Интенсификация технологических процессов изготовления полых цилиндрических деталей

УДК 621.983

С.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф.,

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

Приведены примеры использования процессов комбинированной вытяжки и вытяжки с утонением стенки при разработке технологических процессов изготовления цилиндрических деталей с толстым дном и тонкой стенкой.

Ключевые слова: анизотропия, вытяжка, технологический процесс, рекомендации, коэффициент вытяжки, коэффициент утонения, пуансон, матрица.

Современные тенденции развития металлообработки характеризуются резким повышением требований к качеству и эксплуатационным свойствам изделий при снижении себестоимости их производства. Это стимулирует разработку высокоэффективных технологий, отвечающих указанным требованиям и реализующих экономию материальных и энергетических ресурсов, трудовых затрат.

Процессы обработки металлов давлением (ОМД) относятся к числу высокоэффективных, экономичных способов изготовления металлических изделий, позволяющие повысить производительность труда, снизить энергоматериалоемкость производства, обеспечить высокое качество изготавливаемых изделий.

В различных отраслях промышленности широкое распространение нашли цилиндрические изделия с толстым дном и тонкой стенкой, изготавливаемые методами ОМД. Точное машиностроение, приборостроение, автомобильное, тракторное и сельскохозяйственное машиностроение и другие отрасли промышленности предъявляют повышенные требования к механическим характеристикам, размерной точности и качеству поверхности таких изделий.

Технологические процессы вытяжки без утонения и с утонением стенки, а также операции выдавливания позволяют получить изделия высокого качества. Их использование в некоторых случаях ограничивается технологическими или экономическими причинами. Интенсификация процесса глубокой вытяжки может быть достигнута комбинированной вытяжкой, которая характеризуется одновременным изменением диаметра вытягиваемой заготовки и толщины стенки. Этот метод позволяет получать

79

изделия с повышенными точностными характеристиками, более упрочненной стенкой, достигать больших степеней деформации по сравнению с упомянутыми методами вытяжки. Это приводит к значительному сокращению числа операций технологического процесса. Наибольший эффект от комбинированной вытяжки и вытяжки с утонением стенки можно получить, если конструкция изделия учитывает особенности и возможности этих операций [1, 2].

Надежность и эффективность технологических процессов глубокой вытяжки обеспечиваются правильным выбором параметров технологии и геометрии вытяжного инструмента.

Листовой материал, подвергаемый штамповке, как правило, обладает анизотропией механических свойств, обусловленной маркой материала и технологическими режимами его получения. Анизотропия механических свойств материала заготовки может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов обработки металлов давлением, в частности операций глубокой вытяжки [2, 3].

Ниже приведены примеры использования процесса комбинированной вытяжки при разработке новых технологических процессов изготовления корпусных цилиндрических деталей.

Разработка технологических процессов и параметров инструмента для получения цилиндрических изделий включает в себя следующие этапы.

1. Составление технологического чертежа изделия [1, 5].

2. Определение формы исходной заготовки [1, 4, 5].

3. Определение общего коэффициента утонения т80^ и коэффициента вытяжки т( [1, 2, 5].

4. Нахождение исходного диаметра заготовки и ее относительной толщины:

D0 = ( /т( ; 8П = V^

где ( - диаметр изделия по срединной поверхности.

5. Выбор пооперационных коэффициентов вытяжки т( и определение числа операций по уменьшению диаметра вытягиваемой заготовки П( [1, 2, 5].

6. Определение пооперационных коэффициентов утонения т8, ,

числа операций п8 [2, 5].

7. Расчет размеров полуфабрикатов по операциям [1, 2, 5].

8. Определение необходимости применения складкодержателя [2,

5].

9. Определение исполнительных размеров вытяжного инструмента и расчет его параметров [1, 4, 5].

10. Вычисление силы операции вытяжки [1, 2, 5].

11. Оценка показателей качества цилиндрических деталей, изготавливаемых комбинированной вытяжкой [2].

12. Оценка ожидаемых механических свойств получаемой детали

[2].

Приведенные выше рекомендации по расчету технологических процессов и параметров инструмента для изготовления цилиндрических изделий с толстым дном и тонкой стенкой были использованы при разработке новых технологических процессов изготовления цилиндрических детали «Корпус». В настоящее время деталь «Корпус» изготавливают с помощью операций вытяжки без утонения стенки с использованием пресса двойного действия.

Деталь «Корпус» имеет плоский фланцевый участок. Для получения фланцевых участков с малым радиусом закругления помимо операций вытяжки необходимо применять операцию калибровки и обрезку по контуру. Она должна обладать высокой конструктивной жесткостью, удовлетворять требованиям геометрической формы по цилиндричности и плоскостности фланца и дна.

Типовой технологический маршрут изготовления детали «Корпус» следующий.

1. Резка листа на полосы.

2. Вырубка круглых заготовок.

3. Вытяжка с прижимом заготовки и ограничением рабочего хода.

4. Калибровка фланцевого участка.

5. Обрезка фланцевого участка по контуру.

При вытяжке без утонения наблюдается изменение толщины стенки по высоте, конусность и овальность. Конусность и овальность частично исправляются операцией калибровки, тогда как изменение толщины стенки по высоте не исправляется. Для обеспечения требуемой жесткости деталь «Корпус» должна иметь донный участок толщиной не менее 1,5...2,0 мм и достаточно жесткий фланцевый участок необходимый для устранения овальности конструкции.

Рассмотрим возможность повышения эксплуатационных характеристик детали за счет применения технологии получения ее комбинированной вытяжкой. При комбинированной вытяжке имеется возможность получения детали с более толстым дном, чем стенкой. При этом за счет более интенсивного упрочения стенки жесткость цилиндрической части детали сохраняется при уменьшении толщины стенки. Это позволяет снизить массу детали при сохранении конструктивной жесткости изделия. Можно также повысить конструктивную жесткость при сохранении исходной массы детали за счет увеличения толщины заготовки до ^о = 2,0 мм. Рассмотрим возможность получения детали «Корпус» с повышенными эксплуатационными характеристиками при сохранении исходной массы

изделия.

Для получения требуемой высоты детали на столько же уменьшается толщина стенки, т.е. с 1,5 до 1,2 мм. При использовании утолщенной заготовки коэффициент вытяжки составит 0,62 (вместо 0,53), а коэффициент утонения - 0,60.

Комбинированную вытяжку, как и вытяжку без утонения, рекомендуется производить с прижимом заготовки в тороидальной матрице с радиусом закругления рабочей кромки 10 мм. Вытяжку производят с ограничением рабочего хода, необходимого для образования фланцевого участка. При наличии пресса двойного действия целесообразно использовать штамп совмещенного действия для вырубки и вытяжки с учетом особенностей получения рассматриваемой детали (радиальная матрица, ограничение рабочего хода, наличие нижнего выталкивателя).

Для получения фланца с малым радиусом закругления с плоским торцем необходима операция калибровки с одновременной обрезкой фланца по контуру.

Разработанная технология позволяет получить более качественную деталь по точностным и механическим показателям, а использование предложенных штампов совмещенного действия дает возможность в два раза уменьшить число штамповочных операций (с четырех до двух).

В случае замены алюминиевого сплава АД на более прочный АМцМ возможно использование заготовки толщиной 1,5 мм. В этом случае конструктивная прочность детали сохранится при уменьшении толщины стенки с 1,5 до 1,1 мм, а масса детали уменьшится более чем на 20 %. Комбинированная вытяжка будет осуществляться при коэффициенте утонения 0,73 и коэффициенте вытяжки 0,58.

На рис. 1 показана деталь «Корпус» из алюминиевого сплава АД.

Рис. 1. Деталь «Корпус»

Новый технологический процесс обеспечивает: повышение произ-

водительности изготовления детали на 50 % и более; на столько же сокращается время на подготовку производства и снижение затрат на изготовление технологической оснастки, уменьшение массы готовой детали на 20 % за счет деформационного упрочнения материала при комбинированной вытяжке с сохранением конструктивной прочности детали. Трудоемкость изготовления уменьшается на 20.25 %, а себестоимость готовой детали -до 15 %.

Разработанные рекомендации по расчету технологических процессов и параметров инструмента для изготовления цилиндрических изделий с толстым дном и тонкой стенкой были использованы при разработке новых технологических процессов изготовления детали «Колба» электронагревателя из тонколистового пищевого алюминиевого сплава АД1. Требования к конструктивной жесткости цилиндрических деталей незначительна, так как они не несут существенных эксплуатационных нагрузок. Однако из-за потери устойчивости тонколистового материала при штамповке возникает необходимость в уменьшении степеней деформации, что приводит к увеличению числа операций. Так, при изготовлении детали «Колба» электронагревателя используется заготовка толщиной до 2 мм и диаметром 387 мм. При формоизменении заготовки с помощью операций вытяжки необходимо три операции, а общее число штамповочных операций достигает семи.

Типовой технологический маршрут изготовления детали «Колба» электронагревателя следующий.

1. Резка листа на полосы.

2. Вырубка круглых заготовок.

3. Вытяжка с прижимом заготовки и ограничением рабочего хода.

4. 5. Вытяжка с ограничением рабочего хода

6. Калибровка фланцевого участка.

7. Обрезка фланцевого участка по контуру.

При изготовлении детали «Колба» электронагревателя используется технология комбинированной вытяжки. За счет увеличения толщины заготовки с 1,8 до 2,5 мм и уменьшения толщины стенки с 1,8 до 1,55 мм уменьшается диаметр заготовки с 387 до 245 мм. В результате этого коэффициент вытяжки составляет 0,50, а коэффициент утонения - 0,62. Эти технологические параметры комбинированной вытяжки позволяют получить деталь за одну операцию с использованием штампа совмещенного действия для вырубки и вытяжки, установленного на прессе двойного действия.

Для получения фланца использовалась тороидальная матрица, и вытяжка осуществлялась с ограничением рабочего хода. Для удаления готового полуфабриката использовался нижний выталкиватель. Калибровка и обрезка фланца полуфабриката осуществляется в штампе для калибровки и обрезки.

На рис. 2 приведена деталь «Колба» электронагревателя.

Рис. 2. Деталь «Колба»

Применение комбинированной вытяжки для изготовления этих деталей позволило уменьшить число штамповочных и вспомогательных операций с 7 до 2, что дало возможность повысить производительность штамповки более чем в 2 раза, снизить расходы на изготовление штамповой оснастки и уменьшить себестоимость изготовления более чем на 20 %.

Работа выполнена по государственным контрактам в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы и грантам РФФИ.

Список литературы

1. Валиев С.А. Комбинированная глубокая вытяжка листовых материалов. М.: Машиностроение, 1973. 176 с.

2. Яковлев С.С., Нечепуренко Ю.Г., Яковлев С.П. Глубокая вытяжка цилиндрических изделий из анизотропного материала. Тула: ТулГУ, 2000. 195 с.

3. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В.А. Обработка давлением анизотропных материалов. Кишинев: Квант, 1997. 331 с.

4. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение, 1979. 520 с.

5. Ковка и штамповка: справочник в 4 т. / Ред. совет: Е.И. Семенов и др. Т. 4. Листовая штамповка / под ред. С.С. Яковлева. М.: Машино-

строение, 2010. 717 с.

S.S. Yakovlev, Fam Dyk Thien, Yu.G.Nechepurenko, V.A. Korotkov INTENSIFICATION OF TECHNOLOGICAL PROCESSES MANUFACTURING OF HOLLOW CYLINDRICAL DETAILS

Examples of use of processes of the combined extract and extract with a wall uto-neniye are given when developing technological processes of manufacturing of cylindrical details with a thick bottom and a thin wall.

Key words: anisotropy, extract, technological process, recommendations, factor of an extract, factor of an utoneniye, punch, matrix.

Получено 20.07.12

УДК. 621.7, 539.3

O.A. Ткач, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-18-32, tkachoa@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

А.Н. Пасько, д-р техн. наук, доц., (4872) 35-18-32, tm@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

Л.П. Семенова, канд. техн. наук, доц.,

ОСАДКА ЗАГОТОВКИ РАЗЛИЧНОЙ ГЕОМЕТРИИ В КОЛЬЦЕВУЮ МАТРИЦУ

Представлены результаты исследования процесса осадки заготовки различной геометрии в кольцевую матрицу. Математическая модель строилась на использование трехмерных конечных элементов. Исследования проводились в рамках гранта РФФИ 10-01-9 750 7-р центр а.

Ключевые слова: осадка, дефекты формирования поковки, силовые характеристики, трехмерное моделирование.

Проводилось исследование процесса осадки заготовки различной геометрии в кольцевую матрицу. Рассматривались образцы из стали ШХ15 размерами D = 50 мм, ¿/=10 мм, /7 = 10 мм. Варьировался зазор полости матрицы А = 5,10,15 мм и коэффициент трения fi = 0,3; 0,4. Степень осадки принималась равной 50 %. Операция проводилась в гидравлическом прессе номинальным усилием 50 МН. Расчетная схема процесса (рис. 1) представляет собой половину меридионального сечения осесимметричной цилиндрической заготовки, где z есть ось симметрии.

85