Разработка математической модели процесса обратного выдавливания поковок "стакан" с минимальной разностенностью

MODEL OF ISOTHERMIC FREE DEFORMATION OF TITANIUM ALLOYS S.N. Larin, V.I. Platonov, A.S. Akkuratnova

Expressions have been obtained that allow one to obtain an approach to modeling the shape-formation of a square-shaped product in the release of short-term creep-and-honor conditions. The equations obtained can facilitate the implementation of a theoretical evaluation of the operation under investigation.

Key words: pneumoforming, stresses, deformations, short-time creep, square matrix.

Larin Sergey Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Platonov Valeriy Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Akkuratnova Anastasiya Sergeevna, student, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.735

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА

ОБРАТНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ ПОКОВОК «СТАКАН» С МИНИМАЛЬНОЙ РАЗНОСТЕННОСТЬЮ

В.Ю. Лавриненко, В. А. Говоров

На основе метода многофакторного планирования эксперимента построена математическая модель процесса обратного выдавливания поковки «стакан» с наметкой на одном из торцов и без наметки в виде уравнений регрессии, определяющих зависимость разностенности заготовки от геометрических параметров наносимой наметки - угла, глубины и диаметра, а также несоосности матрицы и пуансона. Проведенные экспериментальные исследования процесса обратного выдавливания свинцовых заготовок с наметкой и без наметки позволили подтвердить наиболее целесообразные параметры наметки на заготовке для получения поковки с минимальной разно-стенностью.

Ключевые слова: обратное выдавливание, многофакторное планирование эксперимента, уравнение регрессии, разностенность поковок типа «стакан».

Детали типа «стакан» широко распространены в различных отраслях промышленности. К ним относят различные цилиндры (стальные и алюминиевые), корпуса снарядов, гильзы, капсулы и т.п. Одними из основных методов изготовления поковок (заготовок) таких деталей являются обратное выдавливание и протяжка (вытяжки с утонением стенок) на гидравлических прессах. Полученные при этом поковки обладают рядом

39

недостатков, одним из которых является низкая точность полученных поковок вследствие наличия разностенности поковок, достигающей 2...3 мм при толщине стенки поковки 10 мм. Это увеличивает число операций обработки резанием после процесса получения поковки методами штамповки и приводит к снижению производительности, увеличению трудоемкости и металлоемкости изготовления деталей [1].

Анализ существующих методов изготовления деталей типа «стакан» обратным выдавливанием показал, что на точность и качество полученных деталей влияют уклон (перпендикулярность) торца заготовки, точность массы заготовки, равномерный нагрев заготовки до температуры штамповки, точность установки заготовки в матрице и другие. Воздействие этих факторов при штамповке деталей типа «стакан» приводят к уводу в сторону пуансона относительно заготовки и появление высокой разно-стенности [1].

В работах Е.И. Семенова [2], а также в работах [3, 4] был предложен и исследован способ выдавливания поковок типа «стакан» с мини-мальнойразностенностью. Для ее снижения при обратном выдавливании круглых или квадратных заготовок на торцах исходной заготовки обработкой резанием предварительно выполняют наметку, которая имеет форму усеченного конуса, направленная основанием меньшего диаметра в тело исходной заготовки. При этом наметка обеспечивает хорошее центрирование пуансона относительно оси заготовки и снижает разностенность полученных деталей типа стакан в 2 и разаболее.

Теоретические исследования

Для определения условий получения поковки типа «стакан» с уменьшенной разностенностью и изучения особенностей формоизменения был использован программный комплексDEFORM. Проводили моделирование процесса выдавливания по схемам обратного выдавливания заготовок без наметки и при наличии наметки верхнем торце заготовки, при этом варьировали основные размеры наметки (угол а, диаметр dп и глубина наметки ^ (рис.1).

Рис. 1. Заготовка с нанесенной на верхний торец наметкой

40

В качестве варьируемых факторов были приняты размеры наметки на верхнем торце заготовки: угол а, диаметр ёпи глубина наметки И. Значения факторов и интервалы их варьирования представлены в табл.1.

Для сокращения общего числа экспериментов с использованием метода многофакторного планирования эксперимента была составлена матрица плана эксперимента (табл.1). В качестве материала заготовок при моделировании использовали сталь 30ХГСА, температура нагрева заготовок 1100°С. Размеры заготовок без наметки: Бз = 95 мм и Нз = 151 мм. Диаметр заготовок с наметкой Бз = 95 мм, для компенсации потерь металла при получении наметки высота заготовки с наметкой составила Нз = 152,75 _ 156,6 мм в зависимости от параметров наметки. Кроме этого, моделирование процесса обратного выдавливания заготовок без наметки и с наметкой на торце проводили в условиях смещения (несоосности) пуансона и матрицы равной 0,3 и 0,5 мм.

Таблица 1

Натуральные и кодированные значения факторов плана

эксперимента

1 Фактор Натуральное значение XI Кодированное значение

5 0

1 Угол а, ° 7 10 1 2

2 Диаметр ёп, мм 59 55 0 1

56 2

Глубина 5 0

3 наметки И, 10 1

мм 15 2

В табл.2 приведены основные результаты моделирования процесса обратного выдавливания.

Можно отметить, что разностенностьпоковки АБ при обратном выдавливании заготовки без наметки составила 3,39 мм при несоосности пуансона и матрицы, равной 0,3 мм, а при несоосности 0,5 мм - 1,35 мм.

При использовании заготовки с наметкой на торце разностенность получаемой поковки была уменьшена в 2 - 3,5 раза, причем наименьшая разностенность получаемой поковки имела место при использовании заготовки с предварительно изготовленной наметкой глубиной 15 мм, углом а = 5° и диаметром ёп = 56 мм.

Таблица 2

Разностенностъ поковки ЛЯ

№ Несоосность 0,3 мм Несоосность 0,5, мм

Раз н о сте н н о стъ/1 Л' при обратном выдавливании заготовки без наметки, мм

3,39 1,35

Разностенность/(Л' при обратном выдавливании заготовки с наметкой, мм

1 0,56 0,33

2 1,0 1,36

3 3,34 2,36

4 1,69 0,67

5 0,85 1,0

6 0,68 0,34

7 0,67 0,67

8 1.0 1,35

9 0,67 2,0

Построение математических моделей процесса обратного выдавливания

На основе полученных данных компьютерного моделирования были построены математические модели процесса обратного выдавливания заготовок в виде уравнений регрессии, определяющих зависимости разно-стенности заготовки от геометрических параметров наносимой наметки -угла, глубины и диаметра.

Математическая модель процесса обратного выдавливания при не-соосностипуаснона и матрицы 0,3 мм

у = 1,113 + 0,263*! - 0,396х2 + 0,327х3 +

+0,1257! - 0,275г2 + 0,162г3>

где

х7=0,40 (Х7 -7,33); х2= -0,67 (Х2 -56,67); = 0,20 (Х3 -10);

1,79 (X/ -0,1965X7 -0,68); = -1,93 (X/ -0,5983Х2-1,28);

2 (X/ -1,0133X5-0,67);

^-угол ос^-диаметр ёп;Х3 -глубина наметки И.

На рис. 2-4 представлены графики зависимости разностенности от глубины наметки и различных диаметрах при обратном выдавливании заготовки с варьируемыми углами наметки, построенные с использованием уравнения (1).

¿а =5°

2.5 -----2.0------

0.0 —

5 6 7 $ <) 10 М 12 13 14 15

11т им

Рис. 2. Зависимость разностенности от глубины к при различных

значениях диаметра йп

Рис. 3.

'. Зависимость разностенности от глубины к при различных значениях диаметра йп

43

2.5 2.0

2

[Л

« ¡.О 0.5

Рис. 4. Зависимость разностенности от глубины Л при различных значениях диаметра с1„

В результате проведенного анализа построенных графиков было установлено, что при всех углах наметки а и диаметров наметки йп при увеличении глубины наметки /?разностен ностъ/1 Л' возрастает в 4 раза.

С увеличением угла наметки аи увеличением диаметра наметки ¿4 от 56 до 59 мм происходит увеличение разностенности от 1,5 до 5 раз.

Наименыпаяразностенность наблюдалась при ¿4 = 56 мм при всех углах наметки а.

Минимальнаяразностенность наблюдалась при <т= 5°, ¿4 = 56 мм, И= 5 мм.

Математическая модель процесса обратного выдавливания при несоосности пуансона и матрицы 0,5мм

у = 1,140 + 0,372*! - 0,190х2 + 0,112х3 +

+0,069г1 + 0,073г2 + 0,015г3,

хг 0,40 - 7,33); х2= -0,67 (Х2 - 56,67); = 0,20 (Х3 -10);

ц= 1,79 (X/ - 0,49); = -1,93 (X/ -2,21); 2,= 2 (Х32 -1,68);

^-угол ос^-диаметр ёп;Х3 - глубина наметки 1т

На рис. 5-7 представлены графики зависимости разностенности от глубины наметки и различных диаметрах при обратном выдавливании заготовки с варьируемыми углами наметки, построенные с использованием уравнения (2).

¿н - 10"

К, мы

ла = 5°

2.5 -----,-

2.0------

0.0

5 6 7 8 9 1{ № 1 й 14 15

Ь, мм

Рис. 5. Зависимость разностенности от глубины Н при различных значениях диаметра йп

ли = 7'

2-5 -----

2.0

0.5

0.0

5 6 7 8 9 18 Й 12 13 14 15

I. мм

—55 —56 —59

Рис. 6. Зависимость разностенности от глубины Н при различных значениях диаметра йп

¿а - 10°

2.0

= 15

г ю < 1.0 0.5 (1 о

5 6 7 В 9 10 II 12 13 И Е К. мм —55 —56 —59 5

Рис. 7. Зависимость разностенности от глубины Н при различных значениях диаметра йп

45

Экспериментальные исследования

Для подтверждения результатов теоретических исследованийбыли проведены эксперименты по обратному выдавливанию поковок типа «стакан» из свинца марки С1 из заготовок без наметки и с наметкой на торце на экспериментальном штампе (рис.8). Диаметр заготовок 20,5 мм, высота заготовок 40 мм. Наиболее целесообразные размеры наметки на торце заготовки были определены согласно полученным ранее уравнениям регрессии (рис. 9).

При этом необходимая несоосность пуансона и матрицы, равная 0,5 мм, достигалась смещением заготовки относительно оси пуансона.

В результате проведенных экспериментов было установлено, что разностенностьпоковки типа «стакан» при выдавливании двух заготовок без наметки составила 0,2 и 0,1 мм соответственно, а при выдавливании двух заготовок с наметкой на торце снизилась до 0 (рис. 10).

048

Рис. 8. Экспериментальный штамп для обратного выдавливания

46

а б

Рис. 9. Исходные заготовки без наметки

без наметки

| с наметкой

Рис. 10. Разностенность поковки типа «стакан» при выдавливании заготовок без наметки и с наметкой на торце

Выводы

1. Проведенное компьютерное моделирование обратного выдавливания поковок типа «стакан» с односторонней полостью в программном комплексе DEFORM позволило установить, что использование заготовок с заранее выполненными наметками определенной конфигурации позволит существенно уменьшить (в 1,5 - 2 раза) разностенность получаемых поковок.

2. При использовании метода многофакторного планирования эксперимента была разработана математическая модель процесса обратного выдавливания поковок типа «стакан» в виде уравнений регрессии, позволяющих определить разностенность поковки типа стакан в зависимости от параметров наметки на торце исходной заготовке.

3. В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что при обратном выдавливании заготовки с наметкой и несоосностью пуансона с матрицей 0,5 мм имело место существенное уменьшение разностенности поковки практически до 0 по сравнению с обратным выдавливанием заготовки без наметки

Список литературы

1. Ковка и штамповка: справочник. Т.2 / под общ.ред. Е.И. Семенова. M.: Машиностроение, 2010. 539 с.

2. Способ изготовления деталей типа «стакан»:а.с. SU 1648630 A1 (ДСП). Е.И. Семенов, И.С. Зиновьев, В.Е. Снимщиков. Опубл. 15.01. 1991.

3. Чуваев И.С., Лавриненко В.Ю. Разработка технологического процесса изготовления поковок типа стакан с уменьшенной разностенно-стью // Техника и технологии машиностроения: материалы IV Междунар. студ. науч.-практ. конф. ОмГТУ. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2015. С. 278 -282.

4. Лавриненко В. Ю., Говоров В. А. Исследование процесса обратного выдавливания поковок типа «стакан» с уменьшеннойразностенно-стью // Известия ВолгГТУ. 2017. № 9 (204). С. 26-28.

Лавриненко Владислав Юрьевич, д-р техн. наук, профессор, vlavrinen-ko@bmstu.ru, Россия, Москва, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,

Говоров Валерий Александрович, студент, goworow.valerii@,gmail.com, Россия, Москва, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

DEVELOPING OFMATHEMATIC MODEL OF BACKWARDS CUP EXTRUSION WITH MINIMUM WALL THICKNESS TOLERANCE

V. Yu. Lavrinenko, V.A. Govorov

Basing on multifactor experiment method, a mathematic model of backwards cup extrusion was created, using centering mark on one face of the workpiece or not, in a form of regression equation, allowing to calculate geometrical parameters of the centering mark, such as angle, depth and diameter. The experimental research of backwards cup extrusion allows to confirm of most practical of centering mark on the workpiece for obtaining of minimal wall thickness tolerance of cup.

Key words: backwards extrusion, multifactor experiment method, mathematic model, regression equation, wall thickness tolerance.

Lavrinenko Vladislav Yurievich, doctor of technical sciences, professor, vlavrinen-ko@,bmstu.ru, Russia, Moscow, Moscow State Technical University. N.E. Bauman,

Govorov Valery Alexandrovich, student, goworow.valerii@,gmail.com, Russia, Moscow, Moscow State Technical University. N.E. Bauman

УДК 621.73.043; 621.365.511

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ, СОВМЕЩЕННОГО С ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫМ НАГРЕВОМ

В.В.Громов, С.А.Евсюков

Анализируется способ изотермического деформирования, при котором равномерное температурное поле внутри заготовки поддерживается за счёт тепловыделения при протекании переменного электрического тока через контактную поверхность образца и формоизменяющего инструмента. Даются рекомендации по подбору штам-повых сталей и сплавов, смазки и трансформаторного оборудования для реализации данного способа штамповки.

Ключевые слова: изотермическое деформирование, электроконтактныйна-грев, штамп, термопара.

Изотермическое деформирование позволяет получать поковки с высоким квалитетом точности, в том числе сложной формы с тонкими полотнами и рёбрами, выступами и полостями, резкими перепадами сечений и другими элементами, характеризующимися большим отношением площади поверхности к объёму, из сталей и сплавов, имеющих узкий интервал температур штамповки.

Несмотря на все вышеизложенные преимущества, изотермическая штамповка имеет достаточно узкий круг применения. Основной причиной этого является несовершенство существующих способов изотермического деформирования. Нагрев и последующее поддержание высоких температур штампового инструмента осуществляются либо индукторами, либо устройствами, передающими тепловую энергию от элементов электрического сопротивления. Опорные плиты приходится охлаждать водой. Всё это ведёт к большим затратам электрической энергии. Кроме того, штам-повый инструмент приходится ограждать теплоизолирующими конструкциями, что ухудшает габаритные параметры, требуя для эксплуатации крупногабаритные гидравлические прессы, и затрудняет укладку заготовки в матрицу штампа (рис. 1).