Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор современных методов и технологий изготовления осесимметричных изделий с буртом 8
1.1 Технологические процессы с глобальным нагружением заготовки 9
1.2 Технологические процессы с локальным и комплексным нагружением заготовки 12
1.2.1 Применение валковой штамповки для изготовления осесимметричных деталей большого диаметра 16
1.2.2 Применение валковой штамповки для изготовления осесимметричных деталей малого диаметра 19
1.3 Выводы по первому разделу 21
2 Экспериментальные исследования валковой штамповки и постановка задачи аналитического решения 23
2.1 Условия экспериментальных исследований 23
2.2 Методика экспериментальных исследований 23
2.3 Экспериментальная оснастка 31
2.4 Основные технологические параметры процесса валковой штамповки 31
2.5 Влияние расположения бурта на процесс валковой штамповки полых деталей 36
2.6 Влияние высоты бурта на его диаметр и объем 41
2.7 Этапы формообразования бурта 45
2.8 Анализ возможных дефектов и вероятных причин их возникновения 47
2.8.1 Неправильное формообразование верхней части детали №1 .47
2.8.2 Образование полости бочкообразной формы вблизи торца пуансона, №2 47
2.8.2 Образование осевого заусенца в донной части изделия, №3.51
2.8.3 Различие толщины стенок втулочной части детали №4 51
2.8.4 Образование поднутрения, №5 51
2.8.5 Коробление дна детали и ее подрезание роликом, №6 55
2.8.6 Растрескивание бурта при его недостаточном диаметре и/или избыточной высоте, №6 55
2.8.7 Образование кольца на нижней поверхности детали, №7 55
2.9 Выводы и результаты исследования по разделу 2 58
3 Теоретическое исследование процесса 60
3.1 Методика теоретического исследования 60
3.2 Зависимость для прогнозирования конечного значения диаметра и объема нижнего бурта при получении деталей методом валковой штамповки 67
3.3 Силовой анализ процесса ВШ деталей с буртом 73
3.4 Влияние величины бурта на схему напряжений при ВШ деталей с нижним расположением бурта 81
3.5 Влияние формы торца пуансона на наибольший диаметр полости вблизи торца пуансона 81
3.6 Выводы по разделу 3 85
4. Пример расчета и новая технология получения изделий с буртом в средней части 87
Результаты и выводы по работе 98
Список использованных источников
- Технологические процессы с локальным и комплексным нагружением заготовки
- Применение валковой штамповки для изготовления осесимметричных деталей малого диаметра
- Влияние расположения бурта на процесс валковой штамповки полых деталей
- Зависимость для прогнозирования конечного значения диаметра и объема нижнего бурта при получении деталей методом валковой штамповки
Введение к работе
В современной промышленности широко используются полые осесим-метричные изделия с буртом (вкладыши подшипников скольжения, штуцеры, муфты, закладные детали и т.д.). Для изготовления подобных изделий используются традиционные технологии: литье, токарная обработка, горячая и холодная штамповка, обратное выдавливание и тп.
Повышение качества изделий, уменьшение затрат на производство и повышение конкурентоспособности на мировом рынке стимулирует разработку принципиально новых технологий и оборудования.
Например, одним из направлений получения подобных изделий являются методы, основанные на локальном деформировании, такие, как вальцовка, поперечно-клиновая прокатка, обкатка деталей из труб и листовых материалов, ротационное выдавливание, сферодвижная штамповка, торцевая раскатка, непрерывно-последовательная высадка и др. Вследствие локальности характера деформирования уменьшается технологическая сила совершения операции, что обеспечивает значительное снижение металлоемкости оборудования, повышение стойкости инструмента, увеличение коэффициента использования материала.
Принципиально новым развитием этих методов является технология, основанная на комплексном локальном нагружении заготовки, сочетающая в едином процессе операции объемной штамповки и локальное деформирование неприводными роликами или приводными валками. Новый способ деформирования, получивший название "валковая штамповка" (ВШ)1, позволяет получать сплошные и полые детали, применяемые в приборо- и машиностроении, с меньшими допусками под последующую обработку, требуемым качеством и меньшей технологической силой, чем для традиционных методов объемной штамповки. 1 Голенков, В.А. Технологические процессы обработки металлов давлением с локальным нагружением заготовки [Текст]/ Голенков В.А., Радченко СЮ. - М.: Машиностроение, 1997. - 226с.
5 Важным условием понимания процесса ВШ является установление и исследование взаимосвязи параметров обкатки и прошивки, их влияние на процесс деформирования, конечный результат формоизменения заготовки и качество изготовления изделий.
Наличие общих сведений о процессе получения полых изделий с буртом, а также отсутствие научно-обоснованной методики расчета и выбора конструктивно-технологических параметров, определение критических режимов обработки сдерживает использование ВШ в производстве.
Поэтому, разработка и исследование технологических параметров процесса ВШ полых осесимметричных изделий с буртом является весьма актуальной темой.
Актуальность темы подтверждается соответствием ее "Критическим технологиям федерального уровня", утвержденным приказом Пр-578 президента Российской Федерации от 30 марта 2002 г. по направлениям: "Энергосбережение" и "Модульные технологии производства массовой металлопродукции с новым уровнем свойств".
Поэтому, целью представленной работы является исследование технологии валковой штамповки (ВШ) полых изделий с буртом и разработка научнообоснованой методики по ее проектированию, что позволит повысить качество процессов ВШ.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и успешно решены следующие задачи:
Разработать методику, оснастку, провести экспериментальные исследования процесса ВШ полых изделий с буртом и установить влияние основных технологических параметров на формообразование бурта; провести классификацию возможных дефектов полых изделий с буртом получаемых ВШ.
Разработать математическую модель ВШ полых изделий с буртом, учитывающую объемный характер напряженно-деформированного состояния очага деформации на основе уравнения течения Прандтля-Рейса с ис- пользованием производной Яумана и провести ее исследование. При этом определить зависимость предельного значения диаметра и объема бурта от технологических параметров процесса (диаметра и высоты заготовки, диаметра пуансона, высоты бурта и относительной скорости перемещения пуансона), провести энергосиловой анализ процесса ВШ.
3. Разработать научно обоснованную методику расчета и выбора технологических параметров ВШ полых изделий с буртом; разработать новую технологию ВШ полых изделий с буртом в средней части.
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.
Экспериментальные исследования проводились на специально сконструированной оснастке в лабораториях ОрелГТУ с применением общепринятых методов планирования эксперимента и статистической обработки результатов экспериментов.
Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния и характера пластического течения металла заготовки при валковой штамповке проводились на основе численного решения задачи методом конечных элементов. Решение последней осуществлялось с использованием ППП "DEFORM-3D", реализующего анализ упруго-пластической модели на основе общих уравнений пластического течения Лагранжа с использованием производной Яумана.
Достоверность результатов, полученных в ходе экспериментальных исследований, подтверждается применением научно обоснованной методики планирования эксперимента и обработки полученных данных, поверенного лабораторного оборудования и контрольно-измерительных приборов.
Достоверность результатов теоретических исследований подтвержда-
7 ется также обоснованным использованием фундаментальных зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи математического моделирования, применением современных математических методов и средств вычислительной техники. Качественные и количественные результаты согласуются с данными экспериментальных исследований, проведенных в широком диапазоне технологических режимов ВШ полых изделий с буртом.
Технологические процессы с локальным и комплексным нагружением заготовки
Таким образом, в настоящее время наиболее перспективным можно считать направление развития ОМД, основанное на технологиях, сочетающих в себе традиционное монотонное (локальное или глобальное) нагруже-ние заготовки в комплексе с периодическим локальным воздействием на очаг деформации. Однако практическая их реализация в производстве затрудняется специфическими техническими сложностями.
Многолетний опыт, накопленный исследователями, технологами и производственниками, работающими в области различных видов прокатного производства, позволяет утверждать, что ролик (валок) является наиболее удобным инструментом локального периодического воздействия на заготовку. Развитая теоретическая база прокатки позволяет моделировать на ее основе новые перспективные методы обработки.
Так, одним из примеров применения вращающегося пуансона и ролика (валка) в качестве рабочего инструмента является технология торцевой раскатки [31], разрабатываемая учеными из Уфы и Челябинска, в которой основным формообразующим инструментом является вращающийся пуансон (рис. 2). Торцевая раскатка успешно применяется для получения деталей типа втулка с буртом, в том числе из мало- и трудно деформируемых металлов и сплавов.
Еще одним примером применения ролика в новом качестве является разработанная специалистами Тульского государственного университета технология ротационной вытяжки (РВ), которая представляет собой процесс формоизменения плоских или полых вращающихся заготовок по профилю оправки с помощью перемещающейся деформирующей нагрузки [32, 33]. Рис. 2. Торцевая раскатка: 1 - пуансон; 2 - заготовка; 3 - ролик; 4 -основание; Р - усилие на пуансоне; h - высота бурта; D6 - диаметр бурта; сої - угловая скорость оси пуансона; «2 - угловая скорость ролика. (рис. 3) Процесс характеризуется наличием локального очага деформации, образующегося в результате воздействия инструмента (ролика или шарика) на материал заготовки. Реализация локализованной деформирующей нагрузки при РВ позволяет получать на одной позиции обработки высокие степени деформации (до 80 %), что делает процесс экономически выгодным по сравнению с традиционными способами изготовления деталей. Посредством РВ изготовляют полые детали с постоянной и переменной толщиной стенки, имеющие широкий диапазон размеров (диаметр до 5 м, толщину стенки до 40 мм и длину до нескольких метров) и различные формы. Ротационную вытяжку можно успешно использовать для обработки как обычных сталей и сплавов, так и трудно деформируемых тугоплавких материалов.
Возможность изменения в широких пределах геометрических параметров рабочего профиля деформирующего элемента в сочетании с оптимальными режимами обработки позволяет регулировать качество изделий, получать высокую размерную точность и низкую шероховатость поверхности.
Практическое применение РВ значительно снижает объем первоначальных затрат на приобретение оборудования, изготовление инструмента и оснастки по сравнению с другими видами обработки, в частности, с глубокой вытяжкой на прессах, и позволяет эффективно использовать указанный метод в мелко- и среднесерийном производстве крупногабаритных деталей сложной формы.
Таким образом, из анализа даже такого, далеко не полного, перечня современных "нетрадиционных" технологий ОМД, можно сделать вывод, что применение роликового инструмента в качестве источника периодического локального воздействия как в процессах листовой (сферодвижная штамповка, ротационная вытяжка), так и объемной штамповки (торцевая раскатка), является одним из перспективных направлений совершенствования технологии обработки металлов давлением.
Решение этих проблем 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 деформирования боковой поверхности заготовки роликами или приводными валками (рис. 4). При этом создается комплексное нагружение очага деформации, которое за счет интенсификации пластического течения позволяет получать сложные осесимметричные детали на одной позиции обработки.
Предложенный специалистами Орловского государственного технического университета (ОрелГТУ), он в настоящее время интенсивно развивается. Возможная область применения валковой штамповки — широкая номенклатура изделий машиностроительного и приборостроительного назначения, имеющих в основе форму тела вращения.
Применение валковой штамповки для изготовления осесимметричных деталей малого диаметра
Если при непрерывно-последовательной высадке получение утолщений с переменной по длине площадью поперечного сечения возможно лишь при программируемом сведении-разведении обкатывающих роликов в процессе обработки, то при обработке изделий меньших типоразмеров вполне реально изготовление деталей со сложной ступенчатой боковой поверхностью (рис. 4), полностью или частично повторяющей ступенчатый профиль обкатывающих роликов. Для производства различных типов осесимметричных деталей методом ВШ разработан ряд технологий. Так, для изготовления деталей со ступенчатой наружной поверхностью в качестве исходной заготовки используют цилиндрический пруток из пластичного материала или отливка [37].
Пруток предварительно разделяется на мерные заготовки. Качество готового изделия зависит от точности мерной заготовки, поэтому необходимо обеспечить: - точность дозирования; - параллельность торцов заготовки; - перпендикулярность торцов и боковой поверхности.
Для производства полых осесимметричных деталей разработано устройство [38, 39], в котором верхняя плита содержит деформирующий узел в виде пуансонов прошивки и осадки. Роликовая матрица представлена в виде вращающегося упора и роликов, которые вращаются с угловой скоростью. Пуансоны осадки и выдавливания вращаются совместно с заготовкой с угловой скоростью.
На одной позиции выполняют две операции: операцию а - прошивку с одновременным обкатыванием заготовки высотой Н в роликовой матрице, и при дальнейшем перемещении инструмента операцию б - осадку с обкатыванием в этой же роликовой матрице до полного формообразования изделия..
Вращение заготовки обеспечивается силами контактного трения между торцом заготовки и матрицей, возникающими при приложении деформирующей силы от пуансонов.
За счет возможности производить формоизменение заготовки на позиции прошивки внутренней полости с одновременным обкатыванием и последующей осадкой, величина пластического деформирования и смещенные объемы металла на последующих операциях малы, как малы и необходимые силы деформирования. Это позволяет, в случае необходимости, вести доработку заготовки до требуемой точности и размеров на последующих операциях обработки.
Кроме упомянутых технологических схем и устройств, за последние годы были разработаны другие способы и предложены новые технические решения для производства осесимметричных деталей широкой номенклатуры. Подробное их описание приводится в авторских свидетельствах и патентах РФ [40 - 45] и др.
Проведенные комплексные исследования процесса валковой штамповки позволили выявить некоторые качественные технологические эффекты, присущие только ей и не достижимые традиционными методами обработки давлением. Разработана общая методика расчета силовых и кинематических параметров получения деталей из трубчатой заготовки.
Однако на сегодняшний день вопросы, связанные с определением напряженно-деформированного состояния металла с учетом локализации очага пластической деформации в процессе валковой штамповки ступенчатых деталей, изучены недостаточно. Наличие общих сведений о процессе получения полых изделий с буртом, а также отсутствие научно-обоснованной методики расчета и выбора конструктивно-технологических параметров, определение критических режимов обработки затрудняет ее использование в производстве. Поэтому для реального использования данного процесса необходимо накопить значительный объем материала, который отражал бы количественное влияние технологических параметров валковой штамповки ступенча тых деталей на характер пластического течения металла в очаге деформации.
По результатам проведенного анализа сформулированы следующие выводы:
1. На основании анализа существующих технологий изготовления полых осесимметричных деталей со ступенчатой боковой поверхностью установлено, что наиболее эффективными являются способы пластической обработки, основанные на локальном и комплексном нагружении очага деформации, а из них наиболее широкими возможностями обладает метод ВШ, сочетающий в одном процессе операции объемной штамповки (осевое нагруже-ние) и локального деформирования (радиальное нагружение) роликовым инструментом.
2. Промышленное использование валковой штамповки для изготовления полых осесимметричных изделий с буртом, сдерживается недостаточной изученностью влияния технологических параметров процесса на характер пластического течения металла в очаге деформации и его напряженно-деформированное состояние.
3. Эффективное использование ВШ невозможно без детального анализа пластического формоизменения заготовки и определения оптимальных параметров и режимов обработки - геометрических и кинематических соотношений.
Влияние расположения бурта на процесс валковой штамповки полых деталей
Проведем сравнительный анализ изменения нагрузки на пуансоне для процессов ВШ деталей без бурта, с верхним, средним и нижним расположением бурта (относительно инструмента).
При валковой штамповке деталей без бурта можно выделить четыре последовательные стадии по характеру нагрузки на прошивном инструменте. Для этого рассмотрим машинную диаграмму нагружения заготовки (рис. 12), полученную при изготовлении деталей без бурта из сплошной цилиндрической заготовки.
Первая стадия валковой штамповки характеризуется выборкой зазоров между заготовкой и роликами и по сути представляет собой открытую прошивку, при этом формоизменение заготовки осуществляется при незначительном течении металла в направлении высоты.
Падение силы деформирования на второй стадии процесса валковой штамповки объясняется возникновением под пуансоном радиальных растягивающих напряжений, которые создаются за счет обкатки роликами боковой поверхности заготовки, причем величина их возрастает по мере увеличения радиального обжатия заготовки.
Третья стадия валковой штамповки характеризуется постоянством силы деформирования, поскольку конфигурация очага деформации на этой стадии остается неизменной, вытесняемый из-под пуансона металл течет в направлении высоты заготовки.
Четвертая стадия процесса начинается с момента вовлечения всего объема металла, находящегося под пуансоном, в пластическую деформацию, т.е. с момента касания нижней границы зоны пластичности опорной поверхности (упора).
Падение силы деформирования на четвертой стадии происходит по тем же причинам, что и на второй стадии, при этом увеличение осевого обжатия донной части заготовки, приводящее в традиционных процессах, как правило, к повышению силы деформирования, компенсируется уменьшением работы внутренних сил и сил трения по поверхностям пуансона и упора.
В результате происходит отрыв центральной донной части заготовки от пуансона и нижней опорной поверхности. Установлено, что утяжка заготовки отмечается уже на третьей установившейся стадии процесса, хотя величина ее на этой стадии незначительна.
Изменение величины рабочего момента в процессе деформирования происходит по тому же закону. На первой стадии процесса - увеличение до максимального значения, на второй (переходной) стадии - снижение до номинального; третья стадия характеризуется постоянством рабочего момента, а четвертая - его снижением.
При валковой штамповке ступенчатых деталей характер изменения рабочей нагрузки выглядит по другому, что объясняется наличием на заготовке зон (ступеней), формоизменение которых носит характер открытой прошивки. Рассмотрим процесс формоизменения ступенчатых деталей более подробно.
На рис. 126 изображена диаграмма нагружения, полученная при изготовлении детали с буртом в верхней части. На диаграмме можно выделить четыре характерные стадии.
На первой стадии (открытой прошивки) с образованием полости происходит значительная осадка заготовки и набор бурта 1. На второй стадии (начиная с момента касания металла калибра 1 ролика) снижается деформирующая сила в результате появления под пуансоном зоны циклического растяжения. Третья стадия - установившаяся, изменение силы деформирования не происходит. Здесь формируется ступень 2 заготовки, в случае достаточной высоты которой имеет место и четвертая стадия процесса, характеризующаяся падением силы деформирования. Необходимо отметить, что при прохождении пуансоном участка 2 заготовки происходит активное течение металла вверх, в результате чего бурт 1 также перемещается по пуансону и окончательно не формируется.
Таким образом, валковая штамповка деталей с верхним буртом без применения дополнительного осевого прижима представляется нецелесообразной.
На рис. 126 изображена диаграмма нагружения при получении детали с буртом в средней части. На ней можно выделить шесть характерных стадий.
Первая стадия валковой штамповки деталей с буртом в средней части (рис. 126) аналогична первой стадии получения гладкого "стакана". Вторая стадия - установившаяся, очаг деформации еще не достиг ступени 2. Здесь формируется ступень 1 заготовки.
На третьей стадии (вновь стадия открытой прошивки, т.к. очаг деформации выходит на необкатываемую поверхность) происходит набор утолщения (бурта) ступени 2. По мере его развития и касания металла заготовки роликов (или достижения очагом деформации ступени 3) третья стадия перетекает в четвертую, переходную стадию процесса, на которой формируется ступени 2 (окончательно) и 3 заготовки. В случае достаточной высоты ступени 3 радиальное обжатие этой части заготовки может увеличиться, в результате чего сила деформирования, по описанным выше причинам, начнет уменьшаться. Необходимо отметить, что в случае активного течения металла по поверхности 3 может произойти подрезание бурта 2 и он отделится от основной детали, что приведет к неустранимому браку изделия.
Зависимость для прогнозирования конечного значения диаметра и объема нижнего бурта при получении деталей методом валковой штамповки
При расчете объема бурта будем исходить из того, что: - весь металл, вытесняемый из-под пуансона перемещается равномерно в радиальном направлении. - метал находящийся выше зоны бурта идет на увеличение объема втулки. - объем бурта складывается из двух составляющих: первая - объем металла, накопленный при прошивке и раскатке, и вторая - объем металла, вытесняемый пуансоном, находящимся непосредственно в зоне бурта. Пусть т - это относительная скорость перемещения пуансона. Исходя из этого, можем записать п к 2 Vg= Y. АР.- + -Г d h -объем бурта, накопленный зап оборотов. (19) / = 1 4 Hi ( (20) где « = int V тс 2 л h AV. = -r d --fj- : - объем, вытесняемый в бурт за і - ый обо 1 4 H-ri i (21) рот. Тогда диаметр бурта равен Df. = J f-+D2 - изображен кривой 1 на рис. 39. (22) О \7С П
Однако, исходя из предыдущего выражения, при малых значениях h D6 будет стремиться к бесконечности, чего в реальности быть не может. На практике при уменьшении h D6 тоже уменьшается. Поэтому для h d V6 предлагается определять следующим образом. У Р = Гб-ї -Н СО) в/п где S n-D-h - площадь щели для истечения в бурт; (24) S = .(D2-d2) - площадь щели для истечения во втулку. (25) Соответственно D6 определится как \6-V,-D-h —-— yr изображен кривой 2 на рис. 39 D2-d2)-7T-H (26) Различие теории и эксперимента для D6 (рис. 40) не превышает ±1,5%, поэтому данные выражения вполне приемлемы для прогнозирования диаметра бурта на конечной стадии процесса.
Зависимость относительного объема бурта Уб/Увыт от относительной высоты бурта h/H (рис. 41) такова, что различие присутствует на всем участ 73 ке h d. Причина этого в методе вычисления Уб/Увыт-При эксперименте Уб/Увыт определялась как: о — еыт у вт (27) "выт "выт
На практике объем вытесняемый во втулку больше теоретического, по причине образования полости бочкообразной формы на внутренней поверхности детали вблизи торца пуансона и кольцевого зазора между пуансоном и внутренней поверхностью втулочной части изделия [57].
В связи с этим, различие между теоретическим и практическим объемами бурта равно объему пустоты между внутренней поверхностью изделия и пуансоном (рис. 41).
Объем пустоты в зоне бурта можно определить как: d + k(D -d]) - f по [p6- fy d2 h, (28) где k=0,05 - коэффициент зависящий от формы торца пуансона, соотношения диаметра бурта и диаметра пуансона и относительной скорости прошивки, определен эмпирическим путем.
Объем пустоты во втулочной зоне можно определить как а - V = пет 4 [d+k{p6-d \ -d2 (H-h). (29) После коррекции отклонение расчетных данных от эксперимента для Ve не превышает ±5% (рис. 42).
Т.о. данные выражения вполне приемлемы для прогнозирования объема бурта и втулки на конечной стадии процесса и могут использоваться при проектировании ВШ деталей с нижним расположением бурта.
Попытка учета этих параметров приводит к построению системы дифференциальных уравнений со множеством параметров которую затем необходимо решать на компьютере.
Поэтому целесообразно для определения зависимости силы и момента от перемещения инструмента воспользоваться методом конечных элементов. Для этого необходимо заложить в модель скоростные характеристики инструментов (см. табл. 5).
Как было выяснено в ходе изучения влияния числа элементов в модели на стабильность значения силы и момента в процессе расчета необходимо чтобы с каждым инструментом контактировало не менее 100 узлов, что в свою очередь приводит к увеличению числа элементов в заготовке до 25-30 тысяч и пропорциональному увеличению времени счета [58].
При необходимости определить функциональную зависимость силы или момента от перемещения необходимо произвести аппроксимацию полиномом.
