Совершенствование технологии изготовления конических деталей на основе совмещения операций обжима, раздачи, вытяжки и отбортовки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Луканова Евгения Олеговна

• Луканова Евгения Олеговна
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Луканова Евгения Олеговна

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Обзор работ по анализу операций обжима, раздачи и их совмещения

1.2. Обзор работ по анализу операций вытяжки, отбортовки и их совмещения

1.3. Обзор работ по анализу операций совмещения вытяжки, обжима

и раздачи

1.4. Выводы по Главе

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА СОВМЕЩЕНИЯ ОПЕРАЦИЙ РАЗДАЧИ, ОБЖИМА, ВЫТЯЖКИ И ОТБОРТОВКИ

2.1. Предварительные замечания

2.2. Исследование процесса совмещения операций раздачи, обжима, вытяжки и отбортовки для получения детали с цилиндрическим пояском по меньшему диаметру и с цилиндрическими поясками по обоим диаметрам

2.3. Исследование процесса совмещения операций раздачи, обжима, вытяжки и отбортовки для получения детали без цилиндрического

пояска по меньшему диаметру

2.4. Выводы по Главе

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СОВМЕЩЕНИЯ ОПЕРАЦИЙ РАЗДАЧИ, ОБЖИМА, ВЫТЯЖКИ И ОТБОРТОВКИ

3.1. Общие замечания

3.2. Исследования влияния относительной толщины исходной заготовки

на процесс совмещения операций раздачи, обжима, вытяжки и отбортовки

3.3. Влияние материала заготовки на стабильность процесса совмещения

3.4. Влияние полученного отверстия на процесс формоизменения

Стр.

3.5. Влияние технологического зазора между инструментами на процесс

формоизменения

3.6. Влияние трения на процесс формоизменения

3.7. Определение граничного радиуса между вытяжкой и отбортовкой

3.8. Сравнение зависимостей, полученных аналитическим путем,

с результатами моделирования

3.9. Выводы по Главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1. Задачи, оборудование и технологическая оснастка для экспериментального исследования

4.2. Экспериментальное исследование совмещенного процесса

4.3. Выводы по Главе

ГЛАВА 5. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ СОВМЕЩЕНИЕМ ОПЕРАЦИЙ РАЗДАЧИ, ОБЖИМА, ВЫТЯЖКИ И ОТБОРТОВКИ

5.1. Общий алгоритм проектирования технологического процесса

5.2. Методика проектирования

5.3. Пример разработки технологии получения детали с раструбом

5.4. Выводы по Главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Я0 - радиус предварительно вытянутого стаканчика; г0 - радиус пробитого в донышке стакана отверстия; Н - высота стаканчика;

г - наименьший радиус получаемой совмещенной операцией детали; Я - наибольший радиус получаемой совмещенной операцией детали; Я0грж - радиус границы между очагами деформации обжима и вытяжки; Я-6- радиус границы между очагами деформации отбортовки и вытяжки; р - текущий радиус заготовки;

к0т6,Выт,оРж,раз - коэффициенты формоизменения для отбортовки, вытяжки, обжима и раздачи соответственно;

ор, ое, о8 и ак - меридиональные, тангенциальные, напряжения текучести и контактные нормальные напряжения соответственно;

а2 - напряжение, действующее перпендикулярно срединной поверхности заготовки;

d£p, d£0 и d£z - приращение деформаций (меридиональное, окружное и перпендикулярное соответственно);

1 - длина деформируемой части (раздаваемой, обжимаемой, вытянутой или

отбортованной);

Б - толщина детали;

D - наружный диаметр детали;

а - угол конусности получаемой детали;

ц - коэффициент трения;

гп и гм - радиусы скругления пуансона и матрицы соответственно;

Ест - площадь предварительно вытянутого стаканчика с пробитым отверстием;

Рдет - площадь поверхности получаемой совмещением детали;

Ботн - относительная толщина исходной заготовки;

Бзаг - толщина исходной заготовки;

Озаг - диаметр исходной круглой заготовки.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование технологии изготовления конических деталей на основе совмещения операций обжима, раздачи, вытяжки и отбортовки»

ВВЕДЕНИЕ

В различных отраслях промышленности имеют широкое распространение детали типа конус и конус с раструбом, изготавливаемые методами обработки давлением. Известный способ получения указанных деталей деформированием трубных заготовок с помощью совмещения операций раздачи и обжима ограничен максимальным формоизменением (в пределах двух). Изготовление подобных деталей последовательными переходами вытяжки требует изготовления большого количества штампов, что связано со значительными экономическими затратами и отличается высокой трудоемкостью. Совмещение операций обжима, раздачи, вытяжки и отбортовки в одном штамповочном переходе позволяет добиться существенного увеличения формоизменения, что расширяет технологические возможности способа и сокращает затраты на штамповую оснастку.

На данный момент совмещение четырех вышеуказанных операций лишь упоминается как возможный способ интенсификации процессов листовой штамповки, но никаких теоретических или практических исследований проведено не было, потому тема совершенно не была разработана ранее, что делает ее весьма актуальной.

Цель исследования - повышение эффективности изготовления конических пустотелых осесимметричных деталей за счет увеличения максимального коэффициента формоизменения путем совмещения операций обжима, раздачи, вытяжки и отбортовки в одном штамповочном переходе, обеспечивающего уменьшение числа переходов штамповки и сокращение затрат на производство.

Для достижения данной цели необходимо выполнить следующие задачи: - разработать технологический процесс изготовления пустотелых конических деталей, включающий совмещение операций обжима, раздачи, вытяжки и отбортовки в одном штамповочном переходе;

- установить зависимости для определения напряжений, возникающих в заготовке при осуществлении совмещения операций обжима, раздачи, вытяжки и отбортовки в одном штамповочном переходе;

- установить математические зависимости для определения размеров исходной и промежуточной заготовок (высоту и диаметр предварительно вытянутого стакана, а также пробитого в его донышке отверстия);

- исследовать закономерности формоизменения в совмещенном процессе «обжим - раздача - вытяжка - отбортовка»;

- спроектировать экспериментальную штамповую оснастку и выполнить экспериментальную проверку основных теоретических положений путем физического эксперимента;

- разработать рекомендации по расчету и проектированию совмещенного технологического процесса обжима, раздачи, вытяжки и отбортовки в одном штамповочном переходе.

Научная новизна:

1) выявлены закономерности влияния основных технологических параметров на характер деформирования и конечную форму изделия в совмещенном процессе обжима, раздачи, вытяжки и отбортовки;

2) определены границы применимости процесса совмещения операций обжима, раздачи, вытяжки и отбортовки в одном технологическом переходе, при которых процесс не теряет стабильность;

3) получены зависимости для определения геометрических размеров исходной и промежуточной заготовок;

4) проанализированы результаты математического моделирования совмещенного процесса в программном комплексе AutoForm.

Практическая значимость заключается в разработанной методике проектирования и рекомендации по расчету технологических параметров получения пустотелых конических деталей с использованием совмещения операций обжима, раздачи, вытяжки и отбортовки в одном технологическом

переходе, обеспечивающего интенсификацию процесса штамповки, уменьшение трудоемкости и металлоемкости изготовления подобных деталей.

Реализация работы:

Предложенные рекомендации по расчету технологических параметров совмещения операций обжима, раздачи, вытяжки и отбортовки учтены при разработке новых конструкций и технологий изготовления фильтров подготовки воздуха для рельсового транспорта ООО «Производственная компания РУСИНВЕСТПРОМ». Использование предложенной технологии при получении пустотелых конических деталей с большим перепадом диаметров позволяет уменьшить число сварных швов, что снижает гидравлические потери.

Методы исследования:

1. Анализ напряженного и деформированного состояний заготовки в совмещенном процессе обжима, раздачи, вытяжки и отбортовки осуществлен аналитически с помощью инженерного метода и численно методом конечных элементов в специализированном программном комплексе AutoForm.

2. Экспериментальные исследования для практической проверки теоретических зависимостей и адекватности результатов математического моделирования выполнены с использованием испытательной машины INSTRON DX600 и регистрирующей аппаратуры.

Положения, выносимые на защиту:

- полученные зависимости для определения геометрических размеров исходной и промежуточной заготовок;

- выявленные границы применения процесса совмещения операций обжима, раздачи, вытяжки и отбортовки;

- выявленные закономерности влияния основных технологических параметров на характер деформирования и конечную форму изделия в совмещенном процессе обжима, раздачи, вытяжки и отбортовки;

- методика проектирования технологических процессов получения пустотелых конических деталей с использованием совмещения операций

обжима, раздачи, вытяжки и отбортовки в одном технологическом переходе штамповки.

Степень достоверности и апробация работы:

Для достоверности получения результатов были использованы современные методы исследования, которые включают в себя вычислительные эксперименты с применением метода конечных элементов в программе AutoForm, а также физические эксперименты, выполненные на кафедре МТ-6 МГТУ им. Н.Э.Баумана на испытательной машине INSTRON DX600. Результаты теоретических исследований качественно и количественно согласовываются с экспериментальными. Работа апробирована на нескольких конференциях.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Обзор работ по анализу операций обжима, раздачи и их совмещения

Операциям раздачи и обжима посвящено множество работ, среди которых работы Е.А. Попова, М.Н. Горбунова, Ю.А. Аверкиева, Л.А. Шофмана С.А. Евсюкова, С.С. Яковлева и т.д. [1-61].

Операция раздача предназначена для того, чтобы увеличить диаметр краевой части заготовки. Существует два способа раздачи [1]: путем внедрения пуансона в заготовку, опирающуюся недеформируемой частью на плиту (действуют меридиональные напряжения сжатия), или протягиванием пуансона через заготовку, которая удерживается предварительно полученным фланцем (действуют меридиональные напряжения растяжения). В обоих вариантах раздачи тангенциальные напряжения являются растягивающими.

При раздаче уменьшается толщина материала [2]. В месте наибольшего растяжения наблюдается наименьшая толщина, которая определяется по формуле:

Размеры заготовки для осуществления раздачи определяются из равенства объемов заготовки и детали, считая толщину материала неизменной.

Авторы в работе [1] получили формулу, которая позволяет оценить возможность выполнения заданной раздачи заготовки без потери ее устойчивости:

Rи-rз

.^ш^и+Гз)

Ф .

(1 + ц^а^п^1 |^та

1-Фшх

-*ртах 2(1-фш)

(1+ (3 - 2с05а). (1.2)

V л/

В формуле (1.2) учтены следующие факторы:

Фш

СТв

(1-фш)

Rи-Гз

-ФшФи+ГзХ

1-Фш

- среднее значение напряжения текучести;

СТ

в

(1 + ц ctg а) - учет влияния трения; ln — - учет степени деформации;

1 /— sina - учет изгиба и спрямления на выходе из матрицы;

2 Л/ Rh

1 + /—) - учет утонения заготовки;

'Rh,

(3 — 2cosa) - учет изгиба и спрямления на входе в матрицу.

Также была получена формула для оценки допустимого увеличения диаметра заготовки при раздаче, основанная на оценке сдерживающего влияния менее деформированных слоев на возможность локализации деформаций (образование шейки) в более деформированных:

^шах = ехр^ sina. (1.3)

При увеличении относительной толщины материала, интенсивности упрочнения металла и угла конусности пуансона при раздаче возрастает допустимое увеличение диаметра заготовки. Экспериментальные исследования показали удовлетворительную точность формулы (1.3), хотя она и не полностью отражает влияние воздействующих на процесс деформирования факторов (состояние металла у кромки заготовки и контактное трение).

В работах [3-5] М.Н. Горбунов получил формулу для определения длины заготовки из условия постоянства объема, полагая, что после деформации толщина заготовки изменяется по линейному закону в начальном сечении от Бо до Зо^Т/Кр на кромке:

Lp = lx + 1,05

(1.4)

где 11; 12 и 13 - длины недеформированной, конической и цилиндрической деформированной частей заготовки соответственно.

При осуществлении раздачи возможно два вида потери устойчивости [6]: складкообразование у основания заготовки и трещина, к которой приводит появившаяся шейка кромки деформированной части заготовки. Вероятность и

степень возникновения дефектов зависит от различных факторов (относительная толщина заготовки, механические свойства материала заготовки, трение, угол наклона образующей пуансона и т.д.). Критический коэффициент раздачи, при котором происходит складкообразование определяется по формуле:

Кр кр= I 23ф<* +1, (1.5)

\ ств(1+Ь)(з-2^а)

где ф = акр/ат - коэффициент устойчивости.

В работе [7] приведена следующая зависимость для предельного коэффициента раздачи коническим пуансоном:

Кр (1.6)

ехР( „/-д^па

где а - угол наклона образующей конического пуансона к его оси. Усилие раздачи можно определить по аналитической формуле с некоторыми допущениями:

Рраз =

(1+-1) (2-1)+

V ^а/ ча ) л] э

(3 - 2cosа). (1.7)

Авторы в работах [8-10] исследовали условия складкообразования при раздаче труб, а также возможность применения их на заготовки большего диаметра методом подобия.

Экспериментально установлено [11], что для трубной заготовки наибольшее влияние на допустимую степень раздачи оказывают механические свойства материала, наименьшее - относительная толщина стенки заготовки и угол конусности пуансона.

На основе метода расчета силовых параметров процесса, совместно решая уравнение равновесия и условия текучести, учитывая сопряжения на границах участков и изменения направления материала, была создана математическая модель для раздачи коническим пуансоном трубной заготовки с цилиндрической анизотропией механических свойств [12]. Дана оценка влиянию трения, угла конусности пуансона, технологических параметров,

анизотропии механических свойств материала заготовки на напряженно-деформированное состояние заготовки, силовые режимы и предельное формоизменение. В результате было установлено, что с увеличением относительного радиуса относительное окружное напряжение уменьшается от максимального значения при относительном радиусе, равном 1, до о на кромке заготовки. Для трубных заготовок из сплава АМг6 и стали 08кп найдены углы конусности пуансона, которые соответствуют минимальной силе деформирования, - они находятся в пределах 12...18°. Существенное влияние на геометрические размеры заготовки, а также силовые режимы процесса раздачи осуществляют цилиндрическая и нормальная анизотропия механических свойств заготовки. Предельные возможности формообразования ограничиваются локальной потерей устойчивости заготовки и максимальным значением сжимающих напряжений по абсолютной величине на входе в очаг деформации.

Также теоретическое исследование раздачи из трубной заготовки с учетом анизотропии материала проведено в работе [13]. Было определено, как влияют механические свойства исходного материала и геометрические параметры инструмента на силовые режимы, а также деформированное и напряженное состояния.

Раздачу трубной заготовки возможно провести следующими схемами процесса [14]:

1) Вертикальное расположение оси заготовки, в котором рабочими инструментами являются разжимная оправка или жесткий пуансон. При этом деформирующее усилие прикладывается или к заготовке, или к инструменту, производящему деформирование внутри трубной заготовки, в зависимости от конструкции штампа.

2) Горизонтальное расположение оси заготовки. Осуществляется деформирование трубы, имеющей произвольную длину, которая располагается горизонтально на столе пресса, при этом зажимы трением удерживают заготовку, а пуансон перемещается горизонтально.

Штамповка жестким инструментом подробно рассмотрена в работах [1517]. Из-за технологических ограничений штамповка жестким инструментом используется для стальных и алюминиевых деталей и крайне редко применяются для трудно деформируемых титановых сплавов.

Одной из разновидностей раздачи и обжима в штампах является штамповка эластичным инструментом [14; 18-22]. При такой раздаче пуансон изготовлен из полиуретана или резины. К тонкостенным заготовкам толщиной от 1 до 2 мм применяется гранулированный полиуретан, который благодаря своей сыпучести (гранулы перемещаются относительно друг друга в процессе раздачи) дает возможность получать равномерное усилие по всей сжимаемой среде. Трубная заготовка вставляется в жесткие полуматрицы, закрепленные на столе пресса. Далее, во избежание раскрытия полуматриц в процессе деформирования, их сжимают боковым усилием [14].

В работе [23] рассмотрена задача по раздаче тонкостенной цилиндрической заготовки под действием равномерно распределенного давления. В рамках данной задачи производилась раздача из трубы в идеальную трубу с большим диаметром и с меньшей толщиной стенки, при этом была установлена взаимосвязь давления д и величины изменения радиуса раздаваемой заготовки (Рисунок 1.1 [23, стр. 145]).

Рисунок 1.1. Формообразование тонкостенной цилиндрической заготовки: а -

нагружения; б - деформирования

Установлено, что численное и теоретическое решения задачи соотносятся с достаточной точностью (усредненное отклонение в рамках всего периода деформирования равно ~ 3,5%).

Обжим - это операция, которая предназначена уменьшать поперечные размеры краевой части заготовки. В процессе обжима происходит заталкивание заготовки в воронкообразную полость матрицы, получая уменьшение поперечных размеров. При этом меридиональные напряжения ар в очаге деформации - сжимающие. Поперечные размеры кольцевых элементов заготовки снижаются, что при наличии сжимающих напряжений ар возможно лишь при сжимающих тангенциальных напряжениях а0 в очаге деформации [1].

При обжиме возможно образование следующих дефектов:

1) Образование складок в очаге деформации за счет сжимающих тангенциальных напряжений (данный вид потери устойчивости подробно исследован А.А. Бебрисом в работе [25]);

2) Образование поперечных складок (гофр) в недеформированной части;

3) Прогиб дна за счет изгибающего момента торцевой нижней части заготовки.

В работах [26; 27] рассмотрено два вида потери устойчивости. Ю.А. Аверкиевым при проведении экспериментов установлено, что величина напряжения, при котором происходит потеря устойчивости зависит от толщины заготовки. Так, при соотношении (S/D)100>2,5-3,0 наблюдается образование поперечных складок по отношению к оси заготовки. При выполнении соотношения (S/D)100<2,0-2,5 в зоне пластической деформации наблюдаются продольные складки.

В работе [6] Ю.А. Аверкиев, решив уравнения равновесия совместно с условием пластичности при степенной аппроксимации диаграммы упрочнения получил зависимость для определения критического коэффициента обжима:

1

ткп = _ = 1 —

кр Кп

Фи

0,81акрфЩ-фш

ав(1+Ь)(3-2соБа)

1-Фш

. (1.8)

Из равенства усилий, которые необходимы для обжима в конической матрице, критическому усилию, равному произведению предела текучести и величины площади сечения заготовки, М.Н. Горбунов определил формулу для нахождения предельного коэффициента обжима [5]:

_ . соБа-0,125 (л

Ш"Р = 1 — 1,15(^+^(1+^. (1.9)

Результаты расчета [28] показывают, что при холодной деформации увеличение интенсивности упрочнения металла приводит к росту критического значения кобж кр при прочих равных условиях. При обжиме сильноупрочняющихся металлов и сплавов для достижения одного и того же относительного уменьшения диаметра трубной заготовки потребуется большее число переходов, чем при обжиме материала, обладающего слабой способностью упрочняться. Экспериментальное подтверждение данного факта представлено в работе [26]. Так, например, предельное значение коэффициента обжима наклепанной медной трубы (матрица с углом а = 30°) равно 0,53, а при обжиме отожженной медной трубы соответственно 0,65. Критическое же усилие, при котором наблюдается потеря устойчивости трубной заготовки, в первом случае в 2 раза больше, чем во втором.

При рассмотрении получения обжимом тонкостенных деталей в заготовках, имеющих переменную толщину стенки, О.В. Попов [29; 30] использует закон изменения толщины стенки в процессе деформирования, при этом выделяя следующие основные типы утолщения - синусоидальное, параболическое и клиновидное.

При обжиме наибольшей толщины стенка достигает в месте наибольшего сжатия [2]:

В работе [31] Е.А. Поповым приведено решение по определению ^ртах с учетом изменения толщины заготовки, трения, неравномерности распределения механических свойств по длине исходной заготовки формы рабочей полости матрицы, изгиба и спрямления на входе в матрицу, выходе из матрицы, упрочнения в процессе деформирования, коэффициента обжима.

Авторы в работе [1] приводят формулу, позволяющую определить при обжиме в конической матрице напряжение ^ртах, действующее в недеформируемой части заготовки:

х

(l + ,ctga)(l-R;

1+ |-)х

r0,

(3 — 2cosa). (1.11)

2 -и Го

В формуле (1.11) учтены следующие факторы: аТ0 + П (1 — Г0)] " среднее значение напряжения текучести;

1 Л I /Кз\

-11+ /—I - учет изменения толщины заготовки;

2 V \ Го/

(1 + ц ctg а) - учет влияния трения; (l — Г0) - учет формоизменения;

1 /— sinа - учет изгиба и спрямления на выходе из матрицы;

2 л/ Rh

1 + /—) - учет утонения заготовки; Rh

(3 — 2cosa) - учет изгиба и спрямления на входе в матрицу.

Из формулы (1.11) видно, что с увеличением угла а множитель, учитывающий влияние трения, уменьшается, а составляющие, учитывающие изгиб и спрямление элементов заготовки на входе в очаг деформации и на выходе из него, увеличиваются.

С учетом объемности схемы напряженного состояния операция обжим рассмотрена в работе [32].

В работе [33] Ю.А. Аверкиев определил длину заготовки при обжиме в конической матрице исходя из условия постоянства объема при линеаризации изменения толщины по координате с исходной постоянной толщиной:

L - 1 R3+r0-Rp(l-c°sa) /R3-r0 р^ а\ / ÍR¡\ nRpa 0 4R3 ( sina pg2)V \ r0 / 180°

(1.12)

В работе [2] представлены следующие формулы для определения высоты заготовки Нз:

Для цилиндрического обжима (Рисунок 1.2, а [2, стр. 342]):

Нз = 1,05 ( h1 +

h2d+—г-

Л. С1Т

4sina

VDd

(1.13)

Для конического обжима (Рисунок 1.2, б [2, стр. 342]):

D2-d2

= 1,05 (hi + —^d—).

V 1 4VDdsina/

Нз = 1

4VDdsina>

Для сферического обжима (Рисунок 1.2, в [2, стр. 342]):

H3 = h1- h2 + 0,25(1+ |D)VD2 -d2

Вычисленные значения Нз уточняют опытным путем.

(1.14)

(1.15)

Рисунок 1.2. Основные варианты обжима: а - цилиндрический; б - конический; в - сферический

Усилие Робж, требуемое для обжима заготовки, показанной на Рисунке 1.2, а, ориентировочно можно определить по следующей формуле:

Робж = saB[n(D-d)(1 + M. + +^-cosa)], (1.16)

где ов - предел прочности штампуемого материала, D и d - диаметры (Рисунок 1.2, а), a - угол конуса обжима, ц - коэффициент трения на

поверхности контакта заготовки и матрицы, Кобж - фактический коэффициент обжима, Гм - радиус закругления кромки матрицы.

Оптимальным является угол а = 15°-20°. При прочих равных условиях это значение а обеспечивает наименьшее усилие Робж. При этом для случая ц=0,15 формула (1.16) преобразуется к виду:

Данной формулой можно с достаточной точностью пользоваться при а=10°-30° и ^=0,1-0,2.

Усилие Робж, требуемое для обжима заготовки, показанной на Рисунке 1.2, б, ориентировочно можно определить следующим образом:

На практике реализуется несколько основных схем обжима трубной заготовки жестким инструментом [14]:

1) Вертикальное расположение оси заготовки, при котором в плите или в матрице сделан цилиндрический поясок, фиксирующий трубную заготовку в штампе. Заготовка обжимается усилием пресса, длина обжимаемой части меняется регулируемым ходом пресса.

2) Горизонтальное расположение оси заготовки, при котором штамп крепится к кронштейну с одной стороны станины, с другой стороны станины устанавливается гидравлический цилиндр. Схема обычно используется для длинных трубных заготовок.

Заготовка из труднодеформируемого титанового сплава с изменением диаметра на 15.. .20% теряет устойчивость при обжиме жестким инструментом, при этом происходит появление гофр на недеформированной части трубы или образовываются складки на конической части, при этом с ростом деформации окружного сжатия происходит пропорциональное увеличение высоты складок.

(1.17)

Робж = — d)(1 + ц ^а) —.

Для случая а=15°-20° и ц=0,15, формула будет иметь вид: Робж = — d).

1

(118)

(119)

Также существует способ обжима эластичной средой [14; 18 - 22]. Формообразование трубной заготовки происходит за счет давления на стенку трубы эластичной средой. В качестве эластичной среды используется гранулированный полиуретан, также могут применяться легкоплавкие и сыпучие материалы, жидкости, гидрорезиновые подушки, смеси сыпучих и эластичных наполнителей и т.д.

В работе [34] представлена математическая модель обжима анизотропной трубной заготовки конической матрицей, выполненная методом расчета силовых параметров процесса, при этом учитываются изменение направления течения материала, а также сопряжения на границах участков, используя совместное решение приближенных уравнения равновесия и условия текучести [35; 36]. Приведенные О.Н. Митиным соотношения [34] позволяют дать оценку влиянию основных факторов (цилиндрической анизотропии механических свойств, угла конусности матрицы и трения) на предельные возможности формоизменения, деформированное и напряженное состояния и силовые режимы. Расчет проводился для алюминиевого сплава АМг6 и стали 08кп. Результаты расчета, а также графические зависимости позволили автору установить, что углы конусности матрицы, при которых величина силы наименьшая, находятся в диапазоне 12.18°. С увеличением коэффициента трения ц и коэффициента обжима Коб величина относительной силы Р растет.

Достаточно много работ посвящено моделированию операции обжима конической матрицей толстостенных трубных заготовок. Так, в работах [37; 38] смоделирован методом конечных элементов процесс обжима с утонением, в работах [39; 40] исследован обжим толстостенных трубных заготовок. В работах [41; 42] представлены результаты моделирования операций обжим и обжим с утонением конической матрицей толстостенных трубных заготовок, которые определяют влияние на силовые режимы угла конусности, трения и коэффициента формоизменения. Экспериментальное исследование трубной заготовки с толстой стенкой при обжиме холодной матрицей проведено в

работе [43], в которой показано исследование обжима трубных заготовок в матрицах с углами воронки 30°, 45° и 60°.

В работе [44] авторами исследовано напряженное состояние, возникающее в краевом участке тонкостенной трубной заготовки в месте выхода из обжимной матрицы. При совместном решении уравнения равновесия и условия пластичности получены зависимости распределения напряжений в очаге деформации. Выведены соотношения, с помощью которых можно определить максимальный диаметр трубной заготовки при выходе из матрицы. Было установлено, что происходит значительное уменьшение разности радиусов краевой части полученной детали и остального ниппельного участка при росте относительного радиуса скругления кромки матрицы. Упрочнение тоже способствует уменьшению этой разности. Напротив, когда растет угол конусности матрицы и увеличивается исходная относительная толщина, увеличивается Аё. Существенно большее влияние на параметр Аё оказывает относительный радиус скругления рабочей кромки матрицы.

Экспериментальное исследование совмещения операций раздача и обжим проведено в работах [45 - 47]. Установлено, что произведение максимально допустимых коэффициентов при осуществлении элементарных операций отдельно практически равно суммарному допустимому коэффициенту формоизменения. При этом при свободном протекании операций раздача опережает обжим трубы.

При совмещении в одной операции обжима и раздачи заготовку одновременно деформируют в двух отдельных участках (очагах деформации): в одном раздачей увеличивается диаметр заготовки, во втором обжимом он уменьшается [56]. В этих очагах деформации, а также в недеформируемом участке заготовки, находящемся между ними, действуют сжимающие меридиональные напряжения. При совпадении очагов деформации граница между ними находится в сечении, в котором окружные напряжения равны нулю. Формула коэффициента формоизменения при совмещении операции следующая:

Коб-р — — Коб • Кр

(1.20)

При допустимых коэффициентах обжима Ктб=1,5 и раздачи К|тах=1,2 суммарный коэффициент операции совмещения обжима и раздачи Ктба-хр=1,87 [56].

Уравнение, которое связывает коэффициенты раздачи и обжима получены Е.А. Поповым [48].

В операциях листовой штамповки при деформировании трубной заготовки, для одноименной схемы напряженного состояния и для оболочки, имеющей одинаковый знак кривизны в меридиональном и широтном направлениях (например, обжим), максимальное влияние изгибающего краевого момента на очаг деформации наблюдается в сечении, расположенном непосредственно в месте сопряжения деформируемой и недеформируемой частей заготовки [49]. Для разноименной схемы напряженного состояния или для оболочки, имеющий разный знак кривизны в меридиональном и широтном направлениях (например, раздача), такое сечение располагается на некотором расстоянии от очага деформации. Указанные сечения являются наиболее неблагоприятными с точки зрения возникновения в них кольцевых складок в процессе деформирования (Рисунок 1.3 [49, стр. 31]).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Луканова Евгения Олеговна, 2023 год

> /

в — — N о ,007

( с х° /

0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035

Относительная толщина исходной заготовки, [-]

0,04

Рисунок 3.42. Зависимость искривления детали из стали 08кп от относительной

толщины исходной заготовки

Сравнение формоизменения для двух способов получения конической детали с цилиндрическими частями из стали 08Х18Н10 показано в Таблице 11, из которой видно, что аналогично стали 08кп, формоизменение детали для обоих способов деформирования практически одинаково при более тонких исходных относительных толщинах. При исходной относительной толщине 0,023 получается более широкая цилиндрическая часть по меньшему диаметру при способе с пробивкой отверстия после вытяжки стаканчика, за счет чего в данных областях образуются оранжевые зоны опасности разрыва, что не наблюдается при способе с пробивкой отверстия после вытяжки стаканчика.

Относительная Перед вытяжкой стаканчика После вытяжки стаканчика

толщина заготовки БЬВ-диаграмма Формоизменение БЬВ-диаграмма Формоизменение

0,008 щр г

0,009 1 ;

0,014 I I 1. г I р

0,019 I ь 1 1 Р I 1 1 1 г

0,023 I 1 1 1 Р I 1 I ( г

График максимального относительного утонения для способа с пробивкой отверстия перед вытяжкой стаканчика лежит значительно выше графика для способа с пробивкой отверстия непосредственно перед процессом совмещения операций раздача, обжим, вытяжка и отбортовка (Рисунок 3.43). При получении конической детали с цилиндрическими частями максимальное относительное утонение при способе с пробивкой отверстия перед началом деформирования меньше на 16% - 25%, чем при получении детали вторым способом, при этом максимальное относительное утонение растет при увеличении относительной толщины исходной заготовки от значения (-0,177) при относительной толщине заготовки 0,009 до значения (-0,279) при относительной толщине 0,023.

Рисунок 3.43. Зависимость максимального относительного утонения детали из стали 08Х18Н10 от относительной толщины исходной заготовки

График максимального относительного утолщения при получении детали способом с пробивкой отверстия перед вытяжкой стаканчика лежит значительно ниже графика максимального относительного утонения при получении детали вторым способом (Рисунок 3.44).

„ ^ „0,15

о о ^

^ ? ОД

л л •> '

п г

X о

£ я я

3 о Ц

4 I 1

0,05 0

Л

0,093 368

0>01д>3~ аос

0 0,025

0 0,005 0,01 0,015 0,02

Относительная толщина заготовки, [-]

Отверстие после вытяжки стаканчика ■ Отверстие перед вытяжкой стаканчика

Рисунок 3.44. Зависимость максимального относительного утолщения из стали 08Х18Н10 от относительной толщины исходной заготовки

Максимальное относительное утолщение при получении детали с пробивкой отверстия до деформирования уменьшается с увеличением относительной исходной относительной толщины заготовки (Рисунок 3.44).

Графики зависимости силы деформирования от относительной толщины исходной заготовки практически совпадают для обоих способов деформирования (Рисунок 3.45). Сила деформирования при получении детали способом с пробивкой отверстия перед вытяжкой стаканчика растет с увеличением относительной толщины заготовки от значения 128 кН при относительной толщине заготовки 0,009 до 355 кН при относительной толщине

400

"В 350

¿300

5

£ 250

я Я

-1 5 § 200

и С.

5 150

¡2.100

О

Ц" 50

А ■ ж 361

292 355

272

\1л й 1£ 18

1 ¿.г

О 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025

Относительная толщина исходной заготовки, [-]

—♦—Отверстие после вытяжки стаканчика —в—Отверстие перед вытяжкой стаканчика

Рисунок 3.45. Зависимость силы деформирования для детали из стали 08Х18Н10 от относительной толщины исходной заготовки

В отличие от получения детали без цилиндрических поясков, при получении детали с цилиндрическими поясками способом с пробивкой отверстия до начала деформирования, можно наблюдать кривизну края получаемой детали с меньшим диаметром, график зависимости которой от относительной толщины исходной заготовки показан на Рисунке 3.46. Кривизна края заготовки увеличивается с увеличением относительной толщины, при этом при относительных толщинах 0,008 и 0,009 кривизны не наблюдается.

0,06

Т0,05

Я -

5 3 0,04 £ а

а 5 о,оз 2 2

Я- о 0,02

И аЗ £ 0,01

/V 0,053

У

/

п.г о.с 315 У /

_ -4ч /

1 -с с Г—1 г- II < -»

0,005 0,01 0,015 0,02

Относительная толщина исходной заготовки, [-]

0,025

Рисунок 3.46. Зависимость искривления полученной детали из стали 08Х18Н10 от относительной толщины исходной заготовки

Аналогично сталям, было проведено сравнение двух способов получения детали с раструбом с цилиндрическими поясками из алюминиевого сплава АМг5, БЬО-диаграмма и формоизменение при различных исходных относительных толщинах показаны в Таблице 12. Как видно из таблицы, для способа деформирования с пробивкой отверстия перед вытяжкой стаканчика при относительной толщине заготовки 0,007 образуются красные зоны разрыва на краю заготовки с меньшим диаметром. Для относительных толщин 0,008 и 0,009 формоизменение и БЬВ-диаграмма практически одинаковы. Для относительной толщины заготовки 0,011 не образуется желтых зон опасности разрыва на краю заготовки с большим диаметром в отличие от способа с пробивкой отверстия после вытяжки стаканчика. Можно сделать вывод, что при способе с пробивкой отверстия до начала деформирования диапазон применимых относительных толщин уже, однако в остальном формоизменение практически не отличается от способа с пробивкой отверстия после вытяжки стаканчика.

Таблица 12.

Формоизменение детали из сплава АМг5

Относительная Отверстие пробито перед Отверстие пробито после

толщина вытяжкой стаканчика вытяжки стаканчика

исходной БЬВ- Формоизменение БЬВ- Формоизменение

заготовки диаграмма диаграмма

0,007 |

0,008 Р г Р

0,009 1 1 1 ) I ■ 1 Р

Относительная толщина Отверстие пробито перед вытяжкой стаканчика Отверстие пробито после вытяжки стаканчика

исходной заготовки БЬВ-диаграмма Формоизменение БЬВ-диаграмма Формоизменение

0,011 ■ ■

"' """"

Максимальное относительное утонение больше для способа с пробивкой отверстия до вытяжки стаканчика и практически неизменно для всех исходных относительных толщин (Рисунок 3.47). При относительной толщине 0,008 максимальное относительное утонение имеет значение (-0,181), при относительных толщинах 0,009 и 0,011 максимальное относительное утонение равно (-0,182).

Относительная толщина заготовки, [-]

■Отверстие перед вытяжкой стаканчика • Отверстие после вытяжки стаканчика

Рисунок 3.47. Зависимость максимального относительного утонения детали из сплава АМг5 от относительной толщины исходной заготовки

График зависимости максимального относительного утолщения от относительной толщины исходной заготовки (Рисунок 3.48) для способа с пробивкой отверстия перед началом деформирования лежит ниже графика для способа с пробивкой отверстия после вытяжки стаканчика, что говорит о том, что для первого вышеуказанного способа максимальное относительное утолщение меньше, чем при деформировании вторым способом. Максимальное

относительное утолщение для способа с пробивкой отверстия перед вытяжкой стаканчика практически линейно уменьшается с увеличением относительной толщины заготовки от значения 0,032 при относительной толщине 0,008 до значения 0,018 при относительной толщине 0,011. 0,06

<ъ

о = О ■ 1

- ц з (и а

я X

в £ и <и а

и X п е В н в о р

о

0,02 о

/V 0, 042 о.о 35 0 034 0 035

0, Э32 Г!*-

■ . о. 024 3,018

0,012

О 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01

Относительная толщина заготовки, [-]

• Отверстие после вытяжки стаканчика ■ Отверстие перед вытяжкой стаканчика

Рисунок 3.48. Зависимость максимального относительного утолщения детали из сплава АМг5 от относительной толщины исходной заготовки

График зависимости силы деформирования от относительной толщины исходной заготовки показан на Рисунке 3.49.

40

30

<2 I20

£ оа

С с.10

§• О

•е-

О/

П

Л 30 37 3 В

19 2 2 ?я

— — 2 1

->

0,008

0,01

0 0,002 0,004 0,006

Относительная толшнна заготовки, [-]

Отверстие после вытяжки стаканчика ■ Отверстие перед вытяжкой стаканчика

0,012

Рисунок 3.49. Зависимость силы деформирования для детали с из сплава АМг5 от относительной толщины исходной заготовки

На Рисунке 3.49 видно, что график зависимости силы деформирования от относительной толщины исходной заготовки при способе получения детали с пробивкой отверстия перед вытяжкой стаканчика лежит выше, чем график при способе получения с пробивкой отверстия после вытяжки стаканчика. При этом сила деформирования при способе с пробивкой отверстия перед вытяжкой стаканчика практически линейно увеличивается с ростом относительной

При деформировании заготовки из алюминиевого сплава АМг5 способом с пробивкой отверстия до вытяжки стаканчика образуется кривизна края полученной детали с меньшим диаметром, график зависимости кривизны края заготовки от исходной относительной толщины показан на Рисунке 3.50. Как видно из графика, максимальное искривление края полученной детали образуется при относительной толщине заготовки 0,009 и составляет 0,015, а

минимальное - при относительной толщине 0,008 и составляет 0,011.

0,016 г ~ 0,014 ■£ 0,012 ■-Ш

® 0,01 • -

0

оЗ 0,008 ■ -г*

я 0,006

X

£ 0,004 • -

1

5 0,002 ■ -о.

а 0 ■0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 Относительная толщина исходной заготовки, [-]

Рисунок 3.50. Зависимость искривления полученной детали из сплава АМг5 от относительной толщины исходной заготовки при способе с пробивкой

отверстия до вытяжки стаканчика

3.5. Влияние технологического зазора между инструментами на процесс

формоизменения

Для каждой отдельной операции листовой штамповки существуют свои рекомендации по величине технологического зазора между инструментом. Однако при осуществлении совмещения операций раздачи, обжима, вытяжки и отбортовки нельзя дать однозначной рекомендации по данному вопросу без проведения дополнительного исследования. В связи с этим было проведено моделирование совмещенной операции при зазорах, равных ъ = б(1+ х), где б -толщина заготовки, х = (0,03.. .0,3).

3.5.1. Получение детали без цилиндрически поясков Было проведено моделирование для получения конической детали с размерами, указанными на Рисунке 3.1 для стали 08кп с различными зазорами между инструментом. Результаты моделирования представлены в Таблице 13.

Таблица 13.

Формоизменение детали без цилиндрических поясков из стали 08кп при

различных зазорах между инструментом

Зазор Формоизменение Высота дефектов Относительное утонение

1,03б ▼

1,05б

1,07б ▼ V

1,11б

1,13б V ▼

1,15б ▼

Зазор Формоизменение Высота дефектов Относительное утонение

1,17б

1,2б

1,23б

1,25б V

1,27б

1,зб

Как видно из Таблицы 13, при зазоре более 1,23 б образуется волнистость при переходе из зоны раздачи в зону обжима, в остальном формоизменение заготовки практически одинаково при любом значении зазора.

График зависимости максимальной высоты дефектов от зазора (где зазор равен ъ = б(1+ х)) показан на Рисунке 3.51.

— 1,5

«

н а

8 £ 1 3 У

оа * -©< 0,5

о>

Ч О

/V 1,5 01 $24

,191 1 1 7 34 ¿8

1 195 ( и 01'

го 91 7 24 о. У1 4 56?

->1

0,05 ОД 0Д5 0,2

X, [-]

0,25

0,3

0,35

Рисунок 3.51. Зависимость максимальной высоты дефектов у конической детали из стали 08кп от величины технологического зазора

Из графика (Рисунок 3.51) видно, что наименьшая максимальная величина дефекта равна 0,562 мм при зазоре 1,3 б, немного больше высота дефектов образуется при зазоре 0,15б и составляет 0,724 мм. Наибольшее значение максимальной величины дефектов возникает при зазоре 0,2б и достигает 1,824 мм. Из Таблицы 13 можно заметить, что наибольшие значения максимальной высоты дефектов при любом зазоре возникают в зоне раздачи (выделено желтым).

В ходе моделирования было обращено внимание на изменение толщины заготовки при изменении зазора. Графики зависимости максимального относительного утонения и утолщения от величины зазора показаны на Рисунке 3.52. На рисунке красной стрелкой обозначена наибольшая разнотолщинность (перепад между максимальными относительными утолщением и утонением), которая соответствует 0,306 и возникает при зазоре 1,03s, наименьшие разнотолщинности равны 0,274 и 0,278 при зазорах 1,27s и 1,^ соответственно.

0Д5 ОД 0,05 0

-0,05 -0,1 -0,15 -0,2

Л1. 14 и,и —«— 0,121 0,1 25 од 23 0,126 0 12 ОД 28

0,129 "1 1 0,1 28 0,126 ) к

1

а г О и 0.30« 0 ¿78 0 ¿74

0/ (>£ ф 0,05 0, 1 0, .5 0 2 0,25 0 3 Ж* о,:

X <и 2 г>

X -С ).164 -0,151 од 71 г " 0,153 158 - )Д67 -0,159

-0 8? -0Д61 -0, 153 -0, -0Д4< -ОД 64

Рисунок 3.52. Зависимость максимального относительного утонения и утолщения детали из стали 08кп от величины технологического зазора

Из Таблицы 13 можно сделать вывод, что максимальное относительное утолщение (выделено желтым) при любом технологическом зазоре образуется в зоне обжима, а максимальное относительное утонение (выделено красным) - в зонах раздачи, вытяжки и отбортовки.

График зависимости силы деформирования от величины технологического зазора показан на Рисунке 3.53.

Рисунок 3.53. Зависимость силы деформирования конической детали без цилиндрических поясков из стали 08кп от величины технологического зазора

Из графика (Рисунок 3.53) видно, что сила деформирования не имеет прямой зависимости от величины зазора, при этом изменяется в диапазоне от

54 кН до 61 кН. Максимальная сила деформирования наблюдается при зазоре, равном 1,03 б, а минимальная - при зазоре 1,2б.

3.5.2. Получение детали с цилиндрическими поясками Также проведено моделирование для получения детали с цилиндрическими поясками с размерами, указанными на Рисунке 3.7 для стали 08кп с варьированием технологического зазора. Результаты моделирования показаны в Таблице 14. При зазорах 1,0Зб, 1,07б, и 1,Зб возникают небольшие желтые зоны на краю заготовки в области отбортовки, в данных местах есть опасность возникновения разрыва, при зазорах более 1,2 б наблюдается волнистость в зоне перехода области раздачи к обжиму. В остальном формоизменение заготовки отличается незначительно.

Таблица 14.

Формоизменение детали с цилиндрическими поясками из стали 08кп при

различных зазорах между инструментом

Зазор Формоизменение Высота дефектов Относительное утонение

1,03б

1,05б

1,07б

1,11б

Зазор Формоизменение Высота дефектов Относительное утонение

1,13б

1,15б %с9 цр

1,17б «ДО

1,2б

1,23б

1,25б

1,27б

1,зб

График зависимости максимальной высоты дефектов от величины зазора показан на Рисунке 3.54. Из графика видно, что наименьшие значения высоты дефектов возникают при наибольших величинах зазора. Так, при технологическом зазоре 1,25б максимальная высота дефектов равна 0,022 мм,

при 1,27б - 0,033 мм, при 1,3б - 0,019 мм. Наибольшая высота дефектов возникает при зазоре 1,07б и составляет 1,361 мм. При этом из Таблицы 14 можно заметить, что максимальная высота дефектов (показано желтым) при любом значении зазора возникает в области раздачи, лишь при зазоре 1,27б максимальная высота дефектов наблюдается в зоне обжима.

хД]

Рисунок 3.54. Зависимость максимальной высоты дефектов у полученной детали из стали 08кп от величины технологического зазора

В ходе моделирования было обращено внимание на максимальную разнотолщинность полученной детали (Рисунок 3.55). Красной стрелкой обозначена максимальная относительная разнотолщинность, которая возникает при технологическом зазоре 1,3 б и равна 0,25. Минимальная разнотолщинность обозначена зеленой стрелкой, образуется при зазоре 1,13б и составляет 0,194. При этом же зазоре возникает минимальное значение максимального относительного утонения, которое равно (-0,157), минимальное значение максимального относительного утолщения равно 0,029 и возникает при величине зазора, равной 1,07б. Если обратиться к Таблице 14, то можно сделать вывод, что наибольшая величина максимального относительного утолщения (показано желтым) образуется в зоне обжима. Наибольшее значение максимального относительного утонения (показано красным) возникает в областях вытяжки и отбортовки.

0,1 0,05 0

-0,05 -0,1 -0,15 -0,2

—♦— Относительное уголшение -■— Относительное утонение

Рисунок 3.55. Зависимость максимального относительного утонения и утолщения детали из стали 08кп от величины технологического зазора

а 0 0? 0 03 0 ,03 2 0 0?« >0 .032 0,037 0 оз: 2 0,034 1033 0,039 0,036 0,036

е1 г; о н X

1 У

од 0,05 0, 1 0, 15 0,2 0,25 0 3 о,:

ь м 0 ,194 0,25

X 18 П 177

-0, 15- -0, 157 -0 3 ОД 9

-0,213 -0,205 -0Л 84 -0,202 -1) Да -о,; 214

График зависимости силы деформирования от величины технологического зазора представлен на Рисунке 3.56, из которого можно сделать вывод, что нет явной зависимости силы деформирования от величины зазора, график меняется скачкообразно с увеличением значения технологического зазора, при этом максимальная сила деформирования равна 48 кН при зазоре 1,05б, минимальная составляет 43 кН и необходима при зазорах 1,03б, 1,15б, 1,23б и 1,25б.

Рисунок 3.56. Зависимость силы деформирования детали из стали 08кп от

величины технологического зазора

Так как наименьшая разнотолщинность выявлена при зазоре 1,13б (Рисунок 3.55), а наименьшие величины максимальной высоты дефектов - при

зазоре 1,25 б и выше (Рисунок 3.54), было проведено моделирование при зазоре 1,25б в зоне цилиндрической части с большим диаметром (область раздачи), а для остальной части высоты заготовки с зазором 1,15б (несколько большим, чем оптимальный для разнотолщинности).

По результатам моделирования было установлено, что при таких величинах технологического зазора между инструментом, максимальное относительное утонение (обозначено красной точкой), возникающее в области вытяжки равно (-0,172), а максимальное относительное утолщение (обозначено желтой точкой), которое появляется в области обжима, составляет 0,031 (Рисунок 3.57). Таким образом, максимальная разнотолщинность получаемой детали равна 0,203.

Рисунок 3.57. Максимальное относительное утонение и утолщение детали

Максимальная высота дефектов при выбранных зазорах составляет 0,016 мм (обозначено желтым) и находится в зоне обжима, а не раздачи (Рисунок 3.58). При этом необходимая сила деформирования равна 46 кН.

Рисунок 3.58. Высота дефектов детали

В общем случае для упрощения изготовления штамповой оснастки рекомендуется применять технологический зазор между матрицей и пуансоном в диапазоне от 1,^ до 1,^.

3.6. Влияние трения на процесс формоизменения Немаловажным фактором при проведении технологических процессов листовой штамповки является трение. Для исследования влияния трения на процесс совмещения операций раздачи, обжима, вытяжки и отбортовки было проведено моделирование процесса с различными коэффициентами трения. 3.6.1. Получение детали без цилиндрически поясков Было проведено моделирование для получения детали с размерами, указанными на Рисунке 3.1 для стали 08кп с различными коэффициентами трения. Результаты моделирования представлены в Таблице 15, из которой видно, что формоизменение заготовки при любом коэффициенте трения практически неизменно.

Таблица 15.

Формоизменение детали при различных коэффициентах трения

Коэффициент трения Формоизменение Высота дефектов Относительное утонение

0,05 V

0,1 ▼ ▼

0,15

0,2 ▼

0,25 ▼

0,3 ТУ ?

Зависимость максимальной высоты дефектов от величины коэффициента трения показана на Рисунке 3.59. Максимальная высота дефектов при коэффициенте трения 0,05, равная 1,114 мм, уменьшается до значения 0,724 мм (что является наименьшим значением максимального значения высоты дефектов) с увеличением коэффициента трения до 0,15, далее максимальная высота дефектов увеличивается до значения 1,82 мм при коэффициенте трения 0,25, и затем падает до значения 1,037 мм при коэффициенте трения 0,3. Максимальная высота дефектов образуется в зоне раздачи при любом коэффициенте трения (Таблица 15).

1

я -

Н й О С

н 2 2

-е-

о

е£

2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2

>4 I ] I II II [82

X' I

\ж \ I XI |

- 1 А г Их

Т* I I I I I N

иь ————Я-Я ^———

14

0,7 64 0,7 24

I I I I

I I I III ->

0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

Коэффициент трения, [-]

0,3

0,35

Рисунок 3.59. Зависимость максимальной высоты дефектов у полученной детали из стали 08кп от коэффициента трения

Графики максимального относительного утонения и утолщения представлены на Рисунке 3.60. Наибольшую разнотолщинность, равную 0,296, можно наблюдать при коэффициенте трения 0,3 (отмечено красной стрелкой). Наименьшая разность между максимальными относительными утолщением и утонением (показана зеленой стрелкой) равна 0,278 и образуется при коэффициенте трения 0,15. При этом наибольшая величина максимального относительного утолщения равна 0,14 при коэффициенте трения 0,25, наименьшая - 0,124 при коэффициенте трения 0,2. Наибольшее абсолютное значение максимального относительного утонения равно 0,169 и образуется при коэффициенте трения 0,3, наименьшее - 0,15 при коэффициенте трения

0,25. Из Таблицы 15 можно сделать вывод, что максимальное относительное утолщение всегда возникает в зоне обжима, а утонение - в области отбортовки и вытяжки, за исключением коэффициента трения 0,15, - здесь максимальное относительное утонение наблюдается в зоне раздачи.

Относительное утонение

Рисунок 3.60. Зависимость максимального относительного утонения и утолщения детали из стали 08кп от коэффициента трения

Сила деформирования линейно увеличивается с ростом коэффициента трения от значения 56 кН при коэффициенте трения 0,05 до значения 61 кН при коэффициенте трения 0,3 (Рисунок 3.61).

Рисунок 3.61. Зависимость силы деформирования детали из стали 08кп от

коэффициента трения

3.6.2. Получение детали с цилиндрическими поясками

Для исследования влияния коэффициента трения на формообразование при получении детали с цилиндрическими поясками было проведено моделирование для детали с размерами, указанными на Рисунке 3.5 из стали 08кп с различными коэффициентами трения.

Результаты моделирования представлены в Таблице 16, из которой видно, что формоизменение заготовки практически одинаково при любом коэффициенте трения.

Таблица 16.

Формоизменение детали с цилиндрическими поясками из стали 08кп при

различных коэффициентах трения

Коэффициент трения Формоизменение Высота дефектов Относительное утонение

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

Влияние коэффициента трения на максимальную высоту дефектов показано на Рисунке 3.62, из которого видно, что наибольшая величина максимальной высоты дефектов образуется при коэффициенте трения 0,05 и составляет 0,974 мм, а наименьшая - при коэффициенте трения 0,25 и равна 0,395 мм.

О 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

Коэффициент трения, [-]

Рисунок 3.62. Зависимость максимальной высоты дефектов у полученной детали из стали 08кп от коэффициента трения

При этом можно отметить, что максимальная высота дефектов возникает в зоне раздачи вне зависимости от коэффициента трения (Таблица 16).

Графики зависимости максимального относительного утонения и утолщения от коэффициента трения показаны на Рисунке 3.63. По данным графикам можно судить о максимальной разнотолщинности получаемой детали в зависимости от коэффициента трения. Так, наибольшая разнотолщинность, показанная на рисунке красной стрелкой, образуется при коэффициенте трения 0,1 и составляет 0,227, а наименьшая, показанная зеленой стрелкой, появляется при коэффициенте трения 0,05 и равна 0,207. Наибольшая величина максимального относительного утолщения равна 0,036 при коэффициенте трения 0,05, а наименьшая - 0,027 при коэффициенте трения 0,3.

Относительное yтoнe^

Рисунок 3.63. Зависимость максимального относительного утонения и утолщения детали из стали 08кп от коэффициента трения

Также можно отметить, что максимальное относительное утолщение при всех коэффициентах трения образуется в области обжима (Таблица 16). Наибольшее абсолютное значение максимального относительного утонения равно 0,194 при коэффициенте трения 0,1, а наименьшее составляет 0,171 при коэффициенте трения 0,05. Максимальное относительное утонение возникает на краю заготовки с меньшим диаметром в зонах отбортовки и вытяжки (Таблица 16).

Сила деформирования так же, как и для детали без цилиндрических поясков, увеличивается с ростом коэффициента.

3.7. Определение граничного радиуса между вытяжкой и отбортовкой В главе 2 получены зависимости для определения параметров предварительно вытянутого стаканчика с отверстием, из которого происходит получение детали без горловины по меньшему диаметру. В данные зависимости входит ROT6, для определения которого был проведен ряд моделирований для деталей из стали 08кп. В результате получен график,

А

Rrp/R

0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

-> R/r

2 2,5 3 3,5 4 4,5

Рисунок 3.64. Зависимость отношения граничного радиуса между отбортовкой и вытяжкой к наибольшему радиусу полученной детали от отношения наибольшего к наименьшему радиусу полученной детали

3.8. Сравнение зависимостей, полученных аналитическим путем, с

результатами моделирования Проведено моделирование и проанализированы его результаты для сравнения с зависимостями, полученными аналитическим путем, для деталей из стали 08кп, стали 08Х18Н10, алюминиевого сплава АМг5. Максимальное отклонение моделирования от расчетов аналитическим путем показано на Рисунке 3.65.

20,0% 10,0% 0,0% -

7,3% 8,4%

12,3%

7,2% 8,8%

12,5%

12,8%

7,8% 9,2%

08кп

08Х18Н10

АМг5

■ Наружный диаметр ■ Высота ■ Диаметр отверстия

Рисунок 3.65. Максимальное отклонение результатов моделирования

от аналитического расчета

Моделирование показало, что наибольшую максимальную разницу в расчетах составляет диаметр пробиваемого отверстия: для 08кп - 12,3%, для 08Х18Н10 - 12,5%, для Амг5 - 12,8%, максимальное отклонение для высоты предварительно вытянутого стаканчика составляет: для 08кп - 8,4%, для 08Х18Н10 - 8,8%, для Амг5 - 9,2%, наименьшую максимальную разницу составляет наружный диаметр стаканчика: для 08кп - 7,3%, для 08Х18Н10 -7,2%, для Амг5 - 7,8%. Также установлено, что свойства материала не оказывают значительного воздействия на определение исходных размеров заготовки для совмещенной операции.

3.9. Выводы по Главе 3

1. С помощью разработанной математической модели процесса совмещения операций раздачи, обжима, вытяжки и отбортовки для программы AutoForm был изучен новый процесс изготовления конических деталей и влияние отдельных параметров процесса на течение операции. Моделирование показало, что вышеуказанным способом возможно получение деталей с перепадом диаметров до 4,5 раза.

2. Установлено, что диапазоны значений относительной толщины исходной заготовки для получения деталей без образования дефектов изменяются в следующих границах: для детали без цилиндрических поясков -это от 0,004 до 0,028; для детали с цилиндрическими поясками - от 0,005 до 0,0028.

3. При увеличении относительной толщины исходной заготовки растет сила деформирования, необходимая для осуществления совмещения, увеличивается максимальное относительное утонение и снижается максимальное относительное утолщение полученной детали. При этом для детали с поясками максимальное относительное утонение находится в зонах отбортовки и вытяжки, а утолщение - в зоне обжима. Максимальное относительное утолщение для деталей без цилиндрических поясков лежит в зоне обжима, а максимальное относительное утонение может находиться, как в

зонах отбортовки и вытяжки, так и в зоне раздачи в зависимости от относительной толщины исходной заготовки.

4. У деталей без цилиндрических поясков для стали 08Х18Н10 в отличие от стали 08кп диапазон применимых относительных толщин, при которых не образуется зон разрывов, несколько шире - от 0,009 до 0,038. Для алюминиевого сплава Амг5 очень узкий диапазон применимых относительных толщин - от 0,006 до 0,012. Сила деформирования для осуществления совмещенной операции для стали 08Х18Н10 необходима выше, чем для стали 08кп, а для сплава Амг5 - ниже.

5. У деталей с цилиндрическими поясками для стали 08Х18Н10 диапазон применимых относительных толщин уже, чем для стали 08кп - от 0,008 до 0,023, для алюминиевого сплава Амг5 - от 0,007 до 0,011. Сила деформирования, как и для деталей без цилиндрических поясков, для стали 08Х18Н10 необходима выше, чем для стали 08кп, а для сплава Амг5 - ниже.

6. В случае пробивки отверстия после вытяжки стакана процесс формообразования идет стабильнее, чем при пробивке отверстия в круглой заготовке перед вытяжкой.

7. При увеличении коэффициента трения растет сила деформирования, необходимая для совмещения операций раздачи, обжима, вытяжки и отбортовки.

8. Полученный график зависимости отношения граничного радиуса между отбортовкой и вытяжкой к наибольшему радиусу полученной детали от отношения наибольшего к наименьшему радиусу полученной детали без горловины по меньшему диаметру позволяет использовать зависимости для определения геометрических размеров промежуточной заготовки, полученные инженерным методом.

9. Сравнение аналитических зависимостей и моделирования показало, что наибольшую максимальную разницу в расчетах составляет диаметр пробиваемого отверстия: для 08кп - 12,3%, для 08Х18Н10 - 12,5%, для Амг5 -12,8%, максимальное отклонение для высоты предварительно вытянутого

4.1. Задачи, оборудование и технологическая оснастка для экспериментального исследования

В качестве задач экспериментального исследования процесса совмещения операций раздачи, обжима, вытяжки и отбортовки можно выделить следующие:

1) проверка адекватности математического моделирования процесса;

2) проверка полученных аналитических зависимостей.

Экспериментальное исследование проводилось в лаборатории кафедры

МТ-6 «Технологии обработки давлением» МГТУ им. Н.Э.Баумана на гидравлической машине 1ш1гоп 600ЭХ номинальной силой 600 кН, которая является промышленной испытательной машиной с двумя рабочими зонами, разработанная для проведения испытаний на растяжение, сжатие, изгиб и сдвиг с высокой нагрузочной способностью (Рисунок 4.1). Оборудование работает от гидравлической насосной станции, которая приводит в движение поршень, создающий необходимое усилие для испытания. Нагрузочная рама, гидравлическая станция, электронные приборы и панель управления выполнены в единой компоновке [167].

I

1| I

Рисунок 4.1. !ш1гоп 600БХ

Р=1

Рисунок 4. 2. Штамп для вытяжки стаканчика

Штамп для процесса совмещения операций раздачи, обжима, вытяжки и отбортовки показан на Рисунке 4.3, где 1 - предварительно вытянутый стаканчик с пробитым в донышке отверстием, 2 - пуансон, 3- матрица.

Рисунок 4.3. Штамп для совмещения операций

Экспериментальный штамп показан на Рисунке 4.4, где 1 - матрица, 2 -пуансон, 3 - обойма, 4 - полученная деталь.

Рисунок 4.4. Экспериментальный штамп

4.2. Экспериментальное исследование совмещенного процесса Для вытяжки стаканчика были взяты холоднодеформированные плоские заготовки из стали 08кп толщиной 1 мм. В полученных вытяжкой стаканах просверливали отверстие в донышке. Эскизы заготовок показаны на Рисунке 4.5, экспериментально полученные стаканчики с отверстием в донышке

Рисунок 4.5. Эскизы полученных вытяжкой стаканчиков с отверстием в донышке высотой: а) 24,8 мм; б) 33,4 мм; в) 31 мм

ЛГ

а)

б)

в)

Рисунок 4.6. Полученные вытяжкой стаканчики с просверленным отверстием в донышке высотой: а) 24,8 мм; б) 33,4 мм; в) 31 мм

Совмещением операций раздачи, обжима, вытяжки и отбортовки из предварительно вытянутых стаканов с отверстием в донышке были получены конусообразные детали с размерами, показанными на Рисунке 4. 7. Детали, полученные экспериментальным путем, показаны на Рисунке 4.8. При этом можно отметить, что коэффициенты формоизменения (К^) получены следующие: а) 3,22; б) 3,68; в) 3,54.

а) б) в)

Рисунок 4.7. Эскизы полученных совмещением операций деталей из стаканчиков высотой: а) 24,8 мм; б) 33,4 мм; в) 31 мм

а) б) в)

Рисунок 4.8. Экспериментально полученные совмещением операций деталей из стаканчиков высотой: а) 24,8 мм; б) 33,4 мм; в) 31 мм

При экспериментальном получении детали с размерами, указанными на Рисунке 4.7, а, был получен предельный случай горловины (горловина равна нулю). Для проверки зависимостей, выведенных инженерным методом, экспериментально полученные размеры детали (Рисунок 4.7, а) подставим в формулы (2.63) - радиус вытянутого стакана, (2.72) - высота стакана и (2.69) -радиус пробитого отверстия. Также было проведено моделирование рассматриваемого технологического процесса в программном комплексе AutoForm. Полученные результаты и их сравнение с экспериментом представлены в Таблице 17.

Параметр Экспери мент, мм Моделирование, мм Разница, % Аналит. формулы, мм Разниц а, %

Стаканчик (после обрезки торцов)

Наружный диаметр 51,4 47,3 7,98

Высота 24,8 - - 24,25 2,22

Диаметр отверстия 11,8 10,5 11,02

Конус

Наружный диаметр 63,4 64,7 2

Внутренний диаметр 19,7 19,0 3,6

Длина образующей 40,4 40,3 0,25

Коэффициент Кх 3,22 3,41 5,43

На основе данных, представленных в Таблице 17, можно отметить хорошую сходимость результатов физического эксперимента как с моделированием (для полученных размеров максимальная разница составляет 3,6%, для коэффициента формоизменения совмещенной операции - 5,43%), так и с инженерным методом (максимальная разница - 11,02%).

График зависимости силы деформирования от перемещения пуансона при эксперименте, полученный с помощью индикатора силы на и при

Эксперимент - Моделирование

150 100 50 0