Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технологических свойств конструкционных алюминиевых сплавов. способы и устройства для получения изделий коническо-цилиндрической формы 13
1.1. Конструкционные алюминиевые сплавы и их способность к пластическому формоизменению 14
1.2. Особенности получения изделий методом многооперационной листовой штамповки 19
1.3. Особенности получения конических изделий выдавливанием 23
1.4. Ротационная вытяжка, как прогрессивная технология получения полых коническо-цилиндрических осесимметричных изделий 26
1.5. Основные результаты и выводы 30
2. Разработка процесса ротационной вытяжки на примере изделий типа «воронка» взамен многооперационной штамповки на прессах 32
2.1. Конструктивные и технологические особенности изделия «воронка». Постановка задач исследования 32
2.2. Экспериментальные исследования способности листовых алюминиевых сплавов к ротационной вытяжке с утонением 38
2.3. Определение предельного формоизменения 44
2.4. Оценка влияния скоростных факторов 56
2.5. Определение типа и необходимого числа операций вытяжки
2.6. Создание вариантов технологий и получение опытной партии изделий 69
2.7. Основные результаты и выводы 72
3. Определение рациональной формы заготовки для дальнейшего совершенствования технологии 75
3.1. Исследование условий разрушения заготовки при ротационной вытяжке проецированием 75
3.2. Напряженно-деформированное состояние и эпюры контактных давлений. Формирование рациональной формы заготовки с условием минимизации осевого усилия 79
3.3. Основные результаты и выводы 95
4. Энергосиловые параметры ротационной вытяжки проецированием 96
4.1. Теоретический расчет усилий, крутящих моментов и мощности 98
4.1.1. Идеализированная модель с учетом особенностей процесса 98
4.1.2. Теоретические исследования установившейся стадии деформирования 103
4.1.3. Теоретические исследования начальной стадии деформирования 110
4.2. Экспериментальные исследования силовых параметров 115
4.2.1.Описание оборудования для экспериментальных исследований 115
4.2.2. Методика проведения экспериментальных исследований 119
4.2.3. Анализ полученных результатов и рекомендаций по назначению режимов деформирования 123
4.3. Основные результаты и выводы 131
5. Ротационная вытяжка детали типа «воронка» на станках-автоматах и совершенствование сопутствующих операций для раскатки 133
5.1. Перспективы развития оборудования для ротационной вытяжки 133
5.2. Ротационная вытяжка изделия типа «воронка» на станках-автоматах.. 139
5.3. Формовка канавки для смазки одновременно с операцией прижима на станке-автомате, с целью создания режима близкого к гидродинамическому трению при дальнейшей обработке давлением 152
5.4.Разработка процесса рекристаллизационного отжига заготовок в солевых расплавах хлоридов металлов с целью минимизации цикличности и повышения качества изделий 158
5.5. Окончательный вариант промышленной технологии корпусных изделий сложной формы на примере детали «воронка» 165
5.6. Основные результаты и выводы 169
Заключение 171
Список литературы 173
- Особенности получения изделий методом многооперационной листовой штамповки
- Экспериментальные исследования способности листовых алюминиевых сплавов к ротационной вытяжке с утонением
- Напряженно-деформированное состояние и эпюры контактных давлений. Формирование рациональной формы заготовки с условием минимизации осевого усилия
- Экспериментальные исследования силовых параметров
Особенности получения изделий методом многооперационной листовой штамповки
Алюминий и сплавы на его основе обладают комплексом свойств, обеспечивающих им в ряде областей применения важные преимущества перед другими металлами и сплавами. Они отличаются малой плотностью, хорошей коррозионной стойкостью, сравнительно высокой электропроводимостью и теплопроводностью[99, 3, 4, 53, 54].
Алюминиевые сплавы легко поддаются обработке резанием. Способность же к обработке давлением изменяется в широких пределах и зависит от марки сплава (в основу маркировки положено процентное содержание легирующих компонентов), вида деформации (прокатка, объемная штамповка и т.п.) и условий деформирования (нагрев, смазка и др.)
Все сплавы алюминия можно разделить на три группы: реформируемые, предназначенные для получения полуфабрикатов (листов, плит, прутков, профилей труб и т.д.) а также поковок и штамповок путем прессования, прокатки, ковки и штамповки. В зависимости от способности упрочняться термообработкой деформируемые сплавы делят на неуп-рочняемые термообработкой (сплавы алюминия с марганцем или магнием) и сплавы упрочняемые термической обработкой: закалкой и старением (высокопрочные алюминиевые сплавы, дуралюмины, сплавы авиаль); 2)литейные сплавы, предназначенные для фасонного литья(силумины); 3)спеченные сплавы (САС и САП). По различным статистическим данным, 8(Н90% производства алюминия составляют деформируемые сплавы[3, 4].
При изготовлении различных конструкций широкое применение нашли следующие деформируемые сплавы (таблицаї) с типичными механическими свойствами [53, 83]
Сплавы системы Al - Mg характеризуются сочетанием удовлетворительной прочности, высокой пластичности, очень хорошей коррозионной стойкости и свариваемости. Особенно велико значение сплава АМгб как наиболее прочного из числа термически неупрочняемых сплавов.
Поскольку в задачу исследования в основном входил анализ и совершенствование технологии корпусных изделий из сплава АМгб, необходимо более подробно представить свойства этого сплава.
Сплав АМгб разработан под руководством СМ. Воронова и относится к сплавам алюминия с магнием, где 6 означает процентную концентрацию магния в сплаве. Каждый процент (по массе) магния повышает прочность алюминия примерно на 30 МПа. Для деформируемых сплавов концентрацию магния более 6% не применяют, так как резко ухудшается коррозионная стойкость сплава[54, 99].
Чтобы улучшить свойства сплава АМгб, он дополнительно легируется марганцем, хромом и титаном. Марганец и хром упрочнят сплавы этой системы: 0,3...0,5% Мп или 0,1...0,2% Сг увеличивают временное сопротивление на 20-К25 МПа. Основное назначение малых добавок титана - улучшить свариваемость сплава. Титан, обусловливая резкое измельчение зерна в наплавленном металле, уменьшает склонность сплавов к образованию трещин при сварке и улучшает механические свойства сварных соединений.
Важным показателем свариваемости является отношение прочности сварного соединения к прочности основного металла (о в1ош). Для сплава АМгб это отношение составляет 0,85-Ю,9[54].
В работе И.Н. Фридляндера химический состав сплава АМгб представлен следующем образом: 5,8 -6,8% магния; 0,5-Ю,8% марганца; 0,02-Ю, 1% титана, содержание натрия не должно превышать 0,00035%. Несоблюдение последнего условия приводит к резкому ухудшению пластических свойств сплава. Отрицательно влияют на свойства сплавов АМг также железо и медь, содержание которых не должно превышать 0,1%[99].
В исходном состоянии сплав АМгб представлен следующими механическими свойствами (лист толщиной 2мм): предел прочности ав=340МПа, условный предел текучести бТ02=180МПа, относительное удлинение 8=20%[99].
Как и большинство алюминиевых сплавов, сплав АМгб в значительной степени меняет свои механические свойства с изменением температуры. Для листа толщиной 2мм механические свойства, в зависимости от температуры сведены в таблицу 2 [99].
Сплав АМгб с целью повышения прочностных свойств возможно подвергать старению, однако сильного эффекта это не приносит. Таблица 2 - Зависимость механических свойств от температуры
Следует отметить, что обработка давлением изделий из сплава АМгб осуществляется, как правило, с нагревом. В случае холодной пластической деформации для снятия остаточных напряжений необходим отжиг, оптимальный температурный интервал которого лежит в пределах 310-К335С [3]. Важнейшей технологической характеристикой металла перед обработкой давлением является его пластичность Яр , т.е. предельно допустимая степень деформации сдвига да разрушения, зависящая главным образом от так называемого показателя напряженного состояния, представляющего собой отношение (а/Т), где а - среднее гидростатическое давление; Т - интенсивность касательных напряжений [59, 9, 10]. На рисунке 1.2 представлены диаграммы пластичности некоторых алюминиевых сплавов, построенных на основании работ[59, 25]
Экспериментальные исследования способности листовых алюминиевых сплавов к ротационной вытяжке с утонением
Все результаты по определению предельных деформаций, представленные в таблицах 4, 5 и 6, получены при неизменных скоростных параметрах ротационной вытяжки. Так, число оборотов шпинделя n = 1250 об/мин; скорость подачи s = 350 мм/мин. Для определения влияния скоростных факторов, необходимо установить как влияет число оборотов шпинделя и скорость подачи на величину предельных деформаций. Поскольку при деформировании существуют общие закономерности (к каковым относят скоростные характеристики), независимо от марки сплава, для испытаний были отобраны только заготовки из сплава АД1М и АМгб, толщиной 6 мм и диаметром 107 мм. Число оборотов шпинделя станка, на котором проводились испытания, устанавливали равными 1410; 1250; 940 и 710 об/мин, а величина скорости подачи соответственно250; 350; 440 и 560 мм/мин. Для каждой значения скорости вращении и скорости подачи испытывали по 5 образцов на предельную степень обжатия, после чего усредняли полученные значения для каждой партии образцов и строили графические зависимости.
Результаты испытаний по определению влияния скоростных факторов представлены на рисунке 2.7. Анализ графиков позволяет сделать вывод, что скорость подачи и число оборотов шпинделя практически не влияют на предельную степень обжатия. Следовательно, если нет каких-либо конструктивных ограничений и ограничений по качеству поверхности получаемых изделий, величину подачи можно принять максимальную, чтобы повысить производительность.
Результаты исследований силовых и скоростных режимов деформирования дают возможность определить предельное формоизменение для листовых конструкционных алюминиевых сплавов, такие как предельную степень обжатия и предельный коэффициент вытяжки, а затем предложить порядок и вычислить необходимое число технологических операций. ),7o 75 ДЯ1М
Влияние скорости вращения шпинделя станка (п) и скорости подачи (S) на величину степени обжатия при ротационной вытяжке проецированием 2.5. Определение типа и необходимого числа операций вытяжки
Ключевым вопросом любой технологии обработки металлов давлением является определение необходимого числа операций деформирования, что в свою очередь, определяет производительность, качество изделий (в частности, процент брака по трещинам, разрывам и т.п. дефектам), а также тип количество и энергосиловые параметры необходимого технологического оборудования, особенно штамповой оснастки.
При этом следует определить:
Во-первых, количество основных формоизменяющих операций: ротационной вытяжки, глубокой вытяжки, обжима, раздачи и т.п.;
Во-вторых, количество вспомогательных операций: вырубка, калибровка, подрезка, механическая обработка (если такая необходима).
Далее, если обрабатывается труднодеформируемый металл, выбрать требуемую термообработку, а также нанесение и снятие смазывающих покрытий.
Основой для расчета количества операций деформирования является форма изделия, материал из которого изготовляется деталь и наконец, предельная степень деформации металла до разрушения.
Определимся с формой изделия. На рисунке 2.1 показано изделие «воронка» и отмечены поверхности изделия, которые должны быть образованы в результате осуществления операций пластического деформирования. Особо отметим, что изделие «воронка» в полной мере относится к изделиям сложной формы, которое состоит из трех основных участков: - малого цилиндрического участка: с наружной боковой поверхностью (А); с внутренней боковой поверхностью (К); также, торцевой поверхности (L); внешней (G) и внутренней (Н) поверхностями радиальной перемычки; - конического участка с наружной поверхностью (В) и внутренней (F); - большого цилиндрического участка с наружной поверхностью (С), внутренней (Е) и торцевой (D). Принимая во внимание, что в качестве исходной заготовки служит вырубленный из листа круг диаметром D0 и толщиной 0 , т0 получается, что только одна поверхность (G), образована до начала выполнения операций пластического деформирования, т.е все остальные поверхности необходимо получить в процессе обработки металлов давлением.
Относительно конического участка, то он получается ротационной вытяжкой проецированием, поскольку толщина детали на нем постоянна, а поверхности (В) и (F) выходят необходимого качества, также за счет ротационной вытяжки может быть получена наружная поверхность (А) малого цилиндрического участка.
Если рассматривать большой цилиндрический участок, то поверхности (С) и (Е) получить ротационной вытяжкой будет затруднительно, т.к. переход от конического участка к цилиндрическому, нарушает закон синуса (метод проецирования) следовательно, толщину металла в 3,8мм не набрать. Однако, цилиндрический участок может быть получен, если был первоначально получен конический участок, а затем на вытяжкой на обычном гидравлическом или кривошипном прессе получить требуемый цилиндр. Иначе говоря, необходимо ротационной вытяжкой получить коническую заготовку, состоящую из обычного участка (В) и утолщенного (С), а после деформирования утолщенного участка обычной вытяжкой на прессе (за 1-К2 операции) получить требуемый цилиндрический участок с поверхностью необходимого качества (рисунок 2.8). Наконец, торцевую поверхность (Е) получаем, либо за счет подреза в штампе, либо механической обработкой.
Напряженно-деформированное состояние и эпюры контактных давлений. Формирование рациональной формы заготовки с условием минимизации осевого усилия
Для промышленной реализации нового технологического процесса изготовления изделия типа «воронка» требуется соответствующее технологическое оборудование, для подбора которого, более того, для проектирования и создания нового оборудования требуется знать величину энергосиловых параметров каждой операции обработки металлов давлением.
Согласно предлагаемой технологии изготовления детали «воронка», основными формоизменяющими операциями являются операции ротационной вытяжки проецированием, осуществляемой на токарных полуавтоматах. Поэтому в первую очередь необходимо определится с энергосиловыми параметрами оборудования осуществляющего операции ротационной вытяжки.
Помимо ротационной вытяжки в технологическом процессе происходит операция глубокой вытяжки большого цилиндрического участка (края изделия), операция выдавливания малого цилиндрического участка, а также операции вырубки-формовки круговой заготовки, для которых тоже применяется прессовое оборудование.
Если процессы вырубки, выдавливания и глубокой вытяжки не отличаются от типовых и определение силовых параметров деформационных усилий происходит по известным методикам и зависимостям [33, 65, 71], то для процесса ротационной вытяжки проецированием расчет усилий ведется, как правило, по эмпирическим зависимостям, в которых применяются различные коэффициенты, изменяющиеся в широком диапазоне значений. Расчет по таким формулам не может в полной мере удовлетворить, так как растет вероятность ошибки, кроме того, такие расчеты не учитывают особенности предлагаемой технологии, такие как: ротационную вытяжку в режиме переутонения и использовании не плоской, а конусообразной заготовки. К числу важнейших энергосиловых параметров процесса ротационной вытяжки проецированием следует отнести: составляющие усилия деформирования, крутящие моменты и мощности.
Радиальная составляющая Рг, определяет силу прижатия ролика к заготовке и обуславливает точность изготовления детали. Величина радиальной составляющей необходима для расчета суппорта и станины станка.
Осевая составляющая Р0, ее величина необходима для расчета механизма подачи, в частности, для расчета гидроцилиндров, если механизм подачи гидравлического типа.
Окружная составляющая Pt, определяет величину крутящего момента и мощность на валу шпинделя. По величине Мкр осуществляется расчет зубчатых колес и валов коробки передач станка.
Несомненным является и тот факт, что действующие усилия, крутящие моменты и мощность взаимосвязаны с характеристиками процесса ротационной вытяжки проецированием: со скоростными (число оборотов шпинделя и скорость подачи); с деформационными (угол конусности оправки, степень упрочнения металла, величина переутонения); геометрическими (толщина и диаметр заготовки), необходимые размеры заготовки, и наконец, характеристики инструмента (диаметр и радиус скруглення роликов, само количество роликов).
Решению задачи, связанной с определением энергосиловых параметров и установлением степени влияния на них характеристик ротационной вытяжки, а также влияния геометрических параметров, как изделия, так и заготовки, посвящена эта глава. 4.1. Теоретический расчет усилий, крутящих моментов и мощности
В настоящее время для определения напряженно-деформированного состояния и последующего расчета усилий и мощности процесса ротационной вытяжки проецированием используют различные его модели[40, 47, 48, 56, 103, 104, 114, 115]. В нашем случае следует принять такую из моделей, которая позволила бы учесть следующие особенности процесса: 1) возможность ротационной вытяжки в режиме переутонения; 2) неплоская конусообразная форма заготовки. Поэтому возьмем за основу модель процесса ротационной вытяжки проецированием, представленную на рисунке 4.1. Необходимо отметить, что близкая к такой модели успешно использовалась для анализа в работе [45].
Согласно идеализированной модели, процесс ротационной вытяжки проецированием представляет простой сдвиг, если утонение происходит по закону синуса. В этом случае отдельные элементы, изображенные на рис. 4.1, являются как бы концентрическими цилиндрами с бесконечно малой толщиной стенки - dR , а радиус скруглення ролика принимается условно равным нулю. В итоге коническая поверхность изделия как бы образуется за счет указанных концентрических цилиндров.
Экспериментальные исследования силовых параметров
В автоматическом режиме конические заготовки укладываются вершиной вверх на горизонтальный транспортер-накопитель 1 и в приемник механизма загрузки 3. После нажатия кнопки «Автоматический цикл» включается гидростанция и срабатывает электродвигатель 8 шпинделя 9. Шибер механизма загрузки перемещается вперед и выносит заготовку в рабочую зону станка. Срабатывает гидроцилиндр пиноли и при ходе ее вверх, коническая заготовка попадает конусом во втулку механизма центрирования и поднимается из приемного гнезда шибера к оправке. Заготовка предварительно центрируется на вращающейся оправке благодаря подпружиненной втулке. При дальнейшем ходе пиноли прижим окончательно прижимает заготовку к оправке с необходимым усилием. По достижении пинолью верхнего положения шибер механизма загрузки отходит в исходной положение и одновременно срабатывает рычажный механизм отвода центрирующей втулки от оправки с заготовкой, освобождая прижим для подвода к нему давильных роликов и гидрокопировальной системы. Силовые гидроцилиндры 16 перемещают суппорты до настраиваемого упором 17 минимального диаметра обрабатываемой детали, если этого цилиндрического участка на детали нет, то щупы точной настройки подходят к копирам и выводят следящие золотники в режим копирования. Одновременно с перемещением суппортов передвигается на шаг накопитель, который выводит очередную заготовку под разгонную трубу и пневмозагрузку.
Импульсной подачей воздуха заготовка перемещается по трубе, переориентируется и попадает в приемник механизма загрузки. После этого шаговый накопитель пневмозагрузки ожидает следующего цикла. Далее подается команда на подъем ползуна 20 и рабочее копирование. Делитель потока направляет равное количество масла в цилиндры 18 привода ползуна, обеспечивая одновременное срабатывание обеих цилиндров, которые перемещают ползун по симметричным направляющим 24, выполненных на стойках 12. При этом происходит перемещение пиноли относительно ползуна, в основании которого закреплен шток пиноли. Масло из поршневой полости силового цилиндра пиноли переливается в штоковую через переливной золотник с сохранением необходимого давления в поршневой полости и сбросом излишков масла в маслостанцию. Осуществляется гидрокопирование и ротационная вытяжка детали по заданному профилю. В конце раскатки суппорты отводятся, и ползун, с уже отведенной пинолью, опускается вниз, что позволяет повысить производительность станка на значение времени холостого хода пиноли. Одновременно с отводом пиноли деталь снимется с оправки съемником 10. Снятая деталь попадает в захватные рычаги выгрузки 4. На этом цикл заканчивается, что фиксируется счетчиком циклов.
Станки - автоматы «Конус 1» и «Конус 2» могут работать также в наладочном режиме. Так для ротационной вытяжки конических деталей с малым углом конусности из плоской заготовки алюминиевого сплава АМгб, могут использоваться технологические параметры представленные в таблице
Формовка канавки для смазки одновременно с операцией прижима на станке «Конус» с целью создания режима близкого к гидродинамическому трению при дальнейшей обработке давлением
Безусловно, главными операциями, определяющими производительность всего технологического процесса производства изделий «воронка», являются операции ротационной вытяжки. Однако, существенное влияние на производительность могут оказать и другие операции обработки давлением, например выдавливание носовой части малого цилиндра (рисунок 2.1). Для сокращения цикличности процесса предлагается одновременно с калибровкой поверхности производить обратное выдавливание малого цилиндра изделия «воронка».
Согласно данному способу, первоначальный, предназначенный для вытяжки листовой металл должен иметь толщину, равную 0,5 - 0,8 длины малого цилиндра. Такая рекомендация является основой для принятия толщины первоначальной заготовки алюминиевого сплава АМгб равной Т = 6 мм. Ранее, при получении детали «воронка» по технологии многопереходной штамповки, толщина листовой заготовки принималась Т = 4мм, тогда при выдавливании имеет место повышенный брак (до 15%) по разрыву металла.
Внедрение способа получения малого цилиндра путем совмещения операции калибровки и выдавливания позволяет вдвое снизить трудоемкость и повысить коэффициент использования металла с 0,25 до 0,6.
Принимая во внимание, что при выполнении операции выдавливания малого цилиндра появляется повышенное технологическое усилие, а соответственно повышенный износ и связанная с ним невысокая стойкость инструмента (пуансона), следует применять различные способы для минимизации данного усилия.
По данным работы [34, 46,] до 50% усилия расходуется на преодоления сил контактного трения. Исходя из этого предлагается отработать такой ре 153 жим трения, при котором имеет место снижение отмеченных характеристик, т.е. режим близкий к режиму гидродинамического трения.
Применительно к обработке металлов давлением гидродинамическая теория трения получила развитие в работах [Крагельского]. Необходимым условием обеспечения гидродинамического режима трения является наличие избытка равнодействующей гидродинамических давлений в смазочном слое, представляющей собой несущую силу скользящей поверхности, которая находится под действием внешней нагрузки. Это условие тесно связано с наличием определенной толщины смазочного слоя, вязкостью смазки и скоростью перемещения трущихся поверхностей.
При формовке заготовки создать режим гидродинамического трения можно создать следующем образом. Если на поверхности заготовки при обратном выдавливании малого цилиндра, предварительно пуансоном нанести канавку и заполнить ее необходимой смазкой (рисунок 5.4) и создать в процессе выдавливания замкнутый объем, то и режим трения в этом месте будет близким к режиму гидродинамического трения. Канавку на торцевую поверхность заготовки для операции выдавливания малого цилиндра возможно нанести за счет прижима заготовки на последней операции ротационной вытяжки. Исходя из предложенных условий, требуется решение следующих задач:
1. Определить на какую величину режим обработки близкий к гидродинамическому, снижает усилие выдавливания;
2. Определить какой формы должна быть канавка (геометрическая форма прижимающего инструмента), чтобы усилие выдавливания было минимальным.
Для решения этих задач были проведены следующие экспериментальные исследования. Были подготовлены цилиндрические образцы из алюминиевых сплавов АМгб и АД1 (по 35 штук каждого) нарезанных из прутка. Далее пуансоном разных форм наносились канавки, которые заполнялись смазкой (хлорпарафином).