Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих методов исследования, проектирования и изготовления стержневых изделий с удлиненным коническим участкоми увеличенной головкой 8
1.1. Технологические особенности изготовления изделий с удлиненным конусом и увеличенной головкой 8
1.2- Проблемы устойчивости цилиндрических заготовок при пластической деформации 16
1.3. Методы определения энергосиловых параметров процессов холодной объемной штамповки 23
1.4. Влияние профиля рабочего канала матрицы на энергосиловые параметры 29
1.5. Выводы и задачи исследования 31
Глава 2. Исследование процесса холодной высадки в штампе с подпружиненным пуансоном 35
2.1. Особенности работы штампа с подпружиненным пуансоном и деформации металла в нем 35
2.2. Определение энергосиловых параметров процесса холодной высадки в штампе с подпружиненным пуансоном 39
2.3. Экспериментальное исследование энергосиловых параметров в штампе с подпружиненным пуансоном 48
2.4. Выводы 55
Глава 3. Исследование влияния начальных несовершенств на продольную устойчивость цилиндрических заготовок при холодной объемной штамповке в штампах с подпружиненным пуансоном 57
3.1. Причины возникновения начальных несовершенств исходной заготовки при холодной объемной штамповке стержневых изделий на автоматах 57
3.2. Разработка математической модели устойчивости цилиндрических заготовок, имеющих начальный изгиб и внеосевое приложение деформирующей силы в штампе с подпружиненным пуансоном 62
3.3. Определение касательного модуля пластичности 67
3.4. Анализ результатов исследования 75
3.5. Выводы 84
Глава 4. Разработка методики определения основных параметров деформирующего инструмента 86
4.1. Определение основных параметров штампа с подпружиненным пуансоном
4.2. Определение оптимальной формы образующей рабочего участка матрицы при выдавливании и редуцировании 92
4.3. Выводы 97
Глава 5. Промышленное внедрение технологии изготовления изделий с увеличенными головками и коническим участком 98
5.1. Область применения и конструкция штепселей 98
5.2. Разработка и освоение технологии изготовления заготовок штепселя холодной объемной штамповкой 102
5.3. Выводы 110
Заключение 111
Список литературы 114
Приложения 124
- Проблемы устойчивости цилиндрических заготовок при пластической деформации
- Определение энергосиловых параметров процесса холодной высадки в штампе с подпружиненным пуансоном
- Разработка математической модели устойчивости цилиндрических заготовок, имеющих начальный изгиб и внеосевое приложение деформирующей силы в штампе с подпружиненным пуансоном
- Определение оптимальной формы образующей рабочего участка матрицы при выдавливании и редуцировании
Введение к работе
Развитие таких отраслей промышленности, как машиностроение, автомобилестроение, железнодорожный транспорт, строительство определяет растущий спрос на крепежные изделия и расширение их сортамента. Совершенствование техники требует применения, наряду с традиционными, новых прогрессивных видов крепежных изделий. Для производства таких изделий требуется современное оборудование, внедрение новых технологических процессов, применение новых видов технологического инструмента. В современных рыночных условиях важнейшей задачей производителей крепежных изделий является получение с минимальными издержками высококачественной продукции требуемых размеров и заданными механическими свойствами. При работе в таких условиях эффективность производства может быть достигнута за счет экономии и внедрения высокопроизводительных, энерго- и ресурсосберегающих технологий, обеспечивающих получение высококачественной, конкурентоспособной продукции.
Крепежные изделия изготавливаются различными способами, при выборе которых необходимо учитывать следующие факторы: физико-механические свойства и интенсивность упрочнения исходного металла, требования к изделиям и серийность производства. В условиях крупносерийного и массового производства большими потенциальными возможностями обладает перевод изделий, изготавливаемых точением, на холодную объемную штамповку. Применяют различные операции пластического деформирования: высадку, осадку, редуцирование, прямое и обратное выдавливание. Как правило, эти операции выполняют одновременно и последовательно на одном автомате. Для получения готовых изделий высокого качества важно правильно подобрать необходимое количество операций и последовательность их выполнения.
Разработка новых, более эффективных технологий изготовления крепежных изделий позволит получать холодной объемной штамповкой
изделия, которые в настоящее время изготавливают резанием. По сравнению с обработкой изделий на металлорежущих станках холодная обработка давлением позволит: повысить производительность, уменьшить расход металла, улучшить механические свойства изделий и снизить их себестоимость. Для качественного оформления головок стержневых изделий, большое значение имеет качество формирования предварительной головки. Удачно выбранная схема деформирования, исключение продольного изгиба заготовки и осевого смещения предварительной головки, обеспечивают достаточно хорошее качество готового изделия. Результаты предыдущих исследований
показывают, чтобы добиться устойчивой равномерной осадки заготовки при
I высадке изделий с отношением — >2.5, головку формируют за два и более
переходов. В случае высадки предварительной головки за один переход применяют штампы с подпружиненным пуансоном. Подпружиненные пуансоны имеют конструкцию, обеспечивающую жесткое защемление участка заготовки в очаге деформирования, при этом, возможно, сократить свободно
осаживаемое соотношение — до уровня 2.5 и менее. Формирование головки
происходит в закрытом объеме поперечным выдавливанием. Основная функция такого инструмента обеспечить равномерную осадку головки, исключая продольный изгиб. Данная диссертационная работа посвящена исследованию процесса штамповки изделий с увеличенной головкой в штампе с подпружиненным пуансоном.
Целью настоящей работы является повышение эффективности изготовления стержневых изделий с увеличенными головкой и коническим участком на основе разработки комплекса технических и технологических решений, обеспечивающих рациональные условия деформирования при холодной объемной штамповке. Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
— провести исследование процесса деформирования в штампе с
подпружиненным пуансоном и получить аналитические зависимости для определения компонентов деформированного состояния и энергосиловых параметров;
провести исследования продольной устойчивости заготовки при деформировании в штампе с подпружиненным пуансоном с учетом ее начальных несовершенств (начальный изгиб и несовершенства связанные с процессом отрезки заготовки), на основании которых определить основные требования к исходной заготовке и к деформирующему инструменту;
определить исходные данные для разработки технологии и проектирования инструмента для изготовления холодной объемной штамповкой изделий с увеличенной головкой и коническим участком;
определить оптимальную форму образующей рабочего участка матрицы при выдавливании и редуцировании;
использовать результаты теоретических и экспериментальных исследований при разработке технологического процесса штамповки штепселей для электротяговых соединителей.
В первой главе диссертационной работы проведен анализ существующих методов исследования, проектирования и изготовления стержневых изделий с удлиненным коническим участком и увеличенной головкой. Рассмотрены их преимущества и недостатки. Дан анализ известных методов определения энергосиловых параметров процессов холодной объемной штамповки. На основании проведенного анализа сделаны выводы и сформулированы цели и задачи диссертационной работы.
Во второй главе исследован процесс холодной высадки в штампе с подпружиненным пуансоном. Отмечены особенности деформации, приведена методика определения энергосиловых параметров с использованием метода баланса работ. Представлены результаты экспериментальных исследований процесса холодной деформации в штампе с подпружиненным пуансоном.
В третьей главе разработана математическая модель продольной
устойчивости заготовки, при деформации в штампе с подпружиненным пуансоном с учетом ее начальных несовершенств, таких как начальный изгиб и косой срез заготовки. Рассмотрены причины возникновения начальных несовершенств заготовки. С помощью разработанной модели определены основные требования к исходной заготовке и к деформирующему инструменту.
Четвертая глава посвящена разработке методики определения основных параметров деформирующего инструмента, которая включает проверочный расчет на прочность стенок матрицы и пуансона, а также определение основных параметров пружины, обеспечивающих надежное прижатие пуансона к матрице. С помощью вариационного уравнения Эйлера-Лагранжа получено уравнение кривой, образующей рабочую поверхность деформирующего инструмента при выдавливании и редуцировании. Полученная форма продольного профиля рабочего участка матрицы обеспечивает снижение работы на преодоление сил контактного трения на этом участке на 3-5% по сравнению с традиционным прямолинейным профилем,
В пятой главе отражено применение результатов исследований в разработке технологии и инструмента для изготовления штепселей для электротяговых соединителей. Промышленное освоение разработанной технологии показало, что предложенная схема деформирования обеспечивает достаточную устойчивость заготовки при высадке головки, стабильно хорошее оформление изделия, а также сравнительно невысокие затраты на изготовление указанных изделий. Внедрение холодной высадки заготовок штепселей вместо точения их на токарных автоматах позволяет снизить расходный коэффициент металла на с 1,704 до 1,0719, увеличить производительность от 1 штуки за 3 минуты до 40 штук в минуту, повысить качество изделий и уменьшить их себестоимость в 4,7 раза.
Проблемы устойчивости цилиндрических заготовок при пластической деформации
При производстве стержневых изделий методом холодной высадки важное значение имеет правильный выбор режимов деформации по переходам. Одним из факторов ограничивающих высадку головки за переход является продольная устойчивость стержня, которая в значительной мере определяет стабильность технологических процессов и их точность.
Величина отношения является, прежде всего, критерием возможности проведения высадки без изгиба (рис. 1.2), т.е. получения головки, симметричной относительно оси заготовки. Чем меньше это отношение, тем легче протекает процесс высадки и лучше оформляется головка. Обычно за один удар без продольного изгиба высаживаемой части заготовки, можно получить головку на стержневом изделии при К 2,3 [2, 11 - 14].
При высадке деталей с максимальным значением отношения и более, необходимо создать определенные предпосылки, чтобы добиться устойчивой равномерной осадки заготовки, т.е. получить минимальное отклонение соосности головки относительно оси стержня. В таком случае головку формируют за два и более переходов [15 - 20].
На устойчивость заготовки при штамповке головок стержневых изделий влияют следующие основные факторы [11-13]: - форма и размеры штампуемых головок; - механические свойства сталей и влияющие на них параметры (химический состав, структура, степень деформации при калибровке, интенсивность упрочнения и разупрочнения и т.п.), - вид и последовательность применяемых операций (высадка, поперечное или прямое выдавливание), - условия размещения заготовок в штамповом пространстве (защемление в пуансоне, в матрице, способ защемления); - размеры свободно деформируемой части заготовки (длина, диаметр).
Равномерность высадки головки зависит от качества правки (величины остаточного изгиба) и среза (чистоты и перпендикулярности плоскости среза к продольной оси) заготовки. Большинство вышеперечисленных факторов можно учесть на стадии разработки, поэтому проблему устойчивости деформируемых заготовок желательно решать при проектировании технологического процесса, используя теоретические методы, тем самым снижая время и затраты на экспериментальную отработку технологии штамповки.
Исследованию устойчивости сжатых стержней посвящено большое количество работ. Теоретическими исследованиями проблем устойчивости занимались Л.Эйлер, Ф.Энгессер, Т.Карман, Ф.СЛсинский, А.С.Вольмир, С.П.Тимошенко, [21 - 27] и др.
Решению практических задач, посвящены работы И.Биллигмана [12], А.Д.Томленова [28], Г.А.Смирнова-Аляева [29, 30], Э.Томсена [31], А.Г.Овчинникова [33, 35], А.Х. Грайфера [33 - 35], Г.А.Навроцкого [2, 8], В.Г.Паршина [36 - 38, 40], В.Я. Герасимова [13, 36, 37, 39, 40], Ю.В. Владимирова [13] и др.
В работах [28, 38, 39] показано, что для расчета устойчивости стержневых изделий за пределом упругости можно использовать уравнения, описывающие устойчивость стержней в упругой области, с заменой модуля упругости касательным модулем.
При рассмотрении начального этапа процесса деформирования цилиндрической заготовки при условии, что материал деформируется пластически, на основании решения дифференциального уравнения (1.2) с учетом соответствующих граничных условий получена зависимость критического соотношения длины штампуемого участка к его диаметру [38, 39]: где р - коэффициент, учитывающий способ закрепления концов заготовки.
Данное уравнение определяет критическое соотношение размеров заготовки в зависимости от вида материала, его предварительной деформации и условий закрепления заготовки. Используя уравнение (1.5), можно оценить устойчивость процесса деформирования цилиндрических заготовок на первом переходе предварительной штамповки. Операция предварительной высадки будет происходить устойчиво при K = 0/d0 KKP.
В результате анализа проведенных исследований [8, 11- 13] установлено, что даже при самых благоприятных условиях отношение 0/d0 не может превышать 2.3-К2.5, где 0- длина металла под высадку головки, d0- диаметр металла под высадку головки. Повышение этого отношения возможно за счет применения штампов с подпружиненными пуансонами [8, 12, 15].
Определение энергосиловых параметров процесса холодной высадки в штампе с подпружиненным пуансоном
Существенным преимуществом деформации в подпружиненном пуансоне является то, что длина свободной, не защемляемой части высаживаемого участка, относительно мала, и таким образом, при отношении длины заготовки к ее диаметру свыше 2.5 не возникает опасности изгиба. Такая конструкция пуансона позволяет высаживать головки с большим объемом металла или головки сложной конфигурации.
Деформация заготовки в штампе с подпружиненным пуансоном это -процесс поперечного выдавливания [8, 73], при котором кинематика течения металла и силовой режим отличаются от обычной высадки. Формирование головки происходит в закрытом объеме и делится на две стадии. На первой стадии в начале процесса деформации большая часть длины высаживаемой части заготовки, идущей на формирование головки, находится в канале пуансона, полностью заполняя его. После приложения деформирующей силы, течение металла заготовки относительно боковых стенок пуансона происходит в направлении, совпадающем с направлением движения скользящего сердечника. Первая стадия процесса обеспечивает направление металла в канале подпружиненного пуансона, без потери продольной устойчивости и изгиба заготовки. На второй стадии - металл, осаживаясь, заполняет пространство в корпусе пуансона или матрицы под углом к направлению движения пуансона, принимая предварительную форму головки.
Данный процесс по сравнению с высадкой является более устойчивым с точки зрения предотвращения продольного изгиба заготовки, так как на начальном этапе штамповки высота деформируемого участка заготовки значительно меньше, чем при свободной высадке. При такой схеме деформирования происходит двойное защемление заготовки, благодаря чему заготовка деформируется равномерно, без изгиба и без резкого искривления волокон металла. От течения металла и распределения волокон в высаженной части зависит качество готовых изделий. Прерывное или резко меняющееся направление расположения волокон, вызванное неправильным проведением процесса высадки, приводит к образованию складок на головке и ее смещению, снижает качество готового изделия. С увеличением отношения длины высаживаемой части заготовки к ее диаметру вероятность появления такого брака будет расти, поэтому для таких изделий получение предварительной головки с благоприятным расположением волокон возможно только при защемлении свободного конца заготовки.
Схема процесса высадки в штампе с подпружиненным пуансоном При холодной штамповке головок стержневых изделий из цилиндрической заготовки в штампе с подпружиненным пуансоном, промежуточную заготовку можно условно разделить на два участка, в зависимости от направления течения металла [74, 75] .
Разработка математической модели устойчивости цилиндрических заготовок, имеющих начальный изгиб и внеосевое приложение деформирующей силы в штампе с подпружиненным пуансоном
Качество отрезанной от мотка заготовки определяется совокупностью геометрических и физических показателей. К геометрическим показателям относятся точность формы, размеров и объема, а к физическим - показатели, характеризующие состояние поверхности среза и металла в приторцовой зоне, подвергшейся пластической деформации.
При отрезке заготовки металл подвергается контактной пластической деформации и разрушению, в результате совместного действия которых искажается форма отрезаемой заготовки рис. 3.1 [43, 76, 77]. Торцевая поверхность отрезанной заготовки состоит из неоднородных по своей природе частей: участков смятия (а), образованных контактной пластической деформацией; утяжек (k), (f), возникших в результате внеконтактной деформации; гладкого плоского участка на торце, образованного пластическим сдвигом, и шероховатой волнообразной поверхности, вызванной разрушением скошенного торца заготовки (7).
Косой срез заготовки приводит к тому, что в начальной стадии осадки наблюдается эксцентричное сжатие, т.е. линия действия деформирующей силы Р не совпадает с продольной осью деформируемого стержня рис. 3.2 [77].
Схема высадки заготовки с исходным изгибом. Геометрическая точность отрезаемых заготовок, и в первую очередь точность по объему, зависит не только от искажений при резке, но также и от точности исходного сортового проката и точности подачи прутка в отрезную матрицу. В реальных технологических процессах начальная заготовка уже имеет исходный изгиб, для устранения которого применяется операция правки калиброванного металла в роликах. Однако это не гарантирует получение идеально ровной заготовки, поэтому приложенная к ней сжимающая сила, действует с некоторым эксцентриситетом рис. 3.3. Эксцентриситет, в свою очередь, оказывает влияние на продольную устойчивость при высадке заготовки, снижая точность оформления изделий.
Деформирующий инструмент также оказывает влияние на внеосевое приложение деформирующей силы. Для облегчения загрузки заготовки в инструмент предусматривается зазор между заготовкой и инструментом, компенсирующий исходную кривизну заготовки. От величины этого зазора зависит величина смещения деформирующей силы относительно оси заготовки. Т.е. зазор должен обеспечивать свободную загрузку заготовки в инструмент и в то же время минимальное смещение заготовки внутри инструмента рис. 3.4. Чем меньше зазор, тем более жестко заготовка защемлена в пуансоне или матрице и тем ближе будет приложена сжимающая сила к центру тяжести заготовки.
Отмеченные выше несовершенства исходной заготовки: начальный изгиб, косой срез, неточность формы, размеров и объема, эксцентричность приложения деформирующей силы в значительной степени связаны с несовершенством конструкции автоматов. Существенное влияние на точность длины и качество торцевой поверхности заготовки оказывают способ и условия отделения заготовки от проволоки (прутка), подаваемой в автомат [43]. Современные автоматы, как правило, оснащены втулочным отрезным инструментом и имеют закрытый механизм реза, что исключает дополнительный изгиб заготовки в процессе отрезки, обеспечивает хорошее качество торцевой поверхности заготовки и повышает точность объема [43, 78, 79]. Для получения заготовки более точной по длине, в автоматах устанавливается система управления - на базе программируемого контроллера, в которой предусмотрено измерение длины отрезаемой заготовки [78]. Улучшение технологических возможностей автоматов, значительно влияет на улучшение качества подаваемых на штамповку заготовок, однако не гарантирует получение идеально ровной заготовки.
Смещение точки приложения деформирующей силы относительно оси заготовки оказывает влияние, не только на качество готовых изделий, но и на возможность осуществления высадки. При внеосевом приложении силы, состояние при котором теряется продольная устойчивость, достигается при более низком значении силы по сравнению с идеально приложенной силой Эйлера, при этом интенсивнее развивается продольный изгиб, который приводит к искажению оси и формы деформируемой заготовки. Если технология штамповки таких изделий предусматривает обрезку облоя, то данное искажение можно сократить за счет настройки инструмента для обрезки. В этом случае, за счет неравномерной обрезки, увеличивается металлоемкость процесса штамповки, т.е. снижается ее эффективность. Для случаев безоблойной штамповки искажение оси и формы деформируемой заготовки может привести к браку продукции.
Для повышения качества исходных цилиндрических заготовок, необходимо определить величину отклонения от прямолинейности, на свободно осаживаемой высоте заготовки, при которой непрямолинейность не будет влиять на устойчивость заготовки. Необходима оценка этого возмущающего фактора на технологические параметры штамповки. Исследование важно, прежде всего, с практической стороны, так как позволяет приблизить расчетную схему к реальным технологическим процессам.
Определение оптимальной формы образующей рабочего участка матрицы при выдавливании и редуцировании
При производстве стержневых изделий холодной объемной штамповкой, кроме операций высадки и поперечного выдавливания, существенное место занимают такие операции, как прямое выдавливание и редуцирование. Эффективность этих операций в значительной степени определяется продольным профилем рабочей части матрицы.Форма образующей рабочего участка матрицы оказывает существенное влияние на работу, затрачиваемую на преодоление сил контактного трения и, как следствие, влияет на усилие деформирования и на износ инструмента [93, 94]. Найдем уравнение продольной образующей рабочего участка матрицы, которая обеспечивает минимальное значение работы на преодоление сил контактного трения на этом участке [116].
Результаты теоретических исследований процесса холодной штамповки в штампе с подпружиненным пуансоном были использованы при разработке технологии и освоении производства заготовок штепселей для электротяговых соединителей железнодорожного пути.
Для обеспечения безопасности движения поездов и для эксплуатации в обратной рельсовой сети, для пропуска тягового тока при электротяге постоянного и переменного тока применяют перемычки и соединители (дроссельные, междроссельные, междурельсовые и междупутные),
В пределах рельсовой цепи ток проходит в рельсовых стыках в основном через накладки. Если опорные поверхности покрыты ржавчиной или в стыке слабо затянуты болты, то такой стык имеет увеличенное электрическое сопротивление. Для улучшения токопроводимости рельсовых цепей на участках с автоматической блокировкой, электрической централизацией и другими устройствами сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ), а также на участках с электрической тягой устанавливают в стыках специальные рельсовые соединители и применяют графитовую мазь. [98-100]
Отсутствие в токопроводящих стыках графитовой мази или рельсовых соединителей может вызвать обрыв рельсовой цепи и, следовательно, нарушение работы автоматической блокировки, а при электрической тяге -большие потери электрической энергии и утечку тока в землю.
На электрифицированных участках в связи с неполной изоляцией рельсов от балластного слоя часть тягового тока проходит по земле. В результате этого появляются блуждающие токи, которые протекают не только по земле, но и по металлическим частям сооружений, находящимся в земле (трубы, оболочки, кабель и др.). Блуждающие токи вызывают интенсивную электрокоррозию металла (рельсов, трубопроводов, фундаментов и др.)- В связи с этим необходимо принимать меры, направленные на снижение части тока, которая может уходить из рельсов в землю, на уменьшение омического сопротивления рельсовых цепей, на увеличение переходного сопротивления между рельсами и балластом [100].
Для ограничения утечки тяговых токов и защиты от электрокоррозии подземных металлических сооружений и конструкций применяют дроссельные перемычки. Дроссельные перемычки могут быть одно-, двух- и трехпроводными [100, 102]. Результаты исследований нашли практическое применение на Магнитогорском метизно-металлургическом заводе при разработке технологии и инструмента при освоении производства заготовок штепселей для электротяговых соединителей и дроссельных перемычек железнодорожного пути по ТУ 32 ЦТІТ 2052-97 холодной объемной штамповкой на многопозиционных хол од новысад очных автоматах [103-105].
Проведенный патентно-информационный поиск показал, что в настоящее время технология изготовления штепселей предусматривает точение на токарных автоматах. Процессы являются не экономичными по коэффициенту использования металла и малопроизводительными.
Для повышения производительности, экономии металла и улучшения качества штепселей на Магнитогорском метизно-металлургческом заводе разработана технология изготовления штепселей штамповкой на холодновысадочных автоматах. В этом случае механическая обработка применяется лишь на завершающей стадии изготовления изделия.
В качестве исходного сырья для штепселей использовался прокат горячекатаный, в мотках, обычной точности прокатки В по ГОСТ 2590-88 [107] из стали 10, Юкп, 1 группы качества поверхности, группы осадки 66 по ГОСТ 10702-78 [81], без термической обработки.
Проведенный патентно-информационный поиск способов изготовления стержневых ступенчатых изделий с удлиненным конусом и массивной фасонной головкой холодной объемной штамповкой показал, что во всех известных технологических процессах формирование головки осуществляется высадкой плоским пуансоном. При такой схеме деформирования заготовка остается свободной и не соприкасается со стенками пуансона. Однако, в случае применения этой операции при изготовлении штепселей (рис. 5.6), вследствие большой головки, для формирования которой требуется большая длина заготовки, происходит деформирование и изгиб заготовки. Поэтому на первой операции для формирования предварительной формы головки рекомендована операция поперечного выдавливания, формирование головки происходит в закрытом объеме (рис. 5.7).
