ФОРМООБРАЗОВАНИЕ СТУПИЦЫ ПРИ ОСАДКЕ ЗАГОТОВКИ В ПОДКЛАДНОМ КОЛЬЦЕ © 2020 А.В. Гусева, В.Р. Каргин, Н.Д. Рузанов

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ 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 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 . Высоту ступицы рассчитывали через разность высот по осевой линии H0 = Hк - Hст. 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 Hст от степени деформации ε заготовки при следующих исходных данных: D0 = 40 мм; H0 = 40 мм; d0 = 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 внешнего трения на контактных поверхностях заготовки и инструмента на высоту ступицы при различных степенях деформации при следующих условиях: D0 = 40 мм, H0 = 40 мм, d0 = 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 H0 /D0 на величину высоты ступицы при различных степенях деформации при следующих условиях: D0 = 40 мм; H0 /D0= 0,5, H0 /D0= 1,0, H0 /D0= 1,5, H0 /D0= 2,0; μ = 0,3; d0 = 22 мм; γ = 3º; ε = 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 H0 /D0 = 0,5 ÷ 1,0, так как при осадке интенсивность возрастания высоты ступицы увеличивается с уменьшением отношения H0 /D0. 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; D0 = 40 мм; H0 = 40 мм; α = 1º, 3º, 6º; r = 3 мм; ε = 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; D0 = 40 мм; H0 = 40 мм; r = 1мм, 3 мм, 5 мм; α = 3º; ε = 25%, 50%, 75% приведены в табл. 4. Установлено, что с изменением радиуса закругления высота ступицы изменялась в пределах 12% при ε = 25%, 1% при ε = 50% и ε = 75%. Влияние r проявилось только при малых обжатиях. При больших обжатиях это влияние отсутствует. Относительная величина отверстия в подкладном кольце определяется отношением диаметра отверстия d0 к первоначальному диаметру заготовки D0, то есть d0 /D0. Результаты моделирования по влиянию геометрического параметра d0 /D0 на характер изменения высоты ступицы при μ = 0,3, D0 = 40 мм; d0 /D0 = 0,4; 0,55; 0,70; H0 = 40 мм; r = 3 мм; α = 3º при степенях деформации ε = 25%, 50%, 75% приведены в табл. 5. Установлено, что с уменьшением d0 /D0 затекание металла в полость конического отверстия подкладного кольца затруднено. Это связно с повышением сопротивления деформации металла при заполнении полости. При увеличении отношения d0 /D0 заполнение полости кольца облегчается, что обеспечивает существенный рост высоты ступицы до 22,1 мм при степени деформации 75%. 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 H0 /D0 <1 высота ступицы на поковке значительно больше на (12 - 22) %, чем при осадке высоких заготовок H0 /D0 > 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 поковки 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».

Об авторах

А. В Гусева

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

Email: nastasya.gyseva.234@mail.ru
Самара, Российская Федерация

В. Р Каргин

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

Самара, Российская Федерация

Н. Д Рузанов

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

Email: ruzanow.n@yandex.ru
Самара, Российская Федерация

Список литературы

Дополнительные файлы