Оптимизация формы пуансонов для холодного выдавливания ступенчатых полостей стаканов из малопластичных алюминиевых сплавов

УДК 621.777.04

ОПТИМИЗАЦИЯ ФОРМЫ ПУАНСОНОВ ДЛЯ ХОЛОДНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ СТУПЕНЧАТЫХ ПОЛОСТЕЙ СТАКАНОВ ИЗ МАЛОПЛАСТИЧНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

А.М. Дмитриев, Н.В. Коробова, М.А. Горбаченко

Показано преимущество изготовления полых деталей со ступенчатыми полостями выдавливанием пуансонами, имеющими ступенчатую форму, соответствующую форме выдавливаемой полости заготовки. Рассмотрено влияние формы рабочей части пуансона на макроструктуру изготовленных холодным выдавливанием штампованных заготовок машиностроительных деталей из алюминиевого сплава Д1. В результате выявлена оптимальная форма пуансона.

Ключевые слова: детали со ступенчатыми полостями, сплавы алюминиевые труднодеформируемые, выдавливание холодное однооперационное, оптимизация формы пуансонов, качество деталей.

С развитием мехатроники меняется понятие автоматизации производственных процессов. Тем не менее, одним из наиболее радикальных путей автоматизации остается создание малооперационных технологий. В первую очередь, это относится к крупносерийному производству. В движении по такому пути преимущество перед другими технологическими процессами имеет холодная объемная штамповка.

В машиностроении широкое применение находят цилиндрические детали, имеющие ступенчатые полости. Часто это детали, изготовлены из легких сплавов, например, алюминиевого сплава Д1 (рис. 1). Производство таких деталей реализуют с применением операции холодного выдавливания из сплошной цилиндрической заготовки. Такое производство обеспечивает более высокие прочность и износостойкость деталей рассматриваемого типа, чем при изготовлении их резанием из прутка [1, 2].

я

Рис. 1. Меридиональный разрез заготовки детали со ступенчатой

полостью из сплава Д1, изготовленной холодным выдавливанием

7

Это объясняется отсутствием перерезывания волокон, которые в макроструктуре прутка расположены продольно. При изготовлении детали холодным выдавливанием металл огибает деформирующий его инструмент, и макроструктура выдавливаемой заготовки имеет вид, приведенный на рис. 2.

На рис. 2 видно, что металл при выдавливании меняет направление своего течения в стенку стакана. Вследствие этого под торцом ступени пуансона имеют место встречные потоки металла.

В описанном ниже эксперименте выдавливание заготовок рассматриваемых деталей осуществлялось в лабораторном штампе по схеме, приведенной на рис. 3.

Рис. 3. Схема выдавливания в «плавающей» матрице: 1 - пуансон; 2 - исходная заготовка; 3 - матрица; 4 - выталкиватель

Выдавливание проводили на гидравлической испытательной машине фирмы «Инстрон». Диаметр матрицы составлял 20 мм. Заготовка в матрице опиралась на выталкиватель, матрица была освобождена от крепле-

Рис. 2. Макроструктура показанной на рис. 1 заготовки детали на этапе ее выдавливания

р

ния в осевом направлении. Под действием силы трения матрица поднималась со скоростью ум вслед за вытекающим из-под пуансона со скоростью уисдеформируемым материалом, что снижало контактное трение и силу выдавливания [3, 4].

Заготовка детали со ступенчатой полостью, пример которой приведен на рис. 1, может быть изготовлена поэтапным выдавливанием каждого из участков полости пуансоном соответствующего диаметра (как показано на рис. 3). При этом количество операций выдавливания будет совпадать с количеством участков полости, имеющих разные диаметры.

Другим вариантом является выдавливание пуансоном, имеющим форму, совпадающую с формой полости изготавливаемой детали (рис. 4). При этом выдавливание осуществляется за один переход.

2Г1

Рис. 4. Схема операции выдавливания ступенчатым пуансоном и обозначения размеров детали

При явном на первый взгляд преимуществе второго варианта он имеет недостаток, связанный с пониженным сопротивлением ступенчатых пуансонов усталости (их долговечности) по сравнению с пуансонами, имеющими рабочую часть одного диаметра. Поэтому сопоставление рассматриваемых двух вариантов технологического процесса целесообразно проводить с технико-экономических позиций с учетом количества задействованного производственного оборудования, занятых площадей, количества обслуживающего их персонала, стоимости пуансонов и т.п. При этом рассчитывают напряженное состояние гладких и ступенчатого пуансонов при выдавливании и оценивают их сопротивление усталости [4, 5].

В то же время сопоставить процессы можно, не прибегая к экономическим оценкам, если чертежом детали заданы очень жесткие требования к соосности между собой участков полости, имеющих разные диаметры. Удовлетворить высокие требования к соосности участков полости позволяет только выдавливание ступенчатым пуансоном.

9

В предлагаемой статье основное внимание сосредоточено на обеспечении качества выдавливаемой детали, а нагрузке на ступенчатый пуансон и связанным с этой нагрузкой сопротивлением пуансона усталости при выдавливании уделено меньшее внимание, поскольку есть работа [5].

Однако такое внимание все-таки уделено, поскольку вопрос оптимальности формы пуансона решается по совокупности отсутствия трещинообразо-вания в заготовке при наименьшей силе выдавливания.

Ниже будем использовать относительные размеры выдавливающего полость в заготовке пуансона (см. рис. 4): относительный радиус матрицы

_ Я _ Г

Я1 _ ~ и относительный радиус ступени пуансона Г1 , а также от-

Г0 Г0

_ И 1-1 носительный радиус г2 _ - галтели и относительную длину 1 _ ~ участка

Г0 Г0

пуансона до ступени. Размеры с чертой сверху показаны на рис. 4.

При выдавливании заготовок из алюминиевого сплава Д1, не обладающего высокой пластичностью, по границе застойной зоны под ступенью в заготовке может образоваться трещина (рис. 5).

Рис. 5. Наметившаяся под ступенью пуансона трещина, связанная с высокой интенсивностью течения металла на границе застойной зоны; заготовка с размерами Я = 2, г1 = 1,6,1 = 2

Указанная трещина образуется при небольших величинах г2 (небольшой ширине ступени пуансона).При широкой ступени образования трещины не наблюдается (рис. 6).

При малой величине г2 вероятность появления трещины под ступенью пуансона зависит от величины среднего напряжения (так называемого, гидростатического давления) в деформируемой заготовке ниже ступени пуансона. Выдавливание заготовок из алюминиевого сплава Д1 при изменении радиусов инструмента Я в пределах от 1,25 до 3,3 и г1 от 1,1 до 2,6 показало, что при г1 = 2,3 отсутствие трещины определяется условием Я -

10

г1 < 0,55; при уменьшении г1 до 1,35 трещина отсутствует при Я-г1 < 0,15. При разности Я-г1 (толщина стенки детали) больше указанных величин необходимо применять пуансон, форма которого позволяет исключить застойную зону под ступенью.

Рис. 6. Отсутствие трещины ниже ступени большой ширины; заготовка с размерами Я = 2,85, г1 = 2,6,1 = 2,8

Форма и размер застойной зоны под ступенью зависят от длины участка пуансона до ступени. При длине участка пуансона до ступени, достаточной для существования двух раздельных очагов пластической деформации под торцом пуансона и торцом ступени (см. рис. 5), направление течения металла меняется трижды: на кромке торца пуансона, на границе застойной зоны под торцом ступени и на кромке ступени.

При уменьшении длины участка пуансона до ступени наступает стадия, когда характер течения изменяется (рис. 7).

Рис. 7. Слияние двух очагов пластической деформации в общий очаг; заготовка с размерами Я = 1,5, г1 = 1,35,1 = 1,0

Одновременно изменяется форма застойной зоны под ступенью. Пуансон с прилегающими застойными зонами принимает форму, которая обтекается деформируемым металлом плавно, без резких изменений направления течения. Очаги пластической деформации под торцами пуансона и ступени сливаются в один общий очаг.

При слиянии очагов пластической деформации течение металла можно схематизировать как ограниченное двумя сферическими поверхностями (см. рис. 7). Центр сфер расположен на оси детали на уровне торца ступени.

Изменение характера течения происходит при такой длине участка пуансона до ступени, когда образующийся объединенный очаг пластической деформации имеет объем, равный объему двух раздельных очагов под торцами пуансона и ступени. При этом условии с точки зрения минимума энергии, затрачиваемой на протекание процесса, объяснимо наблюдаемое изменение характера течения металла.

График на рис. 8 показывает, что при слиянии очагов пластической деформации происходит более существенное, чем от влияния контактного трения, уменьшение удельной силы выдавливания ступенчатым пуансоном.

^ 2

Удельная силад = Р/(п г1 ), где Р - сила выдавливания, измеренная в ^ 2

ходе опыта; п г1 - площадь торца ступени пуансона (см. рис. 4).

Рис. 8. Зависимость удельной силы выдавливания пуансоном с размерами Я = 2, г1 = 1,6 от длины участка пуансона до ступени I

Описанные выше исследования течения при выдавливании ступенчатыми пуансонами с острым внутренним углом под ступенью или галтелью г2 (см. рис.4) небольшого радиуса представляют практический интерес при таких соотношениях размеров инструмента, когда возможно получение выдавленной заготовки детали без трещины под ступенью. В других случаях пуансон конструируют не с острым углом под ступенью, а с переходом в виде конуса или галтели достаточно большой величины.

^МПа

7ТО

ОД ОМ 0,6 0,8 е

Под галтелью г2 недостаточно большого радиуса понимается величина галтели (рис. 9), укладывающейся в размер застойной зоны, которая имеет место при остром внутреннем угле под ступенью пуансона (см. рис. 5).

Рис. 9. Заготовка, выдавленная пуансоном с галтелью недостаточно большого радиуса: К = 2, г1 = 1,6,1 = 2

Возможность свободного выбора размеров галтели г2 под ступенью рабочей части пуансона обуславливается чертежом заданной машиностроительной детали. В частности, при последующей обработке резанием изготовленных штамповкой заготовок деталей, показанных на рис. 6, будут нарезаться резьбы с размерами ^2и^3. Для выхода резца при нарезании резьбы й2 вытачивается канавка, имеющая ширину I - 12 (см. рис. 4). Поэтому у штампованных заготовок показанных деталей в области перехода от участка полости под выполнение резьбы й2 к участку полости под выполнение резьбы можно предусмотреть галтель большого размера, которая будет удалена на стадии вытачивания канавки. Численные размеры каждой из двух приведенных на рис. 10 деталей даны в табл. 1.

Рис. 10. Изготовляемая деталь из заготовок, полученных штамповкой

13

Таблица 1

Размеры деталей, чертеж которых приведен на рис. 10

В Ы2 Н12 d2 dз d4 Н8 d5 Н12 ь Ы2 1 ±0,4 ¡1 ±0,2 4 ^ <о ±

19 16 М14 М7 7,5 16 30 22 3 17

35 30 М28 М20х1,5 20,2 30 48 34 5 25

Применение пуансона с коническим переходом под ступенью или с галтелью большой величины позволяет одновременно снизить концентрацию напряжений и повысить сопротивление пуансона усталостному разрушению [5].

На рис. 11 показана макроструктура заготовки, выдавленной ступенчатыми пуансонами с коническим переходом под ступенью. Угол при вершине конуса 900. На макроструктуре показанной заготовки с размерами Я= 2;г1 = 1,6 дефектов не видно. Пуансон сконструирован рационально.

Для выдавливания заготовки детали с размерами Я= 2;г1 = 1,35 целесообразно конструировать пуансон с углом при вершине конуса 800.

Заготовку детали с размерами Я= 2;г1 = 1,8 без трещины под ступенью можно получить, применяя пуансон с углом конуса 1200.

Рис. 11. Исключение трещины при выдавливании пуансоном с коническим переходом под ступенью; заготовка с размерами Я = 2,

г1 = 1,6,1 = 2

Обобщая вышеприведенное, можно рекомендовать применять пуансоны со следующими углами конусности а: при Я-г1 > 0,65^ а ~ 800; при Я-г1 < 0,65 и г1 > 1,2 ^ а ~ 1200; при г1 < 1,2 ^ а ~ 900.

При выполнении перехода с галтелью большого радиуса трещины под ступенью не образуется. Однако такая форма галтели не полностью совпадает с линиями перемещения металла заготовки, видными на макроструктуре (рис. 5). Даже при радиусе галтели г2 = 2 на границе с ней имеет место зона, в которой деформируемый металл отстает от течения соседних слоев (рис. 12).

Рис. 12. Заготовка, выдавленная пуансоном с галтелью большого радиуса: Я = 2, г1 = 1,6,1 = 2, г2 = 2

Для нахождения оптимальной формы галтели проведен следующий эксперимент. Заготовка с предварительно выточенной полостью (рис. 13) заполнялась более пластичным материалом (наполнителем), и проводилось выдавливание ступенчатым пуансоном. Для заготовки из свинца наполнителем являлся парафин. Избыток наполнителя вытеснялся в зазор между пуансоном и матрицей, а оставшийся наполнитель заполнял объем определенной формы. Поверхность раздела металла заготовки и наполнителя принята за оптимальную форму галтели.

При деформировании по приведенной схеме (см. рис. 13) наполнитель принимает форму, обусловленную равномерным всесторонним сжатием (гидростатическим давлением). При напряженном состоянии всестороннего сжатия на все точки поверхности галтели действуют одинаковые напряжения и обеспечивается наименьшая концентрация напряжений.

Рис. 13. Эксперимент по определению оптимальной формы галтели 15

Этим же требованиям отвечает «обтекаемая галтель» (рис. 14), т.е. форма сопряжения для ступенчатого вала, позволяющая получить на контуре равномерные напряжения (близкий к 1,0 коэффициент концентрации напряжений). Значения координат «обтекаемой галтели» приведены в табл. 2.

Рис. 14. Координаты «обтекаемой галтели» пуансона

Таблица 2

Значения координат «обтекаемой галтели» ступенчатого

__ пуансона_ ___

х / (й^ - d0) 0 0,015 0,051 0,14 0,26 0,43 0,6 0,88 1,25 1,62

у / (й - й0) 0 0,05 0,12 0,2 0,27 0,35 0,4 0,45 0,48 0,5

Линия раздела наполнителя и деформируемого металла представляет собой линию тока, что обеспечивает отсутствие трещины по границе застойной зоны под ступенью.

На рис. 15 приведена макроструктура детали, выдавленной пуансоном с обтекаемой галтелью.

Рис. 15. Заготовка детали, выдавленной пуансоном с размерами Я = 2, г1 = 1,6,1 = 2, с «обтекаемой галтелью»

16

Чтобы проверить, дает ли аналогичный эффект выполнение поверхности перехода под ступенью пуансона в виде обтекаемой галтели, построенной не от кромки ступени, проведено выдавливание пуансонами с такой поверхностью перехода (рис. 16).

Рис. 16. Заготовка, выдавленная пуансоном с обтекаемой галтелью, контур которой построен не от кромки ступени: Я = 2, г1 = 1,8,1 = 2

В этом случае у кромки ступени течение металла отклоняется от контура переходной поверхности, и имеет место застойная зона, по границе которой может образоваться трещина.

Следовательно, контур обтекаемой галтели надо строить всегда от кромки ступени пуансона, и масштаб галтели определяется разностью диаметров ступени и торца пуансона до ступени. Размеры галтели целесообразно задавать в зависимости от разности указанных диаметров, как это сделано в табл. 2

Для оценки влияния формы перехода под ступенью пуансона на величину силы выдавливания выполнен эксперимент по выдавливанию пуансонами, размеры которых и форма перехода показаны на рис. 17.

Выдавливание заготовок из алюминиевого сплава Д1 проведено в матрице диаметром 20 мм. Все пуансоны имели размеры Я= 2, г1 = 1,6, I = 2. При равных величинах деформирующей силы (400 кН) определено, какое расстояние проходит каждый из исследуемых пуансонов в процессе деформирования заготовки.

Установлено (рис. 18), что наибольшее расстояние прошел пуансон с острым внутренним углом под ступенью (см. рис. 17, а). Это равносильно тому, что при выдавливании детали с заданной глубиной полости деформирующая сила при такой форме перехода под ступенью наименьшая.

Несколько больше величина деформирующей силы при поверхности перехода под ступенью пуансона в виде галтели радиуса Я - г1 (см. рис. 17, б). В то же время, как видно на рис. 5 и 9, при этих пуансонах, создающих наименьшие деформирующие заготовки силы, в заготовках имеют место застойные зоны и могут образоваться трещины.

При выдавливании остальными (см. рис. 17) из рассмотренных вариантов пуансона застойная зона под ступенью устранена, что исключает образование трещин. Наименьшая деформирующая сила при отсутствии в заготовке застойной зоны под ступенью выдавливающего пуансона соответствует пуансону с «обтекаемой галтелью».

Рис. 17. Поверхности перехода под ступенью у примененных в эксперименте пуансонов: а - острый внутренний угол; б - галтель малого радиуса;в - «обтекаемая галтель»; г - усеченный конус малой высоты; д - галтель большого радиуса; е - усеченный конус большой

высоты

Следовательно, форма пуансона с «обтекаемой галтелью» является оптимальной при холодном выдавливании за один переход деталей из малопластичных алюминиевых сплавов.

В данной статье не содержится характерных для мехатроники исследований в области управления производственными процессами. Это связано с тем, что однопереходная штамповка рассматриваемых деталей будет осуществляться на специализированных гидравлических прессах для выдавливания с активно направленными силами контактного трения [6].

18

Рис. 18. Влияние формы перехода под ступенью на величину силы выдавливания пуансонами, изображенными на рис. 17; графики соответствуют пуансонам с теми же позициями а - е)

на рис. 17

Эти прессы, являющиеся, по сущности, автоматами, управляются от современных путевых выключателей и не нуждаются в программном управлении.

Список литературы

1. Дмитриев А.М., Демин В.А. Современные конкурентоспособные технологии, оборудование и оснастка при производстве заготовок давлением // Справочник. Инженерный журнал. 2011. №5. С. 34 - 38.

2.Сосенушкин Е.Н. Развитие систем пластического деформирования // Вестник МГТУ «Станкин».2010. №1 (9). С. 30 - 38.

3. Dmitriev A. M., Korobova N. V. Expanding of Application of Cold Die Forging by Inducing Active Contact Friction Forces // Journal of Friction and Wear. 2013. Vol. 34. P. 232-237.

4. Dmitriev A.M., Korobova N.V., Yakubovskaya I.A. Increasing Punch Life in Cold Cup Extrusion with Active Friction //Russian Engineering Research. 2015. Vol. 35. No. 12. P. 896 - 901.

19

5. Dmitriev A.M., Grechnikov F.V., Korobova N.V. Extending the Life of Steeped Punches in the Cold Extrusion of Bushes // Russian Engineering Re-search.2017.Vol. 37.No. 5.P. 411 - 419.

6. Отечественное развитие и решение проблемы штамповки полых деталей цилиндрической формы, имеющих конический придонный участок / А.М. Дмитриев, Н.В. Коробова, Н.С. Толмачев, А.Ю. Аксененко // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 10. Ч. Ч. 2. 2014. С. 3 - 18.

Дмитриев Александр Михайлович, д-р техн. наук, проф., mt-6@yandex.ru, Россия, Москва, МГТУ «СТАНКИН»,

Коробова Наталья Василевна, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, mt-6@yandex.ru,Россия, Москва, МГТУ «СТАНКИН»,

Горбаченко Максим Андреевич, асп., mt-6@yandex.ru,Россия, Москва, МГТУ «СТАНКИН»

OPTIMIZA TION OF THE FORM OF PUNCHES FOR COLD EXTRUSION OF STEPPED

CA VITIES OF HOLLOW PARTS FROM LO W-PLASTIC AL UMINUM ALLOYS

A.M. Dmitriev, N. V. Korobova, M.A. Gorbachenko

The advantage of manufacturing hollow parts with stepped cavities by extrusion by punches having a stepped shape corresponding to the shape of the cavity of the part is shown. The influence of the shape of the working part of the punch on the macrostructure of the machine parts made of aluminum alloy D1 by cold extrusion of billet is considered. As a result, the optimal shape of the punch was identified.

Keywords: detail with stepped cavity, aluminum alloy hard to deform, cold extrusion by single operation, optimization of the shape of punch, quality of the part.

Dmitriev Alexander Mikhailovich, doctor of technical sciences,professor, mt-6@yandex.ru,Russia, Moscow, MSTU "STANKIN",

Korobova Natalia Vasilevna, doctor of technical sciences, professor,head ofchair, mt-6@yandex. ru,Russia, Moscow, MSTU "STANKIN",

Gorbachenko Maxim Andreevich, postgraduate, mt-6@yandex.ru,Russia, Moscow, MSTU "STANKIN"