Исследование особенностей изготовления осесимметричных конических деталей с заданной толщиной стенки

Наиболее проблематично получение конических деталей с переменной толщиной (рис. 1), когда цилиндрические пояски, расположенные со сторон большего и меньшего диаметров, значительно толще конической части.

Целью исследований является изучить процессы вытяжки с принудительным утонением плоской листовой заготовки и последующего обжима для осесимметричных конических деталей с размерами близкими к размерам готового изделия.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи исследования:

• 1.    выявить механизмы пластического деформирования и провести анализ напряженно-деформированного состояния процессов вытяжки с принудительным утонением круглой и кольцевой заготовки и последующего обжима цилиндрической заготовки с отверстием на донном участке;

• 2.    провести экспериментальные исследования с целью подтверждения достоверности разработанной методики.

Теоретические исследования проводились для процессов вытяжки в коническую матрицу с принудительным утонением листовой круглой или кольцевой заготовки и последующего обжима цилиндрической заготовки с отверстием на донном участке, используя основные положения теории листовой штамповки.

Проведены исследования рассматриваемых процессов в специализированном программном комплексе DEFORM-2D, на основании которых выявлены допущения, используемые при теоретическом анализе.

Экспериментальные исследования выполнены в лабораторных условиях. Для обработки результатов исследований принимались статистические методы. В качестве основного оборудования использовалась машина ЦДМПУ-30, в качестве измерительной техники – DEA Global Performance.

Из анализа известных способов получения конических деталей с переменной толщиной стенки вдоль образующей, предложен способ формообразования, содержащий две операции: вытяжка с принудительным утонением плоской кольцевой или круглой заготовки и последующего обжима цилиндрической заготовки с отверстием на донном участке (рис. 2).

Применение предлагаемого способа ограничено отсутствием научно-обоснованной методики проектирования технологического процесса. Отсутствуют ограничения предельных возможностей вытяжки с принудительным утонением кольцевой заготовки и последующего обжима цилиндрического стакана с разной толщиной вдоль образующей.

Рис. 1. Размеры изделия

Рис. 2. Схема технологии процесса изготовления полых конических деталей с переменной толщиной стенки вдоль образующей способами пластического деформирования и окончательной механической обработки:

1 – резка заготовок из листа; 2 – вытяжка с принудительным утонением; 3 – обжим

Аналитический обзор помог определить цель и выделить задачи исследования.

Первый этап исследования процессов изготовления полых конических деталей с переменной толщиной стенки вдоль образующей способами пластического деформирования проводился с применением программного продукта DEFORM -2D.

В табл. 1 приведены принимаемые значения исследуемых параметров для процесса вытяжки в безразмерной величине.

На основании полученных результатов вытяжки с принудительным утонением в коническую матрицу установлено, что процесс вытяжки кольцевой и круглой заготовки целесообразнее рассматривать в две стадии (рис. 3), которые позволяют более точно рассчитать толщину стенки.

Первая стадия характеризуется формированием конической чаши. Вторая стадия начинается после процесса формообразования конической чаши и обуславливается формированием цилиндрического стакана.

Применение вытяжного пуансона с относительной величиной радиуса скругления rcп/Sзаг ≤ 0,4 приводит к уменьшению толщины в опасном сече- нии, но не превышает величины принудительного утонения цилиндрической стенки. В этом случае возможен обрыв в опасном сечение, а при последующем обжиме наблюдается кольцевая потеря устойчивости. Для отношения rcп/Sзаг>1,6 на коническом участке детали при последующем обжиме наблюдается чрезмерное увеличение толщины материала.

Заготовкой для последующего обжима является цилиндрический стакан. Процесс обжима цилиндрического стакана также можно разделить на две стадии. Первая стадия – формирование конической части детали, а вторая – формирование цилиндрического участка с меньшим диаметром. Второй цилиндрический участок, сформированный при вытяжке, при обжиме своих геометрических размеров не изменяет. На момент остановки процесса сформированы: конический участок и два цилиндрических участка требуемой высоты (рис. 4).

При обжиме цилиндрической заготовки с отверстием в донной части рассматривалась потеря устойчивости заготовки для разных толщин стенки вдоль образующей и диаметров отверстий.

Таблица 1. Принимаемые значения исследуемых параметров для процесса вытяжки

Параметры	Прин има емы е значения
m выт	0,45	0,48	0,5	0,56	0,6
m ут	0,44	0,48	0,52	0,56	0,6
r cп /S	0,4	0,8	1,6	2,4	3,2
d отв /D заг	0,14	0,18	0,22	0,26	0,28
f	0,05	0,1	0,15	0,2

Рис. 3. Стадии процесса вытяжки с принудительным утонением в коническую матрицу круглой заготовки: а – первая стадия вытяжки в коническую матрицу; б – вторая стадия вытяжки с принудительным утонением

Рис. 4. Стадии процесса обжима цилиндрической заготовки с отверстием в донной части

Установлено оптимальное соотношение диаметров отверстия и заготовки как для вытяжки с принудительным утонением, так и для обжима, которое составляет d / D,„, = 0,22 + 0,32 .

отв заг

У заготовок, полученных вытяжкой с принудительным утонением и отверстием на донном участке при обжиме наблюдается потеря устойчивости для относительных толщин S/S_заг ≤ 0,52, а для значений 0,52 ≤ S/S_заг ≤ 0,6 плохое прилегание детали к конической поверхности матрицы.

Аналитические зависимости, получены на основании известных теоретических положений листовой штамповки и результатов расчета в программном продукте DEFORM-2D.

На рисунке 5 представлена схема вытяжки с принудительным утонением.

Анализ формулы 1 показывает, что она даёт

σρmax экстремум П при изменении х. Взяв производную по х, находим смещение края фланца заготовки, при котором напряжение имеет максимум:

• 1    + ^т

• х = ¹ - ^ '-т    П ,          (1)

  

  Рис. 5. Схема вытяжки с принудительным утонением:

  а – первая стадия; б – вторая стадия;

  1 – участок конуса; 2 – участок опасного сечения; 3 – донный участок; S_заг – толщина заготовки; R_заг – радиус заготовки; х – перемещение кромки заготовки; R_н – переменный радиус кромки; R_и– тангенциальный радиус; R_д – радиус дна; R_оп – радиус опасного сечения; h_к – высота конуса

  
  

  Отсюда нашли условие, при котором проводили последующую вытяжку с принудительным утонением во избежание обрыва дна заготовки:

  R н =R заг (1-x). (2) где R _H – переменный радиус кромки.

  Деформация и толщина определялись в характерных элементах. На границе первого и второго участка конической заготовки толщину определим по формулам:

  
  

  ° р max д

  
  

  S I

  
  

  e s 1

  
  

  ° р

  
  

  ^^^^^^^^

  
  

  ° ТО

  
  

  П

  
  
  
  
  
  

  = ^S заг exp

  
  

  ° .

  
  

  ^^^^^^^в

  
  

  о

  то

  
  

  Л

  
  

  V

  
  

  п

  
  
  
  

  .

  
  
  
  

  В сечении II (рис. 5а) напряжение, деформацию по толщине и толщину находили по формулам:

  
  

  ° р max опс . = ( ° то ^{+ П} x )( 1 ^{+ f} ctg « ^{) x}

  
  

  X

  
  
  
  

  ^^^^^^^в

  
  

  m

  1 — x

  
  

  +

  
  

  ° в

  г

  2 - оп - +1

  
  
  
  

  s

  
  

  заг

  
  

  р max оп . с .       то

  e sII = -------П------- ’        ⁽⁶⁾

  S II =S заг (1-e sIII ).           (7)

  В сечении III (рис. 5а) напряжение находили по формуле:

  
  

  ° р max

  
  

  ^^^^^^^^

  
  

  ° в

  
  

  2 R

  ---д + 1

  
  

  s

  
  

  Деформацию по толщине и толщину:

  
  

  e sIII

  
  

  _ ^P max д   ° то

  
  

  П

  
  
  
  
  
  

  S III =S заг (1-e sIII ). (10)

  Осевое напряжение в протянутой стенке заготовки через верхний поясок матрицы определяли по формуле:

  
  

  °_С _ 1,155 х ((1 + f^M 05 f ) x ln R^r- + ¹ cos ^a ), (11) sin a      R 1 - r   sin a

  где R 1 - радиус матрицы; о _С - осевое напряжение в протянутой стенке заготовки.

  Через нижний поясок матрицы по формуле:

  
  

  1 — cos a

  ° _{С 2} _ ° _С + 1,155(-------- ¹

  sin a ₁

  
  

  х ln

  
  

  R 1 — r R - r

  
  

  ^^^^^^^»

  
  

  ^^^^^^^»

  
  

  ^0,5 f м _х sin a ₁

  
  

  ^f м ^{X r X} l - ^{2 f} м ^{X R} 1 ^X hk

  
  

  R ² — r²

  
  

  ) , (12)

  
  

  где о _{С 2} - осевое напряжение в протянутой стенке заготовки через нижний поясок матрицы; h _k , h ' _k -высоты цилиндрических поясков матрицы.

  Полученные зависимости позволяют установить предельные возможности из условия ° С 2 ^ ° в .

  
  

Определение толщины у конической детали, полученной обжимом, проводили по следующим участкам:

• .    первый участок – кольцевое дно;

• .    второй участок – радиусное скругление пуансона;

• .    третий участок – цилиндрический участок с минимальной толщиной;

• .    четвёртый участок – цилиндрический участок с максимальной толщиной возле кромки.

На рис. 6 представлена схема обжима цилиндрического стакана.

Использованы формулы для определения напряжений при обжиме:

<7= 0,5хсг X a0      , scp

X

Деформации на коническом участке определили по уравнению связи:

е

s

Для расчёта толщины использовали зависимость:

⁵ = ⁵заг . (15)

Экспериментальные исследования направлены на подтверждение достоверности результатов теоретического анализа и математического моделирования в программном продукте DEFORM-2D.

Проведена серия экспериментов по определению толщин деталей из круглой и кольцевой заготовок и предельных параметров процессов.

На основе результатов теоретических расчетов и моделирования была изготовлена экспериментальная оснастка для формообразования конической детали типа “форсунка”, представленная на рис. 7 и 8.

Рис. 6. Схема обжима цилиндрического стакана:

1 – заготовка (цилиндрический стакан) для обжима; 2 – радиусное скругление цилиндрического стакана при увеличении; 3 – коническая деталь

•2   3   4 а)                   б)

Рис. 7. Оснастка для вытяжки с принудительным утонением: а – детали оснастки для вытяжки, б – общий вид оснастки для вытяжки, установленной на нижней траверсе пресса ЦДМПУ-30;

1 – пуансон, 2 – коническая матрица, 3 – бандаж, 4 – установочное кольцо, 5 – выталкиватель, 6 – прокладка, 7 – контейнер, 8 – эластичный буфер

Рис. 8. Универсальная гидравлическая машина ЦДМПУ-30 с установленным экспериментальным штампом для обжима:

1 – матрица; 2 – пуансон; а – детали оснастки для обжима; б – общий вид оснастки для обжима, установленной на нижней траверсе пресса ЦДМПУ-30

При проведении экспериментов использовались следующие материалы для заготовок: сталь 12Х18Н10Т; алюминиевый сплав Д16АМ. Для стали 12Х18Н10Т применяли смазку Синэрс-В и лак ХВЛ, а для алюминиевого сплава Д16АМ минеральное масло.

Измерения толщин заготовок и деталей проводились с помощью координатно-измерительной машины DEA Global Performance, индикаторной стойки и штангенциркуля с точностью 0,001 мм, 0,01 мм и 0,05 мм соответственно (рис. 9).

На рис. 10 и 11 представлены распределение толщины стенки вдоль образующей цилиндрического стакана и конической детали.

Результаты эксперимента подтвердили результаты моделирования.

Эксперименты показали достоверность предлагаемой методики расчёта толщины заготовки с погрешностью не более 10 %.

КИМ на одну единицу изделия при изготовлении механической обработкой составил 10%, а по предлагаемой технологии 37%. Таким образом, увеличение КИМ на одном изделие относительно базового варианта составило 72%.

Рис. 9. Мерительный инструмент: а – координатно-измерительная машина DEAGlobalPerformance; б – измерительная стойка со штангенциркулем

Длина образующей стенки

Рис. 10. Толщины конической детали и цилиндрической заготовки, из стали 12Х18Н10Т:

1 – коническая деталь; 2 – заготовка после вытяжки

Рис. 11. Пример сопоставления контуровготового изделия и конической детали (сталь 12Х18Н10Т):

1 – контур конической детали полученной после эксперимента; 2 – контур конического изделия; 3 – контур конической детали, полученной при моделировании