Повышение эффективности наборных операций объемной штамповки за счет применения комбинированного процесса высадки и поперечного выдавливания с «бегущим» очагом деформации

Осесимметричные детали типа «стержень с утолщением» занимают большое место в машиностроительном производстве. Заготовки для таких деталей обычно изготавливают по схемам высадки, выдавливания или ротационной обработки. Каждый их этих методов имеет свои преимущества и недостатки и занимает свою нишу в производстве.

Высадка деталей обладает многими достоинствами: сравнительно небольшие нагрузки на инструмент и, соответственно, высокая стойкость последнеговозможность применения универсального оборудованиясхема напряженного состояния, обеспечивающая достаточную, в ряде случаев, пластичность обрабатываемого металла. Основным недостатком высадки является ограничение длины высаживаемой части прутка условием потери продольной устойчивости. Обычно она не превышает 2 — 2,5 значений диаметра высаживаемого прутка за один переход, а при многопереходном процессе — 8 диаметров. Таким образом, при необходимости набора большого объема металла производительность процесса оказывается весьма низкой, и требуется большое количество дорогостоящего инструмента.

Увеличить объем металла, набираемый за один переход высадки, можно, если организовать процесс так, чтобы длина очага деформации не превышала значений, определяемых условием продольной устойчивости прутка, а деформируемый металл подавался бы в очаг деформации постепенно. Именно так осуществляется процесс электровысадки, позволяющий за один переход набрать значительный объем металла. Однако при электровысадке реализуется схема поперечного выдавливания, а не высадки. Эта схема — более жесткая, пластичность металла уменьшается. Кроме того, процесс требует специального оборудования и может осуществляться только в условиях горячей деформации. Все это снижает его конкурентоспособность.

В литературе встречается упоминание о процессе «высадки подпружиненным пуансоном» [54, 56]. При ближайшем рассмотрении (в настоящей диссертации это показано) оказывается, что это комбинированный процесс, в котором на первой стадии осуществляется высадка, а затем процесс переходит в поперечное выдавливание, при котором очаг деформации перемещается вдоль оси пруткапри этом длина высаживаемой части не превышает значений, обусловленных условием потери продольной устойчивости. Такой процесс ниже упоминается как «комбинированный с „бегущим“ очагом деформации». Очевидно, такой процесс мог бы обеспечить набор большого объема металла за один переход. Однако он является совершенно неизученным: не установлены силовые параметры, неизвестна связь между необходимым подпором подвижной части (матрицы) и размерами набираемой головки детали, не выяснена роль трения в процессе набора металла и при взаимодействии отдельных частей инструмента, неизвестны жесткость схемы нагруже-ния металла и, соответственно, ограничения процесса по условию возможного разрушения обрабатываемого металла. Остается открытым также вопрос о возможных конструкциях инструмента для осуществления процесса. Очевидно, этим объясняется тот факт, что в практике штамповки такой способ практически не встречается (нам, во всяком случае, примеры его применения не известны).

Цель настоящего исследования — устранить этот пробел, т. е. повысить. эффективность операций объемной штамповки заготовок деталей типа «стержень с утолщением» на основе научно обоснованных методов проектирования и реализации процесса комбинирования в одном инструменте схемы высадки и поперечного выдавливания с образованием «бегущего» очага деформации.

Методы исследования включают метод совместного решения приближенных уравнений равновесия с приближенным условием пластичности, энергетический метод расчета пластических деформаций и силовых режимов штамповки (метод баланса мощности), метод конечных элементов (МКЭ) в перемещениях, численные методы анализа и программирование на ЭВМ, экспериментальные исследования с применением тензометрирования и метода координатных сеток.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Установлены закономерности формоизменения деформируемого металла при комбинированном процессе высадки и поперечного выдавливания с «бегущим» очагом деформации.

2. Методом совместного решения приближенных уравнений равновесия с приближенным условием пластичности и методом баланса мощности получены аналитические и численные зависимости для определения силовых параметров процесса — силы деформирования и силы подпора подвижной части (матрицы), — а также связь между диаметром набираемой головки и силой подпора.

3. Обнаружены новые закономерности формоизменения и напряженно-деформированного состояния при осадке заготовок в форме усеченного конуса.

4. Установлен путь нагружения металла в точке наиболее вероятного разрушения при комбинированном процессе.

5. Установлены закономерности влияния контактного трения на силовые параметры процесса и работу отдельных частей штампа.

Достоверность результатов и выводов подтверждается:

1) использованием фундаментальных соотношений теории пластичности и современных методик эксперимента;

2) совпадением данных, полученных разными теоретическими методами и экспериментом;

3) возможностью практического использования результатов работы.

Практическая ценность работы.

1. Установлена возможность и осуществлена практическая реализация комбинированного процесса высадки и поперечного выдавливания с «бегущим» очагом деформации.

2. Усовершенствован метод определения коэффициента (показателя) трения осадкой кольцевого образца с применением расчета по методу конечных элементов.

3. Даны рекомендации по выбору технологических смазок.

4. Разработаны технология и конструкция штампа для производства заготовки конкретной деталиматериалы переданы в производство для внедрения.

5. Результаты исследования использованы в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности «Машины и технология обработки металлов давлением».

Публикации и доклады на конференциях.

По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 6 статей в журналах, из них 3 статьи в ведущих рецензирумых журналах, 5 статей в сборниках научных трудов, получен 1 патент. Основные результаты работы доложены и обсуждены на 4 международных конференциях, а также на кафедрах «Кузовостроение и обработка давлением» (МГТУ «МАМИ») и «Машины и технология обработки металлов давлением» (МГИУ) в 2007 году. Среди конференций: Всероссийская молодежная научная конференция. XXVIII Гагаринские чтения (М., РГТУ МАТИ, 2002), 49-я Международная научно-техническая конференция ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» (М., МГТУ «МАМИ», 2005), 8-я Международная научно-техническая конференция ESAFORM (Румыния, Клуж-Напока, 2005), Международная научно-техническая конференция KomPlasTech (Польша, Закопане, 2007).

Диссертация состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 63 наименований, содержит 178 страниц машинописного текста, 119 рисунков и 35 таблиц и одно приложение.

Основные результаты и выводы.

1. Анализ литературы и существующего производства показывает, что основными деформационными схемами, которые используются при изготовлении осесимметричных поковок типа «стержень с утолщением», являются высадка и выдавливание. Каждая из этих схем обладает определенными недостатками. Комбинированный процесс поперечного выдавливания и высадки с «бегущим» очагом деформации позволяет расширить возможности технологии получения упомянутых выше заготовок, однако практически не изучен и нам неизвестны случаи его применения на практике.

2. Практическая реализация процесса показала его эффективностьвозможность набора металла при сокращении числа переходов по сравнению с высадкой и уменьшении давления на рабочие элементы штампа по сравнению с выдавливанием. Установлено, что объем набираемого утолщения может быть ограничен только рабочим пространством применяемого оборудования (при использовании воздуха в качестве упругого элемента) или прочностью (при использовании пружины в качестве упругого элемента), а максимальный диаметр утолщения — условием разрушения деформируемого металла. На экспериментальной оснастке удалось достич конечного соотношения L/D=5,29 (упругий элемент — воздух). Применение воздуха позволяет также регулировать силу подпора матрицы и таким образом влиять на рост головки непосредственно в ходе процесса.

3. Установлены закономерности течения металла при комбинированном процессе с «бегущим» очагом деформации, в частности тот факт, что очаг деформации в стацинарной стадии приобретает форму конуса, который перемещается вдоль оси заготовки, отодвигая подвижную часть матрицы.

4. Теоретическое исследование процесса, проведенное методом совместного решения приближенных уравнений равновесия и приближенного.

169 условия пластичности, показало, что при осаживании конуса образуется два характерных слоя, один из которых испытывает радиальные напряжения сжатия, в то время как другой — радиальные напряжения растяжения. В результате определены потребные силы деформирования и подпора со стороны подвижной части матрицы.

Теоретическое исследование, проведенное методом баланса мощности с использованием уравнений связи между тензорами напряжений и скоростей деформации, а также эксперимент подтвердили достоверность полученных ранее данных о силовых параметрах.

Моделирование процесса формоизменения с помощью МКЭ (программа QFORM-2D/3D) показало расхождение полученных результатов с экспериментальными данными, что свидетельствует о необходимости дальнейшего совершенствования использованного в диссертации пакета программ.

5. Поскольку контактное трение играет существенную роль в исследуемом процессе, в диссертации получил дальнейшее развитие метод определения коэффициента (показателя) трения осадкой кольцевых образцов. Показано, что при использовании, МКЭ отпадает необходимость в предварительном построении номограмм, и коэффициент (показатель) трения может быть найдет непосредственно по результатам эксперимента. Рекомендована коллоидно-графитовая суспензия с дисульфид молибденом на водной основе для холодной деформации стали и алюминиевых сплавов.

6. Экспериментальным путем установлен путь нагружения, т. е. зависимость показателя напряженного состояния от накопленной деформации, в точке, где наиболее вероятно возникновение разрушения, аппроксимированный зависимостью К=0. Это позволяет устанавливать предельные размеры получаемых утолщений, непосредственно по диаграмме пластичности.

7. Разработан технологический процесс получения заготовки «болт» и конструкция штампа, принятые ФГУП ММПП «Салют» для использования.

Новая технология позволяет получить экономический эффект в виде экономии амортизации капитальных затрат и уменьшение трудоемкости изготовления. Результаты работы используются в учебном процессе.