Пластическое формообразование полостей переменного сечения

Детали с полостями осесимметричной формы являются широко распространенными как в инструментальном производстве, так и в системах точного машиностроения. При изготовлении формообразующих деталей (ФД) пресс-форм и штампов значительное место занимают осесимметрич-ные детали с полостями (матрицы пресс-форм, холодной и горячей штамповки, в том числе для вытяжных, чеканочных, гибочных штампов и т. д.). В отрасли точного машиностроения также накоплен большой опыт по технологии изготовления полостных элементов в деталях с высокими эксплуатационными характеристиками (испытывающих высокие импульсные нагрузки, давления, тепловые удары, значительные деформации). Важной технологической задачей является снижение их себестоимости и обеспечение высоких эксплуатационных характеристик. Для ее решения проводится исследование, разработка и внедрение прогрессивных технологий. Значительное место в них отводится процессам обработки давлением (ОД). Производственный опыт изготовления инструмента с использованием методов ОД свидетельствует о высокой технико-экономической эффективности технологических процессов ОД, позволяющих существенно повышать стойкость инструмента при значительном снижении трудоемкости его изготовления и снижении расхода дорогостоящих материалов по сравнению с традиционными технологиями. К ним относятся процессы выдавливания, позволяющие эффективно и с минимальными затратами получать детали с полостными элементами весьма сложной формы, которые обработкой резанием выполнить трудно или вовсе невозможно.

В справочной литературе приводится классификация форм изделий, получаемых выдавливанием [4, 5, 20, 25−27, 37, 38]. Выдавливанием можно получить либо стержневые детали (с головками, отростками, буртами, ступенями с различной формой сечения в ступенях, с неглубокими центровочными полостями и т. д.), либо трубчатые (с дном, с внутренней перемычкой, ступенчатые, с буртами и фланцами, со стержневыми или трубчатыми отростками и др.), либо детали, сочетающие трубчатую и стержневую части (стаканы со стержнями в дне, кольцевые стаканы или трубы с кольцевой полостью и т. д.). Таким образом, получаемые детали можно свести к трем видам воздействия инструмента на заготовку:

— внедрение инструмента в заготовку (для получения различных полостей);

— обжатие заготовки (для получения из вытесненного металла стержней и буртов различных форм);

— сочетание внедрения с обжатием (для получения всякого рода полых стержней, буртов и фланцев).

Быстрое развитие технологии выдавливания связано с ее большими возможностями, как, например, производством деталей с таким разнообразием сечений, которое не может обеспечить почти ни одна механическая обработка резанием. Необходимо добавить, что эта технология является практически идеальной, если необходимо получить длинное изделие с однородным переменным сечением. Детали с различным поперечным сечением можно изготовлять на том же оборудовании, сменив только штампы. В настоящее время эту технологию применяю! во всех передовых странах для изготовления дешевых изделий из стали и цветных металлов.

Детали точных размеров могут быть получены выдавливанием или комбинацией выдавливания с другими способами обработки давлением, например, такими, как штамповка, высадка и др. Выдавливание нашло широкое распространение для изготовления в первую очередь осесимметрич-ных деталей. Г. Д. Фельдман [73] предложил классификацию стальных деталей, изготовленных холодным выдавливанием, которая представлена на рис. 1. Он подразделяет все многообразие деталей на следующие классы: а) с различной формой головокб) с различной формой стержнейв) с различными формами головок и стержнейг) полые с днищами и без днищд) полые со сложной формой боковой поверхностие) со сложной формой наружной и внутренней поверхностей. Разнообразие деталей из цветных металлов еще больше и включает детали с продольными пазами.

В последние годы, в связи с экономией материалов и повышением цен на них, интерес к пластическому деформированию и, в частности, к операциям выдавливания еще более увеличился. Пластическое формообразование металлов в массовом производстве обеспечивает высокую производительность и находит все большее распространение для изготовления деталей, заменяя механическую обработку резанием. Технология выдавливания позволяет быстро и экономично изготовлять детали, обладающие высокими механическими свойствами и высокой точностью размеров, причем последующая механическая обработка резанием либо не нужна, либо сведена к минимуму, что приводит к экономии металла.

Процесс выдавливания по сравнения с другими штамповочными операциями дает реальный ощутимый экономический эффект при использовании его в производстве деталей из различных материалов и сплавов. Этот эффект связан с сокращением длительности технологического цикла, с экономией метала, с получением качественных характеристик, повышающих эксплуатационные свойства изделий. Так анализ технологических процессов показывает, что 40−75% от общего времени изготовления деталей резанием идет на образование полости. При этом коэффициент использования материала очень не высок.

Экономия при изготовлении полости детали выдавливанием (вместо резания) определяется в основном сложностью формы полости и потребным количеством одинаковых деталей. Чем больше размер партии деталей и чем сложней профиль полостей, тем больше их экономический эффект. Применение процесса выдавливания экономически оправдано уже при изготовлении двух одинаковых деталей, имеющих относительно сложный профиль полости. Иногда изготовление деталей резанием требует создания специального дорогостоящего инструмента (специальные фрезы, шаблоны и др.) или большой затраты ручного труда. В таком случае оказывается.

1? / т фффффф I 1 I.

Jj к).

Ыд. ш.

ЩП Ы fevl tWI fey ж.

Рис. 1.Классификация изделий, изготовляемых выдавливанием: а с различной формой головокб — с различной формой стержнейв с различными формами головок и стержнейг — полые с днищами и без днищд — полые со сложной формой боковой поверхностие — со сложной формой наружной и внутренней поверхностей экономически целесообразным изготовление выдавливанием детали даже в единичном производстве.

Экономическая эффективность также зависит от стойкости деталей. Доказано, что стойкость деталей, изготовленных выдавливанием выше, чем деталей, изготовленных резанием. Например, стойкость матрицы для прессования корпуса электробритвы из аминогшаста, изготовленной выдавливанием из сплава армко, составляет 48−52 тыс. штук, а той же матрицы, изготовленной только резанием из более прочной стали марки 12ХНЗА — 30−35 тыс. штук [33].

Наиболее изученными являются процессы формообразования полостей постоянного поперечного сечения. Большинство авторов рассматривают процесс формирования полости цилиндрическим пуансоном с плоским торцем. Ряд авторов исследовали процесс выдавливания пуансоном с малым углом конусности, одноили двухступенчатым пуансоном или цилиндрическим пуансоном с коническим или сферическим торцем [2, 4, 7, 17, 20]. Однако количество таких работ на порядок меньше.

Значительно менее изученными являются процессы получения полостей переменного сечения. Нестационарный характер процесса пластического течения металла затрудняет проведение анализа напряженно-деформированного состояния. Данному вопросу посвящены работы А. В. Лясникова [37, 38], Д. П. Кузнецова [33], А. И. Хыбемяги [77−81], П.С. Лер-нера [34, 35] и др.

Учитывая перечисленные преимущества процесса выдавливания полостей переменного сечения и перспективы его использования для получения осесимметричных деталей разнообразных форм, в частности ФД пресс-форм и штампов, тему данной работы следует считать актуальной.

Цель работы. Диссертационная работа посвящена оценке технологических возможностей пластического формообразования выдавливанием полостей переменного сечения в деталях штампов и пресс-форм на основе анализа напряженно-деформированного состояния.

Научная новизна. Определение напряженно-деформированного состояния и связанных с ним технологических параметров при формообразовании полостей переменного сечения.

Автор защищает:

— результаты анализа энергосиловых параметров нестационарного процесса формообразования полостей;

— результаты экспериментального исследования кинематики процесса с помощью метода делительных сеток;

— результаты по исследованию технологических возможностей процесса формирования полостей переменного сечения;

— разработанный технологический процесс изготовления матрицы для пресс-формы на деталь «уплотнитель» .

В первом разделе диссертации рассматриваются существующие методы формообразования полостей в деталях с высокими эксплуатационными нагрузками на рабочий инструмент, анализируются их конструктивные особенности и эксплуатационные характеристики. Обращается внимание на целесообразность изготовления деталей этого класса методами пластического деформирования по сравнению с другими методами изготовления.

Второй раздел посвящен методике определения технологических возможностей процесса выдавливания для полостей переменного сечения с помощью метода «верхних» оценок. Обращается внимание на необходимость поэтапного анализа процесса в связи с его нестационарностью.

В третьем разделе работы проводится анализ процесса формообразования полостных элементов задаваемой конфигурации. Анализируется изменение параметров процесса выдавливания в зависимости от угла конусности, соотношения внутреннего диаметра полости и наружного диаметра изделия при различных условиях контактного трения. Рассматриваются способы снижения локальных нагрузок на инструмент.

Четвертый раздел посвящен экспериментальному исследованию и разработке технологического процесса выдавливания полости. Получена экспериментальная оценка удельных усилий. С использованием метода делительной сетки установлены распределение деформаций в зоне формообразования и расположение зон интенсивной локальной деформации. На основе предлагаемых рекомендаций разработан технологический процесс формообразования выдавливанием матрицы для детали «уплотнитель». Приводятся данные по экономической эффективности технологического процесса.

В заключении приводятся основные результаты и выводы по выполненной работе.

Приложение содержит программу для расчета деформаций в ячейках делительной сетки, координаты точек делительной сетки, методику и расчетные данные по учету эффекта тепловыделения в интервале температур полугорячего выдавливания, а также справки об использовании результатов работы.

Автор выражает благодарность кандидату технических наук, доценту кафедры ТМ Котлярову B.C. за оказанные помощь и консультации, способствовавшие выполнению данной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

В работе на основе проведенных исследований получены следующие результаты:

1. Обзор работ показал, что эксплуатационные характеристики деталей с полостями переменного сечения во многом связаны с технологией их изготовления. При производстве матриц широко используются: слесарная обработка, профильное шлифование, порошковая металлургия, электроэрозионная обработка, гальванопластика, плазменное напыление и др. Применение для получения полостей переменного сечения операции выдавливания, способствует формированию высоких прочностных свойств деформируемых сталей при малой их повреждаемости. Выдавливание при тщательном подборе и подготовке материала заготовки позволяет получить поверхности с точностью до 6 — 7-го квалитетов и шероховатостью поверхности до 10-го класса.

2. Исследование технологических возможностей процесса выдавливания позволяет установить следующее:

— использование для расчета метода «верхних» оценок дает возможность значительно упростить решение и получать значения энергосиловых параметров на 5−10% больше реального, что закладывает в расчет определенный «запас» по прочности;

— критериальным параметром, ограничивающим технологические возможности процесса выдавливания, является высокие нагрузки на инструмент,.

— основными параметрами, влияющими на величину удельного усилия, являются геометрические характеристики полости, условия контактного грения, темперагурные параметры процесса формообразования.

3. Анализ процесса формообразования полости задаваемой конфигурации показал, что:

— наиболее благоприятные значения угла конусности пуансона соответствуют диапазону, а = 20 — 35°;

— формообразование полости с соотношением геометрических параметров dn / DM = 0,6−0,7 дает наименьшие значения удельного усилия;

— при переходе из диапазона температур для холодног о выдавливания в диапазон температур для операции полугорячего выдавливания величина удельного усилия на инструмент уменьшается в 1,7. 5 раз, а при переходе в диапазон температур для горячего выдавливания — в 10. .20 раз;

— использование облегчающих камер в заготовках и варьирование формы лицевой поверхности самой заготовки позволяет уменьшить величину удельного усилия на 20 — 40%.

4. Экспериментальное исследование процесса выдавливания полости показало, что:

— наибольшие деформации материал накапливает при пересечении границы жесткой и пластической областей, что предсказывалось теоретическим решением, при пересечении зоны в окрестности перехода торцовой поверхности пуансона в конусную, а также в окрестности перехода конусной части пуансона в цилиндрическую;

— вследствие значительного деформационного упрочнения материал готовой детали в зоне, прилегающей к полости, имеет высокие прочностные характеристики и благоприятную структуру, обеспечивающие высокие показатели качества полости.

5. На основе предложенных рекомендаций разработан технологический процесс изготовления матрицы для детали «уплотнитель», который, но сравнению с существующим имеет преимущества по следующим показателям:

— повышение КИМ до 0,8 — 0,85;

— увеличение стойкости изготовленного инструмента за счет получения структуры стали с малой степенью повреждаемости и высокими прочностными свойствами;

— снижение трудоемкости технологического процесса в 1,5−1,7 раза.