между заготовкой и оправкой возрастает примерно в 2 раза, и процесс обработки становится при величинах рабочей подачи £ > 1,2 мм/об неустойчивым из-за постоянного роста наплыва и потери устойчивости стенки заготовки. Это в отдельных случаях приводило к появлению разрывов на обработанной части детали. В связи с этим экспериментальные работы по схеме с открытой калибровкой

роликов при значениях углов ар > 20° не производились.

Рис. 6. Образование наплыва при ротационной вытяжке деталей из сплава АМг6 (г = 50 %; £ = 0,9 мм/об): а - ар = 15°; б - ар = 20°

При ротационной вытяжке деталей из сплава АМг6 с закрытой калибровкой роликов также имеет место интенсивный рост наплыва при увеличении рабочей подачи £ в исследуемом диапазоне.

Выполнены экспериментальные исследования относительной величины потери устойчивости стенки детали перед очагом деформации Иб в зависимости от технологических параметров ротационной вытяжки при различных сочетаниях углов роликов и схем деформирования. Здесь Иб = Иб / - величина потери устойчивости стенки детали перед

очагом деформации; ddн - внутренний номинальный диаметр детали; ddн ~ dопр.

В результате выполненных экспериментальных исследований установлено, что относительная величина потери устойчивости стенки детали перед очагом деформации Нр существенно зависит от схемы ротационной вытяжки и возрастает с увеличением рабочей подачи £, что отрицательно сказывается на стабильности хода процесса ротационной вытяжки.

На рис. 7 приведены сравнительные данные по изменению относительной величины потери устойчивости стенки детали перед очагом деформации Нр от величины рабочей подачи £ для различных схем ротационной вытяжки. Здесь кривая 1 обозначает формоизменение с разделением деформации (а р1 = 10°, а р 2 = 20°, а рз = 30°); кривая 2 - формоизменение роликами закрытой калибровки (Нг = 2 мм; ар = 30°; ав = 5°); кривая 3 - формоизменение роликами с открытой калибровкой (а р = 15°);

кривая 4 - формоизменение роликами с открытой калибровкой (а р = 20°).

Анализ графических зависимостей показывает, что наиболее стабильные результаты по устойчивости стенки заготовки перед очагом деформации обеспечиваются при ротационной вытяжке по схеме с разделением деформации. Относительная величина Нр в исследуемом диапазоне рабочих подач £ при ротационной вытяжке с разделением деформации находится в пределах от 0,12 до 0,41 мм, в то время как лучшие результаты, полученные при ротационной вытяжке по другим схемам, составляют от 0,4 до 1,2 мм (рис. 7).

2,0 1,6 \ 1,2 _ 0,8 0,4

0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 мм/об 2,1

5------^

Рис. 7. Зависимости изменения Нр от £ при ротационной вытяжке деталей из сплава АМг6 (г = 50 %)

В целях определения оптимальных параметров рабочих углов роликов при ротационной вытяжке деталей из сплава АМг6 с разделением де-

формации были проведены эксперименты при различном сочетании углов роликов в комплекте в диапазоне от 10 до 300.

Графические зависимости изменения относительной величины наплыва Ин от степени деформации е при ротационной вытяжке

деталей из сплава АМг6 с разделением деформации при различных сочетаниях углов роликов в комплекте приведены на рис. 8. Здесь введены следующие обозначения для комплектов роликов: кривая 1 - ар1 = 10°;

ар2 = 20°; ар3 = 30°; кривая 2 - ар1 = 10°; ар2 = 15°; ар3 = 20°;

кривая 3 - ар1 = 15°; ар2 = 25°; ар3 = 30°; кривая 4 - ар1 = 20°;

а р2 = 25°; а р3 = 30°.

4,0 3,2 * 2,4

0,8

0 10 20 30 40 50 60 % 70

8-----»-

Рис. 8. Зависимости изменения Ин от е при ротационной вытяжке деталей из сплава АМг6 с разделением деформации (£ = 0,55 мм/об)

Анализ графических зависимостей, приведенных на рис. 8, показывают, что наиболее оптимальным является комплект роликов с углами 10, 20 и 300. Его использование при ротационной вытяжке деталей из сплава амгб по схеме с разделением деформации позволяет более чем в 2 раза снизить высоту наплыва по сравнению с двумя вышеуказанными схемами в исследуемых диапазонах рабочих подач £ и степеней деформации е.

Выводы

1. Результаты экспериментальных исследований по ротационной вытяжке деталей из малоуглеродистой стали марки 10ГН и алюминиевого сплава АМг6 показывают, что с увеличением степени деформации е и величины рабочей подачи £ относительная величина наплыва Ин возрастает.

2. Установлено, что наиболее эффективной в части ограничения наплыва в исследованных диапазонах изменения рабочих подач S и степеней деформации s является схема с разделением деформации.

Использование этой схемы ротационной вытяжки обеспечивает снижение наплыва в 1,5 - 2 раза по сравнению с ротационной вытяжкой роликами с открытой калибровкой и в 2 - 3 раза по сравнению с ротационной вытяжкой роликами с закрытой калибровкой.

3. Показано, что для ограничения наплыва при ротационной вытяжке с разделением деформации необходимо использовать комплекты роликов с углами ар = 10°; аp2 = 15°; аp3 = 20° и аp1 = 10°; аp2 = 20°;

аp3 =30°.

Работа выполнена по ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)», грантам РФФИ и по государственному контракту в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Список литературы

1. Гредитор М. А. Давильные работы и ротационное выдавливание. М.: Машиностроение, 1971. 240 с.

2. Могильный Н.И. Ротационная вытяжка оболочковых деталей на станках. М.: Машиностроение, 1983. 192 с.

3. Юдин Л.Г., Яковлев С.П. Ротационная вытяжка цилиндрических оболочек. М.: Машиностроение, 1984. 128 с.

4. Яковлев С.С., Трегубов В.И., Яковлев С.П. Ротационная вытяжка с утонением стенки осесимметричных деталей из анизотропных трубных заготовок на специализированном оборудовании. М.: Машиностроение, 2009. 265 с.

5. Белов Е.А., Юдин Л.Г. Ротационная вытяжка на специализированном оборудовании // Ковка и штамповка: справочник. Т. 4. Листовая штамповка / под ред. А. Д. Матвеева; ред. совет: Е.И. Семенов и др. М.: Машиностроение, 1987. С. 234 - 257.

D.V. Dudka, V.I. Tregubov

INFLUENCE OF THE TECHNOLOGICAL PARAMETERS ON THE BUILDUP GENERATION IN THE ROTARY DRAWING OF AXISYMMETRIC DETAILS PROCESS

The results of experimental investigations of the buildup generation type in the rotary drawing of axisymmetric details process in the dependence on the machining pattern, technological parameters and geometric characteristics of conical rollers are provided.

Key words: rotary drawing, mandrel, roller, buildup, piped detail, squeezing, flaring, feed step, deformation ratio.

Получено 16.12.10