Поксеваткин М.И. Проектирование и оптимизация процессов малоотходной горячей штамповки

Подождите немного. Документ загружается.

а – в момент стабилизации очага деформации; б – с использованием

магазинного компенсатора;

в – с использованием деформационного

компенсатора (с устройством противодавления).

Рисунок 4.1 – Расчётные схемы процесса заполнения штампа при

штамповке выдавливанием

С учётом допущений и формул для вычисления значений

[10] получают расчётную длину стержня

, при которой обеспе-

чивается заполнение углов полости матрицы:

)/ln(

⋅=

(4.2)

где

- ширина очага деформации в углу матрицы в момент его стаби-

лизации (проекция отрезка

а [10] (рисунок 4.1, а)):

)(5.0 DDb

−=

-для первой ступени выдавливаемого элемента; (4.3)

)(5.0

1 kn

ddb −=

- для второй ступени элемента.

Здесь

d,D,D

d - соответственно диаметры заготовки, по-

ковки, стержня и компенсационной полости; величину

определяют

из геометрических соображений (см. рисунок 4.1, a):

).(41.0 rbu

−

(4.4)

Условие заполняемости полости матрицы записывается с учётом

величины затекания металла в стержневую полость в стадии открытого

выдавливания (стадия распрессовки) (

от

отpc

lll

≥

. (4.5)

Для определения

от

в результате обработки опытных данных,

приведённых в работе [10], получена формула [5]:

]

[

7.0)/()/(308,0

−+=

nnnnnот

DdDdDl

. (4.6)

С учётом формул (4.2) и (4.6) условие заполнения полости штам-

па (4.5) примет вид [5]:

[

]

7.0)/()/(308.0

)/ln(

−+⋅⋅+⋅≥

nnnnn

DdDdDu

. (4.7)

В случае невыполнения условия (4.7) заполнение полости штам-

па и размещение избытка металла можно обеспечить решением одной

из следующих задач:

первая задача

: устроить в штампе магазинный компенсатор диа-

метром

(рисунок 4.1, б);

вторая задача:

применить деформационный компенсатор – устро-

ить противодавление со стороны выталкивателя диаметром

(рису-

нок 4.1, в);

третья задача:

выбрать пресс, обеспечивающий размещение из-

бытка металла за счёт упругой деформации системы пресс-штамп.

Если названные задачи окажутся неприемлемыми, то следует

увеличить размеры закруглений в полости штампа или ввести штампо-

вочные уклоны в стержневой полости.

Первую задачу решают в следующем порядке:

1) находят величину

затекания металла в угол полости к мо-

менту образования стержня расчётной длины с учётом затекания ме-

талла в стадии открытого выдавливания [10]:

)(

)/ln(

отc

и −=

; (4.8)

2) определяют величину недозаполнения угла полости

u при

заданной длине стержня

l :

;

рн

uuи

−

(4.9)

3) определяют значение [5]:

),2( rdmd

njkj

−

(4.10)

где

- диаметр компенсационной полости при j-м значении коэф-

фициента m; j – номер выбора значений коэффициента m;

m – шаго-

вый коэффициент подбора

d , минимизирующий значение

d по ус-

ловию прочности выталкивателя.

Принимают область значений коэффициента

[

]

7,0;3,0

∈

. Ниж-

ний предел даёт минимальное наиболее вероятное значение

d , при

котором обеспечивается прочность выталкивателя, верхний предел

принят из геометрических соображений (см. рисунок 4.1 ,б). Если ве-

личину шага принять 0,1, то каждое последующее значение коэффици-

ента m можно рассчитать по формуле:

1.0

при

[

]

55,...,2,1

; (4.11)

4) проверяют на прочность выталкиватель диаметром

[

]

ввkвыт

σπ

<⋅ )/(4

, (4.12)

где

вв

- предел прочности металла выталкивателя: для стали

5ХНМ

МПа

1250=

(при температуре нагрева 200

С) после закалки

с 850

С; отпуск 550

С [11].

выт

Р – усилие выталкивания поковки. Для

ориентировочных расчётов [2]:

выт

15,0

, (4.13)

где

- усилие штамповки выдавливанием; для приближённых

расчётов можно принять:

nвt

. (4.14)

Здесь

- сопротивление деформации металла поковки при тем-

пературе окончания штамповки (таблицы 2.11 и 2.12); F

– площадь

проекции поковки в направлении действия усилия P:

DF ⋅=

; (4.15)

5) если условие (4.12) выполняется, то определяют необходимую

длину

)(

компенсационной полости, которая при полученных значе-

ниях

создаёт дополнительное сопротивление деформации,

достаточное для устранения недозаполнения полости штампа:

)/ln(

l =

(4.16)

где

- ширина очага деформации в углу матрицы при глубине

затекания металла

rub

нн

5.2

. (4.17)

Объём магазинного компенсатора

)(

определют из условия

ккизб

⋅

, (4.18)

где

)8,06,0( ÷

- коэффициент заполнения компенсационной по-

лости;

ккизб

ldV

- объём избытка металла.

Если условие (4.12) не выполняется при всех значениях

, то

применяют компенсатор с противодавлением (см. рисунок 4.1, в).

При решении второй задачи в случае прямого выдавливания в ци-

линдрическую полость диаметром

при длине выдавливаемого

стержня

напряжение противодавления

пр

можно определить по

формуле [2]:

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−−= )3.0ln))((ln3

вtпр

σσ

. 4.19)

Тогда усилие противодавления

)(

пр

Р равно

впрпр

⋅

, (4.20)

где

nв

. (4.21)

Третью задачу решают в случае, когда объём металла

)(

изб

не

превышает 2% объёма заготовки

)(V

[2].

Задачу выполнют в следующей последовательности:

1) по графику (рисунок 4.1) определяют величину упругой де-

формации

()

′

∆

от усилия штамповки, рассчитанного ранее по фор-

муле (4.14);

2) подсчитывают величину недоштамповки

)( h

′

∆

при макси-

мальных отклонениях исходной заготовки по формуле

F/Vh

max

∆

′

∆

, (4.22)

где

max

V∆

- максимальное отклонение объёма исходной заготовки,

рассчитывают по формуле (2.11), F – площадь поперечного сечения

заготовки.

Высоту заготовки определяют из соотношений (2.7) – (2.9).

Здесь

- объём поковки,

отх

- отход металла; предварительно

можно принять

изботх

VV =

. (см. формулу (2.3));

V008,0V

уг

- угар

металла при индукционном нагреве.

Рисунок 4.2 - График упругой суммарной деформации кривошипных

горячештамповочных прессов [2]

В таблице 4.1 приведены отклонения размеров заготовки для го-

рячекатаной круглой стали высокой и обычной точности после разрез-

ки в штампах и на ножницах при длине (высоте) заготовки до 300мм

[11].

При решении третьей задачи следует использовать прокат высо-

кой точности, способ разрезки – в штампе при нижнем значении ин-

тервала отклонений

;

3) находят суммарную упругую деформацию

)( h

∆

.hhh

′

∆

′

∆

(4.23)

По графику (рисунок 4.1) выбирают пресс, обеспечивающий уп-

ругую суммарную деформацию.

Алгоритм выбора компенсаторов при штамповке стержневых по-

ковок приведен на рис. 4.3.

Таблица 4.1 - Отклонения размеров заготовки, мм

Отклонения на диаметр (

∆

Диаметр заготовки

58 60

98 100

118 120

150

Точность проката

выс. обыч. выс. обыч. выс. обыч. выс. обыч.

0,2 0,4 0,3 0,5 0,3 0,6 0,4 0,8

Отклонения на длину (высоту)

∆

Диаметр заготовки

40 41

50 40

70 71

100

Разрезка в штампе Разрезка на ножницах

±(0,8÷0,9) ±(0,9÷1,0)

(1,0

1,5)

(1,5

2,0)

При выдавливании стержневых поковок с фасонным торцом

стержня (поковки типа корпуса распылителя) одним из эффективных

технологических приемов, обеспечивающих четкое заполнение полос-

ти закрытого штампа и своевременное удаление избытка металла в

компенсационную полость (КП), является использование нагрузочного

элемента, сформированного на торце заготовки в предварительном

ручье (рис. 4.4, а) [22].

Рисунок 4.3 – Алгоритм выбора компенсаторов при штамповке стерж-

невых поковок

Нагрузочный элемент формируют в виде выступа с замкнутым

контуром (для осесимметричных поковок – кольцевой формы). Про-

филь поперечного сечения выступа формируют трапецеидальной фор-

мы, что создает повышенное сопротивление деформации силового

элемента, усиливающееся существенно бóльшим его охлаждением при

транспортировке из предварительного ручья в окончательный, чем ох-

лаждение основной массы объема заготовки

. Это обеспечивает запол-

нение полости штампа с последующим удалением избытка металла

(рис. 4.4, б).

Рисунок 4.4 – Схемы выдавливания в закрытую полость – заключи-

тельная стадии процесса): 1 – пуансон, 2 – матрица, 3 – нагрузочный

элемент, 4 – предварительный переход, 5 – выталкиватель, 6 – компен-

сационная полость, 7 – поковка, 8 – избыток металла

В стадии формирования поковки:

= Т

+ R

д1

(4.24)

где

– усилие деформации силового элемента;

– сила трения, действующая на боковых поверхностях полости

штампа;

д1

– реактивная сила на дне матрицы.

В момент доштамповки:

= Т

+Р

кп

д2

, (4.25)

где

– суммарное усилие выдавливания в момент доштамповки;

– сила трения на боковых поверхностях полости штампа в мо-

мент доштамповки;

кп

–усилие деформации избытка металла при затекании его в КП;

д2

– реактивная сила на дне матрицы в момент доштамповки;

– реактивная сила (противодавление) на дне стержневой по-

лости (на торце выталкивателя).

С целью оптимизации процесса штамповки разработана иерархи-

ческая гибридная модель, представленная в виде четырехмодульного

алгоритма (рис. 4.5), включающего минимизацию силовых параметров

процесса при условии заполнения полостей закрытого штампа (модуль

1), минимизацию отхода металла (модуль 2), оптимизацию геометри-

ческих и силовых параметров компенсационной

полости (КП) (модуль

3) и минимизацию усилия штамповки (модуль 4).

В исходные данные вводят параметры поковки, заготовки и по-

лости штампа:

, H

, D

– объем, высота и диаметр поковки; V, H и D

– соответственно объем, высота и диаметр заготовки;

и l

– диаметр

и длина стержня (выступа) поковки;

вt

– предел прочности стали при

температуре окончания штамповки;

r – радиус закругления в полости

матрицы; b

– ширина угла, не заполненного металлом к моменту ста-

билизации процесса штамповки;

ξ – коэффициент заполнения компен-

сационной полости;

=1,…,n – группы точности исходной заготовки

(

i – номер группы, n – количество групп); V

=(0,02÷0,06)V – объем

отхода металла, рекомендуемый при закрытой штамповке.

В первом модуле М1 минимизируют силовые условия процесса,

обеспечивающие заполнение матричной и стержневой полостей штам-

па (блоки 1.1 – 1.5).

С учетом допущений и зависимостей, приведенных в работе [10],

напряжения деформации в стержневой полости равно (блок 1.1):

сsc

ln)1(2

µσσ

+= , (4.26)

где

– сопротивление деформации, соответствующее реальным усло-

виям штамповки;

- показатель трения на контактной поверхности в

стержневой полости.

Далее, в блоке 1.2 определяют напряжение, действующее в окре-

стности углов матричной полости, используя выражение [10]:

100

ln)1(

мsu

µσσ

+= , (4.27)

где

- показатель трения на стенках полости матрицы.

В блоке 1.3 модуля М1 проверяют условие

, обеспечиваю-

щее заполнение стержневой полости. В случае невыполнения условия

следует изменить радиус (

, ρ = 1,…, s – номера радиусов, s – коли-

чество номеров) закругления (блок 1.4) в полости матрицы и пересчи-

тать значение

(блок 1.2). После выполнения условия блока 1.3 пере-

ходят к расчету внутреннего диаметра

эj

= (0,2÷0,8) D

; j = 1 ,…, z

– номера параметров, z – количество параметров) нагрузочного эле-

мента (блок 1.5). Затем определяют напряжения деформации нагрузоч-

ного элемента (блок 1.6), обеспечивающего заполнение матричной по-

лости штампа.

Для определения напряжения деформации

) нагрузочного эле-

мента кольцевой формы используется формула И.Я. Тарновского, по-

лученная при малой осадке цилиндрической полой заготовки [36]:

sэ

18.008.1[p ⋅⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−⋅+=

ασ

, (4.28)

где

и h

– внутренний диаметр и высота нагрузочного (кольцевого)

элемента;

– относительный параметр трения, определяемый по

формуле:

мм

)1(

µµµα

−⋅+=

. (4.29)

Здесь

τ – касательное напряжение на стенках матрицы; τ

– на-

пряжение чистого сдвига.

Затем, в блоке 1.7 проверяют условие заполнения матричной по-

лости

). В случае не выполнения этого условия корректируют

размеры нагрузочного элемента (блоки 1.8 и 1.9). Если не один типо-

размер нагрузочного элемента не удовлетворяет условию заполнения

матричной полости, то необходимо применить другое компенсацион-

ное устройство из найденной выборки. После выполнения условия

блока 1.7 переходят к решению модуля 2.