Разработка технологии валковой штамповки полых осесимметричных изделий с буртом

В современной промышленности широко используются полые осесим-метричные изделия с буртом (вкладыши подшипников скольжения, штуцеры, муфты, закладные детали и т. д.). Для изготовления подобных изделий используются традиционные технологии: литье, токарная обработка, горячая и холодная штамповка, обратное выдавливание и т. п.

Повышение качества изделий, уменьшение затрат на производство и повышение конкурентоспособности на мировом рынке стимулирует разработку принципиально новых технологий и оборудования.

Например, одним из направлений получения подобных изделий являются методы, основанные на локальном деформировании, такие, как вальцовка, поперечно-клиновая прокатка, обкатка деталей из труб и листовых материалов, ротационное выдавливание, сферодвижная штамповка, торцевая раскатка, непрерывно-последовательная высадка и др. Вследствие локальности характера деформирования уменьшается технологическая сила совершения операции, что обеспечивает значительное снижение металлоемкости оборудования, повышение стойкости инструмента, увеличение коэффициента использования материала.

Принципиально новым развитием этих методов является технология, основанная на комплексном локальном нагружении заготовки, сочетающая в едином процессе операции объемной штамповки и локальное деформирование неприводными роликами или приводными валками. Новый способ деформирования, получивший название «валковая штамповка» (ВШ)1, позволяет получать сплошные и полые детали, применяемые в приборои машиностроении, с меньшими допусками под последующую обработку, требуемым качеством и меньшей технологической силой, чем для традиционных методов объемной штамповки.

1 Голепков, В. А. Технологические процессы обработки металлов давлением с локальным нагружеиием заготовки [Текст]/ Голенков В. А., Радченко С. Ю. — М.: Машиностроение, 1997. — 226с.

Важным условием понимания процесса ВШ является установление и исследование взаимосвязи параметров обкатки и прошивки, их влияние на процесс деформирования, конечный результат формоизменения заготовки и качество изготовления изделий.

Наличие общих сведений о процессе получения полых изделий с буртом, а также отсутствие научно-обоснованной методики расчета и выбора конструктивно-технологических параметров, определение критических режимов обработки сдерживает использование ВШ в производстве.

Поэтому, разработка и исследование технологических параметров процесса ВШ полых осесимметричных изделий с буртом является весьма актуальной темой.

Актуальность темы

подтверждается соответствием ее «Критическим технологиям федерального уровня», утвержденным приказом Пр-578 президента Российской Федерации от 30 марта 2002 г. по направлениям: «Энергосбережение» и «Модульные технологии производства массовой металлопродукции с новым уровнем свойств» .

Поэтому, целью представленной работы является исследование технологии валковой штамповки (ВШ) полых изделий с буртом и разработка научнообоснованой методики по ее проектированию, что позволит повысить качество процессов ВШ.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и успешно решены следующие задачи:

1. Разработать методику, оснастку, провести экспериментальные исследования процесса ВШ полых изделий с буртом и установить влияние основных технологических параметров на формообразование буртапровести классификацию возможных дефектов полых изделий с буртом получаемых ВШ.

2. Разработать математическую модель ВШ полых изделий с буртом, учитывающую объемный характер напряженно-деформированного состояния очага деформации на основе уравнения течения Прандтля-Рейса с использованием производной Яумана и провести ее исследование. При этом определить зависимость предельного значения диаметра и объема бурта от технологических параметров процесса (диаметра и высоты заготовки, диаметра пуансона, высоты бурта и относительной скорости перемещения пуансона), провести энергосиловой анализ процесса ВШ.

3. Разработать научно обоснованную методику расчета и выбора технологических параметров ВШ полых изделий с буртомразработать новую технологию ВШ полых изделий с буртом в средней части.

Методы исследования:

В работе использован комплексный метод исследований, включающий проведение предварительных экспериментов и на их основе теоретического анализа с экспериментальной проверкой предложенных технических решений в лабораторных условиях. Все исследования проводились по единой методике, что дало возможность получения сопоставимых результатов.

Экспериментальные исследования проводились на специально сконструированной оснастке в лабораториях ОрелГТУ с применением общепринятых методов планирования эксперимента и статистической обработки результатов экспериментов.

Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния и характера пластического течения металла заготовки при валковой штамповке проводились на основе численного решения задачи методом конечных элементов. Решение последней осуществлялось с использованием ППП «DEFORM-3D», реализующего анализ упруго-пластической модели на основе общих уравнений пластического течения Лагранжа с использованием производной Яумана.

Достоверность результатов, полученных в ходе экспериментальных исследований, подтверждается применением научно обоснованной методики планирования эксперимента и обработки полученных данных, поверенного лабораторного оборудования и контрольно-измерительных приборов.

Достоверность результатов теоретических исследований подтверждается также обоснованным использованием фундаментальных зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи математического моделирования, применением современных математических методов и средств вычислительной техники. Качественные и количественные результаты согласуются с данными экспериментальных исследований, проведенных в широком диапазоне технологических режимов ВШ полых изделий с буртом.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное народнохозяйственное значение и состоящая в разработке новых технологических процессов изготовления полых осесимметричных деталей с нижним расположением бурта ВШ с минимальной нагрузкой пуансоне при высокой производительности и методике их проектирования.

В результате исследований были сделаны следующие выводы. В процессе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты и сделаны выводы:

1. Проведен анализ существующих технологий получения полых изделий с буртом, в результате которого установлено, что применение валковой штамповки позволяет увеличить коэффициент использования материала и снизить нагрузку на инструменте по сравнению с известными методами.

2. Разработана методика, оснастка и проведены экспериментальные исследования процесса валковой штамповки полых изделий с буртом и определено влияние основных технологических параметров процесса на качество получаемых изделий. Анализ результатов исследования показал следующее:

— установлено, что заполнение бурта при его расположении в нижней части изделия является более полным, а объем максимальным по сравнению с расположением бурта в средней и верхней части, кроме того, при такой схеме не требуется применение дополнительных устройств и усложнения конструкции установки;

— установлено, что с уменьшением угла конусности пуансона от 180° до 120° объем металла, вытесняемый в бурт изменяется мало, а при дальнейшем уменьшении угла конусности происходит резкое уменьшение объема металла, вытесняемого в буртустановлено, что угол конусности пуансона 150±5° наиболее предпочтителен, т.к. объем остаточной пленки под пуансоном будет наименьший при максимальном объеме бурта без существенного роста технологической силы на конечной стадии процесса;

— проведена классификация дефектов изделий и установлены технологические параметры, исключающие их возникновение.

3. Впервые разработана математическая модель валковой штамповки полых изделий с буртом, учитывающая объемный характер напряженно деформированного состояния очага деформации, циклическое нагружение и контактное взаимодействие с инструментом, построенная на основе уравнения течения Прандтля — Рейсса с использованием производной Яумана и проведено ее теоретическое исследование, в результате которого:

— определены зависимости предельного значения диаметра и объема бурта от технологических параметров процесса (диаметра и высоты заготовки, диаметра пуансона, высоты бурта и относительной скорости перемещения пуансона);

— проведен энергосиловой анализ валковой штамповки полых изделий с буртом и разработана методика расчета силовых параметров процесса;

4. Разработана и апробирована научно-обоснованная методика выбора конструктивно-технологических параметров валковой штамповки полых изделий с буртом.

5. Разработана новая технология валковой штамповки полых изделий с буртом в средней и нижней части расширяющая технологические возможности процесса.