Разработка процесса изготовления высоких стаканов методом валковой штамповки

Актуальность. В настоящее время в различных отраслях промышленности широко используются полые осесимметричные детали типа «стакан», «гильза» и т. п. с высокой стенкой, фланцем или утолщением. Такие детали, как правило, имеют форму и размеры, наиболее рационально соответствующие характеру и интенсивности воспринимаемых ими нагрузок при минимально возможной для каждого случая металлоемкости. Во многих случаях подобные детали работают в сложных условиях, поэтому технология их изготовления должна обеспечивать высокую прочность, точность и качество поверхности при небольших затратах на производство.

В настоящее время среди процессов ОМД при изготовлении деталей типа «стакан» наиболее часто используются традиционные способы обратного выдавливания, вытяжки с утонением и прессования, которые имеют ряд преимуществ, таких как достаточно высокая производительность, благоприятная схема напряженно-деформированного состояния, хорошая проработка структуры металла и т. д. Однако изготовление высоких стаканов с применением технологий, основанных на использовании традиционных способов, сопряжено с рядом трудностей, вызванных высокими удельными силами деформирования, необходимостью совершения нескольких технологических переходов штамповки, наличием межоперационных отжигов, использованием инструмента из высокопрочных сталей и др.

Наиболее эффективными в этом смысле способами получения сложных осесимметричных деталей методами ОМД в последнее время оказались процессы пластического деформирования с локальным приложением нагрузки, такие как ротационная вытяжка, сферодвижная штамповка, торцовая раскатка и др. За счет локальности характера приложения деформирующих нагрузок в этих процессах происходит заметное снижение (по сравнению с традиционными способами штамповки) деформирующих сил, что позволяет в значительной степени интенсифицировать производство, уменьшить материальные и энергетические затраты, снизить износ инструмента, а в некоторых случаях повысить коэффициент использования металла и конечную производительность.

Однако несмотря на ряд очевидных преимуществ, подобные способы обладают некоторыми технологическими ограничениями, например, невозможностью получения осевого отверстия с одновременным формированием боковой поверхности заготовки, сложностью изготовления осе-симметричных деталей типа высоких стаканов с высокой стенкой или со сквозным осевым отверстием на одной позиции обработки и др.

Большой вклад в исследования общих вопросов теории и технологии процессов, применяемых для изготовления высоких стаканов традиционными способами обработки давлением внесли К. Н. Богоявленский, О. А. Ганаго, М.А., Губкин, A.M. Дмитриев, Н. И. Касаткин, А. И. Капустин, А. Г. Овчинников, И. Л. Перлин, А. А. Поздеев, Е. А. Попов, JI.B. Прозоров, В. П. Северденко, Е. И. Семенов, B.C. Смирнов, Л. Г. Степанский, М.В. Сторо-жев, С. С. Яковлев, И. Я. Тарновский, Н. Pugh, W. Jonson, Н. Kudo, М. Kunogi, Е. Tomsen и другие, вклад в теорию и технологию методов локальной обработки — М. А. Гредитор, Н. Н. Могильный, С. П. Яковлев, В.А. Го-ленков и В. Я. Осадчий, Л. Г. Юдин и др.

Решение проблем, связанных с использованием при штамповке высоких стаканов традиционными способами или методами локального пластического деформирования, потенциально возможно в случае использования какого-либо способа с более широкими технологическими возможностями. Такими возможностями обладает метод валковой штамповки, в котором одновременно происходит совмещение обратного выдавливания и локального деформирование боковой поверхности заготовки роликами или приводивши валками. При этом в ходе совершения операции создается комплексное непрерывно-дискретное нагружение очага деформации, которое за счет интенсификации пластического течения металла позволяет, снимая указанные ограничения, получать сложные осесимметричные детали на одной позиции обработки.

Однако на сегодняшний день вопросы, связанные с определением напряженно-деформированного состояния металла с учетом локализации очага пластической деформации в процессе валковой штамповки полых дета* лей типа «стакан», недостаточно изучены. При этом отсутствие научно-обоснованной методики расчета и выбора конструкторско-технологических параметров и критических режимов обработки затрудняет использование валковой штамповки в производственных условиях. Поэтому разработка процесса изготовления высоких стаканов методом валковой штамповки является весьма актуальной.

Цель работы. Разработать процесс валковой штамповки высоких ста-<4 канов с нагрузкой на пуансоне существенно меньшей, чем при обратном выдавливании, расширяющий технологические возможности метода и номенклатуру изделий.

Методы исследования.

В работе использован комплексный метод исследований, включающий проведение предварительных экспериментов и на их основе теоретического анализа с экспериментальной проверкой предложенных технических решений в лабораторных условиях. Все исследования проводились по единой методике, что дало возможность получения сопоставимых результатов. * Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния и пластического течения металла при валковой штамповке проводились на основе деформационной теории пластичности методом баланса работ с элементами вариационного исчисления, а также численного решения отдельной задачи по определению параметров осевой утяжины заготовки методом конечных элементов. Решение последней осуществлялось с использованием 111 111 «Штамп», реализующего анализ упруго-пластической модели на основе общих уравнений пластического течения Прандтля-Рейса с использованием производной Яумана. Экспериментальные исследования проводились на специально сконструированной оснастке в лабораториях Орел-ГТУ с применением общепринятых методов планирования эксперимента и статистической обработки результатов.

Научная новизна.

1. Впервые проведены экспериментальные исследования валковой штамповки высоких стаканов из сплошной заготовки, позволившие определить силовые и кинематические параметры процесса и установить особенности пластического течения металла в очаге деформации, а именно:

— определить наличие четырех основных последовательных стадий валковой штамповки детали типа «стакан» из сплошной заготовки (стадия открытой прошивки, переходная стадия, установившаяся и заключительная) и их влияние на изменение силовых режимов деформирования;

— выявить условия и механизм возникновения осевой утяжины в донной части заготовки, что дает возможность изготовления деталей со сквозным осевым отверстием на одной позиции обработки без отхода;

— установить, что угол нейтрального сечения при валковой штамповке с приводом вращения заготовки от пуансона и упора стремится к нулю, что означает фактическое отсутствие нейтральной точки на дуге контакта, а напряжения, действующие в поперечной плоскости вблизи дуги контакта, являются сжимающими.

2. Впервые разработана математическая модель валковой штамповки деталей типа «стакан» как способа обработки металлов давлением с комплексным локальным нагружением, решение которой позволило установить особенности напряженно-деформированного состояния материала в очаге деформации, а именно:

— определить осевую силу на пуансоне, радиальную силу на роликах, создаваемый момент на торцевых поверхностях упора и пуансона и потребный момент обкатки в роликовой матрице в зависимости от технологических параметров и режимов обработки;

— определить величину утяжки заготовки в радиальном направлении в зависимости от радиального обжатия и диаметра роликов;

— провести расчет максимально допустимой относительной скорости деформирования заготовки, при которой исключается ее заклинивание по схеме с приводом вращения от упора и пуансона.

Достоверность полученных результатов.

В ходе экспериментальных исследований были использованы научно обоснованная методика планирования эксперимента и обработки полученw ных данных, поверенное лабораторное оборудование и контрольно-измерительные приборы.

Достоверность результатов теоретических расчетов достигается обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи математического моделирования, а также применением современных математических методов и средств вычислительной техники и подтверждена качественным и количеШ ственным их согласованием с данными эксперимента при погрешности в пределах 10%.

Автор защищает.

1. Методику и результаты экспериментальных исследований валковой штамповки высоких стаканов, позволившие установить влияние геометрических и кинематических параметров и режимов обработки на характер пластического формоизменения заготовки.

2. Математическую модель валковой штамповки деталей типа «стащ кан» с приводом вращения заготовки от упора и пуансона и результаты ее аналитического и численного решения.

3. Методику проектирования технологических процессов валковой штамповки высоких стаканов.

4. Новые технологические схемы валковой штамповки высоких осе-симметричных деталей, расширяющие технологические возможности метода и номенклатуру изделий при увеличении производительности и стойкости инструмента, а также методику их проектирования при критических режимах обработки.

Практическая значимость и реализация работы.

• Разработана методика проектирования технологических процессов валковой штамповки полых осесимметричных деталей из сплошной заготовки, в том числе со сквозным осевым отверстием, содержащая рекомендации относительно формы и размеров инструмента, а также силовых и кинематических режимах обработки.

• Разработаны новые способы валковой штамповки, позволяющие существенно повысить производительность труда при изготовлении высоких осесимметричных деталей с глухим или со сквозным осевым отверстием, снизить нагрузку на инструмент и повысить его срок службы.

Новизна предложенных способов для изготовления полых осесимметричных деталей подтверждена двумя патентами РФ.

• Результаты работы внедрены в учебный процесс и используются при чтении лекций, проведении лабораторных и практических занятий по дисциплинам «Теория обработки металлов давлением», «Специальные виды штамповки» для студентов направления подготовки бакалавров 551 800 «Технологические машины и оборудование» и специальности 120 400 «Машины и технология обработки металлов давлением», а также при подготовке кандидатских и магистерских диссертаций, исследовательских курсовых и дипломных проектов, выпускных квалификационных работ бакалавров.

Апробация работы. По содержанию диссертационной работы был выполнен ряд докладов и сообщений, в том числе:

— на международном научно-техническом симпозиуме: «Механика и технология в процессах формоизменения с локальным очагом пластической деформации», октябрь 1997, ОрелГТУ;

— на Н-ой международной научно-технической конференции «Проблемы пластичности в технологии», октябрь 1998, ОрелГТУ;

— на международной научно-технической конференции: «Ресурсосберегающие технологии, оборудование и автоматизация штамповочного производства», ноябрь 1999, ТулГУ, а также в ряде местных межвузовских научно-технических и научно-практических конференциях и симпозиумах;

— международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные технологические проблемы в машиностроении «Технология — 2000», март 2000, ОрелГТУ;

— всероссийской конференции «Современная образовательная среда», ноябрь, 2002, ВВЦ г. Москва;

— на научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников, ежегодно устраиваемых в Орловском государственном техническом университете в период 1995;2003 гг.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 20 печатных работ среди которых 4 работы в центральных научных рецензируемых изданиях- 8 статей в различных сборниках научно-технических трудов- 6 тезисов докладов на международных, всероссийских и региональных научно-технических конференциях- 2 патента РФ на изобретения.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на.

185 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков и фотографий, 6 таблиц. Состоит из введения, четырех разделов, основных результатов и выводов, списка используемых источников, включающего 95 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с научнотехнической программой: «Высокие технологии высшей школы» (утверждена приказом № 486 от 20.03.96 «Об утверждении перечня минвузовских научно-технических программ на 1996 г.») — проектами «Исследование пластического течения металла при локальном и комплексном нагруже-нии» и «Исследование характера пластического течения металла при получении тонкостенных осесимметричных деталей методом валковой штамповки», выигравшими конкурсы грантов в 1996 и 2000 г. г. соответственнопроектом «Исследование пластического течения металла при изготовлении деталей методом валковой штамповки», вошедшим в разовый заказ-наряд в 1999 гпроектом «Исследование напряженно-деформированного состояния и характера пластического течения металла в разделительных и формообразующих операциях при локальном деформировании», вошедшим в единый заказ-наряд в 2000 г. Результаты работы были использованы при выполнении проекта «Учебный автоматизированный комплекс для изучения процессов пластической обработки материалов», выигравшего конкурс Минобразования РФ" в 2001 г, проводимого в рамках программы: «Научное, научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования» по подпрограмме: «Научное и научно-методическое обеспечение индустрии образования.

Проведенная работа соответствует «Критическим технологиям федерального уровня», утвержденным председателем Правительственной комиссии по научно-технической политике 21 июля 1996 г. по направлению «Модульные технологии производства массовой металлопродукции с новым уровнем свойств» .

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

В работе решена актуальная научно-техническая задача, состоящая в разработке нового процесса валковой штамповки высоких стаканов, с нагрузкой на пуансоне существенно меньшей, чем при обратном выдавливании, расширяющего технологические возможности метода и номенклатуру изделий при увеличении производительности и стойкости инструмента.

В результате теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные результаты и сформулированы выводы:

1. Традиционным технологиям холодной штамповки высоких стаканов свойственны ограничения, накладываемые на размеры изделий, производительность и стойкость инструмента. Применение валковой штамповки снимает или в значительной степени ослабляет эти ограничения благодаря одновременному приложению нагрузок, свойственных обратному выдавливанию и ротационной обработке.

2. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования валковой штамповки высоких стаканов, позволившие установить следующее:

— образование полости в цилиндрической заготовке сопровождается наличием четырех последовательных стадий, а именно: начальной (сила сопротивления внедрению пуансона достигает максимума) — переходной (сила сопротивления внедрению пуансона снижается примерно на 30% вследствие возрастающего влияния обкатки) — установившейся (силовые параметры процесса практически постоянны) и заключительной (сила сопротивления внедрению пуансона резко уменьшается из-за развития утяжины в дне полости);

— параметрами, оказывающими наибольшее влияние на процесс формоизменения при валковой штамповке, являются соотношения диаметров пуансона, заготовки и роликов, отношение скорости осевого перемещения пуансона к частоте вращения заготовки (относительной скорости деформирования) и форма торцевой поверхности пуансона;

— управляющее воздействие на процесс заключается в изменении скорости осевого перемещения пуансона в зависимости от частоты вращения заготовки, при этом максимальное значение скорости пуансона (максимальная скорость деформирования) ограничивается заклиниванием заготовки в роликовой матрице и составляет около 0,125 линейной скорости обкатки;

— влияние формы торца пуансона наиболее заметно на установившейся стадии процесса — коническая и сферическая формы обеспечивают снижение силы в 1,2−1,5 раза и в 8−10 раз позволяют повысить относительную скорость деформирования по сравнению с плоским пуансоном;

— при изменении отношения диаметра пуансона D" и заготовки D с 0,5 до 0,9 сила на пуансоне в среднем увеличивается на 40−60%;

— сила, приложенная к пуансону, по сравнению с обратным выдавливанием снижается в 5 раз и в 3 — 3,5 раза по сравнению с открытой прошивкой при D"/D = 0,8;

— минимальная толщина дна полости в отличие от прошивки и выдавливания ограничивается не прочностью пуансона, а развитием утяжины, при этом минимальная толщина стенки ограничена только ресурсом пластичности материала;

— существует возможность неограниченного уменьшения толщины дна изделия вплоть до получения деталей типа втулок со сквозным отверстием.

3. Разработана математическая модель процесса валковой штамповки деталей типа «стакан» на основании аналитического решения которой получена методика расчета сил и моментов, действующих на заготовку, а также максимальной допустимой относительной скорости деформирования и построены номограммы для их определения. При этом расчет осевой силы деформирования на установившейся стадии процесса валковой штамповки пуансонами с различной формой торца, выполненный методом баланса работ, показал следующее:

— значения высоты очага пластических деформаций hx, найденные по принципу минимума затрачиваемой работы, практически не зависят от условий трения и для плоского пуансона составляют от 1,1 до 0,3 радиусов при D"/D = 0,5.0,9 соответственно;

— среднее давление при отсутствии обкатки для плоского пуансона составляет около 4cts в диапазоне изменения Dn/D = 0,5.0,9;

— снижение силы под действием обкатки достигает в среднем 50%;

— при верхней оценке потребного крутящего момента общая энергоемкость процесса практически не отличается от аналогичного показателя обратного выдавливания с нулевым коэффициентом трения.

Экспериментальные исследования подтвердили адекватность математической модели реальному процессу для установившейся стадии валковой штамповки. Отличие расчетных и действительных значений силовых параметров и допустимой скорости деформирования находится в пределах 10%.

4. Численное моделирование процесса обкатки при валковой штамповке показало наличие радиальных растягивающих напряжений в области заготовки, расположенной под торцом пуансона, которые существенно снижают осевые сжимающие напряжения и, как следствие — силу на пуансоне, и могут вызвать утяжину дна изделия, вплоть до образования сквозного отверстия.

5. Наряду с наиболее простой формой стаканов получены образцы изделий с глухим и сквозным осевым отверстием и различной формой боковой поверхности детали на основании чего разработаны новые технологические схемы валковой штамповки, защищенные двумя патентами Российской Федерации.