CC BY
40
Nedoshivin Sergey Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State Uuniversity.
Panfilov Gennady Vasilyevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State Uuniversity.
Perminov Dmitrey Aleksandrovich, magistrant, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 539. 374
ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ШТАМПОВКИ ОСТРОКОНЕЧНЫХ КОНИЧЕСКИХ УЧАСТКОВ НА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ
ЗАГОТОВКАХ
Г.В. Панфилов, С.В. Недошивин, С.С. Калинин
Разработана методика определения количества формообразующих операций и размеров промежуточных полуфабрикатов при многооперационной штамповке конических остроконечных участков на цилиндрических заготовках. Она базируется на экспериментальных результатах, полученных экспериментальным методом делительных сеток и теоретическим методом линий скольжения и учитывает различные составляющие повреждаемости деформируемого материала. Результатом использования данной методики является сокращение технологических операций, улучшение и выравнивание механических характеристик по всему деформируемому объему.
Ключевые слова: многооперационная штамповка, конические остроконечные участки, метод делительных сеток, методика проектирования технологии.
Стержневые цилиндрические детали ответственного назначения с коническим остроконечным участком (КОУ) в зависимости от комплекса требуемых геометрических размеров изготавливают за несколько формообразующих операций с промежуточными термохимическими циклами [1]. Весьма перспективным является вариант проектирования рациональных
многооперационных технологических процессов холодной штамповки де-
*
талей с расчетом сообщаемой на каждой i -й операции щ , остаточной после термохимического цикла, восстанавливающего пластичность Dwi ; суммарной накопленной с учетом предшествующих операций (без учета отжига на i -й операции) wi и допускаемой техническими условиями на изготовление [ Dw] составляющих повреждаемости деформируемого материала [2, 3] .
Исходными данными для определения основных параметров многооперационного технологического процесса холодной штамповки КОУ на цилиндрических заготовках являются:
й о - диаметр цилиндрической заготовки (мм); й - диаметр вершинки КОУ (мм); 2 8 - угол конусности остроконечного участка (0); материал детали - сталь 20, сталь 45, У8А, У10А, У12А, сталь 65Г, сталь 60С2А;
[ Дю ] - допустимый уровень остаточной после заключительной термической обработки поврежденности, установленный техническими условиями на изготовление детали.
В предлагаемой методике используются следующие обозначения деформации сдвига (параметра Удквиста):
Лг- - степень деформации сдвига, сообщаемая материалу на I -й операции;
Л^ - общее обозначение накопленной степени деформации сдвига на графической зависимости и в аппроксимирующем ее полиноме;
Л^ - накопленная степень деформации сдвига после I -й операции;
Л^ - накопленная степень деформации сдвига в конце первого
этапа (без учета заключительного отжига);
ЛЕ 2 - результирующая накопленная степень деформации сдвига в
конце второго этапа (без учета итоговой термической операции, если таковая предусмотрена).
Л р. - предельная степень деформации сдвига, соответствующая
моменту завершения I -й операции, определяемая по диаграмме предельной пластичности.
Кроме указанных ранее, предлагаемая методика оперирует следующими составляющими повреждаемости деформируемого материала:
Дю 1 - остаточная поврежденность после заключительного отжига
на первом этапе;
ДюЕ - суммарная остаточная поврежденность, накопленная материалом за весь процесс пластического формоизменения, включая результирующую термообработку (если она предусмотрена).
В работе [4] на основе результатов, полученных экспериментальным методом делительных сеток и аналитическим методом линий скольжения, разработаны первые 6 этапов методики определения количества формообразующих операций и размеров промежуточных полуфабрикатов при многооперационной штамповке конических остроконечных участков
на цилиндрических заготовках. Она включает аспекты установления в пластической области распределений накопленной степени деформации сдвига ЛЕ, значений среднего напряжения о, показателя напряженного
о т Но „
состояния —. Также определяются относительная координата —- опасной
Т йо
точки в пластической области, в которой запас пластичности исчерпывается в наибольшей степени, в зависимости от угла конусности указанного
о й
остроконечного участка 2ю и относительного диаметра вершинки —.
й0
При этом были использованы экспериментальные результаты, позволяющие установить рациональный угол конусности рабочей полости инструмента, значительно превышающий чертежный для готовой детали, на операциях первого этапа. Также были построены и далее аппроксимированы полиномами кривые упрочнения для ряда марок сталей, а также диаграммы предельной пластичности с историями нагружения в опасных точках [4].
Последовательность реализации заключительных этапов данной методики представляется следующим образом.
Поврежденность, сообщаемая материалу на г -й операции, определяется по зависимости
' Л ;
=т^, (!)
Л Рг
где Лг определяется по следующей зависимости:
Л г = ЛХ г -ЛХ г _!,
где ЛЕ - накопленная степень деформации после г -й операции, определяемая по зависимости
14,844 _25 69,193 _25 _ ,
Лу = —--+ —---0,4343 ■ 1п
^ 17,301 6,024
/л Л
V й у
(2)
При этом принимается, что производится деформирование цилиндрической заготовки диаметром ^; ЛЕ. 1 - суммарная степень деформации
сдвига, определяемая по зависимости (2) для (г _ 1)-й (предшествующей) операции.
При проектировании технологического процесса холодной штамповки КОУ целесообразно работать с участком графика (сообщать на каждой операции степень деформации) в диапазоне 0,3 <юг £ 0,7 (рис. 1) [3].
Поэтому для получения качественного изделия с заданными механическими характеристиками материалу на каждой операции должна сообщаться поврежденность, рассчитанная по приведенным ниже зависимостям: для первой операции о^ = 2 • [Аю] + 0,3;
для второй и последующих операций ю^ = [Аю] + 0,3, при этом [Аю]
для деталей ответственного назначения не должна превышать значения 0,2...0,3.
Рис. 1. Зависимость остаточной после отжига поврежденности Аю •
*
материала от степени поврежденности ю•, сообщаемой материалу
на текущей • -й операции при пластическом формоизменении
сталей
Полученное значение поврежденности юг- (1) сравнивается с допустимой поврежденностью [ ю • ] на соответствующей операции, и если
условие юг- <
ю,
не выполняется, то необходимо провести подбор последовательным увеличением диаметра вершинки полуфабриката di на
малую величину Аdг• и повторять вычисления до тех пор, пока данное условие не будет соблюдено.
Подобрав диаметр притупления вершинки полуфабриката на г -й операции, сравниваем его со значением диаметра притупления готового изделия й , и если выполняется условие й г £ й , то процесс вычисления заканчивается. Если же условие не выполняется, то необходима еще, как минимум, одна операция, на которой для определения диаметра вершинки полуфабриката нужно провести необходимые расчеты.
Исходя из геометрических соотношений определяются высоты конических участков полуфабрикатов по следующей зависимости:
й0 г _ йг
2 ■
25 2
Второй этап - цикл подбора углов конусности полуфабрикатов.
После анализа расчетов геометрических размеров полуфабрикатов на первом этапе было установлено, что последняя операция этого этапа является, как правило, недогруженной. Чтобы исключить этот недостаток, предлагается объединить последнюю операцию первого этапа с первой операцией второго этапа, задавая диаметр притупления вершинки равным диаметру притупления КОУ готовой детали.
При этом нагруженность предлагаемой объединенной операции следует увеличить за счет уменьшения угла конусности остроконечного участка до величины, обеспечивающей поврежденность сообщаемую материалу на данной операции и не приводящей к превышению допустимого значения результирующей поврежденности готового изделия [5].
В дальнейшем геометрические размеры полуфабрикатов второго этапа рассчитываются по тем же зависимостям, что и геометрические размеры полуфабрикатов первого этапа. Но в отличие от первого этапа подбор угла конусности головной части полуфабриката производится при фиксированном значении диаметра вершинки также с учетом того, что уровень результирующей остаточной поврежденности материала готового изделия не должен превышать заданного значения.
На рис. 2 представлены результаты расчетов геометрических размеров полуфабрикатов из стали 45, У12 А и 60С2А по предлагаемой методике.
Разработанная методика определения количества формообразующих операций и размеров промежуточных полуфабрикатов при многооперационной холодной штамповке конических остроконечных участков на цилиндрических заготовках включает два последовательно реализуемых этапа, на первом из которых инструментом с постоянным большим углом конусности рабочей полости получают диаметр притупления вершинки,
близкий к чертежному, а на втором инструментом с уменьшающимся углом конусности за сокращенное количество операций изготавливают готовое изделие с улучшенными и выровненными по всему деформируемому объему механическими характеристиками.
Рис. 2. Промежуточные размеры полуфабрикатов при штамповке остроконечных конических участков на цилиндрических заготовках
из различных марок сталей
53
Анализ целесообразности использования на промежуточных операциях инструмента с рабочими полостями некруглого сечения.
Результаты проведенных экспериментальных исследований показывают, что, помимо варьирования углов конусности, в осевом сечении полуфабрикатов при многооперационной штамповке КОУ совершенствование технологии (сокращение числа операций, снижение потребной технологической силы) можно обеспечить за счет изменения формы поперечного сечения штампуемого острия на промежуточных операциях.
Для проведения эксперимента использовались две глухие матрицы
(рис.3):
первая - коническая с углом конусности 150 и круговым профилем рабочей полости;
вторая - также с углом конусности 150 и профилем рабочей полости в форме эллипса. Размеры большой и малой полуосей эллипса соответственно составляли: а = 1,4/0; Ь = 0,36/0, где /0 - радиус равного по площади круга.
В качестве заготовок были изготовлены 100 мерных цилиндров, которые после отжига деформировались за две операции. Половина заготовок на первой операции подвергалась штамповке в матрице, имеющей круговой профиль рабочей полости, а другая половина - в матрице, имеющей профиль рабочей полости в форме эллипса, при одинаковых значениях силы.
Рис. 3. Используемые экспериментальные матрицы
Вторая (окончательная) операция деформирования всех полуфабрикатов осуществлялась в конической матрице с круговым профилем при трех значениях силы: 100, 200 и 300 кН. При каждом формообразовании с
54
этими значениями силы в качестве заготовок использовали полуфабрикаты первой операции, продеформированные в матрицах обеих конфигураций при величине силы, составляющей 0,5, 0,67 и 0,83 от значения силы окончательной операции.
В частности, с силой окончательной операции 100 кН деформировались полуфабрикаты, отштампованные на предварительной операции в матрицах обеих конфигураций со значениями сил 50, 67 и 83 кН.
Рис. 4. Зависимости относительного диаметра вершинки острия, полученного после второй операции с приложенной силой 300 кН, от величины технологической силы, при которой производилась штамповка на первой операции: 1 - в матрице с круговым профилем рабочей полости; 2 - в матрице с профилем рабочей полости в форме эллипса
На рис. 4 приведены графические зависимости, полученные для варианта, при котором окончательная операция осуществлялась с силой 300 кН. Полуфабрикаты первой операции получены в матрицах двух указанных типов при значениях сил 150, 200, 250 кН. Из анализа графиков следует, что локализация зоны пластического течения на достаточно протяженной стадии окончательной штамповки за счет эллипсной формы поперечного сечения полуфабриката и соответствующее снижение влияния трения позволяют отштамповать КОУ с меньшим диаметром притупления вершинки либо с одинаковым диаметром при меньшей технологической силе.
Наибольший эффект достигается при соотношении сил предварительной операции к окончательной, равном 0,83. Попытка дальнейшего увеличения этого соотношения для полуфабрикатов эллипсной формы приводит к появлению дефектов на коническом участке изготавливаемой детали вследствие того, что технологическая нагрузка на обеих операциях становится соизмеримой, и переобжатие штампуемого острия на второй операции происходит не полностью.
На рис. 5 представлены образцы, отштампованные с различными значениями силы на предварительной операции и использованные для построения графических зависимостей, приведенных на рис. 4. В каждой паре полуфабрикат справа получен на предварительной операции в матрице с круговым профилем поперечного сечения рабочей полости, а слева - в матрице с профилем в форме эллипса.
На рис. 6 приведены графические зависимости технологической силы, необходимой для реализации операции окончательной штамповки в аналогичном двухоперационном процессе, от относительного диаметра притупления вершинки КОУ. Основные условия проведения данного эксперимента были адекватны предыдущему. Под цифрой 1 (см. рис. 1) показана кривая, соответствующая использованию на обеих операциях матриц кругового поперечного сечения, под цифрой 2 - использованию на обеих операциях матриц поперечного сечения в форме эллипса. При загрузке полуфабрикатов в матрицу второй операции они ориентировались таким образом, чтобы большая ось эллипса поперечного сечения полуфабриката совпадала по направлению с малой осью эллипса профиля матрицы. В этом случае за диаметр вершинки принимался условный диаметр круга, равный по площади поперечного сечения эллипсу вершинки. Под цифрой 3 показана кривая, соответствующая использованию на предварительной операции матрицы поперечного сечения в форме эллипса, а на окончательной - матрицы кругового профиля.
Рис. 5. Полуфабрикаты предварительной операции, полученные при различных значениях технологической силы: справа - полученные в матрице с круговым профилем рабочей полости; слева - в матрице
с профилем в форме эллипса
Рис. 6. Зависимость технологической силы окончательной операции от относительного диаметра вершинки острия
Сопоставление кривых 1 и 2 позволяет утверждать о значительном влиянии трения на силовые и геометрические параметры исследуемого процесса. Сравнение же кривых 2 и 3 дает возможность выявить преимущество поочередного использования матриц с круговым профилем рабочей полости и профилем в форме эллипса на промежуточных операциях. Это преимущество обусловлено тем, что пластическое формоизменение на обеих операциях в матрице с поперечным сечением в форме эллипса сопровождается относительно большими деформациями и значительной степенью использования запаса пластичности, в меньшей степени снимаемой отжигом после первой операции. В результате это приводит к существенному упрочнению деформируемого материала и соответственному увеличению потребной для реализации процесса технологической силы.
По итогам данного экспериментального исследования можно утверждать, что поочередное использование на промежуточных операциях матриц с поперечным сечением в форме эллипса и круга является наиболее рациональным с точки зрения снижении уровня контактных давлений и необходимой технологической силы, сокращения количества операций, обеспечения улучшенных механических характеристик изготавливаемых деталей.
В работах [1, 2, 5] обоснована целесообразность локализации пластического течения деформируемого материала при многооперационной штамповке КОУ на цилиндрических заготовках путем уменьшения угла конусности меридионального сечения рабочих полостей инструмента от
операции к операции. Это позволяет при значениях силы, соизмеримых на всех операциях, сразу получить вершинку полуфабриката с весьма малым диаметром. На последующих операциях угол конусности инструмента уменьшается. При этом зона первоначального контакта образуется в месте перехода цилиндрической части полуфабриката в конус и развивается с вовлечением в процесс пластического формоизменения части материала, который ранее не деформировался, а материал, примыкающий к вершинке, на последующих операциях не деформируется или деформируется незначительно. Помимо прочего, это позволяет сократить число промежуточных термохимических циклов, восстанавливающих пластичность.
Предлагаемая схема штамповки может содержать и рассмотренное ранее чередование формы поперечного сечения рабочей полости инструмента на операциях. Для апробации предложенной схемы многооперационной штамповки также было проведено экспериментальное исследование, включающее четыре операции, осуществляемые в глухих разъемных матрицах с различными углами конусности и различной формой поперечного сечения рабочей полости. Величина приложенной силы на каждой операции составляла 150 кН. В качестве заготовок, как и ранее, использовались мерные цилиндры диаметром 15 мм из алюминиевого сплава АМц. Между операциями полуфабрикаты подвергались восстановительному отжигу.
Половина заготовок была подвергнута деформации за четыре операции в одной и той же матрице с углом конусности 150 и круговым поперечным сечением (верхний ряд рис. 7). В исследуемой комбинированной технологии угол конусности матрицы первой операции составлял 450, второй - 30°, а третьей и четвертой - 150. Матрицы первой и третьей операций имели поперечное сечение в форме эллипса, а второй и четвертой - в форме круга. При загрузке полуфабрикатов в матрицу третьей операции они, как и в ранее описанном эксперименте, ориентировались таким образом, чтобы большая ось эллипса поперечного сечения полуфабриката совпадала по направлению с малой осью эллипса профиля матрицы.
На рис. 7 представлены полуфабрикаты по операциям: верхний ряд - отштампованные за четыре операции в матрице с круговым поперечным сечением; нижний ряд - в матрицах с поперечным сечением в форме эллипса на первой и третьей операциях (на фотографии попарно повернуты на 90°) и в матрице с круговым профилем на второй (два вида образца с поворотом на 900 для оценки качества полученного КОУ на рис. 7) и последней операции. Образец последней операции, полученный по исследуемой комбинированной схеме, имел отношение диаметра вершинки к диаметру исходной заготовки ё/ё0 = 0,08, а образец, отштампованный в матрицах кругового поперечного сечения, имел ё/ё0 = 0,28.
58
Ж А
Рис. 7. Образцы, отштампованные силой 150 кН после каждой из четырех операций: верхний ряд - в матрице с углом конусности 150 и круговым поперечным сечением рабочей полости; нижний ряд -в матрицах с уменьшающимся от операции к операции углом конусности и переменной формой поперечного сечения
Полученные результаты подтверждают целесообразность использования предлагаемой схемы многооперационной штамповки стержневых деталей с удлиненным остроконечным коническим участком, имеющим угол конусности менее 25 .
Список литературы
1. Панфилов Г.В., Недошивин С.В., Хвостов Е.Ю. Особенности многооперационной холодной штамповки остроконечных стержневых соединительных элементов // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением: ежемесячный научно-технический и производственный журнал. 2011. № 11. С. 29-37.
2. Лапшонков Д.В., Панфилов Г.В. Методика проектирования технологического процесса холодной штамповки конических головных частей стреловидных пуль // Известия Тульского государственного университета. Машиностроение. Тула : Изд-во ТулГУ. 2002. Вып.7. С. 120-127.
59
3. Павпертов В.Г., Степанян Н.Ж. Методика расчета степени использования запаса пластичности при многопереходном холодном объемном формоизменении // Исследования в области пластичности и обработки металлов давлением. Тула: ТПИ, 1985. С. 137-141.
4. Панфилов Г.В., Недошивин С.В., Перминов Д.А. Первые этапы проектирования многооперационной технологии холодной штамповки сердечников пуль // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2015. Вып. 1. С. 35 - 48.
5. Панфилов Г.В., Недошивин С.В., Хвостов Е.Ю. Совершенствование технологии многооперационной холодной штамповки остроконечных цилиндрических деталей из малопластичных сталей // Заготовительные производства в машиностроении. Кузнечно-штамповочное, литейное и другие производства: научно-технический журнал. 2011. № 2. С. 15-20.
Панфилов Геннадий Васильевич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Недошивин Сергей Владимирович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Калинин Сергей Сергеевич, асп., Metril_k@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
FINAL DESIGN STAMPING TECHNOLOGY POINTED TAPERED PORTION ON THE CYLINDRICAL WORKPIECE
G. V. Panfilov, S. V. Nedoshivin, S. S. Kalinin
A method for determining the number of shaping operations and the size of the intermediate semi-finished products in the multistage stamping conical pointed sections of cylindrical workpieces. It is based on the experimental results obtained by the experimental method of dividing nets and theoretical method of slip lines and takes into account the different components of damage deformable material. The result of using this technique is the reduction of process steps, improve leveling and mechanical properties throughout the deformable volume.
Key words: multioperational stamping, conical pointed sections, dividing grid method, a technique of designing technology.
Panfilov Gennady Vasilyevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Nedoshivin Sergey Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, arc-honHQ a mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kalinin Sergey Sergeyevich, postgraduate, Metril_k@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
