Функциональная проверка схем изготовления тонкостенных оболочек с использованием деформаций сдвига

УДК 621.777.06

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА СХЕМ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ОБОЛОЧЕК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДЕФОРМАЦИЙ СДВИГА

С.Т. Басюк

Показаны возможности применения на гидравлических прессах с буферными устройствами технологических процессов, состоящих из сочетания ряда последовательно протекающих операций выдавливания, которые при реализации позволяют существенно развить технику изготовления осесимметричных оболочек, в том числе и из легких сплавов.

Ключевые слова: гидравлический пресс, буферное устройство, выдавливание, осесимметричные оболочки.

Functional Check of Techniques for Thin-Walled Shell Production with the Use of Shear Deformations. S.T. Bassiouk, S.B. Levochkin.

The possibilities of the use of technological processes including a number of sequentially run pressing-out operations combined on hydraulic presses equipped with buffer units are shown. The operations allow one to substantially develop the technology for production of axially symmetric shells including those in light alloys.

Key words: hydraulic press, buffer unit, pressing-out, axially symmetric shells.

В ранее опубликованных статьях [1, 2] рассматриваются технологические схемы выдавливания деталей типа чаш и стаканов, общим для которых является использование «всплывающих» контейнеров или других, им подобных частей штамповой оснастки, контактирующих с деформируемым материалом и подпружиненных смонтированными на прессах гидравлическими буферными устройствами с регулируемой величиной развиваемого усилия. Проведенный цикл исследований подобных схем, основанных на динамическом равновесии системы инструмент - заготовка и непрерывности процесса формообразования детали до заданной конфигурации выявил особенности граничных условий деформирования по рассмотренным схемам [3, 4].

На рис. 1 приведена схема, которая в принципе может считаться общей для изготовления стаканов и крышек выдавливанием исходной заготовки 5 из контейнера 2 и характеризуется отношением площадей кольцевых щелей, образованных в конце процесса торцами малого контейнера и опорного пуансона: я<^»яОН,

где < - диаметр полости малого контейнера, мм; Ь - расстояние между кромкой полости контейнера и опорным пуансоном, мм;

1 3--- Г - 1 I

4-- D

f — 7

7 2- Я /V | г? ф. -1 \4V _ //

—* с 1

5

Н ш шш* Z; // - 6

\

а ' б

Рис. 1. Схема экспериментального штампа:

а - укладка заготовки в малый контейнер; б - начало процесса концентричного выдавливания; 1 - контейнер; 2 - малый контейнер (кольцевой пуансон); 3 - подвижный пуансон; 4 - гидравлическое буферное устройство; 5 - исходная заготовка; 6 - опорный пуансон; 7 - формируемая шайба

О- внешний диаметр малого контейнера, мм;

Н- расстояние от внешней кромки контейнера до опорного пуансона. Возможны два крайних варианта: А - усилие буферного устройства Рк максимально и жестко удерживает части инструмента на месте;

Б - усилие Рк равно нулю {буфер отсутствует).

Вариант А. Если жестко удерживать части инструмента, то металл, выдавливаемый из контейнера 2 через кольцевую щель, ограниченную диаметром с/ и высотой Л (параметры входной кольцевой полости), перемещается в радиальном направлении к периферийной щели, испытывая растягивающие напряжения в тангенциальном (хордовом) направлении, постепенно утоняется в радиальном направлении, образуя в конечный момент фланец (шайбу 7), периметр которого соответствует размерам О и Н выходной щели. При этом трение по поверхности фланца должно отсутствовать или быть минимальным.

Наличие растягивающих напряжений в хордовом направлении создает в объеме образуемого фланца в радиальном направлении сжимающие напряжения, что должно привести к увеличению сопротивления выдавливанию и некоторому увеличению фактической толщины фланца.

Этот момент можно использовать для снижения силы трения перемещаемого металла по поверхности инструмента и изменения конфигурации щели и самого образуемого фланца, так как возможно изменение соотношения (1), т.е.

пОН*псИ1 или, что точнее, яОН>л;с//). (2) Но в каких пределах допустимо это неравенство? Что будет, если неравенство приведет к тому, что металл, входя в кольцевую щель и перемещаясь к периферии полости штампа в радиальном направлении, вообще не будет касаться, по крайней мере, одной из поверхностей инструмента? Подобное поведение выдавливаемого металла используется, например, при изготовлении дисков и шайб переменного сечения методами неполной открытой прошивки или стаканов методами прямого и обратного выдавливания [3, 4, 5].

Заметим, что при больших степенях деформации возможно образование разрывов по периметру фланца как из-за наличия растягивающих напряжений, так и в случае присутствия какого-либо рода дефектов по периметру образуемого фланца.

Если выходная площадь сечения канала больше входной площади его сечения, т.е.

лОН>я:с№,

то величина допустимой деформации будет зависеть от пластичности металла при температуре деформации.

Ниже приводятся параметры экспериментального штампа* с жесткой фиксацией начальной геометрии сечения каналов [4, 6].

Начальное - конечное положения частей инструмента.

Отношение Ра/Го=лс1Ь/пОН=0,981, т.е. в рассматриваемом примере площадь входной кольцевой щели на 1,9 % меньше площади выходной кольцевой щели.

Далее, параметры цилиндрической полости для стенки стакана - площадь кольцевого зазора

Г =71/4

где Онар - наружный диаметр получаемой детали;

Оп=Овн - внутренний диаметр получаемой детали, а отношение

РК/Г0=1Д34.

Таким образом, площадь кольцевого зазора для стенки стакана существенно превышает площадь выходной кольцевой щели, т.е. образуемая на конечной стадии стенка стакана будет перемещаться в полости штампа с зазором относительно опорного пуансона [3, 4]. Это уменьшает усилие выдавливания и исключает какие-либо деформации сдвига в образуемой стенке после входа металла в указанный кольцевой зазор.

Если поверхность выходной кольцевой щели меньше поверхности входной кольцевой щели, т.е.

тсОН<7гс//1,

* Экспериментальный штамп - совместный исследовательский проект фирм ЗАО «Диск БС» и ОАО «М КБ «Факел» им. академика П.Д. Грушина».

то при наличии силы, удерживающей инструмент в указанных параметрах, металл будет образовывать фланец, испытывая некоторое напряжение сжатия, что уменьшит растягивающие напряжения в объеме фланца и позво-литувеличить степень деформации в границах бездефектного состояния.

Естественно, что усилие пресса и удельное усилие выдавливания будут больше.

Кстати, при жесткой фиксации параметров щели, задании размеров получаемой детали и выдерживании равенства площадей, регламентирующих объемы перемещаемого металла

тсс/2/4=та№=лОН=я/4)

мы можем получить своеобразную концентричную равноканальную схему радиального течения при угловом (боковом) выдавливании (КРКУ-прессовании) полуфабриката. При этом его диаметр больше диаметра заготовки. Реализуются условия прямого выдавливания через Ь-образные [1, 5] или обратного через Ш-образные [1, 2, 6] осесимметричные каналы, размеры которых, как и размеры исходной заготовки, могут быть определены из равенства (6). Например, А Ж ЭспЬпег [6] предложил схему обратного выдавливания полуфабриката в виде крышки через Ш-образные каналы, используя при этом равенство площади пуансона, выдавливающего заготовку из контейнера, и площади поперечного сечения стенки выдавливаемой крышки, что также можно отнести к формуле (6).

Практическое применение подобных трехмерных схем известно достаточно широко, а характеристики получаемых полуфабрикатов исследовались и оценивались в ряде работ. Однако не менее широкое применение нашли схемы углового (бокового) прессования. Так, в работе [7] описано угловое ступенчатое выдавливание материала на примере изготовления панелей с продольным оребрени-ем. Дальнейшее развитие этот процесс получил при изготовлении качественной проволоки (прутков) [8]. Л.А. Шофман [9] показал особенности бокового прессования на плоских, в том числе и симметричных, моделях.

В известных исследованиях нашли преимущественное применение двухмерные

(плоские) модели равноканального углового прессования (РКУП), точнее, продавливания заготовки через протяженный канал постоянного и равного с заготовкой сечения, но имеющего резкий излом (поворот) примерно на 90-120°. Заметим, что такие модели позволяют оценивать влияние геометрии инструмента как на величину, так и на характер распределения деформаций сдвига в объеме деформируемой заготовки. В работе [5] проведена количественная оценка влияния применяемой схемы на конечную структуру материала.

Определенный интерес представляет одна из последних работ [10], связанная с исследованиями влияния неоднократного продавливания одной и той же квадратной заготовки из сплава МА2-1 через один и тот же канал, но по разным «маршрутам», а именно, с поворотом перед каждым новым проходом вдоль продольной оси на определенный угол или со сменой выходного торца. Не вдаваясь в практическую значимость этого способа, можно отметить, что приведенные уровни механических свойств, достигнутые на различных «маршрутах», показывают на проявление в некоторых из них «эффекта Баушинге-ра» [11], что весьма интересно.

В заключение необходимо отметить, что практическое применение трехмерных схем концентричного углового (КУ-прессование) или концентричного равноканального [см. формулу (6)] радиального истечения при угловом выдавливании* (КРКУ-прессование) позволил бы расширить диапазон изготавливаемых деталей типа оболочек.

Вариант Б. Как и в рассмотренной схеме (см. рис. 1), прямое выдавливание цилиндрической заготовки из малого контейнера начинают в кольцевую щель (рис. 2), размеры которой в начальный момент идентичны случаю (1),

Однако отсутствие усилия Рк, удерживающего малый контейнер на месте, приводит к тому, что под действием металла, выдавливаемого из полости контейнера в кольцевую щель, возникает усилие Р0, действующее на

* Примечание научного редактора. Здесь следует учесть очевидные технические трудности сохранения при таком выдавливании условия «равноканальности*.

торец малого контейнера 2 и заставляющее последний «всплывать» навстречу движущемуся приводному пуансону 3.

Рис. 2. Процесс выдавливания с отключенным буферным устройством (Рк=0):

а - продолжение процесса (см. рис. 1, б) формирования шайбы 7 с «всплывающим» малым контейнером 2 навстречу пуансону 3; б - блокировка «всплывания» контейнера 2 пуансоном 3; в - окончание формирования шайбы 7 совместным перемещением пуансона 3 с контейнером 2; г - образование стенки 8 у крышки 9 из выдавливаемого обратным методом металла шайбы 7

При этом входная кольцевая щель, в которую выдавливается металл заготовки, и выходная кольцевая щель увеличиваются. Причем площадь последней увеличивается более интенсивно, а имевшее место равенство (1) преобразуется в неравенство (3).

С этого момента перемещающийся в радиальном направлении металл перестанет касаться, по крайней мере, части одной из торцевых поверхностей (контейнера или опорного пуансона), а усилие на приводном пуансоне не только перестанет расти, но и начнет снижаться из-за уменьшающегося отношения

где / - величина вытяжки.

" тек

Преобразовав выражение, получаем

/"е^^/^тек

где h - величина переменная: от hнач - в момент начала процесса, до величины h6, соответствующей моменту блокирования перемещения малого контейнера с приводным пуансоном (в данном примере это совпадает с совмещением кромок контейнера и торца пуансона.

Первая стадия процесса заканчивается совмещением кромки «всплывающего» контейнера 2 с кромкой опускающегося приводного пуансона 3 и блокированием перемещения контейнера с перемещением приводного пуансона. При этом подразумевается, что исходная заготовка 5 уже преобразована в шайбу 7 переменной толщины, но выдавливание металла в стенку 8 полуфабриката 9 (крышки или стакана) еще не началось. Это возможно по двум причинам: удельное усилие в объеме деформируемого металла еще не достигло величины, необходимой для процесса выдавливания металла в стенку детали, или блокирование малого контейнера с подвижным пуансоном было запланировано так, чтобы в этот момент полость под шайбу не была полностью заполнена. В этом случае, продолжая движение сблокированных приводного пуансона и контейнера навстречу опорному пуансону, можно начать вторую стадию - дополнительную осадку образованной шайбы с последующим выдавливанием металла в стенку стакана (прямой метод, на рис. 2 не показан) или в стенку крышки (обратный метод).*

Следует также отметить, что при необходимости стенку стакана или крышки можно выполнять как с наружным, так и с внутренним продольным оребрением, или с отдельными, симметрично расположенными по торцу шайбы силовыми ребрами (пальцы, штыри).

* Примечание научного редактора. Манипуляции с элементами инструмента без средств для их заданного контроля и фиксирования в этом многоэтапном процессе воспринимаются условно.

В некоторых случаях для более точного построения этапов процесса целесообразно момент совмещения кромок «всплывающего» малого контейнера и приводного пуансона совмещать с моментом равенства площадей входной и выходной кольцевых щелей, т.е. начальное состояние (1) схемы изменить на условие (5).

При этом имеется в виду, что площадь поперечного сечения стенки выдавливаемой крышки или стакана не будет превышать площадь выходной кольцевой щели.

Итак, имея основные параметры оснастки б, Ь, О, Н и их отношения: О/б=1,5294, из условия равенства (1) определяем отношение Н/Ь=0,6534. А затем из условия равенства объемов исходной заготовки и образованной шайбы определяем величину Ьб - момент блокирования контейнера с подвижным пуансоном. Это позволяет оценить диапазон изменения величины вытяжки (7) на первой стадии процесса в предположении, что отставание выдавливаемого металла от торцевых поверхностей инструмента будет минимальным, но достаточным для уменьшения внешнего трения.

Экспериментальную проверку варианта Б провели на штампе без приложения усилия Рк (буфер отсутствовал). Использовали заготовки из трех сплавов - 1420, Д780Д и МА15. Температура штампа и заготовок была в пределах 350-370 °С.

В таблице приведены некоторые данные по уровню механических свойств термически обработанных по стандартным заводским режимам образцов до и после штамповки.

Заключение

Выявление граничных условий применимости рассмотренного процесса изготовления выдавливанием осесиммет-ричных, в том числе и тонкостенных, оболочек позволяет более взвешенно подходить к поэлементному выбору параметров технологического процесса при решении конкретных задач.

Использование изменяемой величины усилия буферного устройства в широком диапазоне позволяет регулировать напряженное состояние деформируемого металла, изменяя векторы скоростей частных объемов перемещаемого металла. Это в какой-то мере позволяет управлять распределением конечных деформаций сдвига в объеме образуемого полуфабриката с учетом возможного в конкретных случаях проявления «эффекта Баушингера».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Басюк С.Т., Левочкин С.Б., Гринберг И.В. Изготовление осе-симметричных оболочек с интенсификацией деформации сдви-га//Технология легких сплавов. 2009. № 3. С. 110-115.

2. Гринберг И.В., Мягких Т.В. Одноходовой процесс штамповки колес//Там же. С. 116-117.

к в о

^

а

е

^

с о

о

Ч Л

тЧ <

<

О 00

N <

о" сч

тН

в о в а

^ с

с

со

и в

о ^

(О

а

р

б о а в

о в с

к с е

а

х е

сос^^оо

00 1Л

-н-ноосо 1111 С^ООСО^Г СЧ ^ оо -н-нгчгч

0 00

111 --12 сосоД

00 -н ^ 112

го ю <5 ^ 00

32 --

00~ 00 ОТ 00 21

(¡3

со со

Ь- о

н гч

I I 00^

СЧ тН

Ь- ОТ

-н -н

С1Э С1Э гч <э 00 00

^ гч -СО СО

-н

37 ^ сч

00 1^,

<Э ю"

гч гч

I I

СЮ 00,

со со

сч гч

,5 7,

1 -

,0 3,

1

со со

Л1 Л1

X ,0 ,0

МПа ас ш о с ^ 5, 5 2 7, 3 2 7 5 7 5

о а н -,0 -,0 1 Л1 1 Л1

0 3 о 5, 2 3, 1 2

,0

0,

а П ,0 9 2 5 5

М 5, 00 00

- г—1 0 2 2

Л1 Л1

0 5, 5 2

а ^ а с м

ш о н е л о м 0

о к 2 кк

со а 2 оо

п к в

сс рр

а X о п к о 1= с

^ О м а

X р

о X 3 с

а к а а

_0 а н ш ы р к ш ы кн ка шк ыа

ф к р рт

^ к

со а ^ X 1, Т 0 2 < 0 00 5, 5, 11 < ^

О 1 N <

3. Шер М.Л., Басюк С.Т. Методика расчета неполной открытой прошивки//Технология легких сплавов. 1978. № 5. С. 30-34.

4. Пат. 3263468 США. Rowell D.W. Публ. 1966.

5. Пат. JP2003096549 Японии. Azuma Kenji et al. Публ. 2003.

6. Пат. 2965228 США. Scribner A.W. Публ.

20.12.1960.

7. Пат. 2401235 США. Farr W.H. et al. Публ. 28.05.1946.

8. Пат. 2974790 США. Murphy J.F. et al. Публ.

14.03.1961.

9. Шофман Л .А. Основы расчетов процессов штамповки и прессования. - М.: Машгиз, 1961. С. 181-196.

10. Серебряный В.Н., Добаткин С.В., Копылов В.Н. Влияние текстуры и микроструктуры на механические свойства сплава МА2-1 после равноканального углового прессования// Технология легких сплавов. 2009. № 3. С. 2835.

11. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. - М.: Машиностроение. 1971. С. 38.