Тула, Россия
Тула, Тульская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
ГРНТИ 55.35 Металлургическое машиностроение
Рассмотрен комбинированный процесс формоизменения, заключающийся в сочетании обратного выдавливания прутковой заготовки и утонения утолщенной торцовой части детали посредством перемещения матрицы в направлении, противоположном движению пуансона. Исследования выполнены в комплексе DEFORM. В ходе исследований установлен характер течения металла, выявлены силовые характеристики процесса.
обратное выдавливание, сила деформирования, вытяжка, комбинированные процессы штамповки
В современном мире актуально применение новых наукоемких технологий для изготовления различных изделий [1 ‒ 4]. В кузнечно-штамповочном производстве актуально использование совмещения различных операций в один сложный комбинированный процесс [5 ‒ 9]. Это позволяет добиться повышения эффективности производства, заключающегося в увеличении степеней деформаций за одинрабочий ход инструмента и снижении силовыхпараметров.
В работе рассмотрен процесс обратного выдавливания, отличающегося использовани-ем перемещающейся матрицы в направлении, противоположном перемещению инструмен-та.
На рис. 1 представлена схема исследуемой операции. Принцип предлагаемого процесса заключается в том, что при перемещении пу-ансона вниз металл затекает в коническое пространство матрицы, образуется уширение. При дальнейшем перемещении пуансона реа-лизуется обратное выдавливание. При этом происходит и перемещение матрицы в на-правлении, противоположном пуансону. Ско-рость матрицы в несколько раз больше, чем скорость пуансона. Реализуется обратное вы-давливание с активным трением, но в то же время происходит вытяжка с утонением полу-ченного уширения на торце.
Для расчетов принимались следующие раз-меры: диаметр пуансона Dп = 60 мм; диаметр матрицы DМ = 76,84 мм; диаметр заготовки
D0 = 70 мм; высота заготовки H = 50 мм; углы конусности матрицы = 15, 45, 60 . Заготов-ка позиционировалась таким образом, что ее нижний торец должен находиться на одном уровне с переходом цилиндрической стенки матрицы в конический участок. Скорость пе-ремещения пунсона принималась равной
30 мм/с, матрицы – 120 мм/с. Моделирование процессов штамповки для получения перечис-ленных изделий и полуфабрикатов под них выполнено с использованием основных поло-жений теории пластичности упругопластиче-ского, несжимаемого, упрочняющегося мате-риала в программном комплексе Qform3Dv7, основанном на методе конечных элементов. Материал заготовки – сталь 45.
На рис. 2 представлены схемы, иллюстри-рующие формирование геометрии изделия в процессе деформирования для DМ = 76 мм и разных углов .
Рис. 1. Схема выдавливания:
1 – матрица; 2 – пуансон; 3 – опора; 4 – заготовка
а)
б)
в)
Рис. 2. Схемы процесса для DМ = 76 мм и разных углов: а ‒ = 30 ; б ‒ = 45 ; в ‒ = 60
На рис. 3 представлены схемы, показывающие формоизменение изделия на разных этапах для DМ = 84 мм и разных углов .
а)
б)
в)
Рис. 3. Схемы процесса для DМ = 84 мм и разных углов: а ‒ = 15 ; б ‒ = 30 ; в ‒ = 45
Как видно из представленных схем при диаметре конического участка матрицы рав-ном 76 мм формоизменение без повреждения геометрии происходит до угла 30 для рас-сматриваемых случаев. При угле конусности a = 45 ° заметно утонение стенки ближе к торцовой части детали. При угле конусности a = 60 ° заметен разрыв стенки детали. При диаметре конического участка матрицы 84 мм и угле конусности a = 15 ° деталь формирует-ся полностью без утонения стенки и ее разру-шения. При углах a = 30 °, a = 45 ° и a = 60 ° происходит отрыв стенки детали ввиду значи-тельных растягивающих напряжений, форми-рующихся подталкиванием матрицей утолще-ния на торце изделия.
Были рассмотрены различные варианты формоизменения, позволяющие реализовать предлагаемую схему, но с углами большими, чем a = 15 °. На рис. 4 представлена схема формоизменения позволяющая добиться фор-мирования детали с углом конусности a = 45 °. Ее смысл заключается в том, что заготовка располагается не на одном уровне с перехо-дом цилиндрической стенки матрицы в кони-ческий участок, а ниже этого участка на поло-вину ее высоты.
Анализ полученных результатов показал, что в процессе формоизменения при такой схеме происходит формирование утолщения меньшего объема, и металлу из утолщения намного проще перетекать в тонкую стенку. Растягивающие напряжения становятся мень-ше и, соответственно, разрывов стенки не на-блюдается.
Выполнена оценка сил формоизменения исследуемого процесса и сравнение с резуль-татами исследований обратного выдавлива-ния. На рис. 5 представлена зависимость «си-ла ‒ путь», показывающая изменение силы во времени деформирования.
Анализ зависимости, представленной на рис. 5, показал, что применение активного трения с вытяжкой утолщения на торце дает снижение сил деформирования на пуансоне на 15 % относительно обратного выдавливания, и на 13 % относительно обратного выдавливания с активным трением.
Представим зависимость «сила ‒ путь», по-казывающую изменение силы во времени де-формирования для матрицы с диаметром
76 мм (рис. 6, а) и диаметром 84 мм (рис. 6, б) и различными углами конусности.
Рис. 4. Схема процесса (α = 45°, DМ = 84 мм)
Рис. 5. Зависимость «сила ‒ путь»:
1 – обратное выдавливание; 2 ‒ обратное выдавливание с активным трением; 3 – предлагаемая схема
(Dм = 76 мм, a = 15 °)
а) б)
Рис. 6. Зависимость «сила ‒ путь» Dм = 76 мм (а), Dм = 84 мм (б): 1 ‒ α = 15°; 2 ‒ α = 30°; 3 ‒ α = 45°
Углы конусности на рис. 6 соответствуют рассмотренным случаям без образования раз-рыва в стенке изделия. Анализ показал, что увеличение диаметра матрицы DМ при одина-ковых углах конусности матрицы приводит к снижению сил выдавливания на 12 %. Увели-чение угла конусности приводит к снижению сил при меньшем диаметре DМ и росту сил при большем диаметре DМ. Линия 3 на рис. 6, б соответствует схеме деформирования, пред-ставленной на рис. 4.
Выводы
Установлено, что предлагаемый способ по-зволяет снизить силу штамповки на 20 %. Ус-ловием достижения эффекта снижения сил формоизменения служит формирование дос-таточного объема металла в утолщении на торце детали при формообразовании. Кроме того, варьирование и подбор углов конусности матрицы и диаметра матрицы позволяет обеспечить большее снижение силовых нагрузок. Полученный способ можно использовать при изготовлении корпусных цилиндрических изделий с тонкими стенками, высота которых значительно превосходит диаметральные размеры.
1. Евдокимов А.К., Назаров А.В. Учет противодавления при обратном выдавливании с активным трением // Заготовительные производства в машиностроении. 2007. № 11. С. 28-35.
2. Евдокимов А.К., Петров Б.В. Механизм образования утяжины в ступенчатой стенке выдавленного стакана // Известия ТулГУ. Серия. Механика деформированного твердого тела и обработка металлов давлением. 2004. Вып. 3. С. 74 - 81.3.
3. Пасынков А.А., Борискин О.И., Ларин С.Н. Теоретические исследования операции изотермической раздачи труб из труднодеформируемых цветных сплавов в условиях кратковременной ползучести // Цветные металлы. 2018. №2. С. 74-78.
4. Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин А.М. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. Справочник. M.: Металлургия, 1976. 488 с.
5. Baghbani Barenji A., Eivani A.R., Hasheminiasari M., Park N., Jafarian H.R. Application of hot forming cold die quenching for facilitating equal channel angular pressing of AA2024 aluminum alloy // Journal of Alloys and Compounds. 2019, vol 79130. p. 265-277
6. Maeno T., Mori K., Ichikawa Y., Sugawara M. Use of liquid lubricant for backward extrusion of cup with internal splines using pulsating motion // Journal of Materials Processing Technology. 2017, vol 244. p. 273-281
7. Larin S.N., Pasynkov A.A. Analysis of forming properties during the isothermal upsetting of cylindrical workpieces in the viscous-plasticity mode // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018, vol 441.
8. Xiangkun Fan, Liang Chen, Gaojin Chen, Guoqun Zhao, Cunsheng Zhang 10 of 1060/6063 aluminum alloys based on porthole die extrusion process // Journal of Materials Processing Technology. 2017, vol 250. p. 65-72
9. Demin V.A., Chernyaev A.V., Platonov V.I., Korotkov V.A. Methodology for the experimental determination of the mechanical and plastic properties of a material under tension with elevated temperature // Nonferrous metals. 2019, vol 5. p. 66-73
