Рациональное построение процесса комбинированной вытяжки при изготовлении полых деталей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.73.011:539.374

Рациональное построение процесса комбинированной вытяжки при изготовлении полых деталей1

Г. А. Данилин, Е. С. Воронина, А. М. Попов

Введение

Комбинированная вытяжка применяется для изготовления полых цилиндрических деталей в приборо- и машиностроении, а также в патронном производстве при изготовлении пульных оболочек, пиростаканов и пистолетных гильз (рис. 1). Отличительными особенностями комбинированной вытяжки являются значительное изменение диаметра и принудительное утонение стенки заготовки, которые обеспечивают точность размеров и высокое качество поверхности деталей.

В технической литературе приведены результаты исследований и рекомендации по проведению комбинированной вытяжки [1—3].

1 Исследования выполнялись в соответствии с поисковой научно-исследовательской работой в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Основная сложность проектирования соответствующих операций заключается в том, что комбинированная вытяжка имеет ряд ограничений, связанных с предельной деформацией: возможно разрушение в зоне сопряже-

Рис. 1. Металлические элементы патронов, изготавливаемые комбинированной вытяжкой

[32

№ 4(64)/2011

ния стенки с дном, образование складок во фланце и кольцевых отпечатков в нижней части корпуса, проявление значительной разно-стенности. Образование кольцевого отпечатка (впадины) связано с неоднородностью пластической деформации зоны сопряжения стенки с дном заготовки, разгибом угла и значительно большей деформацией части дна, переходящей в корпус. Для предотвращения этого дефекта у полых полуфабрикатов с дном, которые используются в качестве заготовок, С. А. Валиев [1] рекомендует проводить операции комбинированной вытяжки через две матрицы: на верхней производят уменьшение диаметра и принудительное утонение донного участка до выравнивания его толщины с толщиной боковой стенки, а на нижней матрице выполняют протяжку, то есть утонение стенки всего корпуса. Такой прием практически устраняет проявление кольцевого отпечатка. Минимальная разностенность может быть достигнута за счет определенного соотношения степеней деформации на верхней и нижней матрицах (рис. 2, б) [4]. Действие заталкивающей силы в межматричном пространстве частично перераспределяет металл по пери-

метру, автоматически центрирует нижнюю (плавающую) матрицу, обеспечивая концентричность системы «пуансон — заготовка — матрица». Такой эффект возможен при одновременной вытяжке через верхнюю и нижнюю матрицы, поэтому расстояние между матрицами целесообразно принимать минимальным (Нм < Нз, где Нм — расстояние между поясками верхней и нижней матриц; Нз — высота заготовки.

Первую вытяжку-свертку можно проводить через одну или две матрицы (рис. 2, а). Первая вытяжка имеет ограничения: возможно разрушение в зоне сопряжения стенки с дном или образование складок во фланце (Б0/В0) < 0,05, где £0 — толщина заготовки; Б0 — диаметр заготовки. Допустимые деформации с учетом этих ограничений приведены в табл. 1 [1, 2]. Рабочая часть верхней матрицы может иметь радиальную, одноконусную и двухконусную форму. Через две матрицы первую вытяжку проводят для увеличения степени деформации и снижения разностенности. Последующие операции вытяжки также целесообразно проводить через две матрицы (рис. 2, б), что таким образом можно достигнуть значи-

а)

б)

Рис. 2. Схема первой (а) и последующей (б) операций комбинированной вытяжки через две матрицы:

Р — деформирующая сила; П0 — диаметр заготовки; $0 — толщина заготовки; dв. п — диаметр пуансона в верхнем сечении; Вм — радиус рабочего профиля радиальной матрицы; dвм — диаметр рабочего пояска верхней матрицы; анм— угол конусности нижней матрицы; dн.п — диаметр пуансона в нижнем сечении; гп — радиус сопряжения боковой поверхности пуансона с торцом; $ — толщина дна заготовки; dн.м — диаметр рабочего пояска нижней матрицы; авм — угол конусности верхней матрицы

Таблица 1

Предельные значения коэффициентов вытяжки и утонения на первой (свертке) и последующих операциях комбинированной вытяжки*

Материал Свертка Последующие вытяжки

Предельный коэффициент вытяжки** шапр Предельный коэффициент утонения стенки** ш_.пР Предельный коэффициент вытяжки** шапр Предельный коэффициент утонения стенки** ш_.пР

Сталь 18ЮА, 11кп Биметалл 1 Биметалл 3 Латунь Л70, Л68 0,45 ... 0,50 0,48 ... 0,50 0,46 ... 0,50 0,46 ... 0,50 0,60 ... 0,85 0,70 ... 0,80 0,65 ... 0,80 0,65 ... 0,80 0,75 ... 0,78 0,75 ... 0,79 0,75 ... 0,78 0,75 ... 0,78 0,40 ... 0,50 0,40 ... 0,50 0,40 ... 0,50 0,40 ... 0,50

* Меньшие значения указанных в таблице значений ша и ша достижимы при вытяжке через две матрицы. ** Предельный коэффициент, при котором возможно разрушение заготовки

тельной деформации, снизить или стабилизировать разностенность, исключить такой дефект, как кольцевой отпечаток на придонном участке корпуса.

Основные этапы проектирования операций комбинированной вытяжки

ции на операциях. Размеры расчетной детали (рис. 3, б) определяют по номинальным размерам готовой детали с учетом назначения припуска на обрезку и возможного изменения размеров при последующей обработке для окончательного формирования конструктивных элементов изделия (рис. 3, а). Диаметр цилиндрической части (расчетный наружный

Первоначально проводят анализ чертежа готового изделия и оценивают возможность ее изготовления с использованием комбинированной вытяжки (табл. 2). Далее по чертежу готового изделия (рис. 3, а) переходят к построению эскиза полуфабриката, который должен быть изготовлен вытяжкой: устанавливают размеры и форму расчетной детали, которые необходимы для определения размеров исходной заготовки, расчета количества операций и определения степеней деформа-

Таблица 2

Уровни технологичности деталей, изготавливаемых с применением комбинированной вытяжки

а)

012.5

Показатель Уровень технологичности

высокий средний низкий

Относительная высота

корпуса детали Нк/йк 0,5.1,0 1,00.5,00 >5,0

Относительный ради-

ус сопряжения цилин-

дрической части кор-

пуса с дном Гк/(вд)к 1,0.2,3 0,50.1,00 <0,5

Относительное изме-

нение толщины стен-

ки вдоль корпуса де-

тали «к.н/вк.в 1,1.1,3 1,00.1,10 <1,0

Относительная тол-

шина дна (5д)к/вс.к 1,5.2,6 1,10.1,50 0,8.1,0

Относительная тол-

щина стенки корпуса

«с.к/^с* 1,5.2,6 0,05.0,10 <0,01

б)

в)

Рис. 3. Готовое изделие (а), расчетная деталь (б) и заготовка (в):

б: Бвк — расчетная толщина стенки в верхнем расчетном сечении; йобр — припуск на обрезку; кък — расстояние от дна до верхнего расчетного сечения; кк — высота расчетной детали с учетом припуска на обрезку; гк — расчетный внутренний радиус сопряжения корпуса с дном; йнк — расстояние от дна до нижнего расчетного сечения; йк — расчетный конечный наружный диаметра корпуса; вд.к — расчетная конечная толщина дна

в

г

к

а

к

МЕТт(РАУШ

диаметр корпуса dк равен максимальному диаметру детали d, расчетная толщина стенки в нижнем расчетном сечении вн.к принимается равной номинальному значению расчетной толщины стенки детали 8 в верхнем расчетном сечении 8в к = 8 - ЛЭ, где А8 — допуск на толщину. Высота расчетной детали с учетом припуска на обрезку Нк = Нд + АН, где Нд — высота дна; АН — припуск на обрезку, АН = = (0,10...0,15)Нд. Поперечные размеры заготовки определяют из условия равенства объемов (рис. 3, в), принимая толщину заготовки 80 равной толщине дна расчетной детали $д.к.

Для определения количества операций рассчитывают суммарные показатели деформации:

= ^/—0; тв1, = к/,80;

«г = 1,1 1п (1/md2ms2),

где т^ — суммарный коэффициент вытяжки; т3-£ — суммарный коэффициент утонения стенки; ег — степень деформации.

Если в чертеже детали задан закон распределения механических свойств, например твердость НУ вдоль корпуса, определяют степень деформации егф на финишной (заключительной) операции вытяжки по номограмме (рис. 4).

На номограмме показано определение степени деформации на финишной операции, соответствующей заданной твердости по шкале Виккерса НУ 160-180 цилиндрической части пульной оболочки из биметалла 3, что соответствует диапазону степени деформации ег = 0,45.0,80.

НУ

240

200

80

40

160----

120

0

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 е,, %

Рис. 4. Зависимость твердости НУ от степени деформации е1 для материалов:

1 — сталь 11 кп; 2 — биметалл 1; 3 — биметалл 3; 4 — латунь Л70

Возможность изготовления расчетной детали за одну операцию — свертку определяют путем проверки неравенств. Если

т6Ъ > kmdпP; тв1 > кт 8пр' (1)

где к — коэффициент запаса, к = 1,1, то деталь можно изготовить за одну операцию. Предельные значения коэффициентов вытяжки тАтр и утонения т8пр, которые принимают по рекомендациям (см. табл. 1). В этом случае коэффициент вытяжки на первой операции — свертке т^в = т^ и коэффициент утонения стенки на первой операции — свертке

твсв = тв^.

Если хотя бы одно из неравенств (1) не выполняется, то проверяют возможность изготовления детали за две операции. Тогда принимают

mdсв = kmdпр; твсв = ктвпр.

Устанавливают коэффициент вытяжки на последующей первой операции (вытяжке 1) т^ и коэффициент уточнения на последующей первой операции (вытяжке 1) т81, сравнивая их с предельными значениями для последующих операций:

т1 = md^/mdсв ^ к^пр;

тв1 = т8^/тзсв ^ ктвпр.

Если неравенства (2) выполняются, то деталь можно изготовить за две операции. Если эти неравенства не выполняются, то проверяют возможность изготовления детали за три операции. На последующих первой и второй вытяжках принимают одинаковые значения

тп = т 2 = > kmdпр;

тз1 = тв2 = 2/ твсв > ктвпр;

(3)

Если хотя бы одно из неравенств (3) не выполняется, проверяют возможность изготовления детали за четыре операции:

dl = т 2 = т 3 = ^^ЁТ^Св > kmdпр;

тв1 = та0 = т

в2

<-83

= 3т8Т. / т8св > кт.

(4)

8пр

Равномерное распределение показателей степени деформации позволяет обеспечить условия стабильности технологического процесса, одинаковый износ рабочего инструмента и его синхронную замену.

Как указывалось выше, по заданной чертежом твердости НУ цилиндрической части де-

md и т8:

тали в соответствии с номограммой (рис. 4) определяют степень деформации на последней (финишной) операции. Далее устанавливают возможность обеспечения заданных механических свойств на последней операции со степенью деформации, принятой при определении количества операций: ег. п = 1,1 1п (1/тй.птвп), где в1п — степень деформации на последней, п-й операции вытяжки; тй п — коэффициент вытяжки на последней операции вытяжки; твп — коэффициент утонения стенки на последней, п-й операции вытяжки. Если ег п = ег ф, то заданная твердость НУ будет обеспечена, если вип < вф, то значения тйп и твп уменьшают до тех пор, пока не будет выполняться равенство, в дальнейшем проводят корректировку показателей степени деформации на предыдущих операциях.

После окончательного назначения показателей степени деформации на каждой операции проверяют выполнение тождеств:

Сталь 11 кп

Биметалл 3

та-£ = тйсвтйЛт,

йсв" Ы1" Ы2

т

й. п

т^ = т^т^т

всв" 1в1" в2

т

в. п'

Ав, мм

0

0,35

0,55

0,75

евл! еа

Рис. 5. Закономерность изменения разностенности Ав в зависимости от вв /в^

показателей деформации тй и тв на любой г-й операции следует придерживаться следующего правила:

• на верхней матрице: твй = тйг; твв = = 1,0, где твй — коэффициент вытяжки на верхней матрице; та1 — коэффициент вытяжки на г-й операции; твв — коэффициент утонения стенки на верхней матрице;

• на нижней матрице: тнй ~ 1,0; тш з =

= т

Для исключения кольцевых отпечатков на придонном участке заготовки и снижения раз-ностенности комбинированную вытяжку проводят через две матрицы: на верхней производят уменьшение диаметра, а на нижней — утонение стенки. Тогда при распределении

где тн.й — коэффициент вытяжки на нижней матрице; тнв — коэффициент утонения стенки на нижней матрице; тв г — коэффициент утонения стенки на г-й операции.

Необходимо помнить, что при таком распределении показателей тй и тв на верхней матрице будет происходить утонение придонного

Таблица 3

Расчет исполнительных размеров рабочего инструмента для вытяжки (свертки) плоской заготовки через две матрицы

Параметр Расчетная формула Значение

Диаметр приемной части верхней матрицы Бпр, мм Бпр = (Бо + 8)+8 44,63+°>03

Диаметр заготовки Б0, мм Аз = V4^о /(пво) 44,6

Высота приемной части верхней матрицы Нпр, мм ^пр = Я0 1,3

Диаметр рабочего пояска верхней матрицы йв м, мм йв.м = йсв + 2Я0(1 - твсв) 26,01+0-03

Наружный диаметр полуфабриката после свертки йсв, мм йсв = ^0тйсв + Яв.св 25,70

Высота рабочего пояска верхней матрицы Нвц, мм Нв,ц = (0,05.0,07) йвм 1,8

Радиус рабочего профиля для радиальной матрицы Лм, мм Лм =10Я0 13,0

Диаметр рабочего пояска нижней матрицы йн.м, мм йн.м = (йсв - 8у) +8 25,63+0-03

Упругая деформация полуфабриката 8у, мм 8у = (0,001.0,003) йсв 0,07

Высота рабочего пояска верхней матрицы Нн ц, мм кНц = (0,05.0,07) йн.м 1,8

Угол конусности нижней матрицы ан. м, град. ан. м = 70.150 15

Диаметр пуансона в верхнем сечении йвп, мм йв.п = (йсв - 2Яв.св + 8п)- 8п 23,47-0,03

Диаметр пуансона в нижнем сечении йнп, мм йн.п = (йсв - 2Ян.св + 8п)-8п 23,27-0,03

Расстояние от торца пуансона до верхнего сечения Нв , мм кзЛ = (Б0 - ^/^.Д,,) 15,4

Расстояние от торца пуансона до нижнего сечения Нн мм Кл = Гп 2,8

Радиус сопряжения боковой поверхности пуансона с торцом гп, мм Гп = (0,10.0,12) йн.п 2,8

Таблица 4

Расчет исполнительных размеров рабочего инструмента для последующих операций вытяжки через две матрицы

Параметр Расчетная формула Вытяжка

1 2 3

Диаметр приемной части верхней матрицы °пр> мм Опр = (й- 1 + 8)+8 25,73+°>03 20,53+°>°3 16,33+°-°3

Входной диаметр нижней матрицы Бв н, мм Ов. н = (1,20...1,40)й 28,7 22,8 18,2

Высота приемной части верхней матрицы йПр, мм ^пр = йв. м (I - 1)/2 12,8 10,5 8,4

Диаметр рабочего пояска верхней матрицы йв.м = + 2Я°(1 - т8.;) 20,97+°>°3 16,82+°>°3 13,52+°>°3

Наружный диаметр полуфабриката после вытяжки мм й 1 = - 1)шй.1 + Яв. I 20,47 16,32 13,02

Высота рабочего пояска верхней матрицы &в.ц, ММ квц = (0,05.0,15)йв. м 3,0 2,5 2,0

Высота рабочего пояска нижней матрицы Лн.ц, мм кн.ц = (0,05.0,15)йн.м 3,0 2,4 1,9

Диаметр рабочего пояска нижней матрицы йнм мм ^н.м = (й - Пи - 8у)+8 20,41+°>°3 16,27+°-°3 12,98+°>°3

Припуск на износ пуансона и матрицы на Пи = 8

последней операции Пи, мм - - 0,03

Упругая деформация полуфабриката 8у, мм 8у = (0,001.0,003)^ 0,06 0,05 0,04

Угол конусности верхней матрицы авм, град. «в.м = 20.30 300 300 300

Угол конусности нижней матрицы анм, град. «н.м = 7-15 150 150 150

Диаметр пуансона в верхнем сечении йв п, мм dв.п = а - 2вв, + Пи + 8п)- -8п 18,66-0,03 14,86-0,03 11,88-°,°3

Диаметр пуансона в нижнем сечении йн.п, мм йн.п = (а - 2вн.; + Пи + 8п) -8п 18,45-°°3 14,66-0,03 11,68-°,°3

Расстояние от торца пуансона до верхнего сечения кв , мм квЛ = (Б°2 - й2)«с/(4йСр. Яв . ) 28,3 48,3 79,5

Расстояние от торца пуансона до нижнего сечения кн , мм К.1 = Гп 2,2 1,8 1,4

Радиус сопряжения боковой поверхности пуансона с торцом гп, мм Гп = (0,10.0,12)0н.п 2,2 1,8 1,4

барьера до выравнивания толщины этой части заготовки с боковой стенкой, что увеличивает действительную степень деформации. Кроме того, для обеспечения минимальной разностен-ности при вытяжке через две матрицы необходимо соблюдать определенное соотношение степеней деформации на верхней и нижней

матрицах, используя зависимость (рис. 5), где входным параметром является отношение степени деформации на верхней матрице ввЛ к суммарной степени деформации е^ на данной операции [4]: ев. г = 1,1 1п (1/шй); е^ = 1,1 X X 1п (1/ш8 1 шал). Например, для биметалла-3 оптимальное соотношение ев. /е^ = 0,55.0,75,

а)

Б пр пр -е

Т

у/А V//

/&//У/. (Ш

/ / / / /

а м _

б)

Б„

в)

Он

//Т /¿л //^-НМу/ Шу?, Г ж -е

А

^'н.м.

Рис. 6. Верхняя матрица свертки (а), верхняя матрица последующей вытяжки (б), нижняя матрица для первой и последующих операций (в):

а: йм — диаметр рабочего пояска матрицы; кр — высота рабочей части матрицы; йпр — высота приемной части верхней матрицы; б: гв. м — радиус скругления кромки верхней матрицы; кк — высота рабочего конуса матрицы; кц — высота рабочего цилиндрического пояска матрицы; — диаметр рабочего пояска матрицы; н — входной диаметр нижней матрицы; в: гнм — радиус скругления кромки нижней матрицы; йнм — диаметр рабочего пояска нижней матрицы

что обеспечивает минимальную разностен-ность, исключает образование продольных трещин и кольцевых отпечатков.

После того как назначены показатели степени деформации, определяют размеры полуфабрикатов после каждой операции и исполнительные размеры рабочего инструмента. В табл. 3 и 4 приведены порядок и пример расчета (рис. 6) исполнительных размеров рабочего инструмента операций комбинированной вытяжки. Для рассматриваемой детали принято:

тй1 = 0,2787; т^ = 0,4615; ег2 = 2,16 тЛсв = 0,550; т^в = 0,880; е^ = 0,80

т

т

й2

= 0,7972; тв1 = 0,8064; ег1 = 0,48 = 0,7972; тв2 = 0,8064; ег2 = 0,48

т

= 0,7972; тв3 = 0,8064; ег3 = 0,48.

й3

Остальные исполнительные размеры инструмента назначают в зависимости от конструкции штампа, способов крепления матриц и пуансонов, конструкции съемников и т.д. Расчет силовых параметров и проверка инструмента на прочность осуществляется по рекомендациям, изложенным в работе [1].

Выводы

Отличительной особенностью предлагаемой методики проектирования комбинированной вытяжки является установление ре-

жимов проведения операций, исключающих такие дефекты, как образование складок, большой разностенности и кольцевых отпечатков. Предлагается равномерно распределять степени деформации на промежуточных операциях, каждую последующую операцию комбинированной вытяжки проводить через две матрицы: на верхней матрице уменьшать диаметр и принудительно утонять придонный участок, а на нижней матрице выполнять протяжку, то есть утонение стенки всего корпуса. Соотношение степеней деформации на верхней и нижней матрицах должно быть таким, чтобы создавались условия для уменьшения разно-стенности. Заданные механические свойства корпуса детали формируются на финишной операции соответствующей степенью деформации за счет деформационного упрочнения.

Литература

1. Валиев С. А. Комбинированная глубокая вытяжка листовых материалов. М.: Машиностроение, 1974. 210 с.

2. Агеев Н. П., Данилин Г. А., Огородников В. П.

Технология производства патронов стрелкового оружия: В 3 ч. СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 2007. Ч. 2: Процессы штамповки. 533 с.

3. Данилин Г. А., Огородников В. П. Теория и расчеты процессов комбинированного пластичского формоизменения. СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 2004. 304 с.

4. Данилин Г. А., Попов А. М., Воронина Е. С. Снижение разностенности при вытяжке с утонением через две матрицы // Металлообработка. 2010. № 5. С. 25-29.

«Российский промышленник-2011»: инновации в экономике и производстве

Юбилейный XV международный форум «Российский промышленник» и IV международный петербургский инновационный форум пройдут одновременно с 28 сентября по 1 октября на территории ВК «Ле-нэкспо» в Санкт-Петербурге. Это два масштабных конгрессно-выставочных мероприятия с объемными и насыщенными деловыми программами. Будет представлено девять специализированных выставок.

Единая выставочная экспозиция форумов будет организована по кластерно-отраслевому принципу. Инновационную политику развития промышленности наглядно продемонстрируют десять кластеров Санкт-Петербурга, среди которых: ассоциация производителей автокомпонентов, кластер радиоэлектроники, кластер машиностроения и металлообработки, кластер оптоэлектроники, кластер аэрокосмического приборостроения, кластер метрополитена и железнодорожного транспорта, фармацевтический и судостроительный кластеры.

В деловой программе форума «Российский промышленник» состоятся конференции «Планетоходы, космическая робототехника и наземные роверы», «Новые инновационные технологии для материалообрабатывающих отраслей Северо-Западного региона и проблемы подготовки специалистов высшего и среднего технического образования для отечественного машиностроения», семинар по инновационному развитию станкоинструментальной промышленности России, семинар по проблемам литейного производства, круглый стол по вопросу повышения престижности рабочих профессий в промышленности Санкт-Петербурга и другие мероприятия.

Только 30 сентября посетители смогут увидеть новый ё-мобиль. Ё-концепт впервые был представлен на международном автосалоне во Франкфурте. Машина с необычным дизайном не пойдет в серийное производство, но наглядно продемонстрирует новые возможности отечественного автопроизводителя.

www.promexpo.lenexpo.ru