Cold extrusion of hollow eccentric workpiece for high-pressure pump of diesel engine

Abstract

Technological process of extrusion of hollow eccentric workpiece for high-pressure pump of diesel engine is investigated. Extrusion process with various sizes of eccentric head is simulated by means of QForm 2D finite element system.

Full Text

На сегодняшний день один из наиболее прогрессивных способов пластической обработки материалов - холодная объемная штамповка. При холодной объемной штамповке обработка материалов происходит в условиях холодной деформации (в т.ч. выдавливанием и высадкой), что неразрывно связано с упрочнением, благодаря которому физико-механические свойства и структура приобретают более высокие показатели. Холодная объемная штамповка позволяет получить высокую точность деталей и хорошее качество поверхности, повысить надежность, износостойкость и долговечность деталей, снизить трудоемкость их изготовления, увеличить производительность труда. В современном производстве, когда закупка экспериментального инструмента и оборудования становится крайне невыгодной, важнейшую роль играет теоретическое моделирование процессов обработки материалов давлением методом конечно-элементного анализа. Такой анализ показывает все интересующие инженера характеристики при разработке новых технологических процессов. Как показывает практика, технологический процесс детали, рассчитанный на ЭВМ конечно-элементной системой, не отличается от действительного [1]. Внимание ученых и исследователей сосредоточено на теоретическом и экспериментальном определении зависимости силы деформирования при основных формоизменяющих операциях (осадке, высадке, боковом, прямом и обратном выдавливании) от величины деформации, профиля рабочей части инструмента и условий на его контакте, а также на изучении напряженно-деформируемого состояния. Разработка прогрессивных технологических процессов с учетом качества получаемых деталей - актуальная в настоящее время задача [2]. Цель данной работы состоит в исследовании формообразования холодного комбинированного выдавливания полой детали с эксцентричным фланцем с заданной конфигурацией и геометрическими размерами. В работе с помощью конечно-элементной системы QForm 2D проводится исследование формообразования и энергосиловых параметров при высадке полой детали с эксцентриком, а также сравнение с выдавливанием натурного образца. Исследуемая деталь - эксцентрик насоса высокого давления дизельного двигателя. Детали такого типа изготавливаются для автомобильной промышленности, где потребность в них достигает 2-3 млн шт. в год. С целью обеспечения конкурентоспособности при изготовлении детали «эксцентрик» необходимо снижать себестоимость изделия за счет внедрения новых технических решений [3]. При существующей технологии изготовления данную деталь получают механической обработкой резанием на станках с числовым программным управлением. Такая технология приводит к чрезмерному расходу металла (более 50%) и увеличению времени на изготовление готового изделия. Эксцентрик представляет собой полую цилиндрическую деталь с фланцевым эксцентриситетом (рис. 1). Наружные и внутренние размеры соответствуют допускам класса точности Н14, js14 по ГОСТ 25347-82. Для согласования размеров и энергосиловых параметров технологического процесса холодной объемной штамповки проведено компьютерное моделирование переходов пластического деформирования методом конечных элементов. Моделирование выдавливания по переходам штамповки выполняется с целью получения рекомендаций по выбору оптимальных условий проведения этих процессов. Под оптимальными условиями следует понимать условия такого деформирования, в результате которого могут быть получены образцы или заготовки без дефектов с необходимым качеством формы детали (согласно чертежу). Критериями, определяющими выбор оптимального технологического процесса холодной объемной штамповки, служат величины технологических сил и деформации при формообразовании различных участков исследуемой детали, жестко связанные с механическими характеристиками применяемого материала. На рис. 2 представлен разработанный процесс обратного и комбинированного выдавливания детали «эксцентрик». На первом технологическом переходе осуществляется отрезка заготовки из прутка диаметром 24 мм. На втором переходе при прямом выдавливании нижней части заготовки целесообразно формировать цилиндрическую полость пуансоном, находящимся в нижней части штамповой оснастки. Такой подход изначально дает возможность получения правильных геометрических размеров будущей детали без последующей механической обработки. На третьем переходе происходит предварительный набор объема металла в будущий фланец детали. На четвертом переходе происходит процесс комбинированного выдавливания, включающий окончательное формообразование внешней поверхности детали с заданными геометрическими размерами. На последнем переходе происходит прошивка технологической перемычки. На виртуальных моделях видно, что в процессе выдавливания наблюдается течение металла как в обратном, так и в прямом направлении. На данном переходе оптимально неполное заполнение стержневой части заготовки одновременно с конечным формированием внутренней полости. Исходя из геометрических данных, полученных при разработке технологического процесса, создана виртуальная модель процесса изготовления детали «эксцентрик» с помощью конечно-элементной системы QForm 3D. Исходные данные для моделирования условий протекания технологического процесса: материал заготовки - сталь 10; коэффициент трения 0,1; температура окружающей среды, штампового инструмента и заготовки на каждом переходе 20 ºС; технологическое оборудование - механический пресс силой 4 МН. Полученная модель (рис. 3) позволила отыскать такие значения деформации и кинематики течения металла в процессе холодного выдавливания детали «эксцентрик», при которых величина сил деформирования заготовки на всех переходах будет наименьшей, конечная деталь будет соответствовать заданным геометрическим параметрам и не будет иметь дефектов, возникающих при холодном выдавливании [4]. Для использования результатов анализа силовых параметров и общей картины формообразования при выдавливании эксцентрика в полой детали, полученной в программе Q-Form 3D, необходимо оценить достоверность результатов в сравнении со штамповкой натурного образца. Для сравнения результатов математического моделирования с результатами, полученными конечно-элементным моделированием, и опытными данными по выдавливанию эксцентрика в полой детали проведена опытная штамповка в экспериментальном штампе. Опытная штамповка проводилась на прессе К8336 с максимальной силой выдавливания 4000 кН. В качестве исходного материала использовалась сталь 20. Заготовку покрывали смазкой и помещали в штамп, после чего начинали измерение силы в зависимости от движения пуансона до конечной стадии формообразования в третьем штамповочном переходе. Результаты фиксировали и заносили в таблицу, по полученным данным построен график «сила - путь». На рис. 4 представлены расчетные и экспериментальные графики зависимости силы штамповки эксцентрика от хода пуансона. Из рис. 4 видно, что характер графиков «сила - путь» при аналитическом расчете и эксперименте в программе Qform 3D не отличается от графика, полученного при высадке натурного образца. Выводы Предлагаемый технологический процесс холодного комбинированного выдавливания дает следующие преимущества по сравнению с действующим технологическим процессом получения детали методом резания: экономия используемого металла (более 50%), более благоприятное формообразование геометрии детали, исключение дефектов, возникающих при холодной объемной штамповке (неполное заполнение полостей рабочего инструмента штамповой оснастки и др.).