Проектирование штампованной оснастки для способа отбортовки из конической заготовки эластичной средой

УДК 621.4

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ШТАМПОВАННОЙ ОСНАСТКИ ДЛЯ СПОСОБА ОТБОРТОВКИ ИЗ КОНИЧЕСКОЙ ЗАГОТОВКИ ЭЛАСТИЧНОЙ СРЕДОЙ

© 2017 Е.Г. Демьяненко, А.Н. Епифанов, З.Д. Лыгин

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Статья поступила в редакцию 20.12.2017

Рассмотрены новые способы получения тонкостенных осесимметричных деталей с заданной точностью толщины стенки. Предложена методика проектирования элементов оснастки. Ключевые слова: способ, тонкостенная деталь, коническая оболочка, эластичная среда, штамповая оснастка, проектирование.

Типовыми изделиями ракетно-космической и авиационной индустрии являются тонкостенные оболочки из листовых заготовок (обшивки отсеков, обтекатели, топливные баки различных форм и размеров, баллоны хранения газов, сопловые оболочки, оболочки камер сгорания двигателей и др.). Для их получения многие из способов требуют или уникального оборудования и оснастки (штамповка взрывом, электрогидрош-тамповка и др.), или не обеспечивают заданной точности контура штампованной детали, т.е. имеют свои преимущества и недостатки. Поэтому большое значение на данный момент приобретает дальнейшее совершенствование процессов пластического формообразования листового металла [1,2,3,4,5], которые позволили бы получать сложные по форме и точные по размерам изделия при значительной экономии металла и высокой производительности труда. К таким инновационным способам, в том числе относятся способы, в устройстве (см. рисунок 1) которых используются раздвижные сектора и эластичный элемент [6] или (см. рисунок 2) эластичный элемент в виде двух конических оболочек 3 и 4 [7].

Особенность предложенных конструкции устройств в том, что изготовленная деталь лишена огранки и ее наружная поверхность практически совпадает с рабочей поверхностью матрицы, тем самым устранена дополнительная операция калибровки. Устройство должно удовлетворять следующим условиям. Чтобы избежать при увеличении диаметра эластичного элемента его уменьшения высоты и возникновения на поверхности контакта с заготовкой сжимающих сил трения, которые могут привести к потере устойчивости тонкостенной заготовки, эластичный элемент в районах наибольшего и наименьшего диаметров матрицы зажимается

Демьяненко Елена Геннадьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры обработки металлов давлением. E-mail: e-dem@mail.ru Епифанов Александр Николаевич, аспирант. Лыгин Захар Денисович, магистрант.

(в начальный момент) между матрицей и секторами. Для надежного обеспечения условия зажима эластичного элемента необходимо, чтобы его высота была больше высоты рабочей поверхности, но не превышала общую высоту матрицы, иначе эластичный элемент может попасть в зазор между матрицей и секторами. Это устраняет сжимающие силы трения на внутренней поверхности заготовки. Эластичный элемент в случае применения двух конических оболочек 3 и 4, деформируясь, увеличивается в диаметре и уменьшается в толщине, то есть соответствует условию плоского деформированного состояния, когда деформация по толщине равна по величине и противоположна по знаку деформации увеличения диаметра эластичного элемента

. В этом случае приближенно можно записать условие постоянства объема (см. формулу 1):

или

р-r

S - S 0

S 0

где р, г - соответственно радиусы по средней поверхности средние по высоте эластичного элемента до и после деформации;

£0, £ - соответственно толщины средние до и после деформации.

Несмотря на уменьшение толщины эластичного элемента в виде двух конических оболочек, прирост объема А¥р его за счет увеличения диаметра должен компенсировать разницу между внутренним объемом, ограниченным рабочей поверхностью матрицы и объемом, ограниченным наружной поверхностью эластичного элемента в виде двух конических оболочек в исходном состоянии АУ (см. формулу 2).

AVp = AV или п

(- r' 7

cosa

А„ = AV,

где высота рабочей поверхности матрицы; а - угол конусности конуса. Выразим г из (1) и, подставив его в (2) после преобразований получим:

s

S

r

А-А

Рис. 1. Устройство для формообразования тонкостенных осесимметричных деталей

усеченной сужающейся формы: 1 - пуансон; 2 - матрица; 3 - эластичный элемент; 4 - подвижные сектора; 5 - конус; 6 - опорное кольцо; 7 - шпилька; 8 - плита пресса; 9 - деталь; 10 - заготовка

Рис. 2. Устройство для формообразования тонкостенных осесимметричных деталей

усеченной сужающейся формы: 1 - пуансон; 2 - матрица; 3 - эластичный элемент; 4 - эластичный элемент; 5 - конус; 6 - опорное кольцо; 7 - шпилька; 8 - плита пресса; 9 - деталь; 10 - заготовка; 11 - подвижные сектора

Р =

2 - —

АУ сои а

п-к.

/ \2 2 - —' V —0 у

+1

.

S = 2

Приняв во внимание, что р = рд — 0,5£ имеем:

Ру

2--

ÁV cosa

S

n-h.

(

2 - S

S

V

+1

О у

S

Исходную толщину эластичного элемента в виде двух конических оболочек найдем, поставив ограничения по степени деформации:

5 5 п

< к < 0,9 + 0,75 или

5 = 5 + 5> ; 50 = ^, где к

5Х + 5 2 = 2

рд — (2 — к),

АУ соза _ п-км [(2 — к ) +1]

>

где рд - средний радиус детали;

Б1 - толщина внешнего эластичного элемента;

Б2 - толщина внутреннего эластичного элемента.

Улучшение современной авиационной техники, и в тоже время ее усложнение, повышение требований к качеству и надежности приводит к расширению производства технологической оснастки, проектирование и изготовление которой по трудоемкости составляет около 80 %, а по длительности - до 90 % общей трудоемкости и длительности технологической подготовки производства. Рассмотрим методику проектирования элементов оснастки для способа получения тонкостенной осесимметричной детали усеченной сужающейся формы.

• Расчет матрицы на прочность:

так как контейнер находится под внутренним давлением, то с целью безопасности эксперимента необходимо рассчитать его на прочность. Используя выводы расчета на прочность толстостенных цилиндров, нагруженных изнутри равномерным давлением [8], определили напряжения в тангенциальном направлении:

(У0

Ь Гкс

я!

-+

ц,г1 Я1

4 2 конт конт

1

- I

Я!

<[о\

— I

Рис. 3. Эластичная коническая оболочка: Н - высота эластичного конического элемента; Я, Ян - больший радиус по срединной и наружной поверхности эластичного конического элемента; г, гн - меньший радиус по срединной и наружной поверхности эластичного конического элемента; Б - толщина эластичного конического элемента

Йк

Рис. 4. Эластичный элемент в виде кольца: Як - больший радиус кольца; г - радиус отверстия в кольце; Бк- толщина кольца

нического эластичного элемента, а наружный радиус равен:

я„ =

где Я , г - радиусы контейнера наружный и

^ конт конт Г ^ ' Г Г'

внутренний соответственно;

ц2 - избыточное давление матрицы через заготовку на эластичный элемент,

[¡2 ]< 0,1кг / мм ;

\&в ] - предельное значение напряжения в тангенциальном направлении.

• Для процессов формообразования эластичным элементом конической формы (см. рис. 3) будем считать, что схема сжатия эластичного конического элемента в виде толстостенной оболочки эквивалентна сжатию эластичного элемента в виде кольца (см. рис. 4).

При этом примем, что толщина толстостенной конической оболочки равна толщине эластичного элемента в виде кольца, внутренний радиус кольца равен наименьшему радиусу ко-

2 (Я — г )2 г +---

чта

где г ~ гн — £к, т.к. гн > .

Выражение получено из условия равенства площадей по срединной поверхности конической эластичной оболочки и эластичного кольца. Предлагаемая модель позволяет рассчитать размеры эластичного конического элемента в виде толстостенной оболочки, если его размеры Як, гн, Н определены геометрией заготовки.

При применении способов необходимо определить толщину эластичного элемента кроме использования формулы (4) еще из дополнительных условий. Рассмотрим их.

• Обеспечение отсутствия заполнения эластичными элементами зазора Д. Рассмотрим схему действия сил в области зазора между подвижными секторами (см. рис. 5).

г

мр = (, • 5

где свЬл - напряжение растяжения в эластичном элементе.

Во втором случае:

л А

Меж = 9-А-

где А - зазор между подвижными секторами. Величина зазора определяется из условия: 2пЯх - 2яг0

А = -

N

где N - число секторов;

Я1 - радиус по наружной поверхности подвижных секторов в момент окончания деформации в сечении, которое в исходном состоянии находилось в плоскости разъема матрицы с радиусом г0.

Суммарное давление эластичной среды равно (согласно принципу суперпозиции):

Я = Я + 42 + Яз ,

где Я - давление заготовки на эластичный элемент;

42 - избыточное давление матрицы через заготовку на эластичный элемент, [д 2 ] ^ 0,1кг / мм2.

Составляющая сжатия от напряжения растяжения эластичного элемента:

7

где 7 = аг^ё

д з

А

2'

2 Я в

(см. рис. 5),

где Язаг - радиус цилиндрической заготовки. Из уравнения Лапласа [9]:

Рис. 5. Схема действия сил на эластичный элемент в области зазора между подвижными секторами: 1 - матрица; 2 - заготовка; 3 - эластичный элемент; 4 - подвижный сектор; 5 - конус; А - зазор между секторами; у - угол наклона; Я - радиус до наружной поверхности секторов; Бэл - толщина эластичного элемента; Бзаг - толщина заготовки; (вэл- тангенциальное напряжение растяжения

эластичного элемента; ц - суммарное давление на эластичный элемент

Чтобы эластичный элемент не продавливался в зазор А, необходимо соблюдать равенство моментов от действия растягивающих и сжимающих сил относительно сечений перпендикулярных плоскости чертежа и проходящих через точки «0».

Ир = мсж ,

где Мр, МСЖ - изгибающие моменты соответственно от растягивающих и сжимающих сил на единицу ширины.

В первом случае имеем:

5.

дх = ^ (

К о,

взаг :

где (&аг ~(в - тангенциальное напряжение растяжения в заготовке.

С учётом выражений (8 ^ 13) равенство (7) примет вид:

(вэл. • 5эл. ^

д 2 +

5 „

Я.

А1

-.

Отсюда имеем:

[ 2 + £ заг ! К заг (в +

'6 вэл

• 81П

(7/2)]]

£ эл.

-.

вэл.

Условие (15) гарантирует отсутствие затекания эластичного элемента в зазоры между подвижными секторами. В противном случае процесс проводить нежелательно. Ограничения зависят и от относительной толщины заготовки, и от давления эластичной среды, на которое влияет величина вытесненного объёма (форма и размеры детали).

• Расчет толщины конической эластичной оболочки определяется исходя из необходимого давления. Для этого используются диаграммы сжатия эластичного элемента (резины), которые достаточно широко представлены (см. рис. 6). Условием выбора толщины и относительных размеров эластичного в виде кольца служит максимальная величина сжатия по толщине не превышающая 10-15% , при выбранном значении (см. формулу 11).

Необходимо выполнить условие, чтобы величина сжатия резины не превышала в местах наибольшего деформирования более 30%.

Далее из рассчитанных толщин (см. формулу 4, 15 и см. рис. 6) выбирается наименьшая.

• Определение числа и размеров подвижных секторов. Схема для расчета представлена на рис. 7.

0.20

Рис. 6. Диаграмма сжатия резины

М„ = P-l =

q-l2

Мв = °0,2 — . Из условия (17; 18) имеем:

2q-l2

о

0,2

где I - ширина подвижного сектора в сечении наибольшего радиуса Яс. Его длина определяется:

, 2лЯг

I =-^,

N

где N - число секторов.

Из равенств (19 и 20) можно определить:

N =

8 • дж2 RC

°0,2 S 2

Рассчитываются усилия процессов формообразования эластичным буфером сложных деталей с подвижными секторами.

Схема к определению усилия представлена (см. рис. 8).

Рис. 7. Схема действия сил на подвижный сектор: Р - результирующее усилие; ц - давление эластичной среды; 1 - подвижный сектор; 2 - конус

Подвижные сектора 1 получены путем распила конической оболочки прилежащей к конусу 2,вдоль образующих на несколько частей. Поэтому при движении вдоль конуса отсечений меньшего диаметра к большему образуется зазор ш между внутренней поверхностью подвижного сектора 1 и поверхностью конуса 2.

Подвижный сектор должен передавать усилия от пресса при минимальной толщине, не деформируясь и не разрушаясь. Поэтому размеры сектора I, Б должны быть согласованные с давлением среды ц. Необходимым условием согласования этих параметров может быть равенство момента внутренних и внешних сил:

Ми = Ме ,

где Ми , М- моменты внешних и внутренних сил.

Будем считать:

Рис. 8. Схема действия сил на подвижный сектор: 1 - матрица; 2 - эластичный элемент;

3 - подвижный сектор; q - давление эластичной среды;

Рв - внутреннее усилие сопротивления;

Р - внешнее усилие; ас - угол конусности

Запишем условие равенства внешнего и внутреннего усилия:

Рв = Р,

где Рв - результирующее внутреннее усилие.

Рв = K3qF- sin ac.

При анализе назначения новых способов и оценке их технологичности важным является проработка методики проектирования элементов оснастки, так как это определяющая часть оснащения производства и оборудования с целью выполнения определенной задачи технологического процесса [10]. Обоснованная методика способствует повышению производительности; точности обработки, сборки и контроля; облегчению условий труда; сокращению количества и снижению квалификации рабочих; строгой регламентации длительности выполня-

емых операций; расширению технологических возможностей оборудования; повышению безопасности рабочих и снижению аварийности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ЕрисовЯ.А., Гречников Ф.В. Математическая модель анизотропного упругопластического материала // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2011. № 6(30). С. 73-80.

2. Шляпугин А.Г., Попов И.П., Звонов С.Ю. Особенности процесса формообразования полых конических деталей из кольцевой заготовки // Известия ВУЗов. Авиационная техника. 2010. № 3. С. 75-76.

3. Нестеренко Е.С., Попов И.П., Зимарёв М.В. Способ получения тонкостенных конических деталей в штампе с упругим элементом // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2012. № 1(32). С. 161-169.

4. Арышенский В.Ю., Гречникова А.Ф., Ерисов Я.А. Влияние параметров текстуры и структуры на предельное формоизменение обшивочных листов при обтяжке // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2012. № 2(33). С. 142-148.

5. Демьяненко Е.Г. Исследование возможностей процесса формовки в устройстве с применением разжимных секторов // Известия Самарского науч-

ного центра РАН. 2012. Т. 14. №6. С. 182-186.

6. Патент РФ № 2493928 18.04.2012 зарегистрировано 27.09.2013 «Устройство для формообразования тонкостенных осесимметричных деталей усеченной сужающейся формы».

7. Патент РФ № 128527 09.11.2012 зарегистрировано 27.05.2013 «Устройство для формообразования тонкостенных осесимметричных деталей усеченной сужающейся формы».

8. Расчеты на прочность в машиностроении. Том 2. Некоторые задачи прикладной теории упругости. Расчеты за пределами упругости. Расчеты на ползучесть // С.Д. Пономарев, В.Л. Бидерман, К.К. Лихарев, В.М. Макушкин, Н.Н. Малинин, В.И. Фео-досьев. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1958. 974 с.

9. Теория ковки и штамповки: учебное пособие для студентов машиностроительных и металлургических специальностей вузов / Е.П. Унксов, У. Джонсон, В.Л. Колмогоров и др. [под общ. ред. Е. П. Унк-сова, А.Г. Овчинникова]. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1992. 720 с.

10. Совершенствование организации литейного производства авиационного предприятия на основе имитационного моделирования / В.И. Дровянни-ков, И.Н. Хаймович, М.А. Фролов, Е.А. Ковалькова // Фундаментальные исследования. 2015. № 2-14. С. 3023-3028.

DESIGNING OF STAMPING TOOL FOR THE FLANGING PROCESS FROM A CONICAL BLANK WITH RUBBER

© 2017 E.G. Demyanenko, A.N. Epifanov, Z.D. Lygin

Samara National Research University named after Academician S.P. Korolyov

It is suggested the new methods of manufacturing thin-walled axisymmetric parts with a given wall thickness accuracy are considered. It is developed the method for designing of stamping tool. Keywords: method, thin-walled component, conical shell, rubber, stamping tool, designing.

Elena Demyanenko, Candidate of Technics, Associate

Professor at the Metal Forming Department.

E-mail: e-dem@mail.ru

Alexandr Epifanov, Graduate Student.

Zakhar Lygin, Student.