Оптимизация процесса циклического формообразования при штамповке клапанов на горизонтально-штамповочных прессах

УДК 621.73

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ЦИКЛИЧЕСКОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ШТАМПОВКЕ КЛАПАНОВ НА ГОРИЗОНТАЛЬНО-ШТАМПОВОЧНЫХ ПРЕССАХ Якубович Ефим Абрамович, к.т.н., доцент, профессор Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия

В работе обоснованы пути повышения стойкости водоохлаждаемого горячештампового инструмента. Показано, что за счет регулирования темпа штамповки и температурного режима охлаждения штампа на отдельных этапах цикла формообразования можно обеспечить наивысшую стойкость инструмента при максимальной производительности оборудования

Ключевые слова: штамповый инструмент, клапан, темп штамповки, стойкость инструмента, охлаждение штампа, оптимизация, горизонтально-штамповочный пресс

В производстве штампованных поковок, особенно повышенной точности, ведущую роль играют кривошипные горячештамповочные прессы (КГШП) [1], которые умеют устойчивую тенденцию к развитию в отраслях массового и крупносерийного производства, потребляющих более половины штампованных поковок.

Очевидно, что оптимальное решение вопросов надежности штампового инструмента возможно при условии совместного анализа различных конструктивных и технологических решений в рамках единого комплекса технологически последовательных операций по изготовлению инструмента и условий его эксплуатации. Исследования [2-9] показывают, что наибольшее повышение долговечности штампов горячей штамповки достигается при правильном выборе марки штамповой стали и режимов её термической и упрочняющей обработок. Оптимальные режимы обработки, обеспечивающие высокую эксплуатационную стойкость, возможно правильно назначить только после всесторонних исследований условий температур-но-силового нагружения и причин, вызывающих разрушение инструмента.

Среди прикладных проблем анализа температурных условий работы штампового инструмента, которым оснащаются КГШП, важное место занимают задачи установления связи показателей износа и стойкости с закономерностями формирования температурного поля в системе «заготовка -инструмент», к кругу которых относятся вопросы, рассматриваемые в [1013]. Детальные исследования общего характера выполнены здесь, главным образом, применительно к конструкциям инструмента с внутренним охлаждением проточным охладителем. Установлены важные характеристики условий и параметров охлаждения и предложены вычислительные алгоритмы для расчета теплового состояния штампа с учетом циклического

характера температурно-силового нагружения.

Спектр применимости полученных результатов, достаточно широк и их совокупность можно охарактеризовать как существенное развитие теоретических положений и прикладных технологических рекомендаций, служащих основой для проектирования технологии горячей штамповки и эффективных конструкций штампового инструмента.

В работах [14-16] показано, что интенсификация водяного охлаждения штампового инструмента в процессе циклического формообразования на автоматизированных прессах является весьма эффективным средством повышения долговечности инструмента и повышения производительности автоматизированных горячештамповочных прессов. Кинематический анализ цикла штамповки и соответствующего температурного состояния инструмента показывает, что повышение стойкости может быть достигнуто путем последовательного увеличения темпа циклического формообразования при условии поддержания соотношения минимальных температур на рабочей поверхности инструмента в предыдущем и последующем цикле в пределах не менее единицы.

Самостоятельный интерес приобретает проблема повышения показателей стойкости после достижения максимального технически реализуемого темпа штамповки N тах .

Превышения некоторого критического темпа штамповки N ^ ^ах приводит к росту максимальной температуры гравюры инструмента вследствие недостаточной длительности паузы охлаждения. Отмеченное ведет к снижению стойкости штампового инструмента. Таким образом после достижения максимальной производительности работы прессового оборудования увеличение стойкости за счет повышения темпа циклического формообразования становится невозможным, хотя потенциально возможные максимальные значения стойкости инструмента не достигаются.

Возможный способ преодоления указанных затруднений состоит в анализе и выяснении роли отдельных этапов цикла штамповки и их вкладе в температурное поле и особенности протекания процессов разрушения гравюры штампа, приводящего к выходу из строя и выбраковке.

В указанных условиях, т.е. при достижении максимального темпа циклического формообразования N тах, увеличение стойкости может быть получено путем регулирования соотношения длительностей времени активного (горячего) контакта заготовки с инструментом и времени паузы, причем соотношение максимальных рабочих температур на рабочей поверхности инструмента в последующем цикле не должно превосходить соответствующее значение в предыдущем цикле более, чем на 10%.

Аналогично [16] сказанное иллюстрируется рис.1, на котором представлена структура единичного теплового цикла для темпа штамповки N тах и рис.2, на котором изображены соответствующие осциллограммы температуры на рабочей части (гравюре) инструмента.

№

У

ы

ч

\

/ "

1Ц

Рисунок 1 - Структура единичного теплового цикла штамповки

Рисунок 2 - Осциллограммы температуры на гравюре штампа

Здесь обозначено:

1;ц - длительность всего цикла штамповки;

т1— длительность активного (в процессе нагружения) контакта заготовки с инструментом;

т2 - длительность пассивного (при снятом усилии) контакта заготовки с инструментом;

т3 Я- длительность паузы, в течение которой происходит отвод тепла из контактной зоны штампового инструмента;

q - тепловой поток из заготовки в инструмент.

Важно подчеркнуть, что рассматриваемая ситуация характеризуется следующими особенностями: при максимальном темпе штамповки Ктах =

и и

К' = N сохраняется длительность единичного цикла 1;'ц = \ ц , время активного контакта снижается с т'1 до т 1, а длительность паузы, обеспечивающей отвод тепла из контактной зоны штампа, возрастает с т'3 I

до т з .

При [достижении максимального [темпа штамповки согласно [ 114,16 ] I увеличивают скорость [движения ползуна, ¡уменьшая! при |этом скорость I движения манипулятора и оставляя неизменным длительность цикла t ц , что! обеспечивается ¡нежесткой кинематической ¡связью манипулятора и I ползуна пресса. В результате изменяются характеристики единичного

к

цикла, в частности уменьшается время активного контакта т 1 и

к к и

составляющая (т 1 + т2 ) и одновременно увеличивается время паузы т 3 .

Уменьшение ¡времени активного ¡контакта заготовки и ¡инструмента и I соответствующее увеличение (времени паузы (сопровождается ростом I стойкости инструмента до тех пор, пока инструмент в процессе циклического теплового нагружения работает без накопления тепла от цикла к циклу. При этом средняя температура штампа (рис.2) от цикла к

н

циклу не возрастает, т.е. T ср [< [TIL. Это условие соблюдается, если при максимальном темпе циклического формообразования максимальная температура на гравюре возрастает за счет повышения тепловыделения от трения в процессе увеличения скорости перемещения ползуна пресса не более, чем на 10%, т.е. соотношение максимальных температур на рабочей поверхности инструмента в последующем и предыдущем циклах

н

удовлетворяет условию T max < T' max .

При дальнейшем увеличении скорости движения ползуна пресса тепловыделение от трения возрастает и отвод тепла от контактной зоны в период паузы не (обеспечивает охлаждения ¡инструмента и выполнения

н

соотношения T ср К T' ср. Инструмент начинает разогреваться и стойкость его снижается.

Таким I образом реализация I изложенного подхода I позволяет* оптимизировать процесс горячей штамповки на автоматизированных кривошипных горячештамповочных прессах с использованием водоохлаждаемой оснастки в том смысле, что при предельном темпе циклического формообразования и максимальной производительности оборудования достигается максимальная стойкость штампового инструмента.

На практике на начальных этапах технологической цепи устанавливают интенсивность внутреннего охлаждения инструмента и определяют согласно [14,16] максимальный темп штамповки Nmax. Используя конструктивные возможности и особенности кинематической схемы конкретного I КГШП1, увеличивают I скорость движения I ползуна, одновременно уменьшая скорость движения манипулятора. При этом контролируют II соотношение максимальных И температур гравюры в I предыдущем и последующем циклах. Скорость движения ползуна и манипулятора регулируют (согласно [17] до тех (пор, пока (указанное! соотношение ¡остается меньшим или ¡равным 1,1. [Фиксируют скорость I движения ползуна и манипулятора, обеспечивающих указанное соотношение, после чего дальнейший процесс ведут с найденными характеристиками цикла формообразования.

Ниже приведены результаты стойкостных опытно-промышленных испытаний при горячей штамповке впускного клапана типа СМД из стали 40ХН, ¡применяемого в !гракторо-и автомобилестроении, на ¡прессе типа К86ЭБ. Используется водоохлаждаемый штамповый инструмент из стали 4Х3ВМФ, в котором каналы для охладителя расположены на глубине от гравюры. Температура ¡охлаждающей воды 12 - 15 0 С, расход 10 - 12 л/мин. Начальная температура инструмента 25 - 28 0 С. Температурный режим инструмента контролируют с помощью зачеканенных термопар с непрерывной записью показаний. Темп штамповки поддерживают Ктах = 29 пок/мин.

Таблица 1 - Результаты опытно-промышленных испытаний

Длительность отдельных этапов цикла штамповки, с Соотношение минимальных температур в 1 последующем и предыдущем II циклах Соотношение максимальных температур в И последующем и предыдущем циклах Максимальная температура 0 г^ гравюры, С Средняя стойкость инструмента, штук поковок

т 1 + 12 т 3

0,35 1,66 1,15 0,98 635 7200

0,32 1,69 1,12 1,03 645 7300

0,30 1,71 1,10 1,06 645 7800

0,27 1,74 1,12 1,14 675 7100

В каждом случае оценивают соотношение максимальных и минимальных температур на И гравюре инструмента. I СтойкостьИ инструмента оценивают по наличию и величине сетки разгарных трещин. Одновременно в ¡процессе испытаний ¡фиксируют долговечность ¡работы! узлов манипулятора и ползуна пресса, оцениваемую длительностью межремонтного периода.

Отметим, что согласно [14,16] при достижении максимального темпа штамповки Ктах 1= 129 пок/мин ¡стойкость инструмента ¡составляет 7250 I поковок.

Как следует из данных табл.1. последовательно уменьшая длительность

I! I! II

т 1 + т|2 и увеличивая длительность т 3 (рис.1) за счет увеличения скорости! движения ползуна и уменьшения скорости движения манипулятора пресса при сохранении Ктах = 29 пок/мин добиваются увеличения стойкости до 7800 пок/мин, т.е. на 7 % больше, чем без регулирования длительностей этапов паузы и активного контакта инструмента в с заготовкой. При этом соотношение (максимальных температур в ¡последующем и ¡предыдущем!

н

циклах остается меньше 1,1. Дальнейшее уменьшение длительности т 1 + т 2 ведет к росту максимальной температуры гравюры штампа до 675 0С, соотношение максимальных ¡температур! в ¡последующем и ¡предыдущем! циклах достигает 1,14 и стойкость инструмента снижается. Таким образом,

оптимальным (¡значением верхнего (предела соотношения |максимальных1 температур в последующем и предыдущем циклах является 1,1.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что применительно к типичному варианту горячей штамповки выдавливанием осесимметричных объектов типа клапанов с применением водоохлаждаемого инструмента оптимизация технологического процесса с учетом специфических возможностей КГШП и дополнительной информации о закономерностях температурного режима штампа на отдельных этапах цикла формообразования обеспечивает наивысшую стойкость инструмента при максимальной производительности оборудования.

Исследование выполнено и финансируется за счет средств гранта РФФИ (проекты №17-08-00593, 19-08-00232).

Список литературы

1.Игнатов, А. А. Кривошипные горячештамповочные прессы / А.А.Игнатов, Т.А.Игнатова . - М.: Машиностроение, 1974. - 352с.

2. Трахтенберг, Б. Ф. Стойкость штампов и пути ее повышения / Б.Ф. Трахтенберг. Куйбышев: Облиздат, 1964. - 279с.

3. Штампы для горячего деформирования металлов: Уч. пос. / М.А. Тылкин, Д.И. Васильев, А.М. Рогалёв и др. М.: Высш. школа, 1977. - 496с.

4. Фатеев, В. И. Технологические основы повышения стойкости полых пуансонов для горячего деформирования осесимметричных поковок: автореф. дис. на соиск. учен. степ. докт. тех. наук (05.03.05) / Фатеев Вячеслав Игоревич; Тула, 2009. - 17с.

5. Позняк, Л.А. Штамповые стали / Л.А. Позняк, Ю.М. Скрынченко, С.И. Тишаев. М.: Металлургия, 1980. - 244с..

6. Геллер, Ю.А. Инструментальные стали, 4-е изд., перераб. и доп. / Ю.А. Геллер.М.: Металлургия, 1975. - 527с.

7. Ваенский, В.Н. Оптимизация технологии термической обработки и опыт внедрения штамповых сталей новых марок / В.Н.Ваенский, И.С.Дробязко, А.И.Иванов и др. // Производство и исследование быстрорежущих и штамповых сталей. М.: Металлургия, 1970. - С.114-120.

8. Позняк, JI.A. Инструментальные стали: справочник / Л.А. Позняк. М.: Металлургия, 1977. - 168с.

9. Артингер, И. Инструментальные стали и их термическая обработка / И. Артингер. М.: Металлургия, 1982. - 312с.

10. Кенис, М.С. Температурное поле системы «заготовка - инструмент - проточный охладитель» при штамповке / М.С.Кенис, Б.Ф.Трахтенберг, Э.О.ТихоноваМ/ Физика и химия обработки материалов. - 1983. - №6. - С.33-38.

11. Кенис, М.С. Температурное поле в контактирующих объектах при периодическом их взаимодействии с учетом объемных и поверхностных источников тепловыделения / М.С.Кенис, Б.Ф.Трахтенберг // Инженерно-физический журнал. -1980. - т.ХХХ1Х. - C. 163-164.

12. Трахтенберг, Б.Ф. Температурно-силовое поле и закономерности износа инструмента для горячей деформации / Б.Ф.Трахтенберг, М.С.Кенис, М.А.Шубина // Известия АН СССР. Металлы. - 1968.- №5. - С.111-116.

13. Трахтенберг, Б.Ф. Температурное поле инструмента, охлаждаемого проточным охладителем / Трахтенберг Б.Ф., Тихонова Э.О., Кенис М.С. // Известия вузов. Черная металлургия. - 1982. - №3. - С. 82-86.

14. А.с. 814539 СССР, B 21 J 1/06. Способ оптимизации процесса циклического I формообразования / Бабурин |И.Н., ¡Сапрыкин ¡В.Г., ¡Грахтенберг |Б.Ф. и др. 1(СССР). Заявлено 03.05.79. Опубл. 23.03.81. Бюл. № 11. - С.37.

15. Сапрыкин В.Г. Исследование влияния технологических факторов на долговечность штампов для горячего деформирования на кривошипных горячештамповочных прессах: автореф. дис. на соиск. учен.степ. канд. техн.наук (05.02.01) - Челябинск, 1984. - 26с.

16. Якубович, Е.А. Влияние темпа циклического формообразования на стойкость инструмента при штамповке выдавливанием / Е.А.Якубович // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: сб. науч. трудов XIY Межд. научно-практ. конф. / Юго-Зап. гос. ун-т., Курск : Изд. ЗАО «Университетская книга», 2019. - С.226-230.

17. А.с. 935190 СССР, В 21 J 1/06. Способ оптимизации процесса циклического формообразования / Бабурин И.Н., Сапрыкин В.Г., Грахтенберг Б.Ф. и др. (СССР). Заявлено 08.10.80. Опубл. 15.06.82. Бюл.№ 22. - С.38.

Yakubovich Efim Abramovich, Cand.Tech.Sci., associate professor Samara State Technical University,Russia

OPTIMIZATION OF THE CYCLIC FORMING PROCESS DURING STAMPING VALVES AT HORIZONTAL-STAMPING PRESSES

Abstract. The paper substantiates the ways to increase the durability of a water-cooled hot-stamp tool. It is shown that by controlling the rate of stamping and the temperature mode of the stamp at certain stages of the forming cycle, it is possible to ensure the highest tool life with maximum equipment performance

Keywords: tool, valve, stamping rate, tool life, die cooling, optimization, horizontal stamping ф press, hot-stamping