IMPROVING THE TECHNOLOGICAL PROCESS EFFICIENCY FOR MANUFACTURING THE PARTS USING THE DIE FORGING METHOD

Full Text

Производство заготовок деталей машин имеет важное значение в машиностроении, так как выбор способов из- готовления исходных заготовок, их конструктивной формы и размеров, оборудование и технологическая оснастка для их производства в значительной степени определяют каче- ство изделия и эффективность его эксплуатации [1, 2]. В данном контексте, не подлежит сомнению тот факт, что качество заготовок существенно влияет и на основные технико-эксплуатационные параметры будущего изделия и показатели работы машиностроительного предприятия [3]. Использование прогрессивных методов, способов изготов- ления заготовок деталей машин не только обеспечивает сни- жение трудоемкости производства машин, но и экономит металл, улучшает качество изделий, повышает их долговеч- ность, эксплуатационную надежность и экономичность [4]. Проектирование и производство заготовок деталей ма- шин достаточно сложная задача, ее эффективность зависит от многих факторов, влияние которых по разным причинам является довольно неоднозначным [5, 6]. Как показывают исследования в этом направлении, есть возможность без значительных затрат повысить на 15-30% долговечность деталей при использовании эффективных ме- тодов их обработки, к числу которых относится метод холод- ной пластической трансформации [7-9]. При холодной обработке давлением происходит суще- ственное изменение свойств материала, которые значитель- но влияют на условия протекания процесса пластической деформации. Холодная обработка давлением вместе с ви- брационной обработкой во многих случаях является един- ственным средством улучшения эксплуатационных свойств материала [10]. При увеличении степени деформации повы- шаются все показатели прочности: предел упругости, предел прочности, предел текучести. В холодном состоянии реко- мендуется восстанавливать детали из низкоуглеродистых сталей, цветных металлов и сплавов [11]. Пластичность металла зависит от большого количества факторов, среди которых важную роль играют механиче- ские параметры процесса. Во время холодной пластической image image деформации главным фактором, влияющим на пластич- 1 ность, является напряженное состояние и закон его изменения в процессе погрузки. Для количественной оценки влияния нагруженного состояния на вероятность разрушения 2 обычно используют критерии разрушения (образование макротрещин в обрабатываемой материале) [12]. Сегодня для оценки работоспособности инструмента часто используют энергетический критерий Мизеса. Величину интенсивности напряжений по нему сравнивают с допустимым напряжени- ем в металле при его одноосном испытании. Для определения рационального варианта технологического процесса изготовления деталей методом холодного 3 выдавливания сегодня можно эффективно проводить ком- пьютерное моделирование. Ниже приведены результаты моделирования одного из вариантов холодного выдавливания типовой детали. Для расчетов с использованием программного комплекса QForm использовались следующие технологические данные. Геометрические линии заготовки и инструментов, ко- торые импортированы из CAD. Заготовка - является пластическим телом, инструмен- ты представляют собой упругое тело. Оборудование - гидравлический пресс, скорость дви- жения инструментов постоянна. Начальная температура инструмента и заготовки - 20 °С. Коэффициент трения μ = 0,155. Реализация моделирования осесимметричной задачи. Задаются параметры механических и температурных свойств стали 20Х, а также параметры кривой упроч- нения. В НИТУ «МИСиС» проведено твердотельное моделиро- вание комплекта инструмента с заготовкой из стали 20X с по- мощью модуля QDraft программного комплекса QForm [13]. В нем были рассмотрены осесимметричные схемы пластиче- ской деформации. Для этого нами была осуществлена про- рисовка половины сечения тел вращения, где можно увидеть верхний, нижний инструмент и заготовку (рис. 1). Рис. 1. Тела вращения в модуле QDraft программы QForm: 1 - верхний инструмент; 2 - заготовка; 3 - нижний инструмент Далее нами была выбрана схема деформации, тип обо- рудования, начальные температуры заготовки и инструмен- та, смазка, материал заготовки и инструмента, параметры расчета. В результате проведенного конечно-элементного мо- делирования в программном комплексе QForm процессов холодного выдавливания, определены поля упругих дефор- маций, перемещений и эквивалентных напряжений в высо- конагруженных деталях оснастки. Для закрепления инструмента приняты граничные усло- вия: матрица с бандажом (в исследовании они объединены одним телом) опирается на нижний торец (рис. 2). image а б Рис. 2. Моделирование в программном комплексе QForm: а - сетка конечных элементов; б - поле упругих перемещений точек матрицы под нагрузкой nОВЫШЕНИЕ 3<P<P ТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО nРОL. ССА И3ГОТОВЛЕНИR ДЕТАЛЕH МЕТОДОМ ОБbЕМНОH ШТАМnОВКИ Герасимова А.А. Расчетные значения эквивалентных напряжений, вычис- ляем в главных напряжениях по выражению: вающие ее напряжения. Однако под действием этой же силы упруго опускается средняя часть инструмента. Это приводит к появлению радиальных сжимающих напряжений между image 1    2     2     2 . наружными и внутренними слоями бандажа. Величина этих σэкв = 2 1 2 2 3 3 1 Расчетные значения эквивалентных напряжений, воз- никающие в матрице для такой высокой степени холодной деформации при выдавливании прутка могут превышать 5-7 тыс. МПа, что в несколько раз превышает допустимые значения для инструментальных сталей, при этом даже твер- дые сплавы, которые применяются для сравнительно ма- леньких изделий, выдерживающих не более 2500-3000 МПа. С помощью моделирования были формализованы поля передвижений тела матрицы, а также другие параметры. В проводимом виртуальном эксперименте в программном комплексе QForm опорная нижняя поверхность матрицы за- креплена с учетом возможности скольжения в радиальном направлении. Из этого следует, что эквивалентные напряжения на- ходятся выше уровня допустимых значений, что приведет к тому, что матрица будет разрушена на первых циклах обра- ботки. Обычными способами снижения нагрузок в полости матрицы являются увеличение толщины ее стенки (рис. 3) и напрессовкой одного или нескольких бандажей. Из рис. 3 следует, что при увеличении стенки матрицы с 40 до 80 мм напряжения в ней снижаются до 5700 МПа, но и они значительно превышают допустимые значения. Использование предварительного напряженных конструк- ций способно частично решить задачу прочности высокона- гружаемых инструментов, однако при широкой амплитуде циклических деформаций на внутренней поверхности ма- трицы происходит усталостное разрушение инструмента. Автором настоящей работы исследована также кон- струкция матриц с бандажом «арочной» или «тарельчатой» конструкции (рис. 4). При расчетах был использован также программный комплексе QForm. Бандаж, опирается только наружной кольцевой поверхностью на жесткое основание, поэтому под воздействием усилия деформирования бандаж может изменять упруго свою форму, т.к. его средняя часть матрицы имеет возможность опускаться вниз под нагрузкой. При повышении осевой силы от пресса на материал в по- лости матрицы в ней возрастает давление, растут и растягинапряжений пропорциональна осевой нагрузке, т.е. величи- не рабочих напряжений в полости матрицы. image Рис. 3. Поле напряжений в матрице при увеличении толщины ее стенки в программном комплексе QForm Таким образом, переменные внутренние рабочие напря- жения могут быть частично уравновешены дополнительно наружной частью бандажа. Такое бандажирование позво- ляет снизить растягивающие тангенциальные напряжения в рабочей полости матрицы при возникновении критических напряжений, а также снизить высокие сжимающие тангенци- альные напряжения в матрице от бандажа при сбросе усилия и внутреннего давления в полости. Этот способ усиления ма- триц при холодном выдавливании можно отнести к одному из методов «пропорционального бандажирования» рабочей полости. Снижение амплитуды цикла напряжений и дефор- маций в рабочей полости матриц и вообще сосудов высокого давления является средством повышения их ресурса или мас- сы дорогостоящего инструмента для обработки материалов. image а б Рис. 4. Схемы матрицы с бандажом: а - «арочной» конструкции; б - «тарельчатой» конструкции Выводы Исследована схема холодного выдавливания сталь- ного изделия с применением бандажей арочной кон- струкции и установкой крепления на кольцевую опор- ную поверхность внешнего контура бандажа. Предложенная конструкция обладает свойствами пропорционального бандажирования, создает полез- ные переменные сжимающие напряжения, ожидае- мым эффектом применения такой оснастки является повышение технического ресурса инструмента и раз- витие возможностей процесса холодного выдавлива- ния металлов.

About the authors

Alla Aleksandrovna Gerasimova

National Research and Engineering University “MISIS”. Moscow

Email: allochka@rambler.ru
Candidate of Science (Engineering), Associated Professor

References

Supplementary files