Research of extrusion process for piston-type hollow parts of car brake system cylinder by cold forging

Full Text

Получение заготовок для поршней методами обработки давлением являются наиболее перспективными [1, 2, 3, 5, 7, 11]. В современном производстве, когда закупка эксперимен- тального инструмента и оборудования становится крайне невыгодной, важнейшую роль иг- рает теоретическое моделирование методом конечно-элементного анализа. Такой анализ по- казывает все интересующие инженера технологические характеристики при разработке но- вых процессов. Как показывает практика, при производстве изделий процесс, который был рассчитан на ЭВМ конечно-элементной системой, не отличается от действительного [4, 6, 8, 9, 10, 12]. Целью работы является разработка и исследование технологических процессов штам- повки детали типа «поршень» с заданной конфигурацией и геометрическими размерами. В работе проводятся численные исследования процесса выдавливания полых деталей с различ- ной толщиной дна в конечно-элементной системе Q-Form 3D. На рисунке 1 представлена деталь «поршень тормозного цилиндра», а на рисунке 2 - существующий технологический процесс его изготовления. Как правило, детали такого типа изготавливаются для автомобильной промышленности, где потребность в них достигает 2 - 3 млн. штук в год. С целью обеспечения конкурентоспособности производственного процесса изготовления таких изделий необходимо снижать себестоимость за счет внедрения новых технических решений. На рисунке 3 показан предлагаемый технологический процесс получения детали. На первом технологическом переходе начальное формообразование получает торцевая часть заготовки, а на втором переходе происходит окончательное формообразование внутренней поверхности и стенок детали. Конечный результат исследуемой технологии не выходит за рамки заданной геометрии и допускаемых размеров. Конечно-элементный анализ проводился в программе QForm 3D. Искомой величиной является значение деформации и определение кинематики течения металла при равной тол- щине стенки и переменной толщине дна, причем сила деформирования должна оставаться минимальной. По результатам моделирования производится оценка физико-механического состояния деформируемого металла в каждой точке очага деформации. Рисунок 1. Чертёж детали «поршень тормозного цилиндра» Рисунок 2. Существующий технологический процесс изготовления детали «поршень тормозного цилиндра» а) б) в) Рисунок 3. Новый технологический процесс детали «поршень тормозного цилиндра»: а - заготовка/70 тонн; б - 1-ый переход/калибровка/120 тонн; в - 2-ой переход/обратное выдавливание/160 тонн) На рисунках 4 - 5 показаны результаты моделирования технологического процесса для стали 10 в соответствии с параметрами, представленными в таблице 1. По результатам про- веденного моделирования получены значения требуемой силы деформирования для каждого технологического перехода (таблица 2). Параметры моделирования Таблица 1 № п/п Параметр Значение 1 Коэффициент трения 0,1 2 Температура окружающей среды, °С 20 3 Толщина дна поковки, мм 4 - 7 4 Номинальная сила механического пресса, МН 6,3 Полученные значения силы деформирования Таблица 2 Номер позиции Операция Значение силы, кН 1 Осадка 1 078 2 Обратное выдавливание 1 850 Из рисунка 6 видно, что при различной толщине дна детали (S7 = 7мм; S6 = 6 мм; S5 = 5 мм; S = 4 мм) сила, требуемая для выдавливания материала и формирования вертикальных стенок, остаётся практически неизменной для всех исследуемых размеров. Однако при уменьшении толщины дна детали появляется дефект типа «утяжина» (рисунок 7а). Дефект увеличивается пропорционально уменьшению дна поршня, и таким образом происходит нарушение технических условий изделия и размеров, заданных чертежом. а) б) в) г) Рисунок 4. Моделирование технологического процесса детали «поршень тормозного цилиндра» а) моделирование осадки б) моделирование обратного выдавливания Рисунок 5. Диаграммы сила-путь, полученные при численном моделировании технологических переходов Рисунок 6. Сравнение графиков зависимости сила-перемещение при формообразовании детали «поршень тормозного цилиндра» с различной толщиной дна а) б) Рисунок 7. Устранение дефекта типа «утяжина» (а) за счет оптимизации инструмента (б) Решением, разработанным в ходе исследования проблемы, стала доработка геометрии дна поршня (рисунок 7б), за счет уменьшения стенки дна не с внутренней, а с наружной сто- роны полой детали. Такое формообразование детали препятствует появлению дефекта типа «утяжина» за счет более оптимального перераспределения металла в очаге деформации на этапе холодного обратного выдавливания. При этом сила, требуемая для штамповки прора- ботанной детали (рисунок 8), практически не изменяется по сравнению с прошлыми иссле- дуемыми вариантами. Рисунок 8. График зависимости сила-перемещение при формообразовании по новой технологии детали «поршень тормозного цилиндра» Выводы Процесс моделирования показал, что сила деформирования при обратном выдавливании до получения толщины дна равной толщины стенки изменяется не значительно. Предлагаемый технологический процесс предполагает следующие преимущества по сравнению с действующим технологическим процессом: экономия металла за счет уменьшения толщины дна детали и, как следствие, уменьшение массы конечного изде- лия. Также устраняется появление дефекта типа «утяжина» из-за более благоприятного течения материала внутри матрицы.

About the authors

Y. K Filippov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: kiod@mami.ru
+7 495 223-05-23, ext. 1282

S. A. Tipalin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: kiod@mami.ru
+7 495 223-05-23, ext. 1282

M. A. Petrov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: kiod@mami.ru
+7 495 223-05-23, ext. 1282

Y. N Anfimov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: kiod@mami.ru
+7 495 223-05-23, ext. 1282

K. Y Filippov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: kiod@mami.ru
+7 495 223-05-23, ext. 1282

References

Supplementary files