Формообразование ступицы при осадке заготовки в подкладном кольце

Одной из технологических операций процесса ковки является операция осадки цилиндрической заготовки в подкладных кольцах. Данная операция позволяет получать поковки типа дисков с одно- или двухсторонними ступицами (отростками, бобышками, цапфами). Так отковывают некоторые типы прокатных валков, короткие кулачковые валы, поковки шестерён, фланцев и дисков со ступицами, когда размеры последних имеют небольшую величину в сравнении с габаритными размерами поковки [1 - 4].

Процесс осадки цилиндрических заготовок на нижнем подкладном кольце для поковки «диск с односторонней ступицей» рассмотрен в работах [5-10], в которых особое внимание уделено формообразованию заготовки, анализу потоков металла в радиальном и осевом направлениях, границе разделов потоков, расширению технологических возможностей осадки посредством изменения условий внешнего трения.

Цель работы – установление влияния соотношения начальных размеров заготовки, соотношения диаметра отверстия и диаметра заготовки в подкладном кольце, сил трения на контактных поверхностях верхнего бойка, подкладного кольца и заготовки, степени деформации, ковочного

Каргин Владимир Родионович, кандидат технических наук, профессор.

Рузанов Никита Дмитриевич, студент.

угла и радиуса закругления отверстия на характер формообразования ступицы поковки.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Моделирование осадки цилиндрической заготовки из алюминиевого сплава АД31 на подкладном кольце (рис.1) реализовано средствами специализированного пакета программы Deform - 2D на базе метода конечных элементов [11].

При постановке задачи компьютерного моделирования ее рассматривали как осесимметричную.

Степень деформации заготовки определяли по формуле

Е = ^^ • 100%.

Высоту ступицы рассчитывали через разность высот по осевой линии H ₀ = H _к – H ст . Коэффициент трения μ по контактным поверхностям принят по закону Кулона, количество конечных элементов в заготовке 1000.

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

На рис. 2 представлен график зависимости высоты ступицы H _ст от степени деформации ε заготовки при следующих исходных данных: D ₀ = 40 мм; H ₀ = 40 мм; d ₀ = 22 мм, γ = 3º, r = 3 мм, μ = 0,3.

Как видно из рис. 2, с увеличением степени деформации наблюдается заметный рост высоты ступицы по закону параболы.

В табл. 1 приведены результаты исследования по влиянию величины коэффициента

Рис. 2. График зависимости высоты ступицы от степени деформации

Рис. 1. Схема осадки цилиндрической заготовки 1 в подкладном кольце 2 плоскими бойком 3 в начале (а) и в конце (б) процесса:

D ₀ – диаметр заготовки; H ₀– высота заготовки; d ₀, диаметр отверстия в подкладном кольце; γ – ковочный уклон; H _ст– высота ступицы; H _ф– высота фланца; D _ф – диаметр фланца; r – радиус кромки отверстия;

H _к – высота поковки; D _к – диаметр контактной поверхности заготовки с верхним бойком

внешнего трения на контактных поверхностях заготовки и инструмента на высоту ступицы при различных степенях деформации при следующих условиях: D ₀ = 40 мм, H ₀ = 40 мм, d ₀ = 40 мм, γ = 3º, r = 3 мм, μ = 0; 0,15; 0.3; 0,5; ε = 25%;

50%; 75%.

Из рассмотрения результатов видно, что внешнее трение способствует формованию более высокой ступицы, чем при осадке заготовки без трения. При μ = 0,15 и степенях деформации ε = 25%, 50%, 75% получены наиболее высокие ступицы. Рост величины коэффициента трения приводит к уменьшению размеров ступиц в пределах 5 – 10%.

Основная причина роста высоты ступицы при осадке в подкладных кольцах с трением в сравнении без трения – это сдерживание течения металла силами трения в радиальном направлении от оси к периферии, что приводит к увеличению питающего объема металла, локализированного около отверстия кольца, для формирования ступицы.

В табл. 2 приведены результаты исследования влияния размеров исходной заготовки H ₀ /

Таблица 1. Результаты замеров высоты ступицы в мм в зависимости от значения коэффициента трения μ и степени деформации ε

Ц	£ , %
	25	50	75
0	3,2	8,4	18,7
0,15	3,7	9,5	20,4
0,30	3,3	8,6	18,9
0,50	2,8	8,4	18,5

D ₀ на величину высоты ступицы при различных степенях деформации при следующих условиях: D ₀ = 40 мм; H ₀ / D ₀ = 0,5, H ₀ / D ₀ = 1,0, H ₀ / D ₀ = 1,5, H ₀ / D 0 = 2,0; p = 0,3; d 0 = 22 мм; у = 3°; s = 25%, 50%, 75%.

Из рассмотрения результатов видно, что чем ниже заготовка, тем больше высота ступицы. Наиболее целесообразно для осадки в подкладных кольцах использовать исходные заготовки с размерами H ₀ / D ₀ = 0,5 ÷ 1,0, так как при осадке интенсивность возрастания высоты ступицы увеличивается с уменьшением отношения H ₀ / D ₀ . Такой характер изменения высоты ступицы свидетельствует и о сложном характере течения металла на разных этапах процесса осадки.

Ковочный уклон на подкладном кольце в пределах от 1º до 7º позволяет легко и быстро извлечь поковку из подкладного кольца.

Результаты моделирования по влиянию величины ковочного уклона на характер формирования размеров ступицы по высоте при μ = 0,3; D ₀ = 40 мм; H ₀ = 40 мм; a = 1°, 3°, 6°; r = 3 мм; s = 25%, 50%, 75% приведены в табл. 3.

Установлено, что с увеличением ковочного угла с 1º до 6º высота ступицы возрастает устойчиво, в пределах (12-18) %. Это связано с уменьшением сопротивления деформации металла при заполнении конической полости подкладного кольца.

Пересекающие поверхности ступицы и фланца сопрягаются по радиусу закругления r. При ковке этот выступ в полости конического отверстия обтекается металлом и считается внутренним радиусом закругления. Его величина определяет качество поковки.

Результаты моделирования по влиянию величины радиуса закругления на характер изменения высоты ступицы при μ = 0,3; D ₀ = 40 мм; H ₀ = 40 мм; r = 1мм, 3 мм, 5 мм; a = 3°; s = 25%, 50%, 75% приведены в табл. 4.

Установлено, что с изменением радиуса закругления высота ступицы изменялась в пределах 12% при s = 25%, 1% при s = 50% и s = 75%. Влияние r проявилось только при малых обжатиях. При больших обжатиях это влияние отсутствует.

Относительная величина отверстия в подкладном кольце определяется отношением диаметра отверстия d ₀ к первоначальному диаметру заготовки D ₀ , то есть d ₀ / D ₀ .

Результаты моделирования по влиянию геометрического параметра d ₀ / D ₀ на характер изменения высоты ступицы при μ = 0,3, D ₀ = 40 мм; d ₀ / D ₀ = 0,4; 0,55; 0,70; H ₀ = 40 мм; r = 3 мм; a = 3° при степенях деформации s = 25%, 50%, 75% приведены в табл. 5.

Установлено, что с уменьшением d ₀ / D ₀ затекание металла в полость конического отверстия подкладного кольца затруднено. Это связно с повышением сопротивления деформации металла при заполнении полости. При увеличении отношения d ₀ / D ₀ заполнение полости кольца облегчается, что обеспечивает существенный рост высоты ступицы до 22,1 мм при степени деформации 75%.

Таблица 2. Результаты замеров высоты ступицы в мм в зависимости от степени деформации s и размеров исходной заготовки H ₀ / D ₀

^ 0 D o	Е, %
	25	50	75
0,5	4,7	9,8	18,9
1,0	3,3	8,6	18,0
1,5	3,2	6,3	16,7
2,0	3,0	5,3	14,6

Таблица 3. Результаты замеров высоты ступицы в мм в зависимости от ковочного угла у и степени деформации s

а °	£ , %
	25	50	75
1º	3,3	8,4	18,3
3º	3,4	8,9	19,2
6º	3,9	9,6	20,5

Таблица 4. Результаты замеров высоты ступицы в мм в зависимости от радиуса закругления r и степени деформации ε

r , мм	E , %
	25	50	75
1	3,1	8,9	19,6
3	3,4	8,9	19,2
5	3,8	9,0	19,2

Таблица 5. Результаты замеров высоты ступицы в мм в зависимости от отношения d ₀ / D ₀ и степени деформации ε

d0 5 0	E , %
	25	50	75
0,40	2,4	6,2	15,8
0,55	3,4	8,9	19,2
0,70	4,8	11,1	22,1

ВЫВОДЫ

• 1.    Проведен численный анализ влияния относительных размеров цилиндрической заготовки, относительного диаметра, ковочного угла и радиуса закругления кромки конического отверстия подкладного кольца, степени деформации и внешнего трения на процесс формообразования односторонней ступицы поковки.

• 2.    Повышение степени деформации при осадке на подкладном кольце играет положительную роль, интенсивно увеличивая высоту ступицы поковки по параболическому закону с ростом степени деформации.

• 3.    При осадке низких заготовок H ₀ / D ₀ <1 высота ступицы на поковке значительно больше на (12 – 22) %, чем при осадке высоких заготовок H ₀ / D ₀ > 1.

• 4.    Внешнее трение на контактных поверхностях плоского бойка и подкладного кольца способствует более благоприятному формообразованию ступицы поковки за счет увеличения питающего объема металла в области отверстия кольца.

• 5.    Чем больше ковочный угол и входной диаметр полости подкладного кольца, тем меньше сопротивление металла при заполнении конической полости и соответственно выше ступица на поковке.

• 6.    Величина радиуса закругления кромки входного отверстия в диапазоне 1 – 5 мм при степенях деформации ε > 50 % не влияет на размер ступицы поковки.

• 7.    Характер изменения высоты ступицы по-

• ковки свидетельствует о сложном нестационарном течении металла в осевом и радиальном направлениях на разных этапах совмещенных процессов осадки и выдавливания цилиндрической заготовки.

• 8.    Предлагаемые рекомендации по выбору параметров процесса осадки цилиндрической заготовки на подкладном кольце в п. 2 – 6 расширяют технологические возможности формообразования поковки типа «диск с односторонней ступицей».