CC BY
21
A computer simulation of the drawing process was carried out with local thinning of the billet wall in a matrix with multiple spiral lugs along the working belt perimeter using the QForm software package. The dependence of the strain intensity, stress intensity and the heterogeneity of their indicators depending on the elevation angle of the spiral protrusions of the matrix is analyzed.
Key words: stress intensity, strain intensity, computer simulation, spiral wedge, lifting angle, corrugation.
Yakovlev Sergey Sergeevich, student, mpf-tiila a ramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Chizhov Ivan Alekseevich, student, mpf-tiila a ramhler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Arkhiptsev Anton Sergeevich, student, mpf-tula@,rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.73.043
ОТКРЫТАЯ ОБЪЕМНАЯ ШТАМПОВКА ПОКОВОК С РЕГЛАМЕНТИРУЕМЫМ ПОДПОРОМ В ОБЛОЙНОМ МОСТИКЕ
В.Н. Михайлов, И.М. Володин
Рассматривается объемная штамповка круглых, удлиненных и кольцевых в плане поковок в открытом штампе. Предложена схема штампа и методика проектирования расширяющейся облойной канавки с регламентируемым подпором, что снизит силу штамповки, норму расхода металла за счет уменьшения штамповочных уклонов и облоя поковки, повысит стойкость штамповой оснастки.
Ключевые слова: поковка, штамп, облой, облойная канавка, ручей штампа, штамповочный уклон.
В настоящее время в кузнечно-штамповочном производстве преобладает традиционная, открытая горячая объемная штамповка (ГОШ) (рис. 1, а) на кривошипных горячештамповочных прессах (КГШП). Заполнение ручья штампа и окончательное формообразование поковки сопровождается вытеснением избытка металла в облойную канавку, которая характеризуется высотой Из и шириной b облойного мостика [1]. При этом решается две задачи: компенсация неточности исходной заготовки; создание подпора со стороны вытесняемого металла для качественного оформления поковки. Известно, что деформация облоя в области канавки в 1,6-2,2 раза повышает силу деформации поковки, что отрицательно сказывается на стойкости оснастки и, в ряде случаев, требует использования оборудования большей мощности.
Известен способ бесподпорной штамповки (рис. 1, б) [2], заключающийся в получении окончательно отштампованной поковки в открытом штампе с вытеснением избытка металла за пределы гравюры штампа без подпора со стороны облоя. Заполнение полости штампа осуществляется в основном за счет деформации рационально подготовленного полуфабриката и до момента вытеснения лишнего объема металла в об-лой, ручей штампа уже полностью заполнен, то есть функция подпора металла в об-лойной канавке отпадает. Отсутствует облойный мостик и облой не подвергается деформацией инструментом, что снижает силу штамповки, значительно уменьшает норму расхода металла, за счет уменьшения штамповочных уклонов и облоя поковки, повышает стойкость штамповой оснастки.
а б
Рис. 1. Схема штампов: а - традиционная; б - бесподпорная
Однако, при проектировании ГОШ поковок в открытом штампе, не всегда возможна бесподпорная штамповка. В большинстве случаев подпор металла в облойной канавке необходим для качественного заполнения ручья штампа, хотя и в меньшей мере, чем при традиционной схеме. Таким образом, напрашивается промежуточный вариант схемы штампа, включающего в себя преимущества традиционной и бесподпорной штамповки. В данной работе ставится задача по разработке схемы такого штампа и методики его проектирования.
В работе [3] предположено, что профиль облойной щели открытого типа выполнен таким образом, что вновь образованная часть облоя не подвергается деформацией инструментом (рис. 2). Составлено уравнение расхода металла и получена формула (1) [3,4],
Ь = . (1)
Утверждается, что если расширение облойной щели выполнено по формуле (1), то облой при смыкании штампов до принятой начальной высоты облойной щели Ин «отслаивается» от поверхности облойного мостика и перестает деформироваться инструментом. При дальнейшем уменьшении высоты облойной щели происходит свободное вытекание металла за пределы гравюры штампа.
Рис. 2. Схема отслоения облоя при доштамповке, боковой вид облоя
Чтобы облой не деформировался в магазине штампа и сила штамповки не возрастала, высоту последнего принимаем больше толщины облоя в начале вытеснения его в облойную канавку.
Допустим поверхность облойного мостика штампа Ь выполнена по границе свободно вытекающего облоя по формуле (1), то на последней стадии штамповки при Ин = Ь3 на облойном мостике произойдет «отслоение» облоя от штампа, давление снизится до нуля и подпора не будет. Причем «отслоение» может произойти сверху, снизу или сверху и снизу одновременно, на силе штамповки это отразится незначительно. На предыдущей же стадии вытеснения металла из ручья штампа в облойную канавку, «отслоения» облоя не произойдет, и облойный мостик будет выполнять функцию подпора, обеспечивая качественное заполнение ручья штампа. Такой подход обладает преимуществами традиционной и бесподпорной штамповки.
Очевидно, что подпор металла в расширяющиеся деформируемой зоне Ь облойного мостика в начале его вытеснения будет расти, как и при традиционной схеме штамповки, примерно к середине стадии достигнет максимального значения, а к концу, при «отслоении» облоя, уменьшится до нуля.
251
Преимущество такого подхода в том, что становится возможным снизить массу облоя, отодвинув начало вытеснения металла в облойную канавку на более позднюю стадию штамповки, сохранить необходимый подпор для качественного заполнения ручья штампа, уменьшить силу на последней стадии штамповки за счет снижения гидростатического давления в ручье штампа и отсутствия давления на облойном мостике штампа и уменьшить толщину облоя hз.
В настоящее время конструкторские отделы по проектированию штампов на современных кузнечно-штамповочных производствах используют системы конечно-элементного анализа в виде лицензионных программ Q-Form, Deform, Forge, с помощью которых возможно моделирование процессов ГОШ. Снижение силы штамповки позволит значительно уменьшить норму расхода металла в результате уменьшения штамповочных уклонов поковки, а также повысить стойкость штамповой оснастки. В некоторых случаях снижение силы штамповки может быть настолько значительно, что возможен перевод ГОШ поковок на КГШП меньшей силы.
Залогом успеха при разработке и моделировании процессов ГОШ является использование системы правил проектирования (рис. 3) [2]. К этой же системе можно отнести и штамповку с необходимым (регламентируемым) подпором в облойном мостике.
Таким образом, в некоторых случаях, когда невозможно реализовать бесподпорную штамповку, можно отказаться от традиционной схемы открытого штампа и перейти на штамповку с регламентируемым подпором.
При проектировании технологических переходов штамповки важно учитывать центровку осаженной и предварительно отштампованной заготовки в следующем ручье штампа. Разъем штампа необходимо располагать в самом трудно заполняемом месте ручья штампа, обычно примыкающем к торцу наибольшего диаметра поковки [2]. Повышение нормы расхода металла при этом, из-за увеличения глубины ручья и высоты штамповочных уклонов, с лихвой компенсируется уменьшением их величины. В некоторых случаях, например, при штамповке колец синхронизаторов [5,6], целесообразно уменьшение толщины облоя hз, что снизит напуск по торцу зубчатого венца и норму расхода.
При штамповке конических шестерен со спиральным зубчатым венцом на Камском автомобильном заводе (КАМАЗе) [7] столкнулись с проблемой стойкости круговых протяжек на агрегатном заводе из-за перемычки между зубьями. Уменьшение толщины облоя (перемычки) увеличит стойкость круговых протяжек, так как перемычка полностью срежется на операции снятия припуска с торцевой поверхности зубчатого венца. При уменьшении толщины облоя одновременно с расширением облойного мостика произойдет увеличение гидростатического давления в ручье штампа не за счет деформации облоя, а роста напряженно деформированного состояния (НДС) в зоне, примыкающей к облойному мостику, при этом обеспечится качественное заполнение ручья штампа без увеличения массы облоя и увеличится стойкость зубчатого профиля штампа.
Предлагается следующий порядок проектирования расширяющейся облойной канавки в открытом штампе на КГШП:
1. Выбор разъема штампа;
2. Определение параметров облойного мостика (Из, b и B), по методике [1], в зависимости от силы КГШП, и расчет объема облоя Voбл;
3. Расчет криволинейного профиля облойного мостика в деформируемой зоне b на последней стадии штамповки при Ы = hз по формуле (1).
Для упрощения изготовления штампа, двустороннее расширение облойной канавки в зоне b может быть заменено на одностороннее, а криволинейный профиль об-лойного мостика на прямолинейный [4] (рис. 4).
Предлагается следующая методика расчета расширения облойной канавки при
hз.
Рис. 3. Система правил проектирования: ОТП— подсистема организация технологического процесса; РТП— подсистема реализация технологического процесса
Для расчета расширения щели определяют объем облоя на последней стадии штамповки (в дальнейшем стадия доштамповки)
Удош ~ 0.2УОбл, (2)
находят высоту доштамповки Илш
, _ Удош ПдШ ТГ^
Рис. 4. Схема штампа с расширяющейся облойной канавкой при доштамповке
Приняв ширину облойного мостика Ь за искомую величину х, составляют уравнение из равенства объемов вытесняемого металла из ручья штампа и облоя на стадии доштамповки и находят х:
71 Я20 Ьдш = 7с[(Яо + X)2 - Яо 2] Ьз + ТТ[(Ко + х)^]Ьдш , (4)
Х2+2Я0Х- = х = -Я0+
2пз +пдш ' и 0 2пз +пдш
Если х не равно ширине облойного мостика Ь, то корректируют объем облоя Удош и высоту ЬдШ и повторяют расчет до значения х ~ Ь.
Находят расширение облойной канавки в зоне Ь (угол а):
а = аг^ (5)
Для эффективного создания необходимого подпора в облойном мостике на ранней стадии вытеснения металла в облой, ширину облойного мостика с рассчитанным по формуле (5) углом а целесообразно увеличить, но так чтобы облой не был слишком тонким и длинным, что приведет к увеличению размеров штампа, затруднит удаление поковки из ручья штампа и снизит возможности автоматизации процесса.
В некоторых случаях для уменьшения коробления поковки при извлечении из ручья штампа, например, при штамповке колец синхронизатора автомобиля КАМАЗ из латуни, тонкий и длинный облой необходим для придания ему полукруглой формы
[5, 6].
Предлагаемый подход, проектирования облойных мостиков, может быть применен, для удлиненных в плане поковок, например, ступенчатых валов. По формуле (2) рассчитывают Удош и по формуле (6) находят Илш:
(6)
где Бпок - площадь проекции поковки.
В этом случае уравнение составляют из равенства площадей вытесняемого металла из ручья штампа и облоя на стадии доштамповки:
^ = + (7)
где Ь - ширина поковки на конкретной ступени вала,
2Ь3+ Ьдш
Расширение облойной канавки (угол а) по периметру ступенчатого вала будет
разное.
Известно, что на углах поковки существует линия раздела пластических потоков металла по биссектрисе угла. Расширение облойной канавки в углах целесообразно такое же, как и на прямых участках. «Отлипания» облоя на стадии доштамповки в этом случае не произойдет, что способствует лучшему заполнению углов.
Для кольцевых поковок, штампуемых из кольцевой заготовки с переменным профилем по периметру, сначала определяют границу раздела потоков металла вытесняемого из ручья штампа во внутренний и наружный облой для каждого сечения поковки. Расширение облойной канавки в этом случае по периметру поковки также будет разное [8]. Положение границы зависит от внутреннего и наружного диаметра заготовки, конфигурации ручья и облойной канавки штампа. Границу находят моделированием, подбирая заготовку, облой и расширение облойной канавки для качественного заполнения ручья штампа. На кольцах синхронизатора автомобиля КАМАЗ по результатам моделирования снижение массы поковки, за счет уменьшения штамповочных уклонов и толщины облоя, составило более 0,2 кг. [9].
Для круглых в плане поковок 1 класса подгруппы б и б [10] с внутренним отверстием, штампуемых с предварительным ручьем, также существует граница разделов потоков металла вытесняемого из ручья штампа в перемычку и облой, уравнение (4) будет иметь другой вид, что является темой дальнейших исследований.
Список литературы
1. Семенов Е.И. [и др.]. Ковка и штамповка, справочник. Горячая штамповка. М.: Машиностроение, 1986. Т. 2. С. 183-184.
254
2. Володин И.М. Развитие теории и практики проектирования ресурсосберегающих процессов горячей объёмной штамповки (Сообщение 2) // Известия Тульского государственного университета. Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. Вып. 3. С. 208-222
3. Охрименко Я.М., Ненашев В.Ю., Юшков А.В. Особенности течения металла в расширяющейся облойной щели открытого типа [Текст] // Черная металлургия: Известия высших учебных заведений, 1975. №8.
4. Борисевич В.В., Мохсен З.Б. Выбор рациональных параметров мостика об-лойной канавки при моделировании открытой штамповки [Текст] //Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии, 2016. №71. С. 136-144.
5. Михайлов В. Н. Объемная штамповка поковок колец синхронизатора коробки передач автомобиля «КАМАЗ [Текст] // Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Орел, 2016. С. 99-102.
6. Михайлов В.Н. Патент РФ RU № 2582843 на изобретение. Штамп для открытой объемной штамповки / В.Н. Михайлов, И.М. Володин, Смирнов В.С., Калашников А. А. // Опубл. 27.04.2016.
7. Ромашов А. А, Патент РФ № 1731399 на изобретение. Способ штамповки конических шестерен / В.Н. Михайлов, В.Д. Филатов, А.В. Перевертов, З.Р. Зинатуллин // Опубл. Б.И. №17, 1992.
8. Михайлов В.Н. Патент РФ № 2521929 на изобретение. Штамп для открытой объемной штамповки / В.Н. Михайлов И.М. Володин, Д. А. Филатов, Д.И.Приходько // Опубл. Б.И. №19, 2014.
9. Михайлов В.Н., Володин И.М. Совершенствование технологии изготовления поковок колец синхронизатора автомобиля КАМАЗ // Известия тульского государственного университета. Технические науки, 2013. Вып. 10. С. 254 - 260.
10. Брюханов А.Н. Ковка и объёмная штамповка: учебное пособие для машиностроительных вузов. М.: Машиностроение, 1975. 408 с.
Михайлов Виктор Николаевич, канд. техн. наук, доцент, mikhay-lovvn54@gmail. com, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,
Володин Игорь Михайлович, д-р техн. наук, профессор, vim@stu. lipetsk. ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет
OPEN DIE FORGING OF FORGINGS WITH THE NECESSARY OVERPRESSURE
IN OBLOYNY BRIDGE
V.N. Mikhailov, I.M. Volodin
The paper refers to the open die forging of round, elongated and circular in terms of open die forgings in. Proposed circuit die and expanding technique of designing obloynoy groove regulated backwater, thus reducing the force pressing, reduce the rate of metal-stroke races, by reducing the slope of stamping andforging burr, increase resistance die tooling.
Key words: forging, die, burrs, obloynaya groove, stream die, stamping slope.
Mikhailov Victor Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, mikhay-lovvn54@gmail. com, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Volodin Igor Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, vim@stu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University
