Совершенствование процессов формовки и отбортовки тонкостенных осесимметричных деталей с минимальной разнотолщинностью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.09, доктор наук Демьяненко Елена Геннадьевна

• Демьяненко Елена Геннадьевна
• доктор наук
• 2020

Оглавление диссертации доктор наук Демьяненко Елена Геннадьевна

Введение

1 Современное состояние процессов формообразования тонкостенных осесимметричных деталей и теории пластического деформирования материалов

1.1 Классификация оболочек по конструктивно-геометрическому признаку

1.2 Способы получения тонкостенных осесимметричных деталей

1.2.1 Способы инструментальной штамповки получения тонкостенных деталей

1.2.2 Специальные способы получения тонкостенных деталей

1.3 Состояние теории процессов пластического деформирования тонкостенных листовых заготовок с учетом изменения их толщины61

1.4 Выводы. Цель и задачи исследований

2 Получение тонкостенных осесимметричных деталей усеченной сужающейся формы из кольцевой, плоской заготовки с использованием процессов отбортовки, формовки

2.1 Процесс отбортовки для деталей из кольцевой заготовки с эластичным элементом

2.1.1 Теоретические исследования процесса

2.1.2 Экспериментальные исследования

2.1.2.1 Методика проведения эксперимента

2.1.2.2 Оборудование, оснастка, материалы

2.1.2.3 Результаты эксперимента

2.2 Процесс формовки для деталей из плоской заготовки

2.2.1 Теоретические исследования процесса

2.2.2 Экспериментальные исследования

2.2.2.1 Методика проведения эксперимента для деталей < 0,9

2.2.2.2 Оборудование, оснастка, материалы

2.2.2.3 Результаты эксперимента и моделирования

2.2.2.4 Методика проектирования процесса двухстадийной формовки

тонкостенной детали при < 0,9 из плоской заготовки с

минимальной разнотолщинностью

2.3 Результаты и выводы по главе

3 Получение тонкостенных осесимметричных деталей усеченной сужающейся формы из цилиндрической заготовки с использованием процесса отбортовки

3.1 Процесс отбортовки для деталей бочкообразной формы

3.1.1 Теоретические исследования процесса

3.1.2 Экспериментальные исследования

3.1.2.1 Методика проведения эксперимента

3.1.2.2 Оборудование, оснастка, материалы

3.1.2.3 Результаты эксперимента

3.1.2.4 Методика проектирования тонкостенной детали бочкообразной формы из цилиндрической заготовки с минимальной разнотолщинностью

3.2 Процесс отбортовки для деталей с расширяющейся юбочной частью

3.2.1 Экспериментальные исследования

3.2.1.1 Методика проведения эксперимента

3.2.1.2 Оборудование, оснастка, материалы

3.2.1.3 Результаты эксперимента

3.2.1.4 Методика проектирования тонкостенной детали с расширяющейся юбочной частью с минимальной разнотолщинностью

3.3 Результаты и выводы по главе

4 Получение тонкостенных осесимметричных деталей усеченной сужающейся формы из конической заготовки с использованием эластичного элемента в процессе отбортовки

4.1 Процесс отбортовки для деталей с большими углами конусности

4.1.2 Экспериментальные исследования

4.1.2.1 Методика проведения эксперимента

4.1.2.2 Оборудование, оснастка, материалы

4.1.2.3 Результаты эксперимента и моделирования

4.1.2.4 Методика проектирования тонкостенной детали из конической заготовки с минимальной разнотолщинностью

4.2 Результаты и выводы по главе

5 Получение тонкостенных осесимметричных деталей усеченной сужающейся формы из конической заготовки с использованием процессов формовки, отбортовки

5.1 Процесс формовки для деталей из конической заготовки с эластичным элементом

5.1.1 Теоретические исследования процесса

5.1.2 Экспериментальные исследования

5.1.2.1 Методика проведения эксперимента

5.1.2.2 Оборудование, оснастка, материалы

5.1.2.3 Результаты эксперимента

5.2 Процесс формовки для деталей из конической заготовки с использованием прижима в зоне меньшего диаметра

5.2.1 Теоретические исследования процесса

5.2.2 Экспериментальные исследования

5.2.2.1 Методика проведения эксперимента

5.2.2.2 Оборудование, оснастка, материалы

5.2.2.3 Результаты эксперимента и моделирования

5.2.2.4 Методика проектированию тонкостенной детали выпуклой формы из конической заготовки с использованием прижима в зоне меньшего диаметра с минимальной разнотолщинностью

5.3 Процесс отбортовки для деталей из конической заготовки с

использованием прижима в зоне меньшего основания

5.3.2 Методика проведения и результаты эксперимента по исследованию процесса отбортовки в штампе с упругим подвижным элементом, оборудование, оснастка, материалы

5.4 Результаты и выводы по главе

6 Использование результатов исследований для разработки и производства промышленных деталей

6.1 Разработка процесса формообразования корпуса противопожарной перегородки

6.2 Разработка процесса формообразования детали «Стенка внутренняя» жидкостного реактивного двигателя НК-33

6.3 Разработка процесса формообразования детали «Днище»

6.3.1 Конструктивно-технологический анализ детали

6.3.2 Результаты моделирования

6.3.3 Результаты и выводы по главе

Основные выводы и результаты работы

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование процессов формовки и отбортовки тонкостенных осесимметричных деталей с минимальной разнотолщинностью»

Введение

Одной из важных задач, стоящей перед современной промышленностью, является производство конкурентоспособной продукции. Тенденции ее развития стимулируют разработку новых и высокоэффективных технологий, обеспечивающих жесткие требования к качеству и эксплуатационным свойствам изделий при экономии материальных и энергетических ресурсов, трудовых затрат, снижении себестоимости производства, что является актуальным и перспективным.

Типовыми изделиями ракетно-космической и авиационной индустрии являются тонкостенные оболочки из листовых заготовок (обшивки отсеков, обтекатели, топливные баки различных форм и размеров, баллоны хранения газов, сопловые оболочки, оболочки камер сгорания двигателей и др.) [16,119,136]. К ним предъявляются высокие конструкторские требования, определяющие технологическую возможность изготовления детали [19,26,181].

При этом условно тонкостенными будем считать те детали, у которых отношение толщины заготовки к ее большему диаметру - £заг / 0,008 [131].

В дальнейшем в работе рассматриваются тонкостенные осесимметричные детали усеченной сужающейся формы.

Задача технолога состоит в том, чтобы спроектировать технологический процесс с минимальным числом переходов, высоким коэффициентом использования материала, точными геометрическими параметрами. Кроме того, полученная деталь должна удовлетворять заданным эксплуатационным характеристикам. При достижении этого результата важно учитывать разнотолщинность получаемых деталей в листовой штамповке. Известно, например, что она в многократной вытяжке составляет 80%. Это является одной из основных причин уменьшения степени формообразования на последующих операциях штамповки, снижения коэффициента использования материала, т.к. не всегда

полученный характер изменения толщины, ее величина на готовой детали соответствует требуемым характеристикам. Заведомо завышенная на определенную величину толщина заготовки деталей подразумевает механическую обработку, с ростом трудоемкости изготовленияи затрат материала из-за увеличения количества металла, снимаемого в стружку. Поэтому с технической и экономической точек зрения очень важно проектировать процесс формообразования так, чтобы он изменял толщину заготовки в направлении, связанном с заданной толщиной детали, которая часто представлена в виде постоянного значения. В реальных процессах пластического деформирования тонкостенной листовой заготовки важно установить возможную минимальную разнотолщинность детали [84,85,86,87,116,158], определяемую разницей между заданной и технологически возможной толщиной при определенных параметрах деформирования.

Удовлетворить вышеперечисленные требования возможно, если аналитически представить условие, являющееся выражением минимизации, и затем его решить [127]. В первую очередь, условие можно выполнить последовательным совмещением разных схем напряженно-деформированного состояния для всей заготовки, отдельных ее участков или меняя величины напряжений и деформаций при одной схеме напряженно-деформированного состояния в однопереходных процессах. Такой подход позволяет применять техпроцессы с более высоким коэффициентом использования материала и дает возможность вести формоизменение на каждой операции с максимальным его значением даже для деталей, имеющих жесткие ограничения по толщине. Это объясняется тем, что, накладывая на элементы заготовки разные схемы напряженно -деформированного состояния, на последующих операциях можно компенсировать полученное ранее утонение или утолщение.

Во вторую очередь, направленно изменять толщину заготовки, приближая ее к заданной, возможно путем использования технологических

параметров процесса: исходных размеров заготовки, трения, геометрии инструмента, граничных условий.

Большое количество существующих в настоящее время способов формообразования характеризуют класс тонкостенных деталей, как наиболее сложных и трудоемких в изготовлении из-за склонности к гофрообразованию. Предъявляемые к ним высокие требования точности геометрической формы, диаметральных размеров, толщины стенки, качества поверхности и механических свойств [19], связанных с обеспечением надежности эксплуатации [26,40,119,136] деталей в условиях агрессивной среды, высоких температур и давлений, вызывают потребность совершенствования процессов их изготовления [85,181]. При этом приходится учитывать принцип построения процесса, основанный на выборе вида среды рабочих частей штампов - твердой, жидкой, эластичной, газообразной, смешанной, а так же силовое воздействие на заготовку в процессе ее формообразования независимо от вида среды рабочих частей штампов и других признаков в условиях схемы напряженного состояния плоского растяжения, в которых отсутствует гофрообразование. Известны два процесса формообразования тонкостенных оболочек в виде осесимметричных деталей усеченной сужающейся формы, определяемые схемой напряженного состояния плоского растяжения заготовки: формовка и отбортовка. Однако способов формообразования, реализующих эти процессы, как по отдельности, так и в совмещении, в том числе и с другими известными процессами, достаточно много. Разнообразие добавляет и вид среды, обеспечивающей приложение внешних сил и их последовательность. Для изготовления применяются различные материалы: алюминиевые и магниевые сплавы, жаропрочные и нержавеющие стали, титан и другие [30,31,32,147]. Часто конструкция деталей предусматривает один, два, и более сварных швов по образующей, что вносит ограничения при их изготовлении в технологические процессы. Развитие аэрокосмической техники приводит к необходимости производства подобных деталей из

цельной (несварной) заготовки, но интенсификация процесса изготовления затруднена ввиду потери устойчивости даже из-за малых сжимающих напряжений и больших габаритов детали.

Решение названной проблемы обеспечивается созданием новых, прогрессивных способов формообразования. Разработка их методик проектирования и внедрение ресурсосберегающих [18,181], научно обоснованных технологий направлены на уменьшение расхода материала, трудоемкости, повышение эксплуатационных характеристик [40], что является актуальной проблемой современного производства, связанного с получением тонкостенных деталей из листа [30,31,32,147]. Целью диссертационной работы является разработка системного подхода и научно обоснованных методик проектирования процессов формовки, отбортовки на основе новых способов и устройств для формообразования тонкостенных осесимметричных деталей усеченной сужающейся формы с минимальной разнотолщинностью.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:

1) разработать новые способы формообразования, конструкции устройств и методики проектирования процессов формовки и отбортовки;

2) выявить механизм и провести анализ напряженно-деформированного состояния заготовки в процессе формоизменения с учетом минимизации выражения между заданной равномерной и технологически возможной толщиной;

3) разработать математические модели рассматриваемых способов формообразования, основанных на процессах формовки, отбортовки;

4) установить основные технологические параметры и их значения, влияющие на разнотолщинность тонкостенных осесимметричных деталей усеченной сужающейся формы;

5) установить предельные параметры формоизменения в зависимости от механических свойств деформируемого материала и параметров процессов;

6) провести экспериментальные исследования и представить их

результаты, обеспечивающие минимальную разнотолщинность деталей;

7) использовать результаты исследований для разработки и производства промышленных деталей;

8) разработать и внедрить руководящие технические материалы на процессы формообразования: корпуса противопожарной перегородки газотурбинного двигателя ПС-90А; детали «Стенка внутренняя» жидкостного реактивного двигателя НК-33; детали «Днище» с использованием процессов формовки, отбортовки для тонкостенных крупногабаритных промышленных деталей на предприятиях аэрокосмического кластера.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий теоретический анализ, моделирование с использованием программного продукта PAM-STAMP 2G, LS-DYNA и экспериментальную проверку полученных результатов в лабораторных и производственных условиях.

Теоретические исследования базировались на основных положениях и допущениях теории пластического деформирования листовых материалов, численных методах. Анализ напряженно-деформированного состояния процессов осуществлен путем совместного решения приближенных дифференциальных уравнений равновесия сил, уравнений связи, условий пластичности и основных определяющих соотношений при заданных начальных и граничных условиях. Для подтверждения теоретических выводов по выбору технологических параметров с учетом минимизации выражения с целью достижения минимальной разнотолщинности были смоделированы некоторые процессы формообразования деталей, относящихся к классу тонкостенных, с использованием программного продукта PAM-STAMP 2^ LS-DYNA.

Экспериментальные исследования проводили в лабораторных условиях с применением методов математической обработки результатов эксперимента [64,134] на гидравлической машине ЦДМПУ-30 и на

испытательной машине Tinius Olsen Н5К-Т; с использованием прокатного стана Кварто К220-75/300, электропечи ПЛ20/12.5 при подготовке образцов и заготовок. Для замера толщин деталей использовалось устройство с электронным компактным индикатором Dial WORK BASIC 1 BUTTON. Положения, выносимые на защиту.

1. Новые способы и конструкции устройств, реализующие процессы формовки, отбортовки с минимальной разнотолщинностью получаемых деталей.

2. Основные уравнения, допущения и соотношения для анализа осесимметричных процессов формовки, отбортовки с минимальной разнотолщинностью получаемых деталей.

3. Результаты теоретических исследований напряженно-деформированного состояния заготовок в процессе формоизменения с учетом минимизации выражения между заданной равномерной и технологически возможной толщиной, по параметрам процессов формовки, отбортовки.

4. Установленные зависимости влияния технологических параметров на кинематику процесса для достижения минимальной разнотолщинности получаемых тонкостенных осесимметричных деталей усеченной сужающейся формы.

5. Расчетные предельные параметры формоизменения в зависимости от механических свойств деформируемого материала и параметров процессов формовки, отбортовки.

6. Результаты экспериментальных исследований процессов для получения деталей с минимальной разнотолщинностью.

7. Результаты исследований для разработки и производства промышленных деталей.

8. Методики проектирования процессов формовки, отбортовки на основе новых способов формообразования тонкостенных осесимметричных деталей усеченной сужающейся формы с минимальной разнотолщинностью,

обеспечивающие снижение трудоемкости и металлоемкости, сокращение расхода штампуемого металла при изготовлении, повышение качества и надежности эксплуатации деталей.

Объект исследования. Процессы формовки, отбортовки применительно к листовому материалу, как к трансверсально-изотропному телу. Предмет исследования. Механизм реализации рассматриваемых процессов при пластическом деформировании тонкостенных заготовок кольцевой, плоской, конической и цилиндрической форм в условиях плоского напряженного состояния растяжения.

Научная новизна работы заключается в развитии методов расчета предложенных новых способов и устройств, основанных на теории пластического деформирования листовых материалов с учетом минимизации выражения между заданной равномерной и технологически возможной толщиной, реальных свойств материала (механических свойств, упрочнения), особенностей и механизма устойчивого формообразования в процессах формовки, отбортовки, в частности:

1. Впервые выявлены особенности процессов формоизменения заготовок кольцевой, плоской, конической и цилиндрической форм при изготовлении тонкостенных осесимметричных деталей усеченной сужающейся формы прогрессивными способами в условиях плоского напряженного состояния растяжения.

2. Разработаны математические модели процессов формовки, отбортовки тонкостенных осесимметричных деталей усеченной сужающейся формы из кольцевой, плоской, конической и цилиндрической форм заготовок.

3. Установлены предельные параметры и границы применимости способов, основанных на процессах формовки, отбортовки.

4. Разработаны методики проектирования процессов формовки, отбортовки на основе новых способов и устройств для формообразования тонкостенных осесимметричных деталей усеченной сужающейся формы с минимальной разнотолщинностью, обеспечивающие снижение трудозатрат и

лидирующие позиции предприятий аэрокосмического кластера в производстве конкурентоспособной на мировом рынке перспективной ракетно-космической и авиационной техники нового поколения. Научная значимость работы состоит в разработке системного подхода и методик проектирования процессов формовки, отбортовки на основе новых способов формообразования тонкостенных осесимметричных деталей усеченной сужающейся формы с минимальной разнотолщинностью, теории пластического деформирования листовых материалов с учетом анизотропии механических свойств исходной заготовки и определения условий устойчивого формообразования при плоском напряженном состояния растяжения, которые расширяют подходы к анализу процессов, с учетом минимизации выражения между заданной равномерной и технологически возможной толщиной. Практическая ценность.

1. Разработаны методы расчета процессов получения тонкостенных осесимметричных деталей усеченной сужающейся формы с минимальной разнотолщинностью.

2. Выявлены механизмы процессов формообразования и проведен расчет основных параметров, влияющих на разнотолщинность детали с дальнейшей оценкой возможности применения новых, прогрессивных способов, основанных на процессах формовки, отбортовки тонкостенных осесимметричных деталей усеченной сужающейся формы.

3. Разработаны конструкции штамповой оснастки для новых, прогрессивных способов формовки, отбортовки из заготовок кольцевой, плоской, конической и цилиндрической форм.

4. Установлены основные параметры, влияющие на разнотолщинность в рассматриваемых способах и устройствах, основанных на процессах формовки, отбортовки.

5. Внедрены руководящие технические материалы на предприятиях аэрокосмического кластера.

Реализация работы.

Отдельные материалы научных исследований использованы в учебном процессе на кафедре «Обработка металлов давлением» ФГАОУВО «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева»:

1. при чтении лекций, проведении лабораторных и практических занятий, при подготовке бакалавров по направлению подготовки 150301 «Машиностроение», магистров по направлениям подготовки 220402 «Металлургия» профиля «Инновационные технологии получения и обработки материалов с заданными свойствами», 240401 «Ракетные комплексы и космонавтика» профиля «Технологические инновации в производстве ракетно-космической техники»;

2. при подготовке магистерских диссертаций, исследовательских курсовых проектов, выпускных квалификационных работ бакалавров;

3. по материалам диссертационной работы опубликован учебник «Технология листовой штамповки, часть 1. Способы деформирования, основанные на процессах формовки, отбортовки и вытяжки тонкостенных осесимметричных деталей» / Е.Г. Демьяненко, И.П. Попов, Самара: Изд-во СГАУ, 2013.- 112 с.; учебное пособие, допущенное Учебно-методическим объединением вузов РФ «Проектирование технологических процессов формообразования тонкостенных осесимметричных деталей летательных аппаратов»/Е.Г. Демьяненко, И.П. Попов, Самара: Изд-во СГАУ, 2014.- 144 с.; лабораторный практикум, допущенный Учебно-методическим объединением вузов РФ «Изучение основных процессов листовой штамповки»/Ф.В. Гречников, Е.Г. Демьяненко, И.П. Попов, Самара: Изд-во СГАУ, 2015.- 76 с.

Результаты исследований внедрены в производство АО «Металлист», ОАО «Кузнецов», АО «РКЦ «Прогресс».

Степень достоверности и апробация результатов.

Результаты диссертационной работы докладывались на следующих международных и российских научных конференциях: 64 молодежная научная конференция, посвященная 120-летию со дня рождения выдающего авиаконструктора С.В. Ильюшина (Самара: ФГАОУВО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)», 2014); XIII Королевские чтения: международная молодежная научная конференция (Самара: ФГАОУВО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)», 2015); I Всероссийская научно-производственная конференция «Инновации в технологиях формообразования листовых материалов и упрочнения технологической оснастки в авиационной и других отраслях промышленности» (Ульяновск: ФГБОУВПО «Ульяновский государственный технический университет», 2016); международная научно-практическая конференция «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара: ФГАОУВО «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева», 2016); XLV международная молодежная конференция «Гагаринские чтения» (Москва: ФГБОУВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», 2019); III,V Международная конференция и молодежная школа «Информационные технологии и нанотехнологии» (Самара: ФГАОУВО «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева», 2017 г., 2019 г.), а так же на ежегодных молодежных научных конференциях ФГАОУВО «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева» (2015-2019гг.); международная молодежная научная конференция «XV Королёвские чтения», посвящённая 100-летию со дня рождения Д. И. Козлова (Самара: ФГАОУВО «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П.

Королева», 2019).

Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертации опубликованы в 1 учебнике, 2 учебных пособиях и в 63 научных трудах, в том числе, 14 статьях, опубликованных в рецензируемых периодических изданиях, рекомендованных ВАК, 8 статьях - в научных изданиях, индексируемых базами Scopus/Web of Science, 9 патентах на изобретение и 3 патентах на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, основных выводов и результатов, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы (187 наименования) и 4 приложений. Диссертация изложена на 277 страницах, содержит 158 рисунков и 26 таблиц.

1 Современное состояние процессов формообразования тонкостенных осесимметричных деталей и теории пластического деформирования материалов

Тонкостенные оболочки двойной кривизны широко используются в изделиях аэрокосмической техники и отличаются большим разнообразием форм и размеров [16,119,136]. Наиболее распространенными являются тонкостенные осесимметричные оболочки усеченной сужающейся формы. Для их получения применяется множество способов, но многие из них могут требовать или уникального оборудования и оснастки (штамповка взрывом, электрогидроштамповка и др.), или не обеспечивают заданной точности контура штампованной детали, т.е. имеют свои преимущества и недостатки: завышается трудоемкость, значителен расход металла, велик объем ручных доводочных работ и невысоко качество готовой продукции. Решение названной проблемы обеспечивается созданием перспективных направлений изготовления с возможностью формирования требуемых эксплуатационных свойств в готовых изделиях или усовершенствованием существующих способов и устройств для формообразования.

Область применения тонкостенных осесимметричных деталей представлена на рисунках 1.1; 1.2; 1.3; 1.4; 1.5.

Рисунок 1.1 - Жидкостный ракетный двигатель

Рисунок 1.2 - Сопло, сплав ОТ4 (элемент камеры сгорания), габаритные размеры: диаметр 500 мм; толщина - 2.. .3 мм

Рисунок 1.3 - Часть сопла, сплав ОТ4 (элемент камеры сгорания), габаритные размеры: диаметр 500 мм; толщина - 2.. .3 мм

Рисунок 1.4 - Деталь «Рюмка», сплав 4В (элемент камеры сгорания), габаритные размеры: диаметр 500 мм; толщина - 2.. .3 мм

Рисунок 1.5 - Штамповка оболочки бытового отсека, алюминиевый сплав АД1,габаритные размеры: диаметр - 2500 мм; высота - 1500 мм;

толщина - 2...3 мм

1.1 Классификация оболочек по конструктивно-геометрическому признаку

Проведенный анализ использования тонкостенных осесимметричных деталей привел к необходимости их классификации (см. рисунок 1.6).

Рисунок 1.6 - Типовые контуры деталей

Из всех признаков, лежащих в основе классификации (геометрические, механические свойства металла [19], технология изготовления и.т.д.),

18

неизменным является конструктивно-геометрический признак, так как конструктивно-геометрические формы стабильны и не подвержены изменениям в зависимости от вида и технических возможностей производства [62,162]. К конструкторским требованиям, ограничивающим технологическую возможность изготовления детали, в основном относятся высокие требования к геометрической точности детали, в том числе и к толщине заготовки. Решение данной проблемы с минимальной трудоемкостью, материалоемкостью, улучшением качества (по геометрии) является актуальной и представляет несомненный интерес с точки зрения надежности [40] эксплуатации изделия и сокращения расхода материала.

Классификация по геометрическим признакам: по форме в соответствии с основными конструктивными понятиями приведена на рисунке 1.6.

Для деталей ракетно-космической и авиационной техники образующая заготовки может быть задана в виде функций, таблицы, которые с достаточной точностью для анализа процесса могут быть приведены к радиусу в меридиональном направлении я , связанному с другими

геометрическими параметрами (см. рисунок 1.7).

а - произвольный элемент, выбранный на образующей заготовки; я - радиус

детали в меридиональном направлении; г - радиус меньшего основания заготовки; к - расстояние от большего основания детали до рассматриваемого элемента; а - угол, образованный кромкой детали большего основания и радиусом, проведенным в меридиональном направлении в точку рассматриваемого элемента

Рисунок 1.7 - Основные геометрические размеры деталей

С учетом сказанного:

(кр - ко)2 + к2 = К2 ,

где ко = Яр-Яр- соэа.

(1.1) (1.2)

Выразим радиус кривизны из формулы (1.1) с учетом геометрических соотношений (см. рисунок 1.7):

к

Кр =

эта

1.2 Способы получения тонкостенных осесимметричных

деталей

1.2.1 Способы инструментальной штамповки получения тонкостенных

деталей

Рассмотрим способы получения тонкостенных осесимметричных деталей с использованием инструментальной штамповки [122].

• К инструментальному способу относится способ изготовления, заключающийся в отбортовке кольцевой заготовки путем удерживания ее за фланец со стороны большего открытого торца (см. рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 - Схема отбортовки в инструментальном штампе

тонкостенных заготовок

Операция отбортовки, по мере выявления и расширения технологических возможностей, начинает все шире применяться в различных отраслях промышленности. Этим способом могут быть изготовлены различного вида патрубки, переходники, фланцы, а так же корпусные детали ответственного

назначения. Технологические возможности операции определяются предельным значением коэффициента отбортовки котб, равным отношению диаметра заготовки до отбортовки к диаметру заготовки после отбортовки. Схема (см. рисунок 1.8) применима для тех деталей, которые легко отбортовываются [60], но возникающее пружинение кромки большего торца требует значительных дополнительных трудозатрат, например термофиксации [13]. Очень часто требуемое качество детали достигается механической обработкой, которая подразумевает весьма значительный припуск по толщине, поэтому необходимость использования заготовки из листа завышенной толщины сопровождается перерасходом металла. Например, оставив под припуск детали (1-1,5) -10 "3 м, возможно исходную толщину заготовки уменьшить до (5-5,5) -10 "3 м, сократив тем самым выход годного материала на 40-50%. Качественное повышение точности получаемой детали по данной схеме обусловлено наличием вдоль образующей больших растягивающих напряжений. Максимальное значение они приобретают на торце большего основания. Последнее обстоятельство повышает точность, но разнотолщинность деталей достаточно велика (см. рисунок 1.9).

5тах

значениях коэффициента трения

Проанализируем возможности процесса отбортовки [114,122,140] к получению конических тонкостенных деталей из кольцевой заготовки [58,154,165] (см. рисунок 1.10).

э - больший диаметр детали; й - меньший диаметр детали; й - диаметр отверстия в заготовке; а - угол между осью и образующей полученной детали; н - высота детали; , 8дет - толщина заготовки, толщина детали; I -длина образующей

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Демьяненко Елена Геннадьевна, 2020 год

\ /

ч [У

< И

<

1,00 0,98 0,96 0,94 0,92 0,94 0,96 0,98 1,00 (Ъаг/Р

Рисунок 3.5 - График изменения относительной технологически возможной

толщины от относительного радиуса при / = 0,1; а2 = 15,850 ; 8 дет = 0,958мм;

—*

ц = 0,5 ; а р = 0,1

Анализ графиков показывает, что с уменьшением коэффициента анизотропии трансверсально-изотропного тела разнотолщинность детали увеличивается. Изменение напряжения а** на границе заготовки практически не

оказывает влияния на разнотолщинность детали, так как его увеличение приводит к возрастанию коэффициента трения (т.е. активных сил трения), найденному по формуле (3.21). При фиксированном а** с увеличением

коэффициента трения значения минимальной разнотолщинности уменьшаются [179], но сама область ее реализации расширяется (см. рисунок 3.6; 3.7).

Рисунок 3.6 - Кинематическая схема процесса в программном продукте Pam-

Stamp 2G (ESI Group)

f = 0,1

f = 0,4

Рисунок 3.7 - Распределение толщины вдоль образующей при <гр = 0,1

j = 0,5

R

дет

'дет

= 1,1

б

а

3.1.2 Экспериментальные исследования 3.1.2.1 Методика проведения эксперимента

Рассмотрим схему способа формообразования (см. рисунок 3.8), применяемую в эксперименте. Экспериментальный штамп представляет упрощенную конструкцию, в которой подвижные сектора представлены в виде 4х сегментов, полученных путем разреза конусной оболочки вдоль образующей. Опорное кольцо 8 опирается на буфер 11. Высота буфера Нб

при сжатии до 30% должна соответствовать величине рабочего хода пресса АИ.

1 - верхняя плита штампа; 2 - подвижные сектора; 3 - эластичный элемент верхний; 4 - эластичный элемент нижний; 5 - матрица нижняя; 6 - матрица верхняя; 7 - конус; 8 - опорное кольцо; 9 - нижняя плита; 10 - деталь; 11-буфер

Рисунок 3.8 - Способ формообразования тонкостенной осесимметричной

детали бочкообразной формы

Следует учесть: усилие буфера Рб должно быть достаточным, чтобы устранить возможность выдавливания нижнего эластичного элемента в сторону опорного кольца 8. Усилие определяется:

Рб = я ■ Рб, (3.22)

где я - давление эластичных элементов (я < змпа);

¥б - площадь сечения наибольшего торца нижнего эластичного элемента.

При формообразовании подвижные сектора образуют между собой зазор А, который не меняется по длине образующей и одинаков между каждым из двух соседних подвижных секторов (см. рисунок 3.9). Это условие обеспечивается силами трения на поверхности контакта эластичных элементов и подвижными секторами. Силы трения сдерживают перемещения подвижных секторов в плоскости перпендикулярной оси штампа.

1 - матрица; 2 - заготовка; 3 - эластичный элемент; 4 - подвижный сектор; 5 -конус; А - зазор между подвижными секторами; у - угол наклона; я - радиус до наружной поверхности секторов; 5эл - толщина эластичного элемента; 5заг - толщина заготовки; а^л - тангенциальное напряжение растяжения эластичного элемента; ц - суммарное давление на эластичный элемент Рисунок 3.9 - Схема действия сил на эластичный элемент в области зазора

между подвижными секторами

Определим возможность формообразования по предложенному способу, при условии отсутствия заполнения эластичными элементами зазора А. Рассмотрим схему действия сил в области зазора между подвижными секторами (см. рисунок 3.9). Чтобы эластичный элемент не продавливался в зазор А, необходимо соблюдать соотношение моментов (3.23) растягивающих и сжимающих сил относительно сечений перпендикулярных плоскости чертежа и проходящих через точки «0».

МР > Мсж, (3.23)

где МР, Мсж - изгибающие моменты соответственно от растягивающих и сжимающих сил на единицу ширины.

В первом случае имеем:

М Р =&(Ьл.- 5 эл.— СОБ^.

у

2 2

(3.24)

где сгвэл - напряжение растяжения в эластичном элементе;

у

СОБ — « 1.

Во втором случае:

мсж = 4 -а-А , (3.25)

где А- зазор между подвижными секторами. Величина зазора определяется из условия (см. рисунок 3.8):

2лЯ - 2л- т0

А =-0, (3.26)

N '

где N - число секторов;

Я - радиус по наружной поверхности подвижных секторов в момент окончания деформации в сечении, которое в исходном состоянии находилось в плоскости разъема матрицы с радиусом т0.

Суммарное давление эластичных элементов равно (согласно принципу суперпозиции):

4 = 41 + 42 + 4з, (3.27)

где я1 - давление заготовки на эластичный элемент;

42 - избыточное давление, передаваемое через заготовку на эластичный элемент, Я2 ]< 1МПа.

Составляющая сжатия от напряжения растяжения эластичного элемента:

4з =&6Ъл 51Пу, (3.28)

где у = ат^

А

2Я

Из уравнения Лапласа [148]

(см. рисунок 3. 9).

41 = ^, (3.29)

заг

где авзаг - тангенциальное напряжение растяжения в заготовке; Язаг - радиус цилиндрической заготовки.

С учётом выражений (3.24 ^ 3.29) равенство (3.23) примет вид:

а вэл. • 8Эл. ^

Г ЯЗСг . Л А2

42 +— *взаг +°вэл. вШ-Кзаг 2 У

(3.30)

Отсюда имеем:

8эл. ^

[я2 + заг / Кзаг ) • *взаг + *вэл • ^п(Г / 2)]

А^ 2

(3.31)

' вэл.

Условие (3.31) гарантирует отсутствие затекания эластичных элементов в зазоры между подвижными секторами. В противном случае процесс проводить нежелательно. Ограничения зависят и от относительной толщины заготовки, и от давления эластичных элементов, на которое влияет величина вытесненного объёма, то есть форма и размеры детали.

На внутренней поверхности заготовки и эластичных элементов создают силы трения направленные на встречу друг другу. В результате действия таких сил происходит уменьшение напряжений в частях заготовки, расположенных в средней части (см. рисунок 3.2). Для реализации способа, обеспечивающего возможность получения детали с минимальной разнотолщинностью и симметричной относительно наибольшего сечения заготовки, необходимо выполнить условие равенства сил:

Тх = Т 2, (3.32)

где Т - сила трения, возникающая между внутренней поверхностью заготовки и эластичным элементом 3;

Т2 - сила трения, возникающая между внутренней поверхностью заготовки и эластичным элементом 4.

Величина силы трения зависит от давления на площадь контакта и от коэффициента трения. Для особо выпуклой детали необходимо использовать высокие показатели давления и трения (применив, например, эластичный элемент с более высокой жесткостью). Следует учесть особенность деформирования эластичных элементов: в заключительной стадии оба эластичных элемента в момент их сжатия должны находиться на уровне смыкания матриц.

Для создания условий, обеспечивающих возможность получения детали с минимальной разнотолщинностью [86,87,126,127,128], необходимо выполнить компоновку (см. рисунок 3.8) с равенством объемов:

V = V, (3.33)

где V - объем, заключенный между внутренней поверхностью заготовки, подвижными секторами и двумя эластичными элементами; У2 - объем, заключенный между рабочими поверхностями двух матриц и наружной поверхностью цилиндрической заготовки.

Определим рассматриваемые объемы:

V = Уц + ^ , (3.34)

где V! - объем, заключенный между внутренней поверхностью заготовки,

подвижными секторами, верхним эластичным элементом и границей смыкания двух матриц;

V 2 - объем, занимаемый пространством между внутренней

поверхностью заготовки, подвижными секторами, нижним эластичным элементом и границей смыкания двух матриц.

Геометрические размеры объема разные, однако, их величины должны быть одинаковы, т.е. У1Л = У12 = ^. Определяющим параметром является

расстояние между двумя эластичными элементами - высота Н1 = Нн + Нв (см. рисунок 3.8). Угол конусности секторов а выбирается из конструктивных соображений (из возможного хода оборудования, размеров детали и закрытой высоты пресса а = 200 - 300). Важным является выполнение условия в компоновке: оба эластичных элемента в момент их сжатия должны находиться на уровне смыкания матриц, что обеспечивает создание активных сил трения на протяжении всего процесса формообразования. Из геометрии (см. рисунок 3.8) находим:

уи = жЯ1ак -1 Ж. V + Г0 (г0 - (г0 - к^о)2 ];

У1,2 = жЯ1А -\riiuк + го(г0 + К^а)+г(г0 + КШа1]

(3.35)

(3.36)

где г0 - радиус наружной поверхности подвижных секторов в исходном состоянии в сечении смыкания матрицы;

К; К - расстояние от сечения смыкания матрицы соответственно до верхнего и нижнего эластичных элементов в исходном состоянии.

Решение двух последних уравнений находим методом последовательного приближения [63].

К =

VI 12 1^2

- Го \Ша + - а 2ж_3_

Я2 - Г2

Язаг Г0

(3.37)

VI 2 2 1 3 2 г- + ГоКШа + -КШ а

К =

2ж

3

Я2 - Г2

Язаг г0

(3.38)

В первом приближении значения К; К рассчитываются, приняв tg2а = 0:

Я2 -г2

К = -

+ .

2г0tgа

С Я 2 -г2^

Язаг '0

V 2Ша

+ -

V.!

Ж0&а

К =-

Я2 -г2

+ .

2г0^а \

С Я - -г2^

Язаг г0

V 2г0tgа

+ -

У-д Ж0&а

(3.39)

(3.40)

Объем у!; у 2 определяются из геометрии:

V

Ул = У,2 = у- = Ж

з I 1 з I 1\ а9 1 1 о

Я^ | Б1П а2 - — бШ а2 I - 2аЯр I + — Б1П 2а2 | + а Я Б1П а2

-жЯ

2 Н дет

(3.41)

Необходимо учесть особенность работы элементов, а именно - степень их деформации не должна превышать 25-30%. Это условие позволяет установить высоту эластичных элементов, приняв во внимание, что их объем должен превышать соответственно У2.

Уэл -У2/2 V

= 0.7.

(3.42)

2

где Уэл - объем эластичного элемента. Для нижнего элемента объем равен:

УэлЛ = тЯзаг • Ин Ин(г2 + го • гн + т2н), (3.43)

где Гн = Го + ИнЩа; (3.44)

Ия - высота нижнего эластичного элемента с учетом Ьн до линии смыкания матриц.

Соответственно с учетом (3.44) приводится к виду удобному для расчета методом последовательного приближения:

0,53• У2 + ннГо^а + ннШЯ/3 п дъ

нн =--. ( )

Язаг '0

Проводится аналогичный расчет для верхнего эластичного элемента с учетом

Гв = Г0 + нв Ша'-

3 .2 Ьо , ^2,

0,53 • V-(нн Щ 2а)/ 3 + н 2 Г,Ща

'2 V н б / в 0 й" сх Л£Л

н в =-¿Г-?-' (3.46)

Язаг Г0

где н - высота верхнего эластичного элемента с учетом йв до линии смыкания матриц.

В первом приближении, приняв щ 2 а = 0, получим:

Я2 -Г 2

тт Язаг Г0 .

нн =--+

2Г0^а У

СЯ2 -Г

Язаг Г0

2

+ 053^2, (3.47)

Я2 -Г2 Н = 3 ¿заг Г0

2Г0^а У

( г>2 „2 Л2

Язаг Г0

у

_159_^. (3.48)

Г0 Ша

Для расчета толщины сектора надо иметь в виду, что в исходном состоянии сектора сомкнуты и образуют коническую оболочку. После деформации между внутренней поверхностью сегментов и поверхностью конуса образуется наибольший зазор Лет (см. рисунок 3.10). Определим толщину подвижного сектора £с при изгибе из условия равенства моментов: внешнего и внутреннего момента сопротивления в среднем сечении, между поверхностью конуса 1 и сектора 2 (см. рисунок 3.10).

9

1-конус; 2- сектор

Рисунок 3.10 - Схема действия сил на сектор

Определим внешний момент, приложенный на единицу ширины сектора:

Ытеш = ■ д ■ г = 2дг2, (3.49)

7 = (г0 -0,5£с)Бтас , (3.50)

где - толщина сечения подвижного сектора; ж

ас = — - половина угла сектора, охватывающего конус;

N - число секторов.

Считаем, что по толщине сектора упругие напряжения меняются по линейному закону и достигают на поверхности предела упругости |а^\. Момент внутреннего сопротивления равен:

Бс Бс а I

Мвн =\\ Гуп^У ■ У =Яс [°упР\ У2Ф = Б2 .

2 2 Приравняв моменты, после преобразований находим:

г

6

(3.51)

Бс = Г0

1 -

а

упр

3д ■ бш2 ас |

1 -

\аупр \

3дбШ2 а

2

а

упр

6д Бт ас

(3.52)

С другой стороны должно выполняться условие на осевое сжатие:

1

1

2

к ]<—, I. сж J т-, ?

где [ст^] - допустимое напряжение сжатия; Р - усилие пресса;

^ - площадь торцов подвижных секторов меньшего диаметра.

(3.53)

¥с = 2п(Г, -0,5нэлГщас -0,5£с )£с ,

(3.54)

где нэл = нв + нн.

С учетом (3.53) и (3.54) получим:

= 0,5нзаг%ас -Г0 +

(0,5н.элХщас -Г0 )2 +

Р

ж

[ксж ]

(3.55)

По результатам двух значений (3.52), (3.55) выбирают наибольшее.

Размер заготовки должен соответствовать размеру высоты эластичных элементов в собранном состоянии:

нзаг = Н = К + кн + нв + нн .

Припуски на цилиндрические части заготовки составят:

н -Н

ЛК = заг дет

заг ^ .

(3.56)

(3.57)

Эта величина должна обеспечить прилегание цилиндрической части к матрице при отсутствии давления со стороны эластичных элементов. Для этого необходимо выполнить условие в сечении изгиба 0-0 (см. рисунок 3.11):

М < М ,

вн — вШ 5

где Мвн,Мвш - внутренний и внешний моменты [120,139].

?2

заг

вн = к0,2

ГдетЛУ =

Мвш = °в

лк ¿у

-£ __ 2бш—.

2 2

(3.58)

(3.59)

(3.60)

. ¿у ¿у

Приравняв два последних равенства при сг02=ав и бш— « —, получим:

2 2

ЛКзаг

Г

заг дет

(3.61)

Полученное выражение удовлетворяет поставленному условию о прилегании цилиндрической части к матрице.

Рисунок 3.11 - Схема действия моментов на цилиндрическую часть

заготовки

Диаграммы линейного растяжения материалов (зависимость усилия от времени) использовались для определения механических свойств, в том числе: <тол ,ов ,5р. Значения показателей аТ0, П рассчитывались по

методике, изложенной в работе [50]. Усилия сопротивления от действия эластичных элементов определялись для: буфера без эластичных конических элементов и подвижных секторов; усилие для растяжения эластичных конических элементов без заготовки; сумма последних двух усилий при сборе штампа в целом без заготовки (см. рисунок 3.8). Вычитая из полного усилия деформирования заготовки усилие сопротивления эластичных элементов, получаем усилие сопротивления заготовки.

Формообразование цилиндрической заготовки проводилось после того, как по формулам (3.10), (3.19), (3.20) рассчитали значения напряжения и относительного радиуса закругления матрицы, относительную заданную толщину детали. Момент окончания процесса определялся по величине перемещения траверсы пресса, определяемой по диаграмме (усилие-перемещение), которая характеризовалась резким ростом усилия, соответствующему полному заполнения рабочего пространства штампа. Полученные детали замеряли в четырех сечениях вдоль образующих в 13 кольцевых элементах. Ввиду осесимметричности процесса и симметричности

относительно линии разъема, определись средние значения толщин по окружности и по длине детали. Полученные данные обрабатывались, и строился график при заданных геометрических параметрах штамповой оснастки, механических свойствах материала и рассчитанных значений, определяющих максимальную разнотолщинность детали. Далее полученные экспериментальные графики сравнивали с графиками, рассчитанными по теоретическим формулам (3.12; 3.15).

3.1.2.2 Оборудование, оснастка, материалы

Для осуществления процесса отбортовки в лабораторных исследованиях использовалась универсальная гидравлическая машина ЦДМПУ-30 (см. рисунок 3.12).

Важным технологическим параметром является усилие процесса, которое согласно схеме определяется:

Р = ^, (3.62)

где д - давление, определяемое по формуле (3.27);

^ - площадь контакта эластичного элемента с рабочей поверхностью матрицы.

В соответствие со схемой (см. рисунок 3.8) был спроектирован и изготовлен экспериментальный штамп (см. рисунок 3.12). Штамп состоит из матрицы с верхней плитой 1, нижней плиты 2 с коническим стержнем, четырех подвижных секторов с углом конусности 12,50, равным углу конусности стержня. При использовании формул (3.37; 3.38) был найден объем по

формуле (3.41) V2 = 1,13538 10-5мъ, геометрические параметры штамповой

оснастки, спроектированной по размерам детали: а = 57,26 10-3 м, Яр= 101 •ю-3м, ндет = 58•Ю-3м, а2 = 15,850. Материал заготовки 30ХГСА, с толщиной 8заг = 0,0945 •Ю-3 м, Гдет = Язаг = 44 •Ю-3 м. При максимальной

величине деформации заготовки 5% примем ав = 520МПа [146]. При увеличении диаметра подвижных секторов на 10% величина зазора между ними по формуле (3.26) составит д = 6,7 10 "3 м, угол у = б,50. Приняв модуль упругости резины £эл = змПа [132], получим согласно закону Гука <ув. эл = 0,3МПа. По формуле (3.31) найдём среднюю толщину эластичного элемента - Бэл = 10-10"3м, которую принимаем согласно условию (3.31) больше рассчитанного значения: Бэл = 15 -10 "3 м. Радиус наружной поверхности подвижных секторов в исходном состоянии в сечении смыкания матрицы равен г0 = 28,5 -10 3 м.

Расстояния от сечения смыкания матрицы до верхнего и нижнего эластичных элементов в исходном состоянии, рассчитанные по формулам (3.39; 3.40), примут значения соответственно Ив = 3,2-10"3м и Ин = 3,3 10"3м. Общая высота эластичных элементов с учетом формул (3.45; 3.46) составит Нэл = 75 -10"3 м. Усилие формообразования заготовки находят, как полное усилие за вычетом усилий, затрачиваемых на деформирование всех эластичных конических элементов и буфера. Для этого отдельно построены диаграммы зависимости усилий от хода пресса.

1

1 - верхняя плита; 2 - нижняя плита

Рисунок 3.12 - Экспериментальный штамп, установленный на универсальной

гидравлическая машина ЦДМПУ-10

По условию отсутствия затекания резины в зазор между подвижными секторами, согласно формуле (3.27) избыточное давление не должно превышать [д2 ]< \МПа [132].

Для замера толщин деталей использовалось устройство с электронным индикатором (см. рисунок 2.10).

3.1.2.3 Результаты эксперимента

Определены усилия буфера 11 от перемещения (сжатия) в компоновке штампа (см. рисунок 3.13).

11 9

8 - опорное кольцо; 9 - нижняя плита; 11 - эластичный буфер

Рисунок 3.13 - Определение усилия буфера

В работе зависимость P = f(h) эластичного буфера определялась экспериментально. Для этого осаживали буфер в виде 3-х секторов кольца из резины (см. рисунок 3.13). По силоизмерителю определяли величину усилия, а величину перемещения определяли с помощью линейки (ценой деления 1-10"3м). По данным эксперимента (см. таблицу 3.1), используя метод наименьших квадратов и уравнение регрессии в Excel, строили линию тренда (см. рисунок 3.14).

Таблица 3.1- Данные замеров усилия сжатия буфера от величины

P,x10 Н 0 20 30 50 60 80 100 130 170 200 240 400 600

h,x10"3 м 0 2 4 5 7 9 10 13 14 16 17 19 21

8

Рисунок 3.14 - Диаграмма усилия сжатия буфера от величины перемещения

( нб = 40 -10 "3 м )

Определены усилия растяжения эластичных элементов в компоновке штампа (см. рисунок 3.15). Усилия растяжения эластичных элементов от перемещения (по вертикали) верхней плиты штампа приведены в (см. таблицу 3.2).

По данным эксперимента (см. таблицу 3.2) представлена диаграмма растяжения эластичных элементов на рисунке 3.16.

Таблица 3.2- Значение усилия растяжения эластичных элементов от перемещения по вертикали верхней плиты штампа

Р,х 10Н 0 20 40 50 60 70 80 90 95

И,х10~3 м 0 2 5 8 10 12 15 17 20

Рисунок 3.16 - Диаграмма растяжения эластичных элементов

н

1 - верхняя плита; 2 - подвижный сектор; 3 - эластичный элемент верхний; 4 -эластичный элемент нижний; 7 - конус; 8 - опорное кольцо; 9 - нижняя плита; 14 - технологическая плита

Рисунок 3.15 - Определение усилия растяжения эластичных элементов

Усилия, затрачиваемые на деформацию эластичных элементов и эластичного буфера в компоновке штампа без заготовки, представлены в таблице 3.3, а диаграмма на рисунке 3.17. Из диаграммы видно, что начиная с величины перемещения 10 -10 3 м, происходит резкое увеличение усилия, ввиду полного заполнения гравюры матрицы эластичным элементом. Это определяет условия деформирования заготовки до полного её прикасания к рабочей поверхности матрицы.

Таблица 3.3 - Значения усилия пресса от перемещения верхней плиты штампа без заготовки

Р,х10 Н 0 ао 110 180 250 300 450 650 1050 1500 2500

И,х10~3 м 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Рисунок 3.17 - Диаграмма усилия пресса от перемещения верхней плиты штампа без заготовки

Диаграмма усилия деформирования заготовки (с использованием в качестве смазки между заготовкой и эластичным элементом машинного масла) до величины перемещения верхней плиты штампа с матрицей на 10 -10 3 м представлена на рисунке 3.18.

Рисунок 3.18 - Диаграмма деформирования заготовки в штампе

При усилии деформирования 15000Н рассматривается возможность затекания эластичного элемента в зазор А между подвижными секторами (см. рисунок 3.19). Оригинальность эксперимента в том, что в перевернутой оснастке наблюдали за поведением эластичного элемента с использованием зеркала. Убедились, что затекание эластичного элемента между секторами при больших деформациях отсутствует.

1 - матрица; 2 - конус; 3 - эластичный элемент (зеркальное изображение); 4 - подвижные сектора (зеркальное изображение); 5- зеркало; А - зазор между подвижными секторами

Рисунок 3.19 - Зеркальное отражение вида со стороны наибольших диаметров секторов в компоновке с эластичными элементами и заготовкой штампа при перемещении верхней плиты штампа на 10 -10 3 м

Сравнивая усилия по графикам (см. рисунок 3.17; 3.18) при величине перемещения штампа 10 -10-3 м видно, что оно составляет 2500Н, а в последнем случае - 7500Н. Таким образом, усилие, затраченное на деформацию заготовки - 5000Н. Определим давление, создаваемое в этот момент эластичным элементом, разделив усилие на площадь сечения эластичного элемента, соприкасавшегося с верхней плитой:

7500

4 = —[-5-= 1,5МПа. (3.63)

л\42,5 - 20,42 )

Максимальное давление, создаваемое в штампе при формообразовании заготовки:

4 = ^ = 5000 - *250 = 0,11МПа, (3.64)

2^загНзаг 2ж- 44 - 78 4 '

где Р0 - усилие деформирования заготовки;

Нзаг - высота заготовки. Результаты многократных замеров (см. рисунок 3.20) в разных сечениях толщин полученных деталей бочкообразной формы (см. рисунок 3.21) приведены в таблице 3.4.

А

Рисунок 3.20 - Схема замера деталей бочкообразной формы

Рисунок 3.21 - Детали бочкообразной формы (30ХГСА;

£_ = 0,0945-10"3 м; Гм / £заг = 4 )

Таблица 3.4 - Значение толщин детали бочкообразной формы

(30ХГСА; = 0,0945 -10"3 м )

№ сечения Толщина, -10 3 м

0-1 0-11 0-Ш 0-1У Среднее значение

0 точга р/ Гдет=1 0,094 0,095 0,095 0,0945 0,0945

1точка р/ Гдет =1,015 0,094 0,095 0,094 0,095 0,945

2 точка р / Гдет =1,03 0,095 0,093 0,093 0,094 0,094

3 точка р / Гдет =1,045 0,092 0,092 0,092 0,093 0,092

4 точка р / Гдет =1,06 0,092 0,091 0,091 0,093 0,092

5 точка р / Гдет =1,075 0,090 0,090 0,090 0,092 0,0905

6 точка р / Гдет =1,09 0,089 0,090 0,089 0,091 0,090

7 точка р/Гдет =1,105 0,089 0,089 0,089 0,090 0,089

8 точка р/Гдет =1,12 0,092 0,090 0,090 0,090 0,0905

9 точка р/Гдет =1,135 0,092 0,090 0,091 0,092 0,091

10 точка р/Гдет =1,15 0,090 0,092 0,091 0,091 0,091

11 точка р/Гдет =1,165 0,092 0,093 0,093 0,093 0,093

12 точка р/Гдет =1,18 0,095 0,094 0,095 0,094 0,0945

Средняя квадратичная погрешность замера толщины не превышает 0,7% [64,66]. Изменения относительной технологически возможной толщины детали вдоль очага деформаций по предложенной методике и экспериментальные данные по замеру толщин приведены на рисунке 3.22. Расхождение результатов составляет около 19%.

Теоретическая кривая

Экспериментальная кривая

Рисунок 3.22 - Значения изменения относительной технологически

— *

возможной толщины бочкообразной детали при / = 0,\;ар = 0,1

Наличие больших сил трения между заготовкой и эластичным элементом (обезжиренные поверхности) приводит к кольцевой потери устойчивости (см. рисунок 3.23).

гофра

Рисунок 3.23 - Форма потери устойчивости заготовки

3.1.2.4 Методика проектирования тонкостенной детали бочкообразной формы из цилиндрической заготовки с минимальной разнотол щи н ностью

1. По

геометрическим параметрам детали устанавливают возможность

использования разработанного способа. Должно выполняться условие

согласно (3.10):

1 - fctga3c > 0.

(3.64)

Проверка условия проводится при максимальном возможном использовании коэффициента трения.

2. Определение размеров штамповой оснастки.

2.1. Определяется объем бочкообразной части матрицы по формуле (3.41):

Vu = Vi,2 = ^ = *

Rp| sina2 -1 sin3 а2 1- 2aR2pía + 1sin2a2 | + a2Rp sina2

(3.65)

2.2. Рассчитывается толщина эластичных элементов по формуле (3.31):

£ эл. >

4 + S заг / R3az ■ ав + °вэл ■ sin(r / 2)]

А2

а

(3.66)

вэл.

где у = arctg

А

2R,

2.3. Определяются размеры эластичных элементов, используя формулы (3.453.48). Высота эластичных элементов в сборе должна удовлетворять условию:

Нзаг = кв + ив + hH + ин; и > 2H н.

(3.67)

Надо иметь ввиду, что нижний эластичный элемент всегда расположен выше верхнего.

2.4. Рассчитываются размеры подвижных секторов.

2.4.1. Высота секторов соответствует высоте заготовки:

нс = н = нзаг. (3.68)

2.4.2. Толщина секторов определяется по следующим формулам:

2.4.2.1. Из условия допустимого напряжения сжатия подвижных секторов (см. рисунок 3.8):

[асж ] = P /ж(гс2н. -(rc.H.- £с/ cos а)2), тогда

£с =

r —

с.н.