Перспективные технологические процессы изготовления тонкостенных цилиндрических изделий Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.983

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ

ИЗДЕЛИЙ

Ю.Г. Нечепуренко, П.В. Романов, Г. А. Нуждин, И.И. Матасов

Рассмотрены нюансы разработанных перспективных технологических процессов изготовления изделий цилиндрической формы с толстым дном и тонкой стенкой методами вытяжки. Предложенные технологии позволяют значительно снизить силу деформирования, сокращают количество энергоемких вспомогательных операций, повышают коэффициент использования материала.

Ключевые слова: вытяжка, тонкостенные изделия, технологический процесс, матрица, пуансон.

Современные тенденции развития металлообработки характеризуются резким повышением требований к качеству и эксплуатационным свойствам изделий при снижении себестоимости их производства. Это стимулирует разработку высокоэффективных технологий, отвечающих указанным требованиям и реализующих экономию материальных и энергетических ресурсов, трудовых затрат.

В различных отраслях промышленности широкое распространение нашли цилиндрические изделия с толстым дном и тонкой стенкой, изготавливаемые методами ОМД. Точное машиностроение, приборостроение, автомобильное, тракторное и сельскохозяйственное машиностроение и другие отрасли промышленности предъявляют повышенные требования к механическим характеристикам, размерной точности и качеству поверхности таких изделий.

Технологические процессы вытяжки без утонения и с утонением стенки, а также операции выдавливания позволяют получить изделия высокого качества. Их использование в некоторых случаях ограничивается технологическими или экономическими причинами. Интенсификация процесса глубокой вытяжки может быть достигнута комбинированной вытяжкой, которая характеризуется одновременным изменением диаметра вытягиваемой заготовки и толщины стенки. Этот метод позволяет получать изделия с повышенными точностными характеристиками, более упрочненной стенкой, достигать больших степеней деформации по сравнению с упомянутыми методами вытяжки. Это приводит к значительному сокращению числа операций технологического процесса. Наибольший эффект от комбинированной вытяжки и вытяжки с утонением стенки можно получить, если конструкция изделия учитывает особенности и возможности этих операций [1, 2].

Надежность и эффективность технологических процессов глубокой вытяжки обеспечиваются правильным выбором параметров технологии и геометрии вытяжного инструмента.

Листовой материал, подвергаемый штамповке, как правило, обладает анизотропией механических свойств, обусловленной маркой материала и технологическими режимами его получения. Анизотропия механических свойств материала заготовки может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на устойчивое протекание технологических процессов обработки металлов давлением, в частности, операций глубокой вытяжки [3, 4].

Ниже приведены примеры использования процесса комбинированной вытяжки при разработке новых технологических процессов изготовления корпусных цилиндрических деталей.

Разработка технологических процессов и параметров инструмента для получения цилиндрических изделий включает в себя следующие этапы.

1. Составление технологического чертежа изделия [1, 5].

2. Определение формы исходной заготовки [1, 2, 5].

3. Определение общего коэффициента утонения тоб и коэффициента вытяжки т^ [1, 5].

4. Нахождение исходного диаметра заготовки и ее относительной толщины:

Dq = d / md;

SD = Sq /Dq,

где d - диаметр изделия по срединной поверхности.

5. Выбор пооперационных коэффициентов вытяжки т^. и определение числа операций по уменьшению диаметра вытягиваемой заготовки nd [1, 5].

6. Определение пооперационных коэффициентов утонения ms.,

числа операций nS [2].

7. Расчет размеров полуфабрикатов по операциям [2, 5].

8. Определение необходимости применения складкодержателя [2,

6].

9. Определение исполнительных размеров вытяжного инструмента и расчет его параметров [1, 2, 5].

10. Вычисление силы процесса вытяжки [1, 2].

11. Оценка показателей качества цилиндрических деталей, изготавливаемых комбинированной вытяжкой [2].

12. Оценка ожидаемых механических свойств получаемого изделия

Приведенные выше рекомендации по расчету технологических процессов и параметров инструмента для изготовления цилиндрических изделий с толстым дном и тонкой стенкой были использованы при разработке новых технологических процессов изготовления цилиндрических деталей «Корпус» антенн СВЧ-диапазона. Антенна является устройством верхнего размещения, устанавливается на мачтах или стенах домов. В настоящее время деталь «Корпус» СВЧ-антенн (рисунок) получают с помощью операций вытяжки без утонения стенки с использованием пресса двойного действия.

Деталь "Корпус"

Деталь «Корпус» имеет плоский фланцевый участок. Для получения фланцевых участков с малым радиусом закругления, помимо операций вытяжки, необходимо применять операцию калибровки и обрезку по контуру. Она должна обладать высокой конструктивной жесткостью, удовлетворять требованиям геометрической формы по цилиндричности и плоскостности фланца и дна.

Типовой технологический маршрут изготовления детали «Корпус» следующий:

резка листа на полосы; вырубка круглых заготовок;

вытяжка с прижимом заготовки и ограничением рабочего хода; калибровка фланцевого участка; обрезка фланцевого участка по контуру.

При вытяжке без утонения наблюдаются изменение толщины стенки по высоте, конусность и овальность. Конусность и овальность частично исправляются операцией калибровки, тогда как изменение толщины стенки по высоте не исправляется. Для обеспечения требуемой жесткости конструкции антенны деталь «Корпус» должна иметь донный участок толщиной не менее 1,5...2,0 мм и достаточно жесткий фланцевый участок, необходимый для устранения овальности конструкции антенны под действием ветровых нагрузок и температурного градиента.

Рассмотрим возможность повышения эксплуатационных характеристик детали за счет применения технологии получения ее комбинированной вытяжкой. При комбинированной вытяжке имеется возможность получения детали с более толстым дном, чем стенкой. При этом за счет более интенсивного упрочения стенки жесткость цилиндрической части детали сохраняется при уменьшении толщины стенки. Это позволяет снизить массу детали при сохранении конструктивной жесткости изделия. Можно также повысить конструктивную жесткость при сохранении исходной массы детали за счет увеличения толщины заготовки до ^о = 2,0 мм. Рассмотрим возможность получения детали «корпус» с повышенными эксплуатационными характеристиками при сохранении исходной массы изделия.

Для получения требуемой высоты детали на столько же уменьшается толщина стенки, т.е. с 1,5 до 1,2 мм. При использовании утолщенной заготовки коэффициент вытяжки составит 0,62 (вместо 0,53), а коэффициент утонения - 0,60.

Комбинированную вытяжку, как и вытяжку без утонения, рекомендуется производить с прижимом заготовки в тороидальной матрице с радиусом закругления рабочей кромки 10 мм. Вытяжку производят с ограничением рабочего хода, необходимого для образования фланцевого участка. При наличии пресса двойного действия целесообразно использовать штамп совмещенного действия для вырубки и вытяжки с учетом особенностей получения рассматриваемой детали (радиальная матрица, ограничение рабочего хода, наличие нижнего выталкивателя).

Для получения фланца с малым радиусом закругления с плоским торцем необходима операция калибровки с одновременной обрезкой фланца по контуру.

Разработанная технология позволяет получить более качественную деталь по точностным и механическим показателям, а использование предложенных штампов совмещенного действия дает возможность в два раза уменьшить число штамповочных операций (с четырех до двух).

В случае замены алюминиевого сплава АД на более прочный АМцМ возможно использование заготовки толщиной 1,5 мм. В этом случае конструктивная прочность детали сохранится при уменьшении толщины стенки с 1,5 до 1,1 мм, а масса детали уменьшится более чем на 20 %. Комбинированная вытяжка будет осуществляться при коэффициенте утонения 0,73 и коэффициенте вытяжки 0,58.

Новый технологический процесс обеспечивает повышение производительности изготовления детали на 50 % и более, на столько же сокращается время на подготовку производства и снижение затрат на изготовление технологической оснастки, уменьшение массы готовой детали на 20 % за счет деформационного упрочнения материала при комбинированной

27

вытяжке с сохранением конструктивной прочности детали. Трудоемкость изготовления уменьшается на 20...25 %, а себестоимость готовой детали -до 15 %.

Рассмотрим возможность изготовления корпусов аэрозольных баллонов многооперационной комбинированной вытяжкой.

В настоящее время аэрозольные баллоны в СНГ и в индустриально развитых странах изготавливают холодным выдавливанием на прессах.

Достоинством технологии холодного выдавливания является возможность получения полой заготовки корпуса аэрозольного баллона за один ход пресса.

Существенными недостатками технологии холодного выдавливания являются: значительные силовые нагрузки и тяжелые условия работы инструмента, что требует значительных затрат на его изготовление и эксплуатацию; повышенные требования к качеству исходного материала; ограниченность использования только тех алюминиевых сплавов, которые имеют невысокие прочностные свойства, так как использование более прочных алюминиевых сплавов значительно повышает усилие деформирования и снижает стойкость инструмента, что затрудняет их использование; значительны также расходы при нанесении на поверхность заготовки под выдавливание порошкообразной смазки стеарата цинка, которая к тому же создает экологически вредные условия работы в цехе.

Типовой технологический процесс изготовления корпуса аэрозольного баллона предусматривает 4 технологические операции, в том числе вырубку заготовки, операцию отжига, нанесение порошкообразных смазок, обратное выдавливание.

По заказу промышленности разработаны варианты технологических процессов изготовления полых заготовок корпусов баллонов А-55-180-1-1,2 и А-45-145-1-1,2 по ГОСТ 26220-84 методом комбинированной вытяжки.

Технология комбинированной вытяжки позволяет существенно снизить усилие деформирования, повысить стойкость инструмента и создать благоприятные условия для получения корпуса аэрозольного баллона на автоматических линиях.

В табл. 1 приведены геометрические размеры заготовки корпуса аэрозольного баллона перед операцией обжима. Здесь Н - высота заготовки корпуса аэрозольного баллона; £д и £ - толщина донной части и стенки заготовки корпуса аэрозольного баллона соответственно; dн - наружный диаметр корпуса.

Для получения полых заготовок корпусов аэрозольных баллонов методом обратного выдавливания использовалась электротехническая шина или лист толщиной 8...10 мм из алюминиевого сплава АД 00 или А7. ГОСТ 26220-84 разрешает использовать алюминиевый сплав АМцМ, но из-за высокой исходной прочности он не применяется.

Таблица 1

Геометрические размеры заготовки корпуса аэрозольного баллона

перед операцией обжима

Обозначение Н, мм dн, мм 8д , мм £ , мм

А-45-145-У-1,2 ГОСТ 26220-84 145 45 1,5 0,5...0,1

А-55-180-1-1,2 ГОСТ 26220-84 180 55 1,5 0,5...0,1

В табл. 2 приведено пооперационное распределение коэффициентов изменения диаметров тлп и утонения стенки т8П для технологии изготовления заготовок корпусов аэрозольных баллонов А-45-145 и А-55-180 методом комбинированной вытяжки анизотропного материала, рассчитанных на основе полученных теоретических и экспериментальных результатов.

Разработанный технологический процесс прошел опытно-промышленную проверку.

С этой целью была спроектирована и изготовлена опытно-промышленная оснастка (универсальный штамп и три комплекта рабочего инструмента).

Таблица 2

Пооперационное распределение коэффициентов изменения диаметров

и утонения стенки

Заготовка корпуса аэрозольного баллона

А-45-145, А-55-180,

Операция £>0 = 115,5 мм; £0 = 1,5...0,2 мм Б0 = 140 мм; £0 = 1,5...0,2 мм

mdn т£п mdn т£п

Вырубка,

первая операция комбинированной 0,54 0,71 0,54 0,68

вытяжки

Вторая операция комбинированной 0,83 0,70 0,82 0,73

вытяжки

Третья операция комбинированной 0,90 0,70 0,85 0,66

вытяжки

Предложенная технология комбинированной вытяжки корпусов аэрозольного баллона позволяет примерно в 20 раз уменьшить максимальное усилие деформирования по сравнению с операцией холодного выдавливания, существенно повысить стойкость рабочего инструмента. Кроме того, она снижает требования к качеству поверхности среза при вырубке; сокращает количество энергоемких вспомогательных операций (отжиг кружка после операции вырубки, обезжиривание и нанесение порошкообразной смазки стеарата цинка); повышает коэффициент использования материала при раскрое примерно на 10 % по сравнению с существующим на производстве, так как используется тонколистовой материал толщиной 1,5 мм вместо 9 мм.

Преимуществом предложенной технологии является возможность применять более прочные по механическим свойствам алюминиевые сплавы, например АМцМ, для получения корпусов аэрозольных баллонов, выдерживающих внутреннее давление до 2,0 МПа и более. Разработанная технология является экологически чистым технологическим процессом, так как в качестве смазки заготовок используются жидкие смазки на основе минеральных масел, не загрязняющих окружающую среду.

Рассмотрим возможность изготовления корпусов амортизаторов комбинированной вытяжкой. Для обеспечения надежности работы амортизаторов к рабочим цилиндрам предъявляются повышенные требования как по точности размеров (7-8-й квалитет точности), так и по прочностным характеристикам.

Рабочие цилиндры обычно изготовляются из трубных заготовок с исходными механическими характеристиками трубы, отвечающих прочностным требованиям к рабочим цилиндрам, с последующей их обработкой резанием, шлифованием и сваркой дна.

Существующая технология изготовления рабочих цилиндров обладает рядом недостатков, к числу которых относятся дороговизна трубных заготовок; отсутствие упрочняющих операций обработки давлением, что не позволяет использовать недорогие стали с худшими начальными прочностными свойствами; наличие сварки, снижающей производительность изготовления изделий и не всегда обеспечивающей герметичность и требуемую прочность рабочего цилиндра.

Конструктивной особенностью корпусов рабочих цилиндров различного назначения является наличие донного участка. Это позволяет использовать процесс комбинированной вытяжки. Применение комбинированной вытяжки позволяет получать изделия с повышенными прочностными характеристиками, более упрочненной стенкой, достигать больших степеней деформации по сравнению с методами обычной вытяжки и вытяжки с утонением стенки за счет одновременного изменения диаметров и толщины стенки заготовки, что приводит к значительному сокращению числа операций технологического процесса.

Рассмотрим вопрос об изготовлении корпусов амортизаторов из стали 18ЮА со следующими механическими характеристиками: предел текучести о^ = 364 МПа; временное сопротивление о в = 480 МПа; равномерное удлинение 8р »0,35; коэффициент анизотропии при максимальной равномерной деформации Л0 = Л90 = 0,78, Л45 = 0,74 .

Конструктивная форма корпуса амортизатора характерна тем, что толщина донного участка больше стенки корпуса в 1,9-2,5 раза и отношение высоты корпуса к его диаметру находится в пределах Hd =3...5 для ко-роткоходовых амортизаторов и Hd =5...8 для длинноходовых амортизаторов. Корпуса амортизаторов имеют наружное утолщение стенки в верхней части, которое больше основной стенки в 1,4 раза.

Для вытяжки использовались кружки, относительная толщина которых ££ = £0/£>0 100=1,8...2 %, что позволяет осуществлять вытяжку без прижима заготовки в двухконусной матрице. Угол конусности верхней

матрицы назначался 450 , а нижней - 150. Матрицу можно изготовить монолитной с относительным радиусом перехода конуса в конус

ЛМ = лм/£0 = 5.

В связи с тем, что суммарный коэффициент утонения т£об = 0,4...0,55, целесообразно вытяжку осуществлять через две матрицы.

На первой операции назначаем коэффициент вытяжки md 1 = 0,55, а коэффициент утонения т£1 принимаем равным 0,75...0,8 в соответствии с рекомендациями [1, 2]. Перед вытяжкой рекомендуются шлифование кружка, его обезжиривание и фосфатирование. После вытяжки полуфабрикат подвергается отжигу, травлению, обезжириванию, фосфатированию. Последующие операции вытяжки выполняются с аналогичной подготовкой полуфабриката к вытяжке через две матрицы с коэффициентами вытяжки mdi » 0,65...0,70 и утонения т£1 = 0,7...0,75.

Для получения наружного утолщения на заключительной операции производится вытяжка с утонением стенки. При этом коэффициент утонения назначается т£. = 0,7...0,75 и с ограничением по ходу пуансона.

Предлагаемые технологические режимы позволяют получать ко-роткоходовые амортизаторы за 4 операции, а длинноходовые - за 5 операций комбинированной вытяжки через две матрицы с требуемой шероховатостью поверхности, точностью размеров и прочностью.

Разработанные рекомендации по расчету технологических процессов и параметров инструмента для изготовления цилиндрических изделий с толстым дном и тонкой стенкой были использованы при разработке новых технологических процессов изготовления «Корпуса колбы» дорожного электронагревателя ДЭН-1,0-0,3-24 из тонколистового пищевого алюминиевого сплава АД1 ГОСТ 84-74. Требования к конструктивной жестко-

31

сти цилиндрических деталей незначительна, так как они не несут существенных эксплуатационных нагрузок. Однако из-за потери устойчивости тонколистового материала при штамповке возникает необходимость в уменьшении степеней деформации, что приводит к увеличению числа операций. Так, при изготовлении «Корпуса колбы» дорожного электронагревателя используется заготовка толщиной до 2 мм и диаметром 387 мм. При формоизменении заготовки с помощью операций вытяжки необходимы три операции, а общее число штамповочных операций достигает семи.

Типовой технологический маршрут изготовления детали «Корпус колбы» дорожного электронагревателя ДЭН-1,0-0,3-24 следующий.

1. Резка листа на полосы.

2. Вырубка круглых заготовок.

3. Вытяжка с прижимом заготовки и ограничением рабочего хода.

4. 5. Вытяжка с ограничением рабочего хода

6. Калибровка фланцевого участка.

7. Обрезка фланцевого участка по контуру.

При изготовлении детали «Корпус колбы» дорожного электронагревателя используется технология комбинированной вытяжки. За счет увеличения толщины заготовки с 1,8 до 2,5 мм и уменьшения толщины стенки с 1,8 до 1,55 мм уменьшается диаметр заготовки с 387 до 245 мм. В результате этого коэффициент вытяжки составляет 0,50, а коэффициент утонения - 0,62. Эти технологические параметры комбинированной вытяжки позволяют получить деталь за одну операцию с использованием штампа совмещенного действия для вырубки и вытяжки, установленного на прессе двойного действия. Для получения фланца использовалась тороидальная матрица, и вытяжка осуществлялась с ограничением рабочего хода. Для удаления готового полуфабриката использовался нижний выталкиватель. Калибровка и обрезка фланца полуфабриката осуществляются в штампе для калибровки и обрезки.

Применение комбинированной вытяжки для изготовления этих деталей позволило уменьшить число штамповочных и вспомогательных операций с 7 до 2, что дало возможность повысить производительность штамповки более чем в 2 раза, снизить расходы на изготовление штамповой оснастки и уменьшить себестоимость изготовления более чем на 20 %.

Список литературы

1. Валиев С.А. Комбинированная глубокая вытяжка листовых материалов. М.: Машиностроение, 1973. 176 с.

2. Нечепуренко Ю.Г., Яковлев С.П., Яковлев С.С. Глубокая вытяжка цилиндрических изделий из анизотропного материала. Тула: ТулГУ, 2000. 195 с.

3. Гречников Ф. В. Деформирование анизотропных материалов М.: Машиностроение, 1998. 446 с.

4. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В.А. Обработка давлением анизотропных материалов. Кишинев: Квант, 1997. 331 с.

5. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение, 1979. 520 с.

6. Шофман Л. А. Теория и расчеты процессов холодной штамповки. М.: Машиностроение, 1964. 365 с.

Нечепуренко Юрий Григорьевич, д-р техн. наук, проф., mpf-tulaaramhler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Романов Павел Витальевич, студент, mpf-tulaaramhler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Нуждин Георгий Анатолиевич, канд. техн. наук, доц., mpf-tulaaramhler.ru, Россия, Москва, Орган по сертификации систем качества «Консерсиум»,

Матасов Игорь Игоревич, асп., mpf-tulaa ramhler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

PERSPECTIVE TECHNOLOGICAL PROCESSES OF MANUFACTURE OF THIN-WALL CYLINDRICAL PRODUCTS

Yu.G. Nechepurenko, P.V. Romanov, G.A. Nuzhdin, I.I. Matasov

The paper considers the nuances of the developed advanced technological processes for the manufacture of cylindrical products with a thick bottom and a thin wall hy drawing methods. The proposed technologies can significantly reduce the force of deformation, reduce the numher of energy-intensive auxiliary operations, increase the utilization factor of the material.

Key words: hood, thin-walled products, technological process, matrix, punch.

Nechepurenko Yuriy Grigorievich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tulaa ramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Romanov Pavel Vitalyevich, student, mpf-tulaa ramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Nuzhdin Georgiy Anatolievich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tulaaramhler. ru, Russia, Moscow, Organ hy Quality System Certification "Konser-sium ",

Matasov Igor Igorevich, postgradute, mpf-tulaa ramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University