Определение технологической силы операции продольного двухстороннего выдавливания

УДК 621.777.4.014

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИЛЫ ОПЕРАЦИИ ПРОДОЛЬНОГО ДВУХСТОРОННЕГО ВЫДАВЛИВАНИЯ

Д.С. Филин, Д.А. Киселёв

Приведены основные ограничения реализации процесса продольного двухстороннего выдавливания. В качестве решения задачи расширения возможностей по пластической деформации заготовок предложена возможность реализации подпора стенок полой заготовки за счёт исходного зазора и варьирования угла конусности инструмента. Предложены зависимости для расчёта осевых и радиальных напряжений в ОПД, а также зависимость для расчёта технологической силы операции, использующая значения этих напряжений.

Ключевые слова: холодная штамповка, комбинированное выдавливание, технологическая сила, напряжённо-деформированное состояние.

Отдельную область в машиностроении занимают технологические процессы изготовления полых цельнотянутых осесимметричных изделий. К таким изделиям, например, относятся баллоны высокого и низкого давления, гильзы для стрелкового оружия или артиллерийских систем. Они, как правило, имеют относительно толстое дно простой или сложной конфигурации, а также относительно тонкую стенку.

Необходимость изготовления изделий именно цельнотянутыми связана с особенностями их эксплуатации. Так при изготовлении алюминиевых баллов высокого давления сваркой или закаткой необходимо использовать специальные методы сварки и контроля изделий для обеспечения герметичности. В тоже время в случае изготовления цельнотянутого полуфабриката, у изделия потребуется выполнить только контроль герметичности горловины.

Однако, технологические процессы изготовления подобных изделий являются относительно сложными в реализации, комплексными (включают циклы термической и химической обработки и т.п.) и включают большое количество вытяжных операций, особенно при изготовлении высоких изделий, из-за чего может возникать значительная разностенность. Большое количество операций вытяжки обусловлено применением листового проката. Недостатком такого материала является высокий отход металла при раскрое на заготовки (до 30...40%). Поэтому более рациональным является применение сортового проката круглого сечения в качестве исходного материала, что позволяет сократить отход металла при раскрое до -6%.

В этом случае для изготовления полого полуфабриката применяют процессы осадки (для калибровки отрезанных заготовок) и продольного выдавливания [1]. Однако, процесс продольного выдавливания при изго-

302

товлении стальных изделий сильно ограничен удельной нагрузкой на инструмент, что приводит к необходимости применения большого количества операций вытяжки с утонением.

Для сокращения количества вытяжных операций после продольного выдавливания возможно применение продольного двухстороннего выдавливания (рис. 1). Процесс продольного двухстороннего выдавливания сравнительно прост в реализации и не требует специализированного оборудования и сложной штамповой оснастки, но обладает рядом особенностей из-за ступенчатой конструкции инструмента [2].

Рис. 1. Варианты схем процесса продольного двухстороннего выдавливания и характерные графики зависимости «сила - путь инструмента»

Основными ограничениями процесса являются:

1. возможность образования трещин в придонном участке или отрыва дна из-за действия растягивающих осевых напряжений на начальном этапе процесса;

2. высокие удельные нагрузки на инструмент.

Как показало компьютерное моделирование, снизить осевые напряжения можно за счёт подпора торца стенки заготовки конусным участком пуансона. Однако, это потребует точного назначения размеров заготовки и инструмента. При отсутствии подпора на начальном этапе реализуется вытяжка с утонением, поэтому процесс двухстороннего выдавливания будет иметь те же ограничения по деформации, что было проверено экспериментально (рис. 2).

Исследование влияния угла конусности матрицы на характер протекания процесса с постановкой компьютерного моделирования показало, что при уменьшении угла с 2аМ=90° до 2аМ=40° приводит к снижению абсолютной и удельной нагрузки на инструмент. При этом зависимость име-

303

ет характер близкий к линейному. С уменьшение угла конусности также снижается неравномерность деформации по толщине стенки. Анализ результатов позволять говорить, что применыение угла конусности больше 2аМ=60° является нерациональным. В тоже время, применение малых углов конусности связано увеличением длительности стадии вытяжки, которая переходит в стадию вытяжки с подпором (рис. 3).

а

б

Рис. 2. Разрушенная заготовки в ходе продольного двухстороннего выдавливания: а- заготовка без отжига; б- заготовка после отжига

Рис. 3. Характерный график Р-Н "Сила - пути инструмента" процесса продольного двухстороннего выдавливания с малым углом

конусности

Надёжность подпора для значительного снижения осевых напряжений также может быть обеспечена реализацией стадии осадки стенки на этапе формирования второго ОПД, по аналогии с процессов вытяжки-выдавливания [3]. При этом, чем больше степень деформации на этапе осадки стенки, тем меньше итоговая неравномерность деформации заготовки.

Как и у других процессов выдавливания, реализация процесса продольного двухстороннего выдавливания связана со значительной технологической силой и удельной нагрузкой на инструмент. Поэтому их расчёт является важным этапом разработки технологического процесса. Сложность расчёта технологической силы связана с большим количеством факторов, оказывающих на её влияние. При этом такие факторы как сила трения сильно изменяются по мере протекания процесса из-за постоянного изменения объёмов ОПД. Кроме того, исследования показали, что в ОПД заготовки при продольном двухстороннем выдавливании реализуется схема всестороннего неравномерного сжатия. В формируемой схеме наибольшими сжимающими являются радиальные компоненты о^ а тангенциальные ое и осевые оZ напряжения имеют близкие значения. Так, при деформировании стальных заготовок и коэффициенте утонения в нижнем сечении шв3 = 0,4 радиальные напряжения изменяются в диапазоне ок=-1550...-2000 МПа, а тангенциальные и осевые напряжения ое= оZ =-1350...-1900 МПа в зависимости от коэффициента утонения в верхнем сечении. В тоже время, в конце процесса степень деформации в ОПД между конусными участками матрицы и пуансона ниже, чем в стенках полуфабриката. Поэтому, непосредственное применение таких характеристик как интенсивность деформации и степень деформации при расчёте технологической силы вызывает затруднения.

Одним из способов решение это проблемы является применение скорректированной эмпирических зависимости для процесса вытяжки-выдавливания [1] как наиболее близкого аналога.

Другим вариантом может служить последовательность расчёта, при которой сначала будут определены компоненты напряжений, а затем рассчитанные значения будут использованы для определения максимальной технологической силы.

Для этого по результатам компьютерного моделирования были определены моменты достижения максимальной технологической силы при различных соотношениях коэффициентов утонения в верхнем и нижнем сечениях, и определены диапазоны изменения радиальных о^ тангенциальных ое и осевых оZ напряжений в ОПД. Для построения аналитической зависимости использован аналитический аппарат постановки планируемого эксперимента. В общем виде зависимость будет иметь вид:

После соответствующих математических преобразований получены зависимости вида:

В

Н

\

13.58 - 6.36 • шВ + 23.69 • шН

s Z = ns0.2

-8.09 - 20.37 • mB +11.69 • mSH --6.06• mB • mH + 51.59•

Коэффициент п=0,85...1,15 позволяет определить интервал изменений компонентов напряжений при разной толщине заготовки. Чем больше относительная толщина заготовки, тем больше следует выбирать значение коэффициента п. Для приведённых зависимостей можно принимать п=1

при относительном толщине стенки

Sr

D

= 0.24

0

В результате зависимость для расчёта максимальной технологической силы можно записать в виде:

2-

Р = 0,85 • W • s

• FK +Ы

f • [FMK • cos(a) + FPK • cos(-

H2 + (

D - d

П \2

)2

Dn - dП

-)];

W

В m.S

(m.H )2

\m.B

где f - коэффициент трения; а - угол конусности; FMK - площадь боковой поверхности конусной части матрицы; FK - площадь боковой поверхности конусной части пуансона; W-коэффициент, учитывающий характер влияния коэффициентов утонения на объём ОПД, формирующий осевые

напряжения и их действие на пуансон; FK

1< Dl

- (dПН )2) - основная пло-

щадь пуансона, воспринимающая действие осевых напряжений. Результаты расчета зависимости (5) приведены в таблице.

Результаты расчёта максимальной технологической силы процесса продольного двухстороннего выдавливания

Н

2

Входной диаметр матрицы DM, мм Толщина стенки, S0 Коэффициент утонения стенки НРС, ms" Коэффициент утонения стенки ВРС, ms' Максимальная технологическая сила P, кН Осевые напряжения Зависимость, кН Отклонения, %

25 6 0,4 0,2 58,3 -1689 63,5 9

0,3 48,7 -1605 59,2 21

0,35 43,5 -1455 57,1 31

0,6 0,2 32,1 -1144 42 31

0,3 31,5 -1094 39 24

0,35 31,8 -961 37 16

0,8 0,2 16,5 -616 22,7 37,5

0,3 16,5 -600 21,5 30

0,35 16,6 -484 18,7 12

Полученные расчетные отклонения максимальной технологической силы имеют положительные значения, что не является существенным недостатком, так как это приводит к завышению силы, что дает определенный запас прочности. В результате расчета отмечено, что отклонения составляют 10...40 % от значений, полученных моделированием.

Список литературы

1. Данилин Г.А., Филин Д.С., Лукин С.А. Возможность применения способов холодного выдавливания при изготовлении полых изделий ответственного назначения из прутка, Металлообработка, №6. 2017. С. 17 -23.

2. Данилин Г. А., Филин Д.С., Волжин С.Г. Технологические особенности процесса продольного двухстороннего выдавливания полых деталей. Металлообработка, 2017. №2. С. 11 - 16.

3. Данилин Г.А., Огородников В.П. Теория и расчеты процессов комбинированного пластического формоизменения. СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 2004. 304 с.

Филин Дмитрий Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, hgtHdmitri@gmail.com, Россия, Санкт-Петербург, Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова,

Киселёв Денис Андреевич, магистрант, hgtHdmitri@,gmail.com, Россия, Санкт-Петербург, Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова

DEFINITION OF TECHNOLOGICAL FORCE OF OPERATION OF LONGITUDINAL BILATERAL DELIVERY

D.S. Filin, D.A. Kiseliev

The main limitations of the realization of the longitudinal double-sided extrusion process are given. As a solution to the problem of expanding the possibilities for plastic deformation of billets, it is proposed to realize the support of the walls of the hollow hillet due to the initial gap and the variation in the angle of the taper of the tool. Dependencies are proposed for the calculation of axial and radial stresses in the locus of plastic deformation, and also the dependence for calculating the technological strength of the operation, using the values of these voltages.

Key words: cold forming, combined extrusion, technological force, stress-strain

state.

Filin Dmitryi Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, bgtud-mitri@,gmail.com, Russia, Saint-Petersburg, Baltic state technical University «VOENMEH» they. D.F. Ustinovm,

Kiselev Denis Andreevich, master student, hgtнdmitri@,gmail.com, Russia, Saint-Petersburg, Baltic state technical University «VOENMEH» they. D.F. Ustinov