Моделирование процесса штамповки высоких гаек из аустенитных коррозионно-стойких сталей

Уравнение (2) можно принести к обычному виду системы алгебраических уравнений:

где |М4) - матрица известных коэффициентов; {/?} - вектор-столбец известных правых частей уравнений; {ДГ} - вектор-столбец искомых величин.

Для проверки предложенного способа была разработана компьютерная программа в среде программирования Вог1апс1 Ое1рЫ 7. С помощью программы был произведен численный эксперимент, который состоял из прямого и обратного моделирования процесса затвердевания отливки. Входным параметром прямого моделирования было распределение температуры в начальный момент времени. Результаты прямого расчета были использованы в качестве входного параметра для обратного моделирования. Было установлено, что выходные значения температур, полученные решением обратной задачи, совпали с входными параметрами прямой задачи, что численно подтвердило правильность предложенного способа.

Описанный способ численного моделирования позволяет выявлять и количественно описывать относительный избыток или недостаток искомой величины в проблемных зонах отливки, что, в свою оче-

редь, можно использовать для расчета средств воздействия и подбора технологических параметров. Таким образом, у системы, ориентированной на обратное моделирование по предложенному способу, появляется способность выдавать технологические рекомендации, исключая натурный эксперимент.

Библиографический список

1. Тихомиров М.Д., Ермакова С.В. Обзор рынка прикладных пакетов для моделирования литейных процессов. Критерии выбора моделирующей системы / материалы научно-практического семинара «Новые подходы к подготовке производства в современной литейной промышленности» — СПб, 2005. — 87 с.

2. Гуляев Б.Б. Теория литейных процессов. - Л. : Машиностроение, 1976. - 214 с.

3. Тихомиров М.Д., Основы моделирования литейных процессов. Тепловая задача. - Литейное производство. — 1998. — N9 4. — С. 30 — 34,

МАЛЬГАВКО Дмитрий Сергеевич, аспирант кафедры «Машины и технология литейного производства».

Дата поступления статьи в редакцию: 03.03.2009 г.

€> Малылико Д.С.

УДК621.882.55/.56:621.77 % ШТЕЛЕ

В. В. ГРЯЗНОВ В. В. МИНЕНКОВ

Омский государственный технический университет

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ШТАМПОВКИ ВЫСОКИХ ГАЕК ИЗ АУСТЕНИТНЫХ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХ СТАЛЕЙ

В статье изложена методика исследования процесса штамповки высоких гаек из нержавеющих сплавов с использованием компьютерного моделирования. Получены зависимости, позволяющие судить о силовых и кинематических параметрах выдавливания подобных деталей.

Ключевые слова: гайка, моделирование, штамповка.

В конструкциях деталей машин, металлоконструк- В настоящее время наиболее эффективным спосо-

циях, элементах сооружений широкое применение на- бом получения заготовок гаек, обеспечивающим мини-

ходят резьбовые соединения, основным рабочим эле- мальный отход материала и высокое качество изделий,

ментом которых является резьбовой профиль, является холодная или горячая объемная штамповка на

Соединения представляют собой систему стержневое высокопроизводительных многопозиционных пресс-

изделие - гайка. Среди крепежных изделий гайки со- автоматах, процесс штамповки на которых состоит из

ставляют 30 — 35%отобщего количества выпускаемой трех, четырех или пяти переходов 11,2).

продукции. Технология изготовления гаек состоит из Исследования, направленные на совершенствова-

двух основных операций: получение заготовки гайки и ние процессов штамповки заготовок гаек, нашли свое

формирование внутреннего резьбового профиля. отражение в работах Навроцкого Г.А., Головина В.А.,

Рнс. I. Трех переходили схема штамповки высоких гаек

ФШМ

Х>

Рис. 2. Конструкция и размеры высокой гайки (3|

Мисожникова В.М.. Паршина В.Г., Жураилева А.З., Бутакова С.В., Артюхина В.И., Евстифеева В.В. и др. Однако в этих работах не было уделено должного внимания качеству заготовок высоких гаек изаусте-ннтных коррозионно-стойких сталей, отсутствуют четкие рекомендации по анализу и выбору факторов, определяющих усилие штамповки, обеспечивающих заполнение граней шестигранника, с минимальным износом инструмента.

Основными проблемами и препятствиями к широкому внедрению процессов штамповки гаек из нержавеющих сплавов в производстве метизов являются недостаточная изученность процессов формообразования, отсутствие комплексных исследований, направленных на установление связей между размерно-геометрическими параметрами инструмента и кинематико-силовыми параметрами процесса деформирования заготовки гайки.

Для эксплуатации в агрессивных средах широкое применение получили высокие гайки |3| из нержавеющих сталей 12Х18Н10Т, 14Х17Н2, 45Х14НВ2Н, 20ХНЗА, 20Х13. Данный вид гаек применяется в распределительных устройствах и фланцевых соединениях трубопроводов в условиях Крайнего Севера и в специализированных типах производств: атомной промышленности, нефтедобывающей отрасли и т.д.

Одной из проблем в производстве данных Деталей является получение качественной поверхности рабочих граней гайки, без дальнейшей обработки. Данные стали обладают высоким уровнем адгезии, что не позволяет получить в автоматах качественной поверхности детали. Другой, не менее важной проблемой является очень быстрый износ рабочих деталей штампа: пуансона и матрицы.

Для сокращения количества наименований закупки круглого проката, предложена трех переходная схема штамповки шестигранных гаек, с применением в качестве исходного материала круглого проката диаметром, равным диаметру заготовки шпильки (рис. 1а). Технологический процесс состоит из:

- предварительной осадки (рис. 16);

- окончательной штамповки (рис. 1 в);

- прошивки отверстия (рис. 1 г).

С помощью компьютерного моделирования исследован процесс окончательной штамповки гайки на втором переходе, т.к. данный переход является наиболее ответственным. На этом переходе происходит интенсивный износ инструмента. Исходны ми данными являются:

1. Размерно-конструктивные параметры инструмента.

2. Размеры полуфабрикатов после первого перехода.

3. Материал заготовки: в расчетах использовалась аустенитная сталь 12Х18Н10Т нагретая до области ковки - 800-1200'С.

4. Материал инструмента: сталь 5ХНМ.

5. Кузнечно-штамповочное оборудование: гидравлический тип пресса и скорость движения инструмента 1 мм/с.

6. Коэффициент трения на поверхностях пуансона и матрицы: 0.3.

7. Температура инструмента: 150*С.

8. Температура окружающей среды: 20'С.

9. Величина рабочего хода, рассчитанная из условия конечной высоты заготовки.

Силовой режим, характер формоизменения и др. факторы исследованы на примере штамповки гайки М36, показанной на рис. 2. Важными факторами, опре-

0.925

Мдх.

Напряжение на поверхности Е+8 Па 9Л09

6.525

4.042

Усилие

кН(€*31

06.984 Перемещение, %

Рис. 3. График усилие - перемещение при штамповке высоких гаек

4*39.2$

№ п ч

/

Н/Н0=и5

V = 000077838 ги

Рис. 4. Варианты полуфабрикатов после первого переходе

деляющими качество гаек, являются: заполнение ребер, отсутствие дефектов на гранях, соответствие заданным размерам, определяемыми допусками. Например, заполнение ребер может быть регламентировано минимально допустимым диаметром описанной окружности «е» (рис. 2), определяемым допуском на размер ««под ключ»». То есть при размере 55ю 0 е = 61.7^ 7.

При моделировании выделены следующие стадии процесса. Внедрение выступов пуансона и контрпуансона. показанные в табл. 1 (столбец 1). При этом отчетливо видно, что с самого начала процесса рабочего хода и до 50% перемещения происходит формирование очага деформации под выступом пуансона, высота которого меньше, чем высота заготовки. В результате происходит образование застойной зоны над выступом контрпуансона, а наибольшее течение металла наблюдается в радиальном направлении из под выступа пуансона, чему свидетельствует наиболее интенсивное увеличение пятна контакта в этом промежутке рабочего хода (табл. 1 столбец 2). К 80% перемещения картина изменяется, т.е. застойная зона исчезает за счет того, что очаг деформации распространяется на всю высоту между выступами пуансона и контрпуансона. Происходит перераспределение металла из зоны между выступами пуансона и контрпуансона в нижнюю часть поковки гайки. При этом происходит активное заполнение нижней части ребра, что можно наблюдать но площади контакта заготовки с матрицей на 80 % перемещения. К моменту 90% перемещения пуансона, его кольцевая поверхность достигает верхней части за-

» * & £ Ш ?: 100

Г I "Г «/* ^ г*. ^

с\ С\ с\ <г. ^

Перемещение. %

Рис. 5. Г рафик зависимости площади пятна контакта поковки с матрицей от перемещения пуансона

готовки. Далее происходит затекание в угловую полость между выступом пуансона и его кольцевой рабочей плоскостью (оформление верхней внутренней фаски) при одновременно продолжающемся процессе заполнения ребер снизу вверх и формировании верхней внешней фаски. При дальнейшем движении пуансона вниз, в зазор между пуансоном и матрицей выдавливается металл, образуя «корону». Образование короны начинается с 97% перемещения пуансо-

Кинематические, контактные н температурные условия деформирования

%

Кинематическая характеристика движения частиц металла

Площадь контакта заготовки с матрицей Полная площадь пятна контакта равна 1200 мм2

Характер изменения температуры заготовки

Температура Мах. 1.473ЕЧЮЭ £♦3 К М1а 5.801Е*002

N

/

25

Ш!!Ш 1

на и до конца рабочего хода. Условия вытекания металла приближаются к закрытой штамповке, что вызывает резкое возрастание усилия, участок АВ графика на рис. 3. Также по табл. 1 можно проследить характер изменения температуры заготовки по стадиям процесса деформирования. На стадии 0% заготовка имеет светлый цвет, т.е. температуру 1200’С. По мере охлаждения заготовки происходит изменение её цвета по градиенту, т.е. в позиции конца рабочего хода заготовка имеет температуру поверхности, близкую к температуре рабочего инструмента.

На рис. 3 приведен график усилия при штамповке поковки гайки, а также изображение полуфабриката в момент97% перемещения пуансона. Этот момент является началом зарождения короны. На графике этот момент указан вертикальной линией и точкой А. которая характеризует максимальное значение усилия перед зарождением короны - оно равно 650 кН. В случае доведения процесса штамповки до полного образования короны, усилие возрастает до точки В, в которой усилие равняется 1522 кН. В настоящее время в машиностроении применяется схема горячей штамповки нержавеющих гаек с выдавливанием короны. Так как заполнение углов гайки оценивается по диаметру описанной окружности е (рис. 2), исследовано изменение этого диаметра в зависимости от перемещения пуансона. Исследование показало, что в промежутке между 96% и 97% перемещения, наблюдаются удовлетворяющие стандарту |3] диаметры описанной окружности. 62,2 и 63,2 мм соответственно. Причем разница в перемещении ползуна между этими положениями составляет около 1 мм. что значительно осложняет настройку закрытой высоты пресса. Но, настроившись в заданный интервал, можно получить качественную деталь, значительно уменьшив при этом усилие штамповки, тем самым уменьшив износ инструмента и увеличив его ресурс. Снижается также усилие выталк точная настройка оборудования, а также повышенные требования к точности объема заготовки.

В предложенной трехпереходной схеме на позиции осадки (рис. 16) получаем полуфабрикат в виде тела вращения, образующая которого ломаная линия. Имеются результаты исследований влияния формы полуфабриката на качество заполнения ребер при многопереходной штамповке гаек в холодном состоянии. Подтверждается существенное влияние на этот процесс размеров фасок на полуфабрикатах (высота и угол образующей конической поверхности) [4|.

Представляется интересным проведение подобных исследований для штамповки высоких гаек в горячем состоянии. Для выбора оптимальной формы полуфабриката проведен ряд моделирующих экспериментов.

Для центровки полуфабриката во втором переходе штамповки диаметр полуфабриката выбран по диаметру вписанной окружности конечного шестигранника. На основании результатов предварительных экспериментов угол нижней фаски выбран равным 45*. Наиболее сложная заполняемость наблюдается в верхней части гайки, поэтому представляет интерес влияние формы и размеров верхней фаски полуфабриката после первого перехода. Исследовано формоизменение при 3-х вариантах углов фаски: 50', 45* и 30’ (рис. 4). При одинаковом объеме заготовок, но с разными углами фасок, полуфабрикаты отличаются по высоте.

Для количественной оценки заполияемости углов между гранями гайки, в зависимости от угла фаски

заготовки на первом переходе, выбрана величина площади контакта поковки с гранью матрицы. Последовательность изменения формы пятна контакта заготовки с инструментом приведена в табл. 1. Зависимость площади пятна контакта от хода пуансона для 3-х видов исходных заготовок представлена на рис. 5. Чем больше площадь пятна контакта заготовки с гранью матрицы, тем больше заполнение углов. Судя по графику, можно сделать вывод что при выбранной геометрии инструмента для второго перехода, наилучшей заполияемости углов можно добиться при угле верхней фаски - 30*. Тем не менее при угле фаски 45’ пятно контакта не на много отличается от пятна заготовки с фаской 30', более того при 96% перемещения ползуна происходит пересечение кривых для заготовок с углами фасок 30* и 45', поэтому при штамповке с ходом пунсона до интервала 96-97%, описанной ранее, не наблюдается существенной разницы в использовании полуфабриката с (|>аской 30' или 45'.

Также исследованы зависимости усилие - перемещение. Наименьшее усилие выдавливания наблюдается при угле фаски 50', но при этом происходит наихудшее заполнение угла. При углах фасок 30* и 45* заполняемость практически одинакова. Усилия так же близки по значению: 1518 кН и 1522 кН соот-ветственнодля заготовок с фасками 30* и 45*. Наиболее эффективное заполнение углов происходит при применении заготовки с углом верхней фаски 30*.

Сопоставление зависимостей по графикам (рис. 5) с текущими значениями усилий в данных моделируемых процессах позволяет рекомендовать использование фасок в интервале от 30* до 45*.

Полученные результаты показывают возможности компьютерного моделирования частного случая штамповки высоких гаек из аустенитных коррозионно-стойких сталей и позволяют более точно судить о данном технологическом процессе, а также представляют собой методику получения предварительной информации при проектировании промышленных технологических процессов подобных деталей.

Библиографический список

1. Гелей Ш. Расчет усилий и энергии при пластической деформации металлов. — М. : Металлургиэдат. 1958. - 420 с.

2. Биллиигмаи И. Высадка и штамповка. — М.: Маш-гиз, 1960. - 467 с.

3. ГОСТ 9064-75. Болты, шпильки, гайки и шайбы для фланцепых и анкерных соединений с температурой среды от 0 до 650*С.

4. Головин В.Д., Митькин А Н., Евстнфеев В В.. Попои В.Н. Производство полуфабрикатов и изделий холодным выдавливанием. — М : Типография НИИТАв-топрома, 1968. — 65 с.

ШТЕЛЕ Виталий Геннадьевич, ассистент кафедры «Машины и технология обработки металлов давлением».

ГРЯЗНО В Владимир Васильевич, кандидаттехничес-ких наук, доцент кафедры «Машины и технология обработки металлов давлением».

МИНЕНКОВ Владимир Васильевич, студент группы Д-514 специальности «Машины и технология обработки металлов давлением».

Дата поступления статьи п редакцию: 16.03.2009 г.

© Штслс В.Г., Грязной В.В., Мнненков В.В.