Проектирование инструмента для горячей вальцовки заготовок

Аннотация

Рассмотрена методика проектирования ручьев секторов-штампов для вальцовки заготовок в системе овальных и круглых калибров. В результате обработки опытных данных получены уравнения регрессии, позволяющие учесть пружинение валков и неравномерность уширения заготовок при проектировании ручьев.

Полный текст

При профилировании заготовок под последующую штамповку наиболее часто применяют вальцовку в системе овальных и круглых калибров за два, три или четыре прохода по схемам круг-овал-круг, круг-овал-круг-овал и круг-овал-круг-овал-круг [1]. Определение размеров ручьев секторов-штампов производится на основании чертежей переходов вальцованной заготовки. Глубину вреза ручьев следует назначать с учетом пружинения валков . Пружинение заключается в увеличении межосевого расстояния валков ковочных вальцов и, следовательно, высоты калибра. Величина пружинения зависит от конструкции вальцов и силы деформирования . Высота калибра должна быть меньше высоты соответствующего сечения заготовки на величину пружинения . Поэтому при проектировании инструмента глубину вреза верхнего и нижнего ручьев уменьшают на величину на всей длине деформируемого участка. Радиус ручьев оставляют расчетным. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что при вальцовке в овальных калибрах площадь контакта с заготовкой и, следовательно, сила деформирования больше, чем при вальцовке в круглых или квадратных калибрах. Поэтому при проектировании секторов-штампов во избежание образования бокового заусенца в следующем по ходу деформирования калибре достаточно уменьшить на величину пружинения только расчетную высоту овального калибра [2, 3]. При проектировании овального калибра следует также учитывать неравномерность уширения металла по длине деформируемого участка, так как от ширины полученной овальной заготовки зависит возможность вальцовки в последующем круглом калибре. Вблизи необжимаемых головок заготовки реализуется процесс нестационарной деформации. Головки оказывают сдерживающее влияние на уширение металла, в результате чего возможно незаполнение ручьев в последующем круглом калибре вблизи головок. Влияние головок на течение металла в средней части обжимаемого участка практически не сказывается. Здесь процесс деформации является установившимся (стационарным) и овальная заготовка имеет большую ширину. Поэтому в средней части участка возможно образование бокового заусенца при вальцовке в последующем круглом или квадратном калибре [4]. Если коэффициент вытяжки более 1,3, то возможно образование бокового заусенца и в самом овальном калибре. Образование бокового заусенца в круглом калибре особенно недопустимо при использовании вальцованных заготовок взамен полученных выдавливанием для последующей продольной (торцевой) штамповки круглых в плане поковок [5]. В этом случае вальцованная заготовка укладывается деформированной частью в штамповочный ручей, расположенный вертикально, и боковой заусенец (при его наличии) может привести к браку поковок. Таким образом, к полуфабрикату предъявляются повышенные требования по качеству. Одним из основных требований является отсутствие бокового заусенца. Учет пружинения и неравномерности уширения заготовок при проектировании калибров позволяет получать заготовки без заусенца. Использование профилированных вальцовкой заготовок взамен полученных выдавливанием при производстве круглых поковок внедрено на кузнечном заводе ОАО «КАМАЗ-Металлургия». Для определения рациональной конструкции овальных калибров, учитывающей различную степень уширения по длине заготовки, предложено деформируемый участок разделить на два участка длиной (они примыкают к необжимаемым головкам) и средний участок длиной (рисунок 1). Результаты экспериментов и расчетов показали, что для получения качественной вальцованной заготовки при использовании схемы деформирования круг-овал-круг необходимо уменьшить высоту овального калибра на некоторую величину на участке . а) б) Рисунок 1. Заготовка с участками незаполнений длиной после вальцовки по схеме круг-овал: а – вид сбоку, б – вид сверху Для аппроксимации формул, позволяющих рассчитывать значения и , использовали массивы данных, полученных путем анализа результатов доводки инструмента и внедрения новых технологий вальцовки заготовок на двухопорных ковочных вальцах моделей ARWS-2а, ARWS-2, ARWS-1а и ARWS-1 фирмы Eumuco. Наличие указанных эмпирических формул позволяет уточнить методику проектирования ручьев секторов-штампов. Проведен анализ около 40 технологий вальцовки заготовок за два, три и четыре прохода по схемам круг-овал-круг, круг-овал-круг-овал, круг-овал-круг-овал-круг. В таблице 1 приведена краткая техническая характеристика ковочных вальцов и диапазоны изменения технологических параметров в исследованных технологических процессах. Выполнены все этапы статистической обработки опытных данных: проверка массивов на соответствие закону нормального распределения, отсев грубых погрешностей, расчет коэффициентов уравнений регрессии и проверка значимости полученных уравнений, проверка значимости коэффициентов регрессии, проверка массивов остатков на соответствие закону нормального распределения. В результате получены уравнения регрессии для расчета пружинения в зависимости от усилия вальцовки следующего вида [2, 3]: ARWS-1 и ARWS-2 – ; ARWS-1а и ARWS-2а – . Таблица 1 Краткая техническая характеристика ковочных вальцов и диапазоны изменения технологических параметров № п/п Параметры Модель вальцов ARWS-1 ARWS- 1а ARWS-2 ARWS-2а 1 Номинальное межосевое расстояние, мм 370 460 560 680 2 Номинальная сила вальцовки, кН 630 920 1250 3000 3 Объем выборки 10 8 19 29 4 Диаметр исходной заготовки, мм 50…60 50…70 70…95 65…130 5 Коэффициент вытяжки 1,23… 1,45 1,24… 1,65 1,16… 1,55 1,16… 1,53 6 Отношение осей овальной заготовки 1,4… 2,3 1,2… 2,9 1,3… 2,7 1,5… 2,7 7 Пружинение , мм 0,9…2,0 1,4…1,9 1,5…2,7 1,3…3,3 8 Сила вальцовки , кН 350… 630 330… 920 830… 920 1080… 3000 Коэффициенты регрессии и для каждой модели вальцов имеют свои числовые значения. Диапазон изменения коэффициентов корреляции для полученных уравнений = 0,76…0.82. Получены также уравнения регрессии для расчета параметра , на величину которого следует уменьшить высоту овального калибра в средней части обжимаемого участка в первом или втором проходах с целью компенсации неравномерности уширения заготовок [4]. Эти уравнения имеют следующий вид: . Здесь D – номинальное расстояние между осями валков ковочных вальцов, - длина деформированного участка круглой заготовки после второго или четвертого прохода, - диаметр исходной заготовки, - высота калибра с учетом пружинения, - суммарная вытяжка за два прохода (первый и второй или третий и четвертый). Рассмотрим пример проектирования ручья сектора-штампа, выполненного с учетом уменьшения высоты овального калибра для компенсации пружинения валков и неравномерности уширения заготовки. На рисунке 2 представлена заготовка после первого прохода вальцовки по схеме круг-овал. Полное количество проходов 4: круг-овал -круг-овал-круг. На рисунке 3 показан овальный ручей первого прохода. Поперечный разрез ручья А - А соответствует участку , а разрез Б - Б участку . Высота калибра с учетом пружинения на участке длиной : мм. Учтенная величина пружинения = 3,2 мм (это разница между высотой заготовки в сечении А – А и ). Высота калибра на участке длиной с учетом глубины вреза (16,9 мм) и зазора между секторами (6 мм): мм. Размер - это фактическая высота калибра в рассматриваемом поперечном сечении с учетом пружинения валков и неравномерности уширения металла. Таким образом, высота калибра на участке с установившейся деформацией дополнительно уменьшена на величину = 2,4 мм. Рисунок 2. Эскиз заготовки после первого прохода вальцовки по схеме круг-овал а) б) Рисунок 3. Продольный (а) и поперечные (б) разрезы овального ручья сектора-штампа Разработанная методика проектирования ручьев секторов-штампов с учетом пружинения валков и неравномерности уширения металла по длине обжимаемого участка заготовки используется на кузнечном заводе ОАО «КАМАЗ-Металлургия».