Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор современных методов и технологий изготовления полых осесимметричных деталей 13
1.1 Основные технологические процессы изготовления полых осесимметричных деталей 13
1.2 Традиционные технологические процессы изготовления полых осесимметричных деталей ...14
1.3 Технологические процессы с локальным и комплексным нагружением заготовки 18
1.4 Применение валковой штамповки для изготовления осесимметричных деталей большого диаметра 27
1.5 Применение валковой штамповки для изготовления осесимметричных деталей малого диаметра ..29
1.6 Технологическая эффективность применения процесса валковой штамповки 31
1.7 Существующие представления о кинематике пластического течения металла при валковой штамповке 31
1.7.1 Классификация процессов валковой штамповки 31
1.7.2 Влияние формы торцевой поверхности пуансона на процесс формоизменения заготовки 37
1.7.3 Особенности возникновения осевой утяжины в заготовке при валковой штамповке 39
1.8 Основные задачи и методы их решения 44
1.9 Выводы по разделу 1 и постановка задачи исследования 45
2 Экспериментальные исследования валковой штамповки и постановка задачи аналитического решения 47
2.1 Условия экспериментальных исследований 47
2.2 Методика экспериментальных исследований 47
2.3 Разработка экспериментальной оснастки 53
2.4 Основные технологические параметры процесса валковой штамповки 62
2.5 Особенности пластического течения металла при валковой штамповке 64
2.5.1 Краткий анализ процесса пластического формоизменения заготовки 64
2.5.2 Кинематика процесса валковой штамповки и угол нейтрального сечения 67
2.5.3 Стадии валковой штамповки и анализ динамики изменения рабочей нагрузки в процессе деформирования 74
2.5.4 Факторы, влияющие на силовые параметры процесса валковой штамповки и условие образования осевой утяжины в заготовке 75
2.5.5 Влияние относительной скорости деформирования при валковой штамповке на заклинивание заготовки в роликовой матрице и условие вращения заготовки 84
2.6 Выводы по разделу 2 88
3 Методика и расчет технологических параметров 91
3.1 Выбор метода решения поставленной задачи и порядок расчета 91
3.2 Расчет технологических параметров на стадии прошивки 93
3.3 Расчет технологических параметров на стадии обкатки 113
3.4 Вычисление параметра утяжки --— 124
3.4.1 Исходные данные и расчетная схема для моделирования 125
3.4.2 Краткое описание и обоснование применения используемого программного продукта 128
3.4.3 Обработка полученных данных 130
3.4.4 Распределение напряжений и деформаций в поперечном сечении заготовки на стадии обкатки 132
3.5 Вычисление силы и контактного напряжения на роликах, силы на пуансоне, величины потребного и создаваемого моментов 138
3.5.1 Уточненные зависимости некоторых параметров к силовому расчету валковой штамповки 154
3.6 Методика расчета максимальной допустимой относительной скорости деформирования заготовки 156
3.7 Статистическая обработка экспериментальных значений '* и оценка достоверности теоретических данных 161
3.8 Выводы по разделу 3 164
4 Совершенствование технологии изготовления осесимметричных деталей методом валковой штамповки 166
4.1 Выводы по главе 4 173
Основные результаты и выводы 174
Список использованной литературы
- Применение валковой штамповки для изготовления осесимметричных деталей большого диаметра
- Основные технологические параметры процесса валковой штамповки
- Стадии валковой штамповки и анализ динамики изменения рабочей нагрузки в процессе деформирования
- Расчет технологических параметров на стадии прошивки
Введение к работе
Актуальность. В настоящее время в различных отраслях промышленности широко используются полые осесимметричные детали типа "стакан", "гильза" и т.п. с высокой стенкой, фланцем или утолщением. Такие детали, как правило, имеют форму и размеры, наиболее рационально соответствующие характеру и интенсивности воспринимаемых ими нагрузок при минимально возможной для каждого случая металлоемкости. Во многих случаях подобные детали работают в сложных условиях, поэтому технология их изготовления должна обеспечивать высокую прочность, точность и качество поверхности при небольших затратах на производство.
В настоящее время среди процессов ОМД при изготовлении деталей типа "стакан" наиболее часто используются традиционные способы обратного выдавливания, вытяжки с утонением и прессования, которые имеют ряд преимуществ, таких как достаточно высокая производительность, благоприятная схема напряженно-деформированного состояния, хорошая проработка структуры металла и т.д. Однако изготовление высоких стаканов с применением технологий, основанных на использовании традиционных способов, сопряжено с рядом трудностей, вызванных высокими удельными силами деформирования, необходимостью совершения нескольких технологических переходов штамповки, наличием межоперационных отжигов, использованием инструмента из высокопрочных сталей и др.
Наиболее эффективными в этом смысле способами получения сложных осесимметричных деталей методами ОМД в последнее время оказались процессы пластического деформирования с локальным приложением нагрузки, такие как ротационная вытяжка, сферодвижная штамповка, торцовая раскатка и др. За счет локальности характера приложения деформирующих нагрузок в этих процессах происходит заметное снижение (по сравнению с традиционными способами штамповки) деформирующих сил, что позволяет в значительной степени интенсифицировать производство, уменьшить материальные и энергетические затраты, снизить износ инст- румента, а в некоторых случаях повысить коэффициент использования металла и конечную производительность.
Однако несмотря на ряд очевидных преимуществ, подобные способы обладают некоторыми технологическими ограничениями, например, невозможностью получения осевого отверстия с одновременным формированием боковой поверхности заготовки, сложностью изготовления осе-симметричных деталей типа высоких стаканов с высокой стенкой или со сквозным осевым отверстием на одной позиции обработки и др.
Большой вклад в исследования общих вопросов теории и технологии процессов, применяемых для изготовления высоких стаканов традиционными способами обработки давлением внесли К.Н. Богоявленский, О.А. Ганаго, М.А., Губкин, A.M. Дмитриев, Н.И. Касаткин, А.И. Капустин, А.Г. Овчинников, И.Л. Перлин, А.А. Поздеев, Е.А, Попов, Л.В. Прозоров, В.П, Северденко, Е.И. Семенов, B.C. Смирнов, Л.Г. Степанский, М.В. Сторо-жев, С.С. Яковлев, И.Я. Тарновский, Н. Pugh, W. Jonson, Н. Kudo, М. Kunogi, Е. Tomsen и другие, вклад в теорию и технологию методов локальной обработки - М.А. Гредитор, Н.Н. Могильный, СП. Яковлев, В.А. Го-ленков и В.Я. Осадчий, Л.Г. Юдин и др.
Решение проблем, связанных с использованием при штамповке высоких стаканов традиционными способами или методами локального пластического деформирования, потенциально возможно в случае использования какого-либо способа с более широкими технологическими возможностями. Такими возможностями обладает метод валковой штамповки, в котором одновременно происходит совмещение обратного выдавливания и локального деформирование боковой поверхности заготовки роликами или приводными валками. При этом в ходе совершения операции создается комплексное непрерывно-дискретное нагружение очага деформации, которое за счет интенсификации пластического течения металла позволяет, снимая указанные ограничения, получать сложные осесимметричные детали на одной позиции обработки.
Однако на сегодняшний день вопросы, связанные с определением напряженно-деформированного состояния металла с учетом локализации очага пластической деформации в процессе валковой штамповки полых деталей типа "стакан", недостаточно изучены. При этом отсутствие научно-обоснованной методики расчета и выбора конструкторско-технологических параметров и критических режимов обработки затрудняет использование валковой штамповки в производственных условиях. Поэтому разработка процесса изготовления высоких стаканов методом валковой штамповки является весьма актуальной.
Цель работы. Разработать процесс валковой штамповки высоких стаканов с нагрузкой на пуансоне существенно меньшей, чем при обратном выдавливании, расширяющий технологические возможности метода и номенклатуру изделий.
Методы исследования.
В работе использован комплексный метод исследований, включающий проведение предварительных экспериментов и на их основе теоретического анализа с экспериментальной проверкой предложенных технических решений в лабораторных условиях. Все исследования проводились по единой методике, что дало возможность получения сопоставимых результатов.
Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния и пластического течения металла при валковой штамповке проводились на основе деформационной теории пластичности методом баланса работ с элементами вариационного исчисления, а также численного решения отдельной задачи по определению параметров осевой утяжины заготовки методом конечных элементов. Решение последней осуществлялось с использованием 111 ill "Штамп", реализующего анализ упруго-пластической модели на основе общих уравнений пластического течения Прандтля-Рейса с использованием производной Яумана. Экспериментальные исследования проводились на специально сконструированной оснастке в лабораториях Орел-ГТУ с применением общепринятых методов планирования эксперимента и статистической обработки результатов.
8 Научная новизна.
1. Впервые проведены экспериментальные исследования валковой штамповки высоких стаканов из сплошной заготовки, позволившие определить силовые и кинематические параметры процесса и установить особенности пластического течения металла в очаге деформации, а именно: определить наличие четырех основных последовательных стадий валковой штамповки детали типа "стакан" из сплошной заготовки (стадия открытой прошивки, переходная стадия, установившаяся и заключительная) и их влияние на изменение силовых режимов деформирования; выявить условия и механизм возникновения осевой утяжины в донной части заготовки, что дает возможность изготовления деталей со сквозным осевым отверстием на одной позиции обработки без отхода; - установить, что угол нейтрального сечения при валковой штампов ке с приводом вращения заготовки от пуансона и упора стремится к нулю, что означает фактическое отсутствие нейтральной точки на дуге контакта, а напряжения, действующие в поперечной плоскости вблизи дуги контак та, являются сжимающими.
2. Впервые разработана математическая модель валковой штамповки деталей типа "стакан" как способа обработки металлов давлением с комплексным локальным нагружением, решение которой позволило установить особенности напряженно-деформированного состояния материала в очаге деформации, а именно: определить осевую силу на пуансоне, радиальную силу на роликах, создаваемый момент на торцевых поверхностях упора и пуансона и потребный момент обкатки в роликовой матрице в зависимости от технологических параметров и режимов обработки; определить величину утяжки заготовки в радиальном направлении в зависимости от радиального обжатия и диаметра роликов; провести расчет максимально допустимой относительной скорости деформирования заготовки, при которой исключается ее заклинивание по схеме с приводом вращения от упора и пуансона.
9 Достоверность полученных результатов.
В ходе экспериментальных исследований были использованы научно обоснованная методика планирования эксперимента и обработки полученных данных, поверенное лабораторное оборудование и контрольно-измерительные приборы.
Достоверность результатов теоретических расчетов достигается обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи математического моделирования, а также применением современных математических методов и средств вычислительной техники и подтверждена качественным и количественным их согласованием с данными эксперимента при погрешности в пределах 10%.
Автор защищает.
Методику и результаты экспериментальных исследований валковой штамповки высоких стаканов, позволившие установить влияние геометрических и кинематических параметров и режимов обработки на характер пластического формоизменения заготовки.
Математическую модель валковой штамповки деталей типа "стакан" с приводом вращения заготовки от упора и пуансона и результаты ее аналитического и численного решения.
Методику проектирования технологических процессов валковой штамповки высоких стаканов.
Новые технологические схемы валковой штамповки высоких осе-симметричных деталей, расширяющие технологические возможности метода и номенклатуру изделий при увеличении производительности и стойкости инструмента, а также методику их проектирования при критических режимах обработки.
Практическая значимость и реализация работы. Разработана методика проектирования технологических процессов валковой штамповки полых осесимметричных деталей из сплошной заготов-
10 ки, в том числе со сквозным осевым отверстием, содержащая рекомендации относительно формы и размеров инструмента, а также силовых и кинематических режимах обработки.
Разработаны новые способы валковой штамповки, позволяющие существенно повысить производительность труда при изготовлении высоких осесимметричных деталей с глухим или со сквозным осевым отверстием, снизить нагрузку на инструмент и повысить его срок службы.
Новизна предложенных способов для изготовления полых осесимметричных деталей подтверждена двумя патентами РФ.
Результаты работы внедрены в учебный процесс и используются при чтении лекций, проведении лабораторных и практических занятий по дисциплинам "Теория обработки металлов давлением", "Специальные виды штамповки" для студентов направления подготовки бакалавров 551800 "Технологические машины и оборудование" и специальности 120400 "Ма шины и технология обработки металлов давлением", а также при подготов ке кандидатских и магистерских диссертаций, исследовательских курсовых и дипломных проектов, выпускных квалификационных работ бакалавров.
Апробация работы. По содержанию диссертационной работы был выполнен ряд докладов и сообщений, в том числе: на международном научно-техническом симпозиуме: "Механика и технология в процессах формоизменения с локальным очагом пластической деформации", октябрь 1997, ОрелГТУ; на 11-ой международной научно-технической конференции "Проблемы пластичности в технологии", октябрь 1998, ОрелГТУ; на международной научно-технической конференции: "Ресурсосберегающие технологии, оборудование и автоматизация штамповочного производства", ноябрь 1999, ТулГУ, а также в ряде местных межвузовских научно-технических и научно-практических конференциях и симпозиумах; - международной научно-технической конференции "Фундамен тальные и прикладные технологические проблемы в машиностроении "Технология - 2000", март 2000, ОрелГТУ; -всероссийской конференции "Современная образовательная среда", ноябрь, 2002, ВВЦ г. Москва; - на научно-технических конференциях преподавателей и сотрудни ков, ежегодно устраиваемых в Орловском государственном техническом университете в период 1995-2003 гг.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 20 печатных работ среди которых 4 работы в центральных научных рецензируемых изданиях; 8 статей в различных сборниках научно-технических трудов; 6 тезисов докладов на международных, всероссийских и региональных научно-технических конференциях; 2 патента РФ на изобретения.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на
185 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков и фотографий, 6 таблиц. Состоит из введения, четырех разделов, основных результатов и выводов, списка используемых источников, включающего 95 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с научно-технической программой: "Высокие технологии высшей школы" (утверждена приказом № 486 от 20.03.96 "Об утверждении перечня минвузовских научно-технических программ на 1996 г."); проектами "Исследование пластического течения металла при локальном и комплексном нагруже-нии" и "Исследование характера пластического течения металла при получении тонкостенных осесимметричных деталей методом валковой штамповки", выигравшими конкурсы фантов в І 996 и 2000 г.г. соответственно; проектом "Исследование пластического течения металла при изготовлении деталей методом валковой штамповки", вошедшим в разовый заказ-наряд в 1999 г; проектом "Исследование напряженно-деформированного состояния и характера пластического течения металла в разделительных и формооб-
12 разующих операциях при локальном деформировании", вошедшим в единый заказ-наряд в 2000 г. Результаты работы были использованы при выполнении проекта "Учебный автоматизированный комплекс для изучения процессов пластической обработки материалов", выигравшего конкурс Минобразования РФ" в 2001 г, проводимого в рамках программы: "Научное, научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования" по подпрограмме: "Научное и научно-методическое обеспечение индустрии образования.
Проведенная работа соответствует "Критическим технологиям федерального уровня", утвержденным председателем Правительственной комиссии по научно-технической политике 21 июля 1996 г. по направлению "Модульные технологии производства массовой металлопродукции с новым уровнем свойств".
Применение валковой штамповки для изготовления осесимметричных деталей большого диаметра
Ротационное выдавливание полых изделий характеризуется много-переходностью процесса и позволяет упростить, хотя и несущественно, технологию изготовления деталей сложной формы, улучшить механические свойства обрабатываемого материала, упростить технологическую оснастку, сократить сроки подготовки производства и добиться экономии материала. Иногда для осуществления процесса ротационного выдавливания требуется предварительное получение полой заготовки с внутренним диаметром, равным диаметру оправки. Как правило, для этого используется вытяжка, в т.ч. и ротационная.
Общим недостатком способов ротационного выдавливания и давильной обработки является сложность получения тонкостенных деталей. Для их изготовления используют метод раскатки шариками [52 - 54] (рисунок 1.3) и метод синхронного вращения матрицы и пуансона (оправки) с надетой на нее полой заготовкой (рисунок 1.4) [55, 56].
Сущность первого способа заключается в протягивании через вращающуюся шариковую матрицу (раскатную головку) исходной заготовки, которая с минимальным зазором установлена на оправке. Матрица закрепляется в резцедержателе суппорта или втулке задней бабки токарного станка.
Сущность второго способа утонения стенок заключается в создании особого взаимного движения пуансона и охватывающей его матрицы. При этом ось пуансона образует некоторый угол а с осью вращения матрицы, причем вращение может передаваться либо пуансону, либо матрице. Утонение стенок заготовки осуществляется за счет совершения поступательного и качательного движения пуансона.
Таким образом, можно сделать вывод, что применение роликового инструмента в качестве источника локального периодического воздействия как в процессах листовой (сферодвижная штамповка, ротационная вытяжка и ротационное выдавливание и т.д.), так и объемной штамповки (торцевая раскатка), является одним из перспективных направлений совершенствования технологии обработки металлов давлением при производстве осе-симметричных деталей.
Одним из последних достижений в развитии методов локального комплексного деформирования является предложенная специалистами Орловского государственного технического университета (ОрелГТУ) группа технологий, получивших название "валковая штамповка" [57] и совмещающих в едином процессе одну из традиционных монотонных операций объемной штамповки (осадку, высадку, прошивку и т.п.) и локальное периодическое деформирование неприводными роликами или приводными валками (рисунок 1.5). Возможная область применения валковой штамповки - широкая номенклатура изделий машиностроительного и приборостроительного назначения, имеющих форму тела вращения.
Новый способ деформирования позволяет изготавливать круглые в плане сплошные и полые детали, тонкостенные и толстостенные изделия малых размеров, применяемые в приборостроении, а также крупногабаритные детали с высокой точностью и качеством при технологической силе на порядок меньшей, чем для традиционных методов объемной штамповки. Комплексное нагружение очага деформации локальным периодическим воздействием с одновременным воздействием через постоянно фиксируемую зону позволяет получить новый технологический эффект, недостижимый другими методами деформирования.
Валковая штамповка способствует улучшению физико-механических свойств обрабатываемого металла, обеспечивает оптимальное расположение его волокон, что повышает эксплуатационные свойства получаемых деталей. Относительно низкая стоимость оснастки, незначительное время подготовки производства, возможность быстрой переналадки на другой типоразмер детали, использование оборудования небольшой мощности позволяет применять валковую штамповку как в крупносерийном, так и в средне- и мелкосерийном производстве.
За счет возможности концентрировать формоизменение заготовки на позиции выдавливания внутренней полости с одновременным обкатыванием и последующей осадкой величина пластического деформирования и смещенные объемы металла на последующих позициях обработки малы, как малы и необходимые силы деформирования. Это позволяет на последующих операциях вести доводку детали до требуемой формы и точности.
Таким образом, в настоящее время наиболее перспективным можно считать направление развития ОМД, основанное на технологиях, сочетающих в себе традиционное монотонное (глобальное) нагружение заготовки в комплексе с периодическим локальным воздействием на очаг деформации.
Первый опыт применения валковой штамповки как сочетания непрерывно-последовательной высадки с обкаткой [58] был использован для получения утолщений на трубных заготовках большого диаметра, предназначенных для изготовления лонжеронов лопастей вертолета [59] (рисунки 1.6, 1.7).
Проведенные аналитические и экспериментальные исследования позволили выявить механизм образования гофров и в определенной мере оптимизировать технологические и энергосиловые параметры и стабилизировать процесс непрерывно-последовательной высадки [60, 61]. Эти меры в сочетании с обкаткой роликами по наружному диаметру утолщения дали возможность более чем в 2 раза повысить единичный коэффициент высадки и получать изделия удовлетворительного качества за один технологический переход. Кроме того, металлографические исследования позволили установить реальное улучшение микроструктуры металла утолщения после обкатки.
Основные технологические параметры процесса валковой штамповки
В результате проведенных исследований было установлено, что наиболее значимое влияние на процесс валковой штамповки оказывают следующие технологические параметры и режимы обработки: отношения диаметров (радиусов) пуансона и заготовки D,/D (или Rn/R), заготовки и роликов D/DK (или R/RK); форма торцевой поверхности пуансона; относительная скорость деформирования. Относительная скорость деформирования, задает радиальное обжатие заготовки и производительность процесса.
Влияние количества роликов на процесс валковой штамповки не исследовалось, однако можно предположить, что с увеличением их числа величина радиальных растягивающих напряжений и осевая утяжка уменьшаются.
Определение технологических параметров обработки является основной задачей при проектировании технологических процессов валковой штамповки,
Перемещение частиц металла при валковой штамповке происходит по сложному закону и несет в себе характерные черты и особенности процессов прошивки (или осадки) и поперечной прокатки. Так, валковая штамповка характеризуется образованием бочкообразной выпуклости боковой поверхности заготовки, наличием установившейся стадии, образованием области радиальных растягивающих напряжений и осевой утяжи-ны заготовки.
Образование радиальных растягивающих напряжений и, как следствие, осевой утяжины заготовки является неотъемлемой составляющей процесса поперечной прокатки, однако причины и механизм их возникновения при валковой штамповке несколько иные и носят комплексный характер, обусловленный сущностью самого процесса.
Рассмотрим наиболее простой и в тоже время самый общий случай процесса валковой штамповки детали типа "стакан". Перемещаясь в осевом направлении, пуансон вытесняет некоторый объем металла, часть которого течет в радиальном направлении, а часть - в осевом. Количество вытесненного в том или ином направлении металла зависит главным образом от отношения Dn/D и в меньшей степени от формы торца пуансона. Так, например, если рассматривать варианты валковой штамповки при Dn/D = 0,5 пуансоном с конусом торца 90 и при Dn/D = 0,2 - с плоским торцом, в последнем случае в осевом направлении металла переместится больше, чем в первом относительно всего вытесненного объема. Впрочем, при открытой прошивке заготовок наблюдается аналогичная картина.
Вытесняемый пуансоном металл до контакта с роликом течет в радиальном направлении, образуя свободную поверхность АБ (рис. 2.9 - а). Точка Б является точкой выхода металла из-под ролика, а точка А - точкой входа. Сечения, образованные отрезками прямой 0]Б и 0А будем называть сечениями выхода и входа соответственно, а криволинейный треугольник ОіАБ - условно свободной зоной (зоной открытой прошивки). Криволинейные треугольники 0АБ] и 0А]Б, образованные осью вращения заготовки и точками входа и выхода металла каждого ролика, являются зонами действия роликов (зонами обкатки). Дуги АБ] и А]Б назовем дугами захвата, или контакта, а угол ф0, образованный сечениями входа и выхода заготовки под один ролик - углом захвата или контакта.
С достаточной степенью точности можно считать, что перемещения частиц металла в свободной зоне зависят главным образом от перемещения пуансона и в радиальном сечении направлены от оси заготовки. В зоне действия роликов картина перемещения выглядит значительно сложнее. При прохождении зоны обкатки траектории частиц металла меняют свое направление на противоположное. При этом металл начинает течь в осевом направлении вверх и переходит в стенку изделия (рис. 2.9 - б).
Формоизменение ступенчатых деталей происходит аналогичным образом, за исключением стадии образования фланца, когда весь вытесненный пуансоном металл идет на его формирование (рис. 2.10 - а). По сути, данная стадия процесса представляет собой открытую прошивку.
При полном заполнении фланца ступенчатого изделия перемещение пуансона необходимо прекратить. В противном случае возможно отделение верхней части заготовки по краю фланца (рис. 2.10 - б), из чего можно заключить, что при валковой штамповке более интенсивное течение металла происходит именно в наружном слое боковой поверхности заготовки.
Стадии валковой штамповки и анализ динамики изменения рабочей нагрузки в процессе деформирования
При сравнительном анализе различных процессов штамповки было установлено, что при одинаковых для каждого случая технологических параметрах валковая штамповка выгодно отличается от традиционных способов объемной штамповки, поскольку позволяет не только получить значительное формоизменение заготовки на одной позиции обработки и тем самым максимально использовать пластические свойства материала, но и заметно снизить потребную силу деформирования заготовки. Последнее можно проиллюстрировать графиком зависимости силы деформирования от хода пуансона, на котором, в частности, показаны кривые изменения рабочей нагрузки при закрытой прошивке (кривая 1), открытой прошивке (кривая 2) и валковой штамповке (кривая 3), полученные при деформировании одинаковых заготовок (рисунок 2Л4-а).
Разрушение образца при открытой прошивке (рисунок 2.14-6) носит хрупкий характер и в данном случае приходится на величину хода пуансона, равную половине его хода при валковой штамповке и силе деформирования в 3,5 раза большей. Сила деформирования, необходимая для получения детали типа "стакан" закрытой прошивкой (рисунок 2.14-в) еще выше и предполагает почти пятикратное увеличение потребной силы деформирования.
Столь низкая сила деформирования при валковой штамповке в сравнении с закрытой прошивкой и возможность значительного формоизменения заготовки без потери устойчивости в сравнении с открытой прошивкой объясняются особенностями, связанными с сущностью самого процесса, такими, как небольшое трение по боковой поверхности заготовки и образование т.н. осевой утяжины материала, возникающей благодаря обкатке.
Утяжина - это внутренняя полость, которая зарождается в центральной части заготовки и имеет здесь максимальное значение 5 по оси и Dx по радиусу. Причем еще на установившейся стадии процесса, когда очаг пластической деформации не достиг дна, из-за вязкости металла утягиваются не только внутренние, прилегающие к торцевой поверхности пуансона слои метала, но и внешние слои донной части заготовки (рисунок 2.15), при этом диаметр полости Dx внутренней и внешней поверхности заготовки на установившейся стадии процесса примерно одинаков.
В результате образования утяжины полного контакта инструмента (в данном случае пуансона и упора) и заготовки не происходит. Это и является главной причиной относительно невысокой силы деформирования при валковой штамповке. Сила деформирования в этом случае определяется произведением контактного напряжения на пуансоне на площадь контактной поверхности пуансона и заготовки, т.е. на площадь кольца.
Однако говорить о том, что валковая штамповка позволяет уменьшить энергосиловые затраты в процессе производства было бы не совсем корректно. Уменьшение потребной силы деформирования в сравнении с известными процессами позволяет сделать вывод о том, что повышается лишь долговечность работы инструмента, в данном случае пуансона и роликов, а общие затраты энергии примерно одинаковы.
Общий расход энергии при валковой штамповке складывается из затрат, связанных с перемещением пуансона и вращением заготовки в роликовой матрице, т.е. из суммы работ сопротивления деформированию прошивке и обкатке, и может быть меньше, чем, к примеру, при закрытой прошивке, лишь за счет уменьшения потерь на трение по боковой поверхности заготовки.
Таким образом возможность совершения технологической операции при относительно небольшой силе деформирования при валковой штамповке исходит из сущности самого процесса, при котором в осевой области заготовки образуется утяжина. Причем даже при самых неблагоприятных условиях (D„/D 0,8 и а = 180) утяжина металла способствует значительному снижению деформирующей силы.
В рамках же самого процесса валковой штамповки на его силовые параметры - силу на пуансоне и величину потребного момента - влияют следующие факторы, относящиеся к основным технологическим параметрам данного процесса: соотношения диаметров пуансона, заготовки и роликов, количество роликов, форма торцевой поверхности пуансона и относительная скорость деформирования, а также трение.
Экспериментально установлено, что относительная скорость деформирования сколько-нибудь существенного влияния на силу деформирования заготовки не оказывает и может увеличить се не более чем на 4...6 % при изменении относительной скорости в пределах 0,04...0,4 мм/об (при R=15 мм).
Наиболее заметно увеличение относительной скорости деформирования сказывается на потребном моменте, который фактически определяется объемом металла, вытесняемого пуансоном в радиальном направлении за время поворота заготовки от одного ролика до другого. При изменении в указанных пределах относительной скорости деформирования потребный момент может увеличиться более чем в два раза.
О влиянии количества роликов силу деформирования заготовки можно предположить следующее. С увеличением их числа становится меньше утяжина материала, ее размеры 5 по оси и Dx в радиальном направлении. Сила деформирования заготовки (но не контактное напряжение!) при этом возрастает, что объясняется увеличением кольцевой площадки контакта заготовки и пуансона. Величина потребного момента с изменением количества роликов остается прежней, поскольку объем вытесняемого в радиальном направлении металла от числа роликов не зависит.
Наиболее заметное влияние на силовые параметры процесса оказывают отношение D,/D, D/DK, и форма торцевой поверхности пуансона. Так, изменение отношения диаметра пуансона к диаметру заготовки в пределах 0,7...0,8 приводит к увеличению контактного напряжения на пуансоне на 10.,.15 %, а потребного момента на 6...8 %, а при Dn/D 0,9 контактное напряжение и момент могут увеличиться в несколько раз. Причем в этом случае наиболее заметную роль начинает оказывать трение.
При варьировании отношения диаметра заготовки к диаметру ролика наблюдается следующая картина. Уменьшение значения D/D (т.е. фактически увеличение диаметра ролика) приводит к уменьшению глубины деформированного слоя заготовки в радиальном направлении. При этом значение параметра утяжины по оси 5 уменьшается, а диаметр внутренней полости Dx — увеличивается. В результате происходит уменьшение площади контакта пуансона и заготовки, и, как следствие силы деформирования и прикладываемого момента. Однако потребный момент— или момент сил сопротивления обкатке — с увеличением диаметра ролика несколько возрастает, поскольку угол захвата заготовки со0 увеличивается (см. формулу 15).
Расчет технологических параметров на стадии прошивки
На данной стадии расчета необходимо определить контактное напряжение на боковых поверхностях роликов и заготовки. Для этого нужно вычислить параметры утяжины - максимальный диаметр внутренней полости Dx и глубину очага деформации в радиальном направлении гх.
Учитывая сделанные в п. 3.1 допущения, для решения задачи на стадии обкатки воспользуемся общеизвестной гипотезой плоских сечений, в связи с чем будем полагать, что плоские сечения, находящиеся в зоне действия роликов, остаются плоскими и не искривляются за период их прохождения от сечения входа до сечения выхода металла из роликов. Угловые расстояния dp в каждой паре элементарных объемов, выделенных на одинаковом расстоянии от центра заготовки и ее среднего радиуса Rq,, будут одинаковы. Окружные скорости перемещения частиц металла Vy в данном поперечном сечении очага деформации при этом будут изменяться по линейному закону, угловая скорость в любой точке каждого сечения будет постоянной, угловая деформация Сф = 0, а зон прилипания не будет (рисунок 3.11 - а).
Возможность использования гипотезы плоских сечений для описания процесса обкатки при валковой штамповке объясняется геометрией очага пластической деформации и его размерами. Так, выше упоминалось, что максимальная относительная скорость деформирования г при валковой штамповке находится в пределах 0,4...0,5 мм/об для фасонных пуансонов и 0,06...0,08 мм/об при использовании пуансонов с плоским торцом для значений (и в том и в другом случае) отношения —"- близких к единице и соответствующих наиболее тяжелым условиям процесса.
От относительной скорости деформирования помимо прочего зависит величина радиуса-вектора точки входа заготовки под ролик R , которая непосредственно связана с углами захвата заготовки и роликов щ и р0.
При таких скоростях деформирования величина угла захвата роликов Фо мала. Поэтому даже при штамповке фасонными пуансонами, когда Л- Лтах и использовании достаточно больших отношениях радиуса ЗаГОТОВ-ки и ролика — ж 0,3 -г 0,4 (когда диаметр роликов является минимально возможным исходя из конструктивных особенностей оснастки), отношение — не превышает 0,08...0,12, а при использовании пуансонов с плоским R торцом 0,03...0,05. Здесь значение L представляет собой проекцию длины дуги захвата на нормаль к сечению выхода металла из роликов, a R - радиус заготовки.
При теоретическом анализе продольной прокатки на обжимных станах было установлено, что предельные соотношения —, где Н толщина ма териала, a L проекция длины дуги захвата на ось прокатки (рисунок 3.11 -б), при которых гипотезой плоских сечений пользоваться не рекомендуется, находятся в пределах 0,1...0,7 [87], (или 0,2...1,4 при описании геометрии очага деформации через отношение —, где h- половина ширины полосы, сопоставимая с радиусом заготовки при валковой штамповке или поперечной прокатке). Если предположить, что по сути радиус заготовки и толщина материала оказывают равнозначное влияние на параметры очага пластической деформации и перемещение частиц металла в направлении движения заготовки, то легко заметить, что соотношения этих параметров для валковой штамповки составляют 0,03...0,12 и фактически не превышают предельных соотношений для продольной прокатки, равных 0,2...1,4. Таким образом использование гипотезы плоских сечений для описания процесса обкатки при валковой штамповке вполне оправдано.
Расчетная схема процесса на стадии обкатки представлена на рисунке 3.12. Как и прежде, разделим весь объем заготовки на ряд участков, причем пластическую деформацию будет испытывать только участок I, который с одной стороны ограничен сечениями входа и выхода заготовки из роликов, а с другой - радиусом внутренней полости Rx и боковой поверхностью роликов. Принимаем, что участки II, III и V являются жесткими и пластической деформации не претерпевают, а участок IV является той зоной заготовки, в которой происходит образование внутренней полости.
Для расчета контактного напряжения на ролике зону IV также будем считать жесткой, полагая, что ответственными за образование в ней внутренней полости являются все же дополнительные радиальные растягивающие напряжения, возникающие вне зон действия роликов (см. п. 2.5.4). К тому же на рассматриваемой третьей установившейся стадии валковой штамповки эти напряжения если и превышают предел текучести материала, то незначительно, поскольку радиальное обжатие здесь невелико вследствие необходимости задания достаточно небольших относительных скоростей деформирования.
Совмещение внутренней границы очага деформации гх с радиусом полости Rx основывается на том, что полость в заготовке образуется в результате действия дополнительных радиальных растягивающих напряжений, область распространения которых не может быть больше, чем область действия основных напряжений, возникающих от приложения внешних сил (от роликов).
