Металлические детали машин, приборов и технологической оснастки, имеющие цилиндрические полости с винтовыми элементами на боковой поверхности, по номенклатуре немногочисленны, однако очень важные по назначению. К ним относятся цилиндрические косозубые шестерни с внутренним зацеплением, матрицы пресс-форм для изготовления пластмассовых цилиндрических косозубых шестерен с наружным зацеплением, детали соединений и другие. Условия эксплуатации определяют высокие требования к деталям по их качеству: механическим свойствам материала, форме, размерам, шероховатости поверхности.
Указанные полости ранее изготавливали преимущественно обработкой резанием. Этот способ обработки весьма дорогостоящий, кроме того, в техническом отношении он имеет серьезные ограничения (особенно при изготовлении глубоких полостей с малыми поперечными размерами). Обработкой резанием весьма трудно или невозможно удовлетворить высоким требованиям по качеству деталей. Развитие процесса холодного выдавливания выявило возможность эффективного использования этого процесса для изготовления пластическим деформированием в металлических заготовках полостей сложной формы и, в частности, имеющих винтовые элементы на боковой поверхности. Первые работы по технологии формообразования цилиндрических полостей с винтовыми элементами на боковой поверхности холодным выдавливанием опубликованы в СССР, в конце 50-х годов. За прошедшее пятидесятилетие разработанные вначале технология и конструкция штампа существенно усовершенствованы. Выявлены широкие технологические возможности применения холодного выдавливания для изготовления винтовых элементов. Форма винтовых элементов в поперечном сечении может быть любой, применяемой в конструкциях деталей — прямобочной, эвольвентной, треугольной и другой.
Угол наклона винтовых элементов к оси полости может составлять до 35. Внутренний диаметр (по вершинам выступов) изготовленных выдавливанием полостей деталей разного назначения находится в пределах от 8 до 60 мм. Указанный диапазон не является предельным. Изготавливаемая выдавливанием полость по глубине не имеет ограничения (в практическом смысле). В качестве материала заготовок могут быть использованы металлы и сплавы разных марок, обладающие достаточной пластичностью и относительно невысоким сопротивлением деформированию малоуглеродистая и среднеуглеродистая конструкционные стали, малоуглеродистая низколегированная сталь, инструментальная углеродистая и легированная стали, цветные металлы и сплавы).
Качество полостей с винтовыми элементами, изготовленных холодным выдавливанием, по точности размеров и шероховатости поверхности удовлетворяет высоким требованиям, предъявляемым к деталям машин, приборов, технологической оснастки. Пластическим деформированием, по сравнению с обработкой резанием, технически значительно проще обеспечить изготовление одинаковых полостей (в пределах всех деталей, обработанных одним инструментом). Более высокое качество деталей, полости которых изготовлены пластическим деформированием, по сравнению с обработанными резанием, определено также тем, что в поверхностном слое пластически деформированного материала волокна не перерезаныэто обеспечивает высокий эксплуатационный ресурс деталей.
По оценке предприятий, применение холодного выдавливания вместо обработки резанием позволяет при изготовлении винтовых элементов эвольвентного профиля повысить производительность труда в 10. 15 раз и снизить общие затраты на изготовление в 5. 10 и более раз. Экономический эффект определен в основном тем, что при использовании новой технологии обработкой резанием необходимо изготовить винтовые элементы лишь на пуансоне (а не в каждой полости), причем обработка наружной поверхности технически проще (с обеспечением высокого качества исполнения).
Новая технология позволяет значительно расширить номенклатуру изготавливаемых деталей.
Теория процесса формообразования полостей с винтовыми элементами на боковой поверхности разработана недостаточно глубоко. Научных работ, содержащих сведения по теории процесса, немного [1, 3, 7−11], все они принадлежат немногочисленной группе сотрудников Балтийского государственного технического университета «Военмех». Слабая активность в исследовании процесса является, по-видимому, следствием относительно узких рамок его практического применения и исключительной сложности деформации. Указанные работы содержат сведения о деформированном состоянии материала заготовки при изготовлении винтовых элементов одного профиля — эвольвентного, о напряженном состоянии сведений совсем мало. Наиболее полно решена задача о деформированном состоянии.
Изложенное свидетельствует о недостаточной научной базе высокоэффективного процесса и актуальности его дальнейшего исследования.
Задачи исследования определены с учетом значения результатов их решения для практического использования при разработке технологии изготовления холодным выдавливанием полостей с винтовыми элементами в различных материалах, в том числе в малопластичных.
В обобщенной форме задачи настоящего исследования сформулированы в следующем виде:
1. Определение деформированного и напряженного состояний поверхностного слоя торца заготовки, в который происходит внедрение пуансона.
2. Выявление зон на торце заготовки, опасных в отношении разрушения деформируемого материала.
3. Разработка методики расчета усилия и работы деформирования.
4. Разработка рекомендаций по определению технологических параметров формообразования винтовых элементов на боковой поверхности цилиндрической полости.
Напряженно — деформированное состояние исследовано экспериментально методом делительной' сетки. Задача об определении усилия решена математически, результат решения проверен и подтвержден экспериментально.
Деформированное и напряженное состояния поверхностного слоя торца заготовки определены в нескольких последовательных стадиях внедрения пуансона с прямобочными винтовыми элементами, угол наклона которых к оси пуансона составил 25°. Материалом заготовок служили алюминий АД1 и сталь 40.
Определены все параметры напряженно — деформированного состояния и их изменение по характерным направлениям, граница внешнего очертания очага пластической деформации, зоны с наименьшим ресурсом пластичности. Выявлена особенность исследованного вида процесса холодного выдавливания (не характерная для этого процесса в целом), состоящая в наличии на торце заготовки зон с преобладанием в схеме напряженного состояния растягивающих напряжений, вследствие чего в этих зонах возможно разрушение. Сформулировано условие, выполнения которого необходимо для предотвращения разрушения заготовки в опасных зонах.
Результаты исследования могут быть распространены на процесс изготовления полостей с элементами других профилей, имеющими угол наклона до 35е.
Общие выводы.
Ниже сформулированы основные результаты выполненного исследования теоретического и практического характера.
1. Опубликованные сведения свидетельствуют о высокой техникоэкономической эффективности процесса формообразования холодным выдавливанием в пластичных материалах и сплавах цилиндрических полостей с винтовыми элементами различного профиля на боковой поверхности.
Разработаны технология и конструкции оснастки, обеспечивающие изготовление полостей, имеющих на боковой поверхности винтовые элементы с углом наклона к образующей до 35°.
Качество полостей, изготовленных холодным выдавливанием, как по точности размеров, так и по шероховатости поверхности удовлетворяет высоким требованиям к деталям машин и приборов, а также к формообразующим деталям пресс — форм и штампов.
2. В литературе мало сведений по теории рассматриваемого процесса.
Напряженное состояние отражено лишь картиной изменения твердости в плоскости меридионального сечения заготовки. Деформированное состояние исследовано значительно полнее, однако в основном качественно, без необходимой количественной оценки. Более полно исследован силовой режим деформирования. Предложены зависимости для расчета усилия деформирования в любой стадии внедрения пуансона.
3. В настоящей работе экспериментальным исследованием методом делительной сетки определены деформированное и напряженное состояния поверхностного слоя торца заготовки в нескольких последовательных стадиях внедрения пуансона с прямобочными винтовыми элементами, наклоненными к оси под углом 25 ° .
Установлено:
3.1. В процессе внедрения зубьев пуансона на поверхности торца заготовки возникают две группы зон, характер деформации в которых существенно различный. Одну группу составляют зоны, прилегающие к окружности, очерчивающей границу впадин полости. Вторую группу зон образуют поверхности изготавливаемых зубьев. Между зонами первой и второй групп расположены промежуточные зоны, где деформация «смешанная». Различие механических свойств деформируемого материала на общий характер деформации не влияет.
3.2. По мере внедрения зубьев пуансона происходит превращение плоского торца заготовки в поверхность сложной формы.
В зонах первой группы у контура поверхности контакта пуансона с заготовкой происходит подъем деформируемого материала (образование выпуклости), в зонах второй группы, напротив, возникает «утяжина». Наибольшая интенсивность искажения плоскости торца — на этапе внедрения заходной части зубьев пуансона, дальнейшее внедрение пуансона мало изменяет рельеф поверхности заготовки.
3.3. Графики изменения компонентов и интенсивности деформации по характерным направлениям на торце заготовки в разных стадиях внедрения пуансона аналогичны.
Величина деформации сильно убывает от контура полости к периферии торца. Место наибольшей деформации не совпадает с границей контактной поверхности, что указывает на тормозящее влияние трения.
3.4. Внешняя граница очага пластической деформации имеет сложную форму. В зонах, прилегающих к впадинам полости, эта граница наиболее удалена от центра торца. Если за границу (условную) очага пластической деформации принять линию, где i составляет приближенно два процента, то глубину распространения пластической деформации указанных зонах можно считать равной 1,3 .1,8 высоты зуба пуансона.
3.5. Изменение главных компонентов напряжений по координатам и времени происходит по очень сложным зависимостям. Особенностью напряженного состояния на поверхности торца является наличие зон, в которых преобладают растягивающие напряжения, что для холодного выдавливания не свойственно (этот факт в литературе не отмечен).
3.6. Величина характеристики схемы напряженного состояния (к)? сильно влияющей на значение предельной деформации, находится в пределах от минус 2-х до плюс 2-х. Преобладание в схеме растягивающих напряжений (к > 0) предопределяет малый ресурс пластичности материала заготовки, вследствие чего возможно его разрушение. Это положение проверено и подтверждено экспериментом по деформированию заготовки из малопластичного алюминиевого сплава.
Сформулировано условие сохранения сплошности деформируемого материала, позволяющее расчетом оценить пригодность к применению предусмотренной чертежом марки материал заготовки.
4. Разработаны формулы (3.77), (3.78), (3.79) для расчета усилия деформирования в любой стадии внедрения пуансона при изготовлении холодным выдавливанием полостей с прямобочными винтовыми элементами на боковой поверхности. Расчетные формулы подтверждены экспериментально и могут быть использованы в инженерной практике.
5. На основе результатов настоящего исследования и обобщения сведений из литературы по теории и практике применения рассматриваемого процесса разработаны практические рекомендации по технологии формообразования цилиндрических полостей с винтовыми элементами на боковой поверхности.
