Повышение эффективности изготовления поковок сложной формы на основе совершенствования процессов горячей объемной штамповки в разъемных матрицах

Актуальность работы. В отечественной промышленности распространены детали типа фланцев и тройников, в частности, в арматуростроении, нефтедобывающей и газодобывающей промышленности, строительной индустрии. Отрасль арматуростроения на сегодняшний день вполне продвинута и конкурентоспособна, однако актуален вопрос повышения эффективности производства и снижения себестоимости подобных изделий.

На сегодняшний день освоен ряд технологий горячей объемной штамповки поковок фланцевого типа. Традиционным методом их изготовления является облойная штамповка в открытых штампах. Среди главных преимуществ этого метода можно выделить высокую производительность и возможность получения относительно точных поковок простой формы. Однако у рассмотренного метода есть ряд недостатков: увеличенный расход металла, из-за наличия облоя и больших припусков и напусков, снижающих коэффициент использования металла. Облой является технологической необходимостью, т.к. он обеспечивает заполнение полости штампа, но потери металла при штамповке могут достигать 25% и более. Наличие облоя увеличивает силу деформирования и требует дополнительного оборудования для проведения операции обрезкипотребность в сравнительно больших технологических силах, из-за воздействия инструмента на всю площадь заготовки и наличия облоя требует завышенные мощности нагревательного и штамповочного оборудованияпроизводство деталей сложной формы (типа крестовин зубчатых колес, сплошных и полых ступиц с периферийными элементами в виде ребер, отростков, выступов и др.) средствами облойной штамповки становится особенно затратным из-за высокой трудоемкости последующей механической обработки.

Повысить эффективность изготовления деталей типа фланцев и тройников, а также устранить вышеуказанные недостатки позволяет технология безоблойной штамповки, основанная на методе комбинированного выдавливания в разъемных матрицах. Предложенная технология позволяет повысить коэффициент использования металла с 0,25−0,70 до 0,5−0,85, или на 20−60%, т. е. перевод на штамповку в разъемных матрицах одной тонны деталей дает экономию металла от 0,25 до 0,5 т.

При переходе на штамповку в разъемных матрицах производительность труда в среднем увеличивается на 25% за счет сокращения числа переходов штамповки с двух-четырех до одного-двух. Предложенный процесс штамповки, в отличие от облойной, может быть легко автоматизирован, так как выполняется за минимальное число переходов и обеспечивает хорошее центрирование и фиксацию заготовок в ручье. Расположение волокон в теле детали, в силу близости форм поковки и готовой детали, благоприятное. Важным преимуществом процесса является возможность предотвращения пористости деталей (за счет исключения выхода внутренних, загрязненных примесями, слоев заготовки на поверхность детали) и возможность получения монолитной крупногабаритной детали, исключающей последующие операции сварки и дополнительной механической обработки.

Однако, несмотря на большую эффективность, способ безоблойной штамповки долгое время не мог быть внедрен в широкое промышленное применение. Это объяснялось недостаточным техническим уровнем штамповочного производства, отсутствием специализированного оборудования, отсутствием как эмпирических, так и теоретически обоснованных формул для расчета температурных и силовых режимов безоблойной штамповки по переходам и т. п.

Объектом производства, имеющим фланец, для которого разрабатывался технологический процесс в настоящей работе, является тройник. Цель работы: Повышение эффективности изготовления сложнопрофильных деталей методами закрытой объемной штамповки за счет уменьшения коэффициента использования металла на основе применения штампов с разъемными матрицами.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

— выявить влияние кинематики течения металла и температурного фактора при комбинированном выдавливании на возникновение дефектов;

— разработать компьютерные модели предложенных технологических процессов горячей штамповки;

— создать математические модели на основе предложенных схем деформирования с получением основных соотношений для расчета энергосиловых параметров;

— разработать рекомендации по проектированию устройств противодавления и конструирования штамповой оснастки, имеющей матрицы с горизонтальным и вертикальным разъемами;

— разработать новые технологии горячего комбинированного выдавливания поковок с развитыми фланцами.

Методы исследования. Компьютерное моделирование конечно-элементным методом применялось для оценки напряженно — деформированного состояния заготовки при сложном течении металла, установления возможных дефектов формообразования и внесения в конструкцию рабочего инструмента корректив для их устранения, а так же для оценки распределения температур в поковке. Математическое моделирование энергосиловых параметров процессов проводилось энергетическим методом. Распределение температуры в поковке определялось решением дифференциального уравнения Фурье при принятых допущениях и граничных условиях. Метод теплового баланса применялся для определения его составляющих в системе «заготовка-инструмент». Достоверность результатов подтверждается соответствием результатов компьютерного и математического моделирования с экспериментом, а также возможностью практического использования результатов работы в промышленности.

— в выявлении влияния геометрических параметров полости штампа, в частности, угла наклона конической части пуансона и радиусов скругления, на кинематику течения металла и заполняемость гравюр полуматриц при комбинированном выдавливании поковок сложной формы с разделением очагов деформации, анализ которых позволил изготавливать детали с увеличенным диаметром фланцевой части без потери устойчивости за меньшее число переходов на одной позиции пресса, а так же избежать дефектов в виде зажимов и недоштамповки;

— в выявлении взаимосвязи и характера изменения величин технологической силы деформирования и силы противодавления при горячем комбинированном выдавливании от геометрических соотношений размеров заготовки и поковки, от изменения относительного диаметра и высоты фланцевой части в процессе деформирования, от условий трения на контактных поверхностях, от температуры нагрева металла и степени его деформации;

— в компьютерных моделях, представляющих собой ЗД модели поковок реальных размеров, позволяющих оценить энергосиловые параметры разработанных технологических процессов горячей штамповки в разъемных матрицах, смоделировать кинематику течения металла и определить вектор направления скорости его течения, проанализировать температурные поля заготовки за цикл обработки, спрогнозировать образование поверхностных дефектов, в частности, в виде трещин на боковой поверхности фланцав математических моделях, основанных на энергетическом методе, и в основных аналитических соотношениях, позволяющих количественно определить необходимые активные и реактивные силы на заключительном этапе деформирования, а так же проанализировать характер их изменения на стадии формообразования фланцевой части.

Практическая значимость работы заключается:

— в разработке ресурсосберегающих технологических процессов безоблойной штамповки сложнопрофильных поковок с увеличенными размерами фланцевой части за ограниченное количество переходов, что повышает производительность при увеличении коэффициента использования металла за счет сокращения припусков и штамповочных уклонов, снижающего затраты на последующую механическую обработку, при снижении энергозатрат за счет уменьшения технологических сил и использования прессов с меньшей номинальной силой;

— в рекомендациях по разработке технологических процессов и конструированию штамповой оснастки при комбинированном выдавливании фланцевых поковок с диаметром фланцевой части до 70 мм и свыше 90 мм;

— в рекомендациях по конструированию специального устройства противодавления, встраиваемого в штамп с разъемными матрицами, позволяющего универсальным прессам работать в режиме прессов двойного действия при штамповке поковок близких типоразмеров, схожей номенклатуры.

Реализация работы. Полученные результаты и рекомендации приняты к использованию ООО «Коммунсельхозтехника» (г. Мценск, Орловской обл.). Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждались:

— на научно — практической конференции студентов и аспирантов «Автоматизация и информационные технологии» 2007 года (ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»), 2008 года (почетная грамота), 2009 года (диплом);

— на всероссийской научно — технической конференции «Студенческая научная весна 2008: машиностроительные технологии» (МГТУ им. Н.Э. Баумана), (диплом лауреата 2й степени) — 2010 г. (диплом лауреата 1й степени);

— на XII научной конференции МГТУ «СТАНКИН» и «учебного центра математического моделирования МГТУ „СТАНКИН“ — ИММ РАН» по математическому моделированию и информатике в 2009 года;

— на XIII Международной научно-технической конференции «Новые наукоемкие технологии, оборудование и оснастка для обработки металлов давлением» (ДГМА, Краматорск, 2010 г.);

— на XV Международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы развития технологий и машин обработки металлов давлением» (ДГМА, Краматорск, 2012 г.);

— принимали участие в конкурсах:

1) в Открытом конкурсе 2007 и 2008 годах на лучшую научную работу студентов ВУЗов по естественным, техническим и гуманитарным наукам (грамоты);

2) на соискание премии имени академика А. И. Целикова за лучшую научную студенческую работу в области металлургического машиностроения (ВНИИМЕТМАШ — 2008 г.) (диплом III степени);

3) на IX всероссийской выставке Научно — Технического Творчества Молодежи (НТТМ 2009 г.) (грант II степени Правительства РФ). Публикации: основные положения диссертации отражены в 15 публикациях, включая 4 в рецензируемых научно-технических журналах из перечня ВАК, 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 101 наименования и приложений. Работа содержит 94 страницы машинописного текста, 51 рисунок, 28 таблиц. Общий объем работы составляет 116 страниц.

Общие выводы.

1. В диссертационной работе изложены научно-обоснованные технологические разработки, связанные с повышением эффективности изготовления поковок сложной формы на примере «тройника», способствующие совершенствованию процессов горячей объемной штамповки за счет использования разъемных штампов, что имеет существенное значение для экономики и обеспечения обороноспособности страны.

2. Выявлено влияние геометрических параметров полости штампа, в частности, угла наклона конической части пуансона и радиусов скругления, на кинематику течения металла и заполняемость гравюр полуматриц при горячем комбинированном выдавливании поковок сложной формы с разделением очагов деформации, что позволило получать детали с увеличенным диаметром фланцевой части без потери устойчивости за меньшее число переходов на одной позиции пресса, увеличить номенклатуру поковок, а так же избежать дефектов в виде зажимов и недоштамповок.

3. На основе математических моделей теплопереноса, основанных на энергетическом методе, проанализировано тепловыделение, сопровождающее процессы деформирования, с получением тепловых полей поковки и расчетом составляющих теплового баланса системы «поковка — инструмент», что дало возможность рассчитать максимально возможный диаметр фланцевой части поковки, который можно получить без образования трещин на боковой поверхности. Полученная модель теплопереноса позволяет определить распределение температуры в самой поковке, а так же в пограничных слоях поковки и инструмента, что позволяет с некоторой степенью приближения определить температуру нагрева инструмента, спрогнозировать долговечность его работы.

4. Построенные компьютерные модели процессов деформирования на стадии предпроектных расчетов дало возможность смоделировать кинематику течения металла, смыкание полуматриц и движение их как единого инструмента, что позволило спрогнозировать образования дефектов в виде зажимов и недоштамповок, внести необходимые корректировки в геометрию полости штампа, определить оптимальный угол наклона конической части пуансона для получения увеличенного диаметра фланцевой части поковок без потери устойчивости, получить распределение тепловых полей поковки для подтверждения адекватности расчетных зависимостей.

5. Разработанная математическая модель расчета силовых параметров штамповки в разъемных матрицах, основанная на энергетическом методе, позволила установить взаимосвязь активных и реактивных сил при горячем комбинированном выдавливании от геометрических соотношений размеров заготовки и поковки, от изменения относительного диаметра и высоты фланцевой части в процессе деформирования, от условий трения на контактных поверхностях, от температуры нагрева металла и степени его деформации как на заключительной стадии деформирования, так и на протяжении всего процесса формообразования фланцевой части поковки.

6. Полученные аналитические зависимости на основе разработанной математической модели дали возможность определить количественную оценку силы противодавления, необходимой для смыкания разъемных матриц и удержания их в сомкнутом состоянии на протяжении всего процесса деформирования, что позволило обосновать выбор вертикального разъема полуматриц для получения крупногабаритных сложных поковок с увеличенным диаметром фланцевой части (свыше 90 мм).

7. На основа анализа устройств противодавления и опыта их проектирования разработаны рекомендации по выбору рациональных конструкций для реализации технологических процессов штамповки в разъемных матрицах на примере поковок тройник и фланец.

8. Полученные результаты и рекомендации приняты к использованию на ООО «Коммунсельхозтехника» (г. Мценск, Орловской обл.). геометрических.