CC BY
28
УДК 621.983; 539.974
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ЗАКРЫТОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ ПОКОВКИ ДЕТАЛИ «ШЕСТЕРНЯ ЗУБЧАТАЯ»
Р. С. Благочиннов, А.В. Харченко
Рассмотрены вопросы оптимизированного формоизменения поковки детали «шестерня зубчатая». Предлагается осуществлять технологию в закрытом штампе с получением зубьев. Выявлено влияние технологических параметров процесса, условий трения, количества зубьев на напряженно-деформированное состояние полуфабриката, силовые режимы операции. Показаны основные преимущества и недостатки предлагаемой технологической схемы.
Ключевые слова: закрытая штамповка, силовые режимы, штамповка с зубом, напряжения, деформации.
В машиностроении широко используются различные виды зубчатых колес, шестерен, сателлитов. Основным способом изготовления заготовок под механическую обработку данных изделий является горячая объемная штамповка в открытых штампах. При открытой штамповке облой гарантирует получение заданной конфигурации поковки, но, являясь технологической необходимостью, он одновременно увеличивает потери металла, силу деформирования, требует введения дополнительной операции обрезки. Способ штамповки в закрытых штампах (безоблойной штамповки) более экономичен, так как позволяет получить поковку с минимальной последующей обработкой резанием. Этот способ позволяет реализовать схему неравномерного всестороннего сжатия при значительной величине боковых сжимающих напряжений. Он способствует лучшему выявлению пластических свойств металлов. Закрытая штамповка позволяет снизить себестоимость поковок на 30...40 %, значительно сокращает трудоемкость последующей обработки резанием [1-12].
Традиционные технологии получения поковок шестерен подразумевают использование открытой или закрытой штамповки без оформления зубчатого пояса. Основными недостатками данного вида производства является большой отход металла, а также перерез волокон в области зубьев при последующей механической обработке.
Для повышения коэффициента использования материала желательно использовать штамповку с оформлением зуба. Но, к сожалению, горячая объемная штамповка изделий с оформлением зубьев недостаточно изучена. В данной работе в среде программного комплекса QForm 3D проведено исследование штамповки с зубом детали «Шестерня зубчатая». Исследования выполнены для стали 40Х при температуре деформирования 800...1200°С [3] (Sf = 210МПа ; ав = 340МПа). Чертеж холодной поковки, разработанный по ГОСТ 7505, показан на рис. 1. Пунктирной линией обозначен контур детали.
При проектировании поковки принимались следующие параметры: штамповочное оборудование - КГШП; нагрев заготовок - индукционный; масса детали - 1,5 кг; расчетный коэффициент Kр =1,5 - 1,5 • 1,5 = 2,25 кг, т.е. масса поковки (расчетная) -
2,25 кг; класс точности - Т4; группа стали - М2; степень сложности - С2; масса описывающей фигуры (расчетная) - 5,05 кг; конфигурация плоскости разъема штампа - П (плоская); исходный индекс - 12.
В соответствии с классификацией по ГОСТ 7505, данная поковка относится ко второй группе - поковки, круглые в плане или близкие к этой форме; первой подгруппе - поковки круглые в плане (типа колец, втулок, шестерен, поршней, круглых фланцев и т. д.). Для данных поковок применяется осадочная площадка или заготовительно-подготовительный ручей. Штамповка производится в закрытых и открытых штампах.
307
Рис. 1. Поковка холодная детали «шестерня зубчатая»
Проведем исследование штамповочной операции получения поковки детали «шестерня зубчатая», получаемой в закрытом штампе как без оформления зубьев, так и с получением зубчатого профиля (рис. 2.). В качестве заготовки использовался цилиндр диаметром й = 53 мм и длиной I = 120 мм, который предварительной осаживался до
длины 11 = 80 мм.
а б
Рис. 2. Поковка детали «шестерня зубчатая»: а - без предварительного оформления зубьев; б - с предварительным оформлением зубьев
Проведем исследование влияния различных технологических параметров процесса, условий трения, количества зубьев на напряженно-деформированное состояние полуфабриката и силовые режимы операции. В процессе моделирования менялось количество зубьев в диапазоне 20...30.
Анализ изменения интенсивности напряжений в теле поковки показывает, что при переходе от технологии без формирования зубьев к технологии штамповки с зубьями происходит рост интенсивности напряжений на 25...30%. Увеличение количества зубьев приводит к незначительному росту величины интенсивности напряжений.
На рис. 3. показан уровень распределения величины накопленной деформации по объему полуфабриката в зависимости от выбранной технологии и количества зубьев в изделии.
При анализ деформированного состояния заготовки видно, что наибольший уровень накопленных деформаций сосредоточен в области формирования зубьев, причем переход от технологии без формирования зубчатого пояса к технологии штамповки поковок с зубом приводит к увеличению величины накопленной деформации в 2 раза.
Проведем оценку силовых характеристик получения поковки детали «Шестерня зубчатая». Изменение величины силы формообразующего процесса в зависимости
от относительного хода деформирующего инструмента И =—И— и различных техно-
^шах
логических параметров показано на рис. 5 и рис. 6.
308
в г
Рис. 3. Интенсивность напряжений в поковке: а — без зубьев; б — 20 зубьев; в — 25 зубьев; г — 30 зубьев
а
Макс. 113
в г
Рис. 4. Накопленная деформация в поковке: а — без зубьев; б — 20 зубьев; в — 25 зубьев; г — 30 зубьев
б
О 0,2 0,4 0,6 0,8 ^
Рис. 5. Изменение силы формообразующего процесса при получении поковки без зубьев и при различных коэффициентах трения:
1 - т = 0,05 ; 2 - т = 0,1; 3 - т = 0,15
Р, мн
Рис. 6. Изменение силы формообразующего процесса при получении поковки с зубьями: 1 — 20 зубьев; 2 - 25 зубьев; 3 - 30 зубьев
Анализ изменения силовых режимов показывает, что увеличение величины коэффициента трения от 0,05 до 0,15 приводит к возрастанию силы на ползуне пресса на 5...10%. Штамповка поковок с зубьями приводит к возрастанию силы операции в 2,2 раза, увеличение количества зубьев в поковке с 20 до 30 увеличивает силу на 3.5%. Максимум силы приходится на завершительную стадию операции, где происходит формирование зубьев.
Работа выполнена в рамках гранта НШ-2601.2020.8.
Список литературы
1. Ковка и штамповка. Справочник в 4-х томах. Под ред. Е.И. Семенова. М.: Машиностроение, 2010. 297 с.
2. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1977. 423 с.
3. Третьяков А.В., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке металлов давлением. М.: Металлургия, 1973. 224 с.
4. Новые наукоемкие технологии в технике. Энциклопедия в 4-х т. / под ред. Касаева К.С. 1994. Рос. космич. агентство. Т 4. 208 с.
5. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. Т 3. 6-е изд., пе-рераб. и доп. М.: Машиностроение, 1982. 576 с.
6. Специальные технологические процессы и оборудование обработки давлением / В. А. Голенков, А.М. Дмитриев, С.П. Яковлев, С.С. Яковлев и др.; под ред. В. А. Голенкова, А.М. Дмитриева. М.: Машиностроение, 2004. 464 с.
7. Технология конструкционных материалов (Технологические процессы в машиностроении): учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов: в 4 ч. Ч. 3. Производство заготовок / С.П. Яковлев [и др.]. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. 582 с.
8. Гун Г.Я. Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1983. 352 с.
9. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. Екатеринбург: Уральский государственный технический университет (УПИ), 2001. 836 с.
10. Теория ковки и штамповки / Под ред. Е.П. Унксова, А.Г. Овчинникова. М.: Машиностроение, 1992. 720 с.
11. Яковлев С.П., Кухарь В. Д. Штамповка анизотропных заготовок. М.: Машиностроение, 1986. 136 с.
12. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В.А. Обработка давлением анизотропных материалов. Кишинев: Квант. 1997. 332 с.
Благочиннов Роман Сергеевич, студент, mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Харченко Антон Витальевич, студент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
OPTIMIZA TION OF THE PROCESS OF CLOSED VOL UME FORGING FORGED GEAR PARTS
R.S. Blagochinnov, A.V. Kharchenko
The article deals with the issues of optimized shaping of the forging of the "gear gear" part. It is proposed to carry out the technology in a closed die to obtain teeth. The influence of technological parameters of the process, friction conditions, the number of teeth on the stress-strain state of the semifinished product, power modes of the operation is revealed. The main advantages and disadvantages of the proposed technological scheme are shown.
Key words: closed punching, power modes, punching with a tooth, stresses, deformations.
Blagochinnov Roman Sergeevich, student, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University.
Kharchenko Anton Vitalievich, student, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
