Экспериментальное исследование влияния условий штамповки на разностенность при вытяжке с утонением стенки по внутреннему контуру

УДК 621.983.31:539.374.5

Экспериментальное исследование влияния условий штамповки на разностенность при вытяжке с утонением стенки по внутреннему контуру

В. А. Лобов

Сформулированы преимущества и недостатки малоизученного способа вытяжки — вытяжки с утонением стенки по внутреннему контуру фланцевых изделий. Проанализирован способ минимизации разностенности за счет применения составного пуансона с «плавающим» роликом. По результатам экспериментальных исследований дана оценка влияния степени деформации и зазора между стержнем и роликом на накопление разностенности. Установлено, что увеличение этих параметров при вытяжке с утонением стенки по внутреннему контуру приводит к накоплению разностенности. В выводах даны рекомендации по назначению оптимальных режимов вытяжки для минимизации разностенности.

Ключевые слова: вытяжка с утонением, внутренний контур, «плавающий» ролик, разностенность, зазор, степень деформации.

Введение

Сравнительно новым и недостаточно изученным в настоящее время способом изготовления осесимметричных полых изделий с торцовым фланцем является вытяжка с утонением стенки по внутреннему контуру. При этом в процессе деформирования происходят принудительное утонение и вытягивание стенки в зазоре между матрицей 4 и пуансоном 1 под действием осевой силы Р, приложенной к внутренней боковой поверхности втулочной части полуфабриката (рис. 1, а). Достоинствами данного процесса являются значительное упрочнение внутренней, как правило наиболее ответственной при сборке, поверхности втулки и улучшение шероховатости [1], происходящее совместно с необходимым формоизменением детали. Втулки с фланцем, изготовленные при помощи вытяжки с утонением по внутреннему контуру, могут иметь разнообразную конфигурацию (рис. 1, б) для применения в различных

отраслях ответственного машиностроения, таких как автомобильная промышленность, производство корпусов для установки высокооборотных подшипников или валов, штамповка изделий трубопроводной арматуры, работающих под давлением, и т. д.

Вместе с тем у этой операции есть и недостатки, которые проявляются в виде поверхностного растрескивания и шелушения внутреннего слоя металла при больших деформациях вплоть до возникновения поперечных трещин и разрушения детали, а также налипания материала заготовки на инструмент при вытяжке стальных изделий (рис. 2). Для устранения последнего недостатка рекомендуется применение пуансонов из твердых сплавов (ВК6, ВК8 и др.) по аналогии с твердосплавными матрицами при общеизвестной вытяжке с утонением стенки полых полуфабрикатов [1, 2].

Так же как и при вытяжке с утонением по наружному контуру, значительная доля дефектов вытяжки по внутренней поверхности проявляется в виде отклонений формы готовых

№ 3(81)/2014

65Д

МЕТ АЛЛ 00 ВЫРАБОТКА

а)

б)

Втулка карбюратора легкового автомобиля

Корпус подшипника к конвейерному ролику

Втулка стартера легкового автомобиля

Трубопроводные фланцы

Рис. 1. Технологическая схема процесса (а) и примеры деталей (б) изготавливаемых вытяжкой с утонением стенки по внутреннему контуру:

1 — пуансон; 2 — прижим; 3 — заготовка; 4 — матрица; Бд — внутренний диаметр и толщина стенки исходной заготовки; <, Б — внутренний диаметр и толщина стенки заготовки после деформации; а — угол конусности пуансона; Q — сила прижима

а) б) в)

К

Рис. 2. Виды брака при вытяжке с утонением стенки по внутреннему контуру: а — поверхностное растрескивание металла; б — образование поперечной трещины; в — налипание материала заготовки на инструмент

изделий — косины, кривизны, разностенности. Наиболее сложно устранить разностенность (переменная толщина стенки поперечного сечения) [3, 4]. При этом следует выделять абсолютную разностенность — разницу между максимальной Бтах и минимальной Бт1п толщинами стенки ДБ = Бтах - £тт — и относительную — 8Б = Бтах - Бт1п)/Бср100, где £ср =

= (Бтах + Бтт)/2 — средняя толщина стенки поперечного сечения заготовки. В отличие от абсолютной относительная разностенность под влиянием технологического наследования неизбежно накапливается на каждом последующем вытяжном переходе [5], достигая больших значений, что в конечном итоге может привести к разрушению тяжело нагруженных в процессе эксплуатации деталей.

В работе [2] предложен способ минимизации относительной разностенности применением составного пуансона с «плавающим»

роликом. При этом в случае несоосного расположения матрицы и пуансона сила деформирования стремится равномерно распределиться по периметру очага деформации, сдвигая ролик в сторону наименьшего сопротивления, самоцентрируя его по заготовке благодаря наличию зазора 8 (рис. 3, а) между стержнем и внутренней поверхностью ролика. Двусторонний зазор 28 соответствует максимальной абсолютной разностенности исходной заготовки ДБд, сохраняемой без последующего увеличения на вытяжном переходе за счет самоцентрирования. Если на исходной заготовке отсутствует разностенность, «плавающий» ролик обеспечивает точное центрирование при несоосности инструмента, равной одностороннему зазору 8. Однако при большом зазоре в процессе деформации может произойти перекос ролика, что неминуемо увеличит разностенность.

1

№ 3(81)/2014

троль толщины стенки заготовок (б):

1 — стержень; 2 — прижим; 3 — заготовка; 4 — втулка; 5 — матрица; 6 — ролик; 7 — шайба; 8 — гайка; ё,р — диаметр ролика; Вм — диаметр матрицы; ] — номер контрольного сечения; ^ — диаметр втулки; Q — сила прижима

Методика экспериментального исследования и анализ полученных результатов

Целью работы является установление закономерностей влияния степени деформации и зазора 28 на накопление относительной раз-ностенности в процессе вытяжки с утонением стенки по внутреннему контуру.

Материалом заготовок для экспериментального исследования выбрана латунь Л63 (ГОСТ 15527-2004). Исходные заготовки получены от-бортовкой с последующим отжигом (температура Т = 650 °С, время выдержки £ = 20 мин, охлаждение на воздухе) для снятия наклепа. Вытяжка с утонением по внутреннему контуру осуществлена в универсальном штампе составным пуансоном по схеме, представленной на рис. 3, а. Сила прижима фланца Q = 2000 Н. Варьируемыми параметрами выбраны степень деформации ег = 1,1551п(^0/^к) (где ^о и — площадь поперечного сечения исходной и конечной заготовок соответственно), угол конусности

Таблица 1

Значения варьируемых параметров для оценки изменения разностенности

ролика а и двусторонний зазор 28 (табл. 1), который регулировался при помощи набора втулок различных диаметров йв (рис. 3, а).

Для определения разностенности исходных заготовок измерена толщина втулочной части в восьми контрольных сечениях на специальной оправке индикатором часового типа в соответствии со схемой (рис. 3, б). Оценка разно-стенности после деформации проведена по результатам измерения толщины в тех же контрольных сечениях втулочной части. В табл. 2 представлены значения абсолютной А50, А5 и относительной 850, 85 разностенности исходных и конечных заготовок соответственно.

По результатам проведенных исследований построены графики влияния степени деформации и зазора 28 на отношение разностенно-сти после вытяжки с утонением по внутреннему контуру 85 к исходной разностенности заготовок 850 (рис. 4 и 5), что позволит сформулировать основные принципы оценки накопления разностенности.

Таблица 2

Результаты измерения разностенности исходных и конечных заготовок

Номер образца , мм еь а, ...° ё,в, мм 28, мм Бм, мм

1 28,0 0,15 10 13,9 0,1

3 28,0 0,15 10 13,5 0,5

12 28,6 0,40 10 13,9 0,1

14 28,6 0,40 10 13,5 0,5 31

11 28,0 0,15 30 13,9 0,1

7 28,0 0,15 30 13,5 0,5

2 28,6 0,40 30 13,9 0,1

10 28,6 0,40 30 13,5 0,5

Номер образца Ав0, мм Ав, мм 8в0, % 8в, % 85/8в0

1 0,06 0,06 3,47 3,85 1,110

3 0,06 0,08 3,47 5,13 1,478

12 0,07 0,06 4,03 4,69 1,164

14 0,05 0,06 2,90 4,69 1,617

11 0,07 0,07 4,13 4,52 1,094

7 0,08 0,09 4,62 5,71 1,236

2 0,07 0,08 4,06 6,30 1,552

10 0,07 0,12 4,06 9,38 2,310

№ 3(81)/2014

8Я/83о

8Я/83о

2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1

/

/ 1

/

/ 2

3

/ / 4

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Рис. 4. Влияние степени деформации ег на изменение относительной разностенности 55/550:

1 — а = 30°; 25 = 0,5 мм; 2 — а = 10°; 25 = 0,5 мм; 3 — а = 30°; 25 = 0,1 мм; 4 — а = 10 °; 25 = 0,1 мм

При больших углах конусности пуансона (а = 30°) с возрастанием степени деформации наблюдается резкое увеличение разностенности (прямые 1 и 3 на рис. 4), а при а = 10° влияние степени деформации на отношение 55/550 незначительно (прямые 2 и 4 на рис. 4). Общая закономерность увеличения разностенности с ростом е^ при этом сохраняется. Большие значения зазора 25 также отрицательно сказываются на минимизации разностенности. После деформирования заготовок с 25 = 0,1 мм значения разностенности оказались несколько меньше, чем при зазоре 0,5 мм. Тенденция накопления разностенности с увеличением зазора 25 наблюдается для всех деформированных образцов (рис. 5). Причем для заготовок, деформированных при а = 30° и ег = 0,40 (прямая 1 на рис. 5), увеличение зазора 25 наиболее негативно сказывается на разностенности. В остальных случаях при малом зазоре значения разностенности практически идентичны, а с его увеличением наблюдается некоторый разброс значений, причем с увеличением степени деформации возрастает и значение 55/550.

Выводы

1. По результатам экспериментальных исследований установлено, что при вытяжке с утонением стенки по внутреннему контуру увеличение степени деформации приводит

2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1

<

У у 1

У у у

2

...... 3

» * — * * 4

0

0,1 0,2 0,3 0,4

0,5 0,6

25, мм

Рис. 5. Влияние зазора 25 на изменение относительной разностенности 55/5^0:

1 — а = 30°; е1 = 0,40; 2 — а = 10°; е1 = 0,40; 3 — а = 10°; е1 = 0,15; 4 — а = 30°; е1 = 0,15

к возрастанию относительной разностенности, что особенно ярко проявляется при больших значениях угла конусности пуансона.

2. Зазор 25 между стержнем и «плавающим» роликом целесообразно назначать небольшим, примерно соответствующим разностенности исходных заготовок А50 во избежание перекосов в процессе деформации и последующего увеличения разностенности.

Литература

1. Гуменюк Ю. И., Лобов В. А. Повышение качества штампуемых металлических изделий с фланцем на основе использования процесса вытяжки с утонением стенки по внутреннему контуру // Сб. тр. IV ОМНТК «Молодежь. Техника. Космос». СПб.: Изд-во БГТУ, 2012. С. 195-197.

2. Гуменюк Ю. И., Лобов В. А. Теоретическое обоснование процесса вытяжки с утонением стенки по внутреннему контуру // Обработка материалов давлением: сб. науч. тр. Краматорск: Изд-во ДГМА, 2011. № 1. С.128-133.

3. Попов А. М., Данилин Г. А. Влияние условий штамповки на величину разностенности при вытяжке с утонением через две матрицы // Металлообработка. 2009. № 6. С. 20-24.

4. Попов А. М., Данилин Г. А., Воронина Е. С. Снижение разностенности при вытяжке с утонением через две матрицы // Металлообработка. 2010. № 5. С. 25-29.

5. Агеев Н. П., Затеруха Е. В., Матафонов С. С. Исследование влияния технологического наследования свойств обрабатываемых давлением материалов и заготовок на качество изготавливаемых металлических элементов боеприпасов // Сб. тр. IV ОМНТК «Молодежь. Техника. Космос». СПб.: Изд-во БГТУ, 2012. С. 188-189.

№ 3(81)/2014