Торцевая раскатка сложнопрофильных деталей из алюминиевых сплавов

4. Чудин В.Н., Яковлев С.С., Нуждин Г. А., Яковлев Б.С. Математические модели операций вытяжки, обжима, отбортовки и раздачи анизотропного вязко-пластичного материала // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2013. Вып. 1. С. 29-38.

Астахов Андрей Сергеевич, студент, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

RESEARCH OF POWER PARAMETERS OF ISOTHERMAL COMPRESSION OF TUBE BILLETS

A.S. Astakhov

Based on the ratios for assessing the strength and continuity, a study was made of the influence of the parameters of the tool and equipment on the specific pressure of the crimp and damage to the material. Using the results of research, a snap was designed to realize crimping.

Key words: crimp, creep, stress, strain, force, continuity.

Astahov Andrey Sergeevich, student, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.77.01

ТОРЦЕВАЯ РАСКАТКА СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

С.А. Морозов, А.В. Щенятский, А.С. Морозов

Рассмотрены эффективные способы изготовления зубчатых колец, шестерен, шкивов. Определен оптимальный способ их изготовления методом торцевой раскатки. Приведен пример исследования торцевой раскатки детали «Шкив» из алюминиевого сплава АД31. Проведено компьютерное моделирование процесса в программе QForm, определено напряженно-деформированное состояние заготовки, силовые параметры процесса. Произведена штамповка опытной партии деталей на специализированном прессе PWX-100.

Ключевые слова: штамповка, литье, выдавливание, торцевая раскатка, компьютерное моделирование, очаг деформации, НДС.

В машиностроении широкое распространение получили детали типа зубчатых колес, шестерен, шкивов, входящих в различные изделия. Разработка эффективных, малооперационных технологий их изготовления является актуальной задачей.

Изготовление зубчатых колес, шестерен, шкивов возможно литьем под давлением, если материалы этих деталей литьевые. Заполнение металлом формы при литье и получение зубчатого профиля намного легче, чем при штамповке. Но, как известно, процессы литья в металлообрабатывающей промышленности являются очень дорогими. Причем до 75 % металла уходит в отход в виде литников и питателей, оборудование для литья под давлением дорогостоящее и занимает большие производственные площади [1]. Поэтому с точки зрения экономики требуется переход на технологию, значительно более дешёвую, чем литьё под давлением - например, штамповку.

Необходимо выбрать такой метод штамповки, при котором будет получаться качественный зубчатый профиль детали и геометрия других поверхностей детали, а способ штамповки будет производиться с наименьшим усилием.

Детали можно изготовить метод горячей объемной штамповки (рис. 1а: 1 - матрица, 2 - выталкиватель, 3 - направляющая гильза, 4 - пуансон, 5- заготовка) [7]. Метод включает предварительное формообразование зубчатого профиля с зубьями неполной высоты на боковой поверхности цилиндрической заготовки и окончательное формообразование изделия закрытой осадкой в штампе с радиальным истечением металла. Предварительное формообразование зубчатого профиля осуществляется до получения зубьев высотой 0,5-0,7 от окончательной. Окончательное формообразование проводят прямым выдавливанием полуфабриката через зубчатую матрицу.

Метод позволяет снизить удельные нагрузки на инструмент и повысить точность деформирования деталей. Однако требуется предварительное формообразование зубчатого профиля неполной высоты на боковой поверхности цилиндрической заготовки.

а б в

Рис. 1. Способы изготовления деталей типа зубчатых колес, шкивов, шестерен: а - горячая объемная штамповка; б - обкатка на сферодвижном прессователе; в - холодное

выдавливание

Другой способ - метод штамповки обкаткой на сферодвижном прессователе (рис. 1 б: 1 - пуансон, 2 - держатель, 3 - толкатель, 4 - опора, 5 - матрица, 6 - прокладка, 7 - обойма) [8]. Формообразование рельефа осуществляют в процессе осадки заготовки путем её обкатывания со стороны, обращенной к торцу формообразующего инструмента, после чего производят одновременное формообразование на другой стороне [2]. При способе сферодвижной штамповки выявляется множество положительных сторон:

1) Невысокие усилия формоизменения и контактные давления, действующие на инструмент, вследствие значительного уменьшения поверхности контакта - снижение технологических усилий в 5-15 раз.

2) Высокое качество обрабатываемых поверхностей и повышение производительности за счет уменьшения количества технологических переходов.

3) Малые габариты и низкая металлоемкость машин (низкой коэффициент веса, т.е. отношение

массы машины М к номинальному усилию, развиваемому прессом Км = М / Рн (кгс) < 0,01).

Что же касается недостатков, то можно указать всего лишь на один - при штамповке деталей из более твёрдых материалов (среднеуглеродистые и легированные стали) по сравнению с алюминием и медью возникает необходимость в предварительном формообразовании в связи с недоштамповкой той или иной поверхности.

Известен метод холодного выдавливания (рис. 1в: 1 - матрица, 2 - пуансон, 3 - заготовки) [9]. Профильная матрица допускает продавливание нескольких заготовок пуансоном, имеющим коническое углубление. Единственный плюс метода в достаточно высоком качестве поверхности и точности шестерен за счет получения заготовкой поверхностного наклепа по контуру зуба на глубину до 0,25-0,3 мм с увеличением твердости на 60 % против первоначальной. Недостатками являются: значительное сопротивление продольному перемещению от воздействия сил трения о матрицу; первая заготовка, штампуемая в штампе, получает недодеформированные зубья и сферический торец и поэтому бракуется.

Таким образом, проведенный анализ эффективных методов штамповки деталей данной группы, показал, что малооперационной и оптимальной технологией является торцевая раскатка.

Торцевая раскатка характерна тем, что инструмент имеет круговое и линейное перемещение. Эту кинематику движения инструмента можно реализовать на специализированном оборудовании или реализовать её на универсальном гидропрессе с использованием специальной приставки для торцевой раскатки [3, 4]. Оптимальные параметры торцевой раскатки отражены в [5], математическое моделирование процесса торцевой раскатки приведено в [6].

В качестве примера приведем торцевую раскатку детали «Шкив ведомый» [2].

Деталь «Шкив ведомый» (рис. 2) является составной частью конструкции бытовых электроприборов, таких как электрорубанок, электрошлифовальная машинка и т.п. Материал детали - алюминиевый сплав АД31. Данная деталь работает в паре с деталью «Шкив ведущий», геометрия которая более простая, чем шкива ведомого.

110.3 ? РПЯ

Рис. 2. Эскиз детали «Шкив ведомый» 197

Разработана инновационная технология изготовления детали «Шкив ведомый», основанная на использование торцевой раскатки.

Проведено компьютерное моделирование процесса торцевой раскатки в программе QForm. Определены: динамика формоизменения исходной заготовки и её напряженно-деформированное состояние (НДС); пятно контакта пуансона с заготовкой; силовые параметры процесса. На рис. 3 показано пятно контакта инструмента с заготовкой.

а б

Рис. 3. Пятно контакта пуансона с заготовкой в процессе формирования: а - фланца; б - облоя

Как видим из рисунка при торцевой раскатке очаг деформации имеет секторный вид, размеры которого малы, особенно когда торец детали плоский. Это определяет значительное снижение усилия штамповки при торцевой раскатке по сравнению с обычной штамповкой. На рис. 4 показаны характеристики НДС заготовки.

а б

Рис. 4. Характеристики НДС заготовки: а - распределение среднего напряжения; б - распределение пластической деформации

Максимальное среднее напряжение при штамповке достигает 50 МПа. Предел прочности сплава АД 31 составляет 190 МПа, т.е. деталь штампуется без разрушения целостности металла. Величина максимальной пластической деформации не значительно и составляет примерно 4,5 %, на поверхности детали не наблюдается никакой сетки микротрещин.

Моделирование процесса торцевой раскатки детали «Шкив ведомый» показало, что деталь штампуется без брака с полным заполнением гравюры инструмента (рис. 5).

Рис. 5. Деформирование заготовки (начало, середина, конец процесса) и готовая деталь с облоем

198

Произведена штамповка опытной партии деталей на специализированном прессе PWX-100, которая подтвердила серийно-пригодность новой технологии и её целесообразность внедрения на производстве.

Годовой экономической эффект от внедрения новой прогрессивной технологии составляет более 500 тыс. руб. при программе выпуска 120 тыс. шт. Эффект достигается за счет снижения нормы расхода материала, повышения КИМ, снижения технологической себестоимости.

Таким образом, доказано, что изготовление сложно-профильных деталей из алюминиевых сплавов возможно торцевой раскаткой. Процесс позволяет уменьшить усилие деформирование в 10-15 раз по сравнению с обычной штамповкой, повысить коэффициент использования металла до 0,6-0,9, получать за один переход заготовки с относительной высотой Н/D = 0,015-0,1. Реализовать торцевую раскатку можно на специализированном оборудовании или на универсальных гидравлических прессах, на которых устанавливается приставка для торцевой раскатки.

Список литературы

1. Морозов С. А, Морозов А.С. Эффективный способ изготовления зубчатых колес, шестерен и шкивов // Технические университеты: интеграция с европейскими и мировыми системами образования: материалы VIII Междунар. конф. (Россия, Ижевск, 23-24 апреля 2019 г.). Ихевск: Изд-во ИжГТУ им. М.Т. Калашникова, 2019. Т. 1. С.276-281.

2. Морозов С.А., Морозов А.С. Инновационная технология изготовления детали «Шкив» // Международная научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Электрофизические методы обработки в современной промышленности». Пермский национальный исследовательский политехнический университет. - Пермь, Изд-во ПНИПУ, 2017. С. 91-93.

3. Морозов С.А., Морозов А.С. Реализация торцевой раскатки на универсальном гидропрессе // Техника и технологии машиностроения: материалы IV междунар. студ. науч.-практ. конф. (Омск, 25-30 марта 2015). Омск: Изд-во ОмГТУ, 2015. С. 166-169.

4. Морозов С.А., Ясавиев Т.Р. Деформирование металла методом горячей торцевой раскатки // Техника и технологии машиностроения: материалы IV междунар. студ. науч.-практ. конф. (Омск, 25-30 марта 2015) / Минобрнауки России, ОмГТУ. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2015. С. 283-286.

5. Морозов С.А., Морозов А.С. Определение оптимальных параметров торцевой раскатки // Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке: электронное научное издание: сборник материалов III Всероссийской научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых с международным участием. Ижевск, 22-23 апреля 2015 года. Ижевск: ИжГТУ имени М.Т. Калашникова, ИННОВА, 2015. С. 57-61.

6. Морозов С.А., Феофилова Н.В. Математическое моделирование процесса торцевой раскатки // Прогрессивные технологии в современном машиностроении: сб. статей IX Международной научно-технической конференции. Пенза: Приволжский Дом знаний, 2013. С. 53-56.

7. А.с. 1488097 СССР. Способ объемной штамповки зубчатых колес и шестерен / Валиков Е.Н., Данилин В.И., Чайников А.В. Опубл. 23.06.89. Бюл. №.23. С.4.

8. А.с. 1738464 СССР. Способ изготовления осесимметричных заготовок / Чистяков В.С., Тю-ленев А.В., Сурков В. А. и Алехтин О.К. Опубл. 07.06.92. Бюл. № 21. С.3.

9. А.с. 166223 СССР. Штамп для холодного выдавливания шестерен с зубьями / Мурас В.С., Северденко В.П. Опубл. 10.11.64. Бюл. № 21. С.2.

Морозов Сергей Александрович, канд. техн. наук, доцент, msa-omd@mail. ru, Россия, Ижевск, Ижевск государственный технический университет имени М.Т. Калашникова,

Щенятский Алексей Валерьевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, bkkupol@istu. ru, Россия, Ижевск, Ижевск государственный технический университет имени М. Т. Калашникова,

Морозов Александр Сергеевич, аспирант, sashamor2@mail.ru, Россия, Ижевск, Ижевск государственный технический университет имени М. Т. Калашникова

ROTAR Y FORGING OF COMPLEX PROFILE PARTS FROM AL UMINUM ALLOYS

S.A. Morozov, A.V. Schenyatsky, A.S. Morozov 199

Effective manufacturing methods of gear rings, gears, pulleys are considered. The optimal method for their manufacture by rotary forging method is determined. An example of the study of rotary forging of the "Pulley" part from the AD31 aluminum alloy is given. The computer simulation of the process in the QForm program was carried out, the stress-strain state of the workpiece, the force parameters of the process were determined. Die forming of an experimental batch ofparts was carried out on a specialized press PWX-100.

Key words: die forming, casting, extrusion, rotary forging, computer modeling, deformation zone, stress-strain state.

Morozov Sergey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, associate professor, msa-omd@mail. ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University,

Schenyatsky Alexey Valerevich, doctor of technical sciences, professor, bkkupol@istu.ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University,

Morozov Aleksandr Sergeevich, postgraduate, sashamor2@mail.ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University

УДК 621.983

КЛАССИФИКАЦИЯ ИСХОДНЫХ ЗАГОТОВОК ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ОПЕРАЦИИ «ВЫТЯЖКА»

А.Н. Малышев, С.А. Бысов

Настоящая статья посвящена анализу ряда наиболее распространённых видов заготовок в листоштамповочном производстве, применяемых для реализации операции «вытяжка». Приведена классификация исходных заготовок по следующим признакам: по форме профиля, по форме сечения, по материалу, по однородности материала, по напряженно-деформированному состоянию, по количеству вытягиваемых из одной заготовки деталей (поверхностей), по температуре до реализации вытяжки, по схеме подачи в штамп, по наличию предварительной термообработки и по наличию на поверхности смазочного материала и покрытия; приведено краткое описание каждого признака классификации.

Ключевые слова: штамповка, вытяжка, исходная заготовка.

Листовая штамповка является одним из наиболее развивающихся направлений машиностроительного производства с точки зрения прогресса внедрения новых видов исходных заготовок относительно применения прогрессивных технологий их изготовления, в том числе комбинированных, внедрения новых материалов и методов расчета формы исходных заготовок для максимального снижения объема последующей механической обработки, а в некоторых случаях полного ее исключения из технологического процесса изготовления деталей.

Стадия проектирования технологического процесса листовой штамповки помимо расчета усилия, необходимого для формоизменения заготовки, выбора типа прессового оборудования, в том числе по номинальной силе и кинематике исполнительных механизмов, проектирования штамповой и вспомогательной оснастки и обеспечения прочих условий, присущих процессу штамповки, предполагает выбор вида исходной заготовки [1]. Выбор заготовки включает расчет ее геометрической формы, согласно имеющимся методикам расчета, в том числе с помощью современных пакетов прикладных программ, способных моделировать процесс штамповки.

Как известно, вытяжка является одной из наиболее сложных операций листовой штамповки с точки зрения расчета исходной заготовки, моделирования процесса формоизменения с учетом анизотропии исходного материала [2] и прогнозирования вероятности появления присущих процессу вытяжки дефектов.

В машиностроении заготовкой принято называть предмет труда, из которого изменением формы, размеров, свойств поверхностей и (или) материала изготавливают деталь, а исходной заготовкой -заготовку перед первой технологической операцией [3]. Постоянное развитие технологии изготовления исходных заготовок для реализации операции «вытяжка», активное внедрение во все отрасли народного хозяйства изделий, штампованных из новых прогрессивных материалов, а также постоянное совершенствование существующих и создание новых методов расчета исходных заготовок, в том числе при помощи современных пакетов специальных прикладных программ, предполагают объединение сведений относительно видов и типов исходных заготовок, основанных на отечественном и зарубежном опыте, для создания классификации исходных заготовок по ряду определенных признаков. Как известно, детали, полученные посредством реализации операции «вытяжка», находят широкое применение