автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Холодное комбинированное выдавливание полых полусферических деталей с фланцем

На правах рукописи

МОЛОДОВ АНДРЕИ ВИКТОРОВИЧ

ХОЛОДНОЕ КОМБИНИРОВАННОЕ ВЫДАВЛИВАНИЕ ПОЛЫХ ПОЛУСФЕРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ С ФЛАНЦЕМ

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

б и:сн 2013

005060821

Москва 2013

005060821

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)"

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Филиппов Юлиан Кириллович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Панфилов Геннадий Васильевич ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

кандидат технических наук, доцент Белокуров Олег Александрович ФГБОУ ВПО МГГУ им. Н.Э. Баумана

Ведущее предприятие: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования МГТУ "Станкин"

Защита диссертации состоится «18» июня 2013 г. в 14 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.271.01 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300012, г. Тула, ГСП, просп. Ленина, д. 92, 9-101).

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан «17» мая 2013 г.

Ученый секретарь . л

диссертационного // Л

совета Черняев Алексей Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Разработка и освоение новых технологий в машиностроении способствует конкурентоспособности выпускаемой продукции за счет получения изделий высокого качества при минимальных трудовых, материальных и энергетических затратах на их производство.

В связи с этим возрастает роль технологий заготовительного производства и особенно методов обработки металлов давлением, среди которых значимое место занимает холодная объемная штамповка.

Комбинирование схем прямого, обратного и радиального выдавливания ■ при изготовлении полусферических деталей с фланцем повышает технологические возможности процессов штамповки за счет снижения энергетических затрат и сокращения числа технологических переходов. Однако внедрение комбинированных процессов холодного выдавливания в настоящее время затруднено из-за недостаточной изученности этих технологий и, как следствие, отсутствия информации в литературе.

Холодная объемная штамповка обладает рядом преимуществ. Она обеспечивает получение точных заготовок, а иногда и готовых деталей, обладающих высоким качеством поверхности, благодаря чему расход металла на изготовление изделий и трудоемкость становятся минимальными. Увеличивается прочность деталей за счет упрочнения при холодной деформации.

Помимо преимуществ, у этой технологии имеются и недостатки. Одним из главных является недолговечность дорогостоящего штампового инструмента. Стойкость штамповой оснастки напрямую зависит от правильно подобранного смазывающего материала, а также от рационального выбора геометрии рабочих частей штампа.

Для повышения качества изделий и технологических возможностей ХОШ необходимо развитие технологий заготовительного производства за счет изучения и освоения процессов комбинированного выдавливания, а также выбора рационального смазывающего материала для этих процессов. На решение этой задачи направлена настоящая работа.

Цель работы.

Повышение эффективности процесса производства осесимметричных полусферических деталей с фланцем, получаемых методом холодного комбинированного выдавливания, за счет изучения характеристик течения металла для данного класса деталей.

Задачи исследования:

1. Проведение исследования кинематики течения металла при процессе комбинированного выдавливания с различными вариантами формообразования полусферической детали с фланцем аналитическим методом и методом конечных элементов (<}Рогт-2В).

2. Разработка рекомендаций по выбору рациональной геометрии рабочего инструмента для комбинированного выдавливания для класса полых полусферических деталей с фланцем.

3. Проведение исследования кинематики течения металла в процессе получения полусферической детали с фланцем экспериментальным методом

координатной сетки и конечно-элементным моделированием в программе С)Рогт-20. Сравнение полученных данных и оценка процента погрешности расчетов между компьютерным моделированием и проведенными экспериментами.

4. Проведение экспериментальной оценки технологических свойств новых смазывающих материалов для процессов холодного выдавливания.

5. Разработка технологического процесса и производственных штампов для холодного комбинированного выдавливания полусферических деталей с фланцем на примере детали «Корпус шаровой опоры».

Объект исследования.

Процессы деформирования металлов в режиме холодной объемной штамповки.

Предмет исследования.

Комбинированное выдавливание полых полусферических деталей с фланцем из металлов в режиме холодной объемной штамповки.

Методы исследования.

Экспериментально-аналитические исследования процесса

комбинированного выдавливания полусферических деталей с фланцем проводили на основе метода конечных элементов в программе (ЗРогт-20'. Экспериментальные исследования выполнены с использованием современных испытательных машин и регистрирующей аппаратуры: гидравлического пресса модели ЕШОО со встроенной системой плавного управления скоростью перемещения ползуна и регистрирующей аппаратурой, и механического пресса К0032 с регистрирующей аппаратурой. Обработка опытных данных проведена с применением методов математической статистики.

Автор защищает:

результаты расчетов и экспериментальных исследований деформированного состояния и силовых режимов в процессе холодного комбинированного выдавливания для класса полых полусферических деталей с фланцем;

- закономерности влияния технологических параметров и геометрии рабочего инструмента на силовые режимы исследуемых операций холодного комбинированного выдавливания для класса полых полусферических деталей с фланцем;

- метод прямого измерения силы трения по стенкам цилиндрического контейнера;

технологический процесс комбинированного выдавливания полусферических деталей с фланцем на примере детали «Корпус шаровой опоры» из стали 10; производственные штампы для комбинированного выдавливания полусферических деталей с фланцем, обеспечивающие требуемое качество изделий, уменьшение трудоемкости и металлоемкости их получения, сокращение сроков подготовки производства новых изделий.

Научная новизна:

Получена аналитическая зависимость для расчета удельной силы

1 Сайт разработчиков: http://www.qform3d.ru.

деформирования для процесса холодного выдавливания полой полусферической детали с фланцем на основе представленной математической модели.

Практическая значимость.

На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований:

- выработаны рекомендации по выбору рациональной геометрии рабочего инструмента для холодного комбинированного выдавливания полых полусферических деталей с фланцем. Данные рекомендации исключают возникновение дефектов, сопутствующих процессам холодного комбинированного выдавливания полых полусферических деталей с фланцем;

-экспериментально определен показатель контактного трения при холодной деформации заготовок, покрытых смазкой семейства Bonderlube, методом осадки кольцевых образцов. Результаты экспериментов приняты фирмой Henkel inc. для реализации смазочного материала марки Bonderlube на российском рынке;

- разработан и экспериментально проверен на работоспособность метод прямого измерения силы трения по стенкам цилиндрического контейнера. Предлагаемый метод принят к внедрению в учебный процесс;

- получен тарировочный график «сила-глубина затекания» для алюминиевого сплава АДО, ГОСТ 4784-97, применимый к методу прямого измерения силы трения по стенкам цилиндрического контейнера;

- разработан технологический процесс изготовления детали «Корпус шаровой опоры» методом холодного комбинированного выдавливания из стали 10. Спроектированы производственные штампы. Технологический процесс и конструкция штампов приняты к внедрению в производство.

Реализации работы. Разработанный технологический процесс изготовления детали «Корпус шаровой опоры» методом холодного комбинированного выдавливания был востребован ООО "Металл-ТехСтандарт", г. Москва в виду обеспечения конкурентоспособности выпускаемой продукции и перехода предприятия от изготовления детали «Корпус шаровой опоры» методом горячей объемной штамповки на изготовление данной продукции методом холодного комбинированного выдавливания. При использовании технологии холодного комбинированного выдавливания сокращаются затраты на приобретение дорогого материала и межоперационный нагрев заготовки, уменьшается количество отходов материала, сокращается трудоемкость изготовления, увеличивается качество поверхности изделия.

Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» и студентов, обучающихся по направлению 150200 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением», и включены в разделы лекционных курсов «Теория обработки металлов давлением», «Листовая и объемная штамповка», а также использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и

дипломных проектов на кафедре «Кузовостроение и обработка металлов давлением» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)».

Связь темы диссертации с общегосударственными задачами.

Экспериментальные исследования по определению величины контактного трения по стенкам цилиндрического контейнера при пластической деформации алюминиевых сплавов проводили в рамках государственного контракта № 14.740.11.0584 «Исследование сопротивления сплавов системы АЬМй-Э! деформации в течение переходных процессов, инициированных пластической деформацией, при повышенных температурах» от 05 октября 2010 г.

Апробация работы.

Результаты исследований доложены:

- на международном научном симпозиуме "Автотракторостроение -2009", г. Москва, 2009;

- на международной научно-технической конференции ААН «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров", посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ», г. Москва, 2010;

- на 77-й международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров", г. Москва, 2012.

Публикации. Основное содержание работы изложено в 10 печатных работах, в том числе в 4 публикациях в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в список ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и приложений. Работа выполнена на 143 страницах машинописного текста, содержит 71 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 104 наименований и 3 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и цели диссертационной работы, приведены научная новизна, практическая значимость, методы исследования и основные положения, выносимые на защиту, краткое содержание диссертации.

В первой главе приводится обзор литературных источников, связанных с изучаемыми вопросами: формообразование тела при холодной деформации; исследование процессов радиального, обратного и комбинированного выдавливания; существующие подходы к моделированию процессов холодного выдавливания; классификация типовых деталей с фланцем и существующих математических моделей процессов выдавливания деталей с фланцем.

Вопросам комбинированного выдавливания посвящены работы А. Э. Артеса, И. С. Алиева, К. Н. Богоявленского, Я. Е. Бейгельзимера, А. Л. Воронцова, В. А. Головина, Г. Я. Гуна, А. К. Евдокимова, В. В. Евстифеева, В. А. Евстратова, В. А. Крохи, А. Н. Митькина, Л. Д. Оленина, И. О. Сивака,

Ю. К. Филиппова, В. Я. Шехтера, Л, А. Шофмана, С. П. Яковлева, а также Б. Авицура, У. Джонсона. Э. Томсена, Т.Д. Фельдмана, Р. Хилла, Ч. Янга и др.

В главе проанализированы экспериментальные и экспериментально-аналитические методы исследования формоизменения в различных процессах деформирования деталей.

Также приводится обзор литературных источников, посвященных исследованию контактного трения и методов оценки сил трения в процессах обработки металлов давлением.

Из обзора литературных источников, приведенных в главе, следует, что отсутствует анализ процесса комбинированного выдавливания полых полусферических деталей с фланцем, не изучено влияние геометрии инструмента на конечные размеры детали и силу деформирования. Также отсутствует качественный метод оценки сил трения, действующий в процессах обработки металлов давлением, не связанный с последующим расчетом, связанным, как правило, с упрочняющими допущениями.

В заключение обзора сформулированы неисследованные или требующие уточнения вопросы, на основании которых поставлены цель и задачи настоящей работы.

Во второй главе проведено моделирование комбинированного процесса выдавливания полых полусферических деталей с фланцем аналитическим методом и методом конечных элементов в программе С,)Рогт-2П при различной геометрии рабочего инструмента. Изучена кинематика течения металла и предложена рациональная геометрия рабочего инструмента, при которой происходит максимальное заполнение полости штампа металлом. Приводятся рекомендации по выбору рациональной геометрии рабочих частей штамповой оснастки для производства класса полусферических деталей с фланцем.

Расчетная схема аналитической задачи для процесса

выдавливания полусферической детали с фланцем представлена на рис. 1. Действующие напряжения на

рассматриваемый элемент представлены на рис. 2.

ир = (Я - р) ■ соэ <р, (1) где Я и р - безразмерные величины, Л = р = р!г\ ир -относительная скорость

течения, ир = тг (Я ~ 1)! ио~

ио

Рис. 1. Расчетная схема процесса выдавливания полусферической детали с

фланцем скорость перемещения пуансона.

Для определения скорости и<р воспользуемся условием несжимаемости, тогда с учётом (1):

ди<р д<р

+ иср ■ с^<р = О. (2) игр = ~(3р- 2Д)эЬ ф. (3)

o»Í5CS/30 "dO

oP»5a,/ñp 'dp

ms*

\ /-<?

a

t" I ®6

ajверхняя полуматрица; б) компенсатор Рис. 3. Полусферическая деталь с фланцем

см5а,/3ф 'А

Рис. 2. Схема напряженного состояния металла в очаге деформации Интегрируя выражение (2), используя способ вариации произвольной постоянной, а также из граничных условий (для определения постоянной интегрирования) что при (р = 0,игр - 0 находим и<р (3).

Используя кинематически возможные скорости течения ир и и<р, можно определить кинематически возможные скорости деформации по выражениям для задачи в сферических координатах, зная которые, в свою очередь, определяется интенсивность скоростей деформации.

Подстановкой выражений для скоростей деформации и интенсивности скоростей деформации в зависимости между напряжениями и скоростями деформации, известных из теории ОМД, с учетом условия пластичности получим:

СГ^СОЗр _ _ о^сов^ _ (Т^П! <Р

ар = <7-

л/Зд/Т

= ; св = а<р-аЛ-

sí

Tptp-

l + 2cos (о

ЛлД + 2

йОр" <p

(4)

/l + 2cos <p

Для определения среднего нормального напряжения сг подставим выражения для напряжений ар, ав, а<р и трхр в дифференциальные уравнения равновесия для задачи в сферических координатах, тогда, после интегрирования с учётом граничных условий tp = rcl 2, а<р ~ 0 (для определения постоянной интегрирования) получаем:

ар = -

*> 7

2(1 + 5cos~<р)ln р- (1 + 2cos <р)

a s eos <р

l + 2cos2p)3

ств = а<р =

s((

^2(1+5 eos2 (¡>) lii p—(1 + 2 eos2 <p) J o- s eos ¡p

-/(1 + 2 eos2«*)3

Tp<p=

sí

Os Sin ip

(5)

l+2cos (p

Удельную силу деформирования (7) можно найти после интегрирования выражения (б), которое включает в себя ранее вычисленные значения ар и Tpi/i из (5):

nil

q= \ sincos ip + г, s in ^<p)dq> (6) q = ~—- — (7)

О 4 2

При произведении величины площади поверхности полусферического пуансона на вычисленное значение удельной силы деформирования можно найти величину силы деформирования при формообразовании полусферической части детали.

Параллельно аналитическим расчетам || технологический процесс объемной U штамповки исследовался численными .1 методами с помощью программы ! QForm-2D, позволяющими оценивать физико-механическое состояние

рв металла в каждой точке очага деформации.

После анализа результатов, ' полученных методом конечных /' элементов в программе QForm-2D, в : ; схему формообразования

Рис. 4. Условные обозначения зон полусферических деталей с фланцем очага деформации были добавлены верхняя полуматрица

и компенсатор, расположенный в полусферической матрице (рис. 3)

Рис. 5. Таблица рациональных комбинаций размеров компенсатора и радиусов рабочего инструмента Даны рекомендации по предотвращению дефектов металла для стали 10 при комбинированном выдавливании осесимметричных полусферических

деталей с фланцем в диапазоне радиусов детали от Л] = 15 мм и Я2 = 8 мм до = 40 мм и Я2 = 33 мм (рис. 4 и 5). Данные рекомендации способствуют устранению дефектов (утяжины, прострелы, отрыв фланца от тела детали и т.д.), возникающих при формообразовании полусферической части детали с фланцем ещё на этапе разработки технологического процесса. Рациональным выбором комбинаций размеров компенсатора и радиусов рабочего инструмента является точность получения заданных геометрических параметров детали без каких-либо дефектов.

Свободная область таблицы (рис. 5) выше данных характеризует отсутствие дефектов при соответствующей комбинации радиусов пуансона и матрицы. Пустая область таблицы ниже приведенных данных говорит о нецелесообразности использования такой комбинации радиусов пуансона и матрицы. В таблице приведены минимальные рабочие значения радиусов и диаметров отдельных рассматриваемых зон.

В третьей главе проведено сравнение формообразования полой полусферической детали с фланцем экспериментальным методом координатных сеток и методом конечных элементов (ОРогт-20) при комбинированном выдавливании. Приводятся сравнительные данные кинематических и геометрических характеристик, а также данные о распределении скоростей в деформируемой заготовке при формообразовании изделий полусферического типа с фланцем, полученных в системе конечно-элементного моделирования С>Рогт-20 и экспериментальным методом.

Деформацию образца за один этап выдавливания определяли по изменению размеров ячеек координатной сетки. При расчете по методу координатной сетки принимается допущение: ячейка АВСБ, изменившая свои размеры вследствие приложения нагрузки Рь переместится в положение А|В,С,0] при нагружении силой Р2 и т.д. Расчет деформации проводили для каждого ряда ячеек по длине исходного образца. В результате обработки данных были получены векторы перемещения частиц по полю течения.

С помощью программы ОРЬОТ2были получены картины с цветовой визуализацией распределения скоростей деформаций для отштампованного в экспериментальном штампе образца. Приводится сравнение полученных картин с результатами конечно-элементного моделирования в программе 0Рогт-2О, при котором очевидна схожесть сравниваемых результатов.

На рис.6 представлена схема размеров, необходимых для сравнения компьютерного моделирования с экспериментальными данными. После обобщения полученных данных был сделан вывод, что при моделировании процесса получения класса полых полусферических деталей с фланцем методом конечных элементов в программе С)Рогт-20 максимальная погрешность в размерах относительно экспериментальных данных составляет =4%.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментального исследования новых технологических смазок для холодного выдавливания семейства Вопс1ег1иЬе фирмы Непке! и семейства смазок фирмы ЬиЬпго! с помощью процесса холодного обратного выдавливания и метода осадки

: Сайг разработчиков: http://www.dplot.com

Для исследования свойств анализируемых смазывающих материалов был использован экспериментальный штамп для холодного обратного выдавливания в цилиндрической матрице. Геометрия образца до и после деформации схожа с геометрией второго перехода технологического процесса производства детали «Корпус шаровой опоры», предлагаемой в 5 главе. По результатам эксперимента был сделан вывод, что семейство смазок фирмы Lubrizol не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к деталям, получаемыми методом холодной объемной штамповки.

Для определения показателя контактного трения при использовании смазок семейства Bonderlube был выбран метод осадки кольцевых образцов.

Полученные в ходе эксперимента данные показали, что смазка Bonderlube 742 фирмы Henkel при холодной осадке кольцевых образцов обеспечивает наименьшее значение показателя трения по сравнению с другими типами смазки семейства Bonderlube.

Из анализа литературы можно сделать вывод, что существующие методы оценки сил трения в процессах обработки металлов давлением имеют ряд недостатков, в частности недостаток метода осадки кольцевых образцов заключается в том, что он основан на расчете напряженно-деформируемого состояния; расчет связан с принятием ряда допущений, которые влияют на результат. Так, расчеты, проведенные Бургдорфом, а также Мэйлом и Кокрофтом, произведенные разными способами, дают разные значения показателя трения.

Автором предлагается метод прямого измерения силы трения по стенкам цилиндрического контейнера.

Оснастка, показанная на рис.8, представляет собой цилиндрический контейнер 3, пуансон с плоским торцом 4 и два пуансона 1 и 5 с коническим углублением по торцам. На первом этапе в цилиндрический контейнер помещается образец, покрытый смазкой. Нижний пуансон заменяется пуансоном 4 с плоским торцом (рис. 8, а).

По результатам деформирования нескольких образцов 2 строится тарировочный график «P0-h» («сила - глубина затекания»), где Р0 представляет собой силу, необходимую для затекания металла в коническую полость пуансона на глубину h.

На следующем этапе вместо пуансона 4 устанавливается противопуансон 5 (рис. 8, б), по форме и размерам идентичный пуансону 1, и испытуемый образец с нанесенной на него смазкой подвергается деформации.

кольцевых ооразцов.

016

f.. •с !

Г г

1"

031,5 л 047 0t

Рис. 7. Схема исследуемой геометрии образцов

ж

* 100 (V

£ и

о

о 1 г з л 5. 6 / 8 а

Глубина, мм

Рис. 9. Тарировочный график «сила - глубина затекания», а также графики зависимости силы деформирования от глубины затекания металла для графитовой смазки и для смазки №158. Преимущество данного метода заключается в возможности оценки изменения контактного трения с увеличением нормального давления.

В пятой главе представлена разработка и исследование технологического процесса производства детали «Корпус шаровой опоры», входящей в узловое соединение передней подвески легкового автомобиля. При помощи комбинированного процесса выдавливания удалось получить высокую точность детали при минимальном числе переходов и энергозатратах. Результаты проведенных экспериментов и компьютерного

а; б)

1,5 - пуансон; 2 - образец; 3 -контейнер; 4 -пуансон с плоским торцом Рис. 8. Принципиачьная схема метода оценки сил трения прикладываемой силы к пуансону различных типах смазки, так и без с

Глубина затекания металла в пуансон 5 соответствует силе Р0, необходимой для затекания в коническую полость пуансона, а глубина затекания в пуансон 1 -суммарной силе Р) затекания и трения по стенкам контейнера. Искомая сила трения определяется как: Т=РгРо-

При обработке результатов эксперимента замерялась глубина затекания металла каждого образца в коническое углубление пуансона. По результатам измерений были построены графики зависимости г глубины затекания металла как при ¡зки (рис.9).

моделирования формообразования детали типа "Корпус шаровой опоры" позволили разработать технологию изготовления класса полусферических деталей, получаемых методом комбинированного выдавливания холодной объемной штамповкой, взамен технологии горячей объемной штамповки.

На основе полученных результатов исследований новых технологических смазок обоснован выбор рационального смазочного материала для процесса холодного комбинированного выдавливания для полых полусферических деталей с фланцем. Такой выбор позволил обеспечить более высокое качество поверхности детали (по сравнению с качеством поверхности детали, полученной в результате использования известных, но менее эффективных смазывающих материалов), повысить стойкость штамповой оснастки и сократить финансовые и временные расходы на нанесение и удаление смазки с поверхности детали.

Рис. 11. Технологические переходы и чертёж детали «Корпус шаровой опоры» На рис.11 представлены технологические переходы и чертеж детали «Корпус шаровой опоры».

Технологический процесс и конструкции производственных штампов внедрены в производство.

В заключении приводятся основные результаты и выводы по выполненной работе.

В работе решена актуальная задача, имеющая важное значение для машиностроительного производства, в частности для автомобильной промышленности, и состоящая в повышении эффективности процесса производства класса осесимметричных полусферических деталей с фланцем, получаемых методом холодного выдавливания. Решение задачи получено путем теоретического и экспериментального обоснования технологических

4-:/ переход К&иГшщюзанш «идмлизаечш с

чршарителънсй вышмй фчащн

4-й чсреход Кмюишратпюе аыдагнтаеит I «ытдхоЬ фзаица

_Ш2Л__

7-й череход Обрезы >ю контуру

2-й иераог) (Хфатнм яикижаты

>!/ переход Форыирошмис пащферы

Качтщммкчск оыджнтте

6-й чермм» Прюаичл очиераш1

режимов процессов деформирования, обеспечивающих заданное качество изделия, уменьшение трудоемкости, повышение коэффициента использования металла, сокращение сроков подготовки производства новых изделий.

В процессе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основании исследования кинематики течения металла при процессе комбинированного выдавливания с различными вариантами формообразования полусферической детали с фланцем аналитическим методом и методом конечных элементов (QForm-2D) получена возможность прогнозирования конечной геометрии штампованной полусферической детали с фланцем.

2. Разработаны рекомендации по выбору рациональной геометрии рабочего инструмента штамповой оснастки для процесса комбинированного выдавливания, применимых к классу полых полусферических деталей с фланцем. Даны рекомендации по предотвращению дефектов металла при комбинированном выдавливании класса осесимметричных полусферических деталей с фланцем в диапазоне радиусов детали от Ri = 15 мм и R2 = 8 мм до Ri = 40 мм и R2 = 33 мм.

3. Проведены исследования кинематики течения металла в процессе получения полусферической детали с фланцем экспериментальным методом координатной сетки и конечно-элементным моделированием в программе QForm-2D. Сравнительный анализ кинематических показателей комбинированного выдавливания показал расхождение в результатах не более 4%.

4. Проведена экспериментальная оценка новых типов смазывающих материалов фирм Lubrizol GmbH и Henkel inc., применимых для процессов холодного комбинированного выдавливания. Смазка Bonderlube 742 фирмы Henkel inc. соответствует всем требованиям, предъявляемым к процессам холодного комбинированного выдавливания.

5. Разработан и экспериментально проверен метод прямого измерения силы трения по стенкам цилиндрического контейнера. Получен график «сила - глубина затекания» для алюминиевого сплава АДО ГОСТ 4784-97, а так же получены зависимости силы деформирования от глубины затекания металла для графитовой смазки и для смазки №158 методом прямого измерения силы трения по стенкам цилиндрического контейнера.

6. На основании результатов проведенных исследований разработан технологический процесс холодной объемной штамповки производства детали «Корпус шаровой опоры». Спроектированы промышленные штампы для производства деталей в условиях серийного производства. Технологический процесс внедрен в производство на ООО "Металл-ТехСтандарт", г. Москва. По предварительным подсчетам экономический эффект при внедрении данного процесса взамен горячей объёмной штамповки составит около 4 млн. 800 тыс. рублей на программу 600000 ппук деталей в год.

Основные результаты исследований отражены в следующих работах.

1. Молодое A.B., Филиппов Ю.К. Технология холодной объемной штамповки полых полусферических деталей с внутренним конусом методом комбинированного выдавливания. Материалы 65-ой Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) "Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров" Международного научного симпозиума «Автотракторостроение - 2009». Секция 6 «Машины и технологии заготовительного производства. - М., МАМИ, 2009. -С. 43 - 47с.

2. Игнатенко В.Н., Крутина Е.В., Молодов A.B. Кинематика течения металла при комбинированном радиальном и обратном выдавливании в конической матрице. Материалы Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) "Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров", посвященной 145-летию МГТУ "МАМИ". Секция 6 «Машины и технологии заготовительного производства. Подсекция «МиТОМД». - М., МАМИ, 2010. -С. 57-60с.

3. Молодов A.B., Рагулин А. В., Калпина Н.Ю., Филиппов Ю.К. Исследование формообразования детали «корпус заряда» с наружной полусферической и внутренней конической поверхностями с помощью моделирования в системе Q-Form. Материалы Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) "Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров", посвященной 145-летию МГТУ "МАМИ". Секция 6 «Машины и технологии заготовительного производства. Подсекция «МиТОМД». - М., МАМИ, 2010. -С. 90 - 93с.

4. Рагулин A.B., Молодов A.B., Калпина Н.Ю., Филиппов Ю.К., Кононов A.B. Разработка технологического процесса холодной объемной штамповки полусферической детали «корпус шарового пальца». Материалы Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) "Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров", посвященной 145-летию МГТУ "МАМИ". Секция 6 «Машины и технологии заготовительного производства. Подсекция «МиТОМД». - М., МАМИ, 2010. -С. 132 - 136с.

5. Рагулин A.B., Молодов A.B., Филиппов Ю.К., Гневашев Д.А., Крутина Е.В. Исследование комбинированного процесса выдавливания полых полусферических деталей с фланцем. // Обработка металлов давлением: сборник научных трудов ДГМА - Краматорск, 2011. - №2 (27). С. 89-93.

6. Молодов A.B. Разработка технологического процесса холодной объемной штамповки детали "корпус заряда". // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 5: в 3 ч. Тула: Издательство ТулГУ, 2011. Ч. 3. С. 213-219.

7. Соболев Я.А., Филиппов Ю.К., Рагулин A.B., Молодов A.B. Исследование различных типов смазки при холодном обратном

выдавливании. // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 2. Тула: Издательство ТулГУ, 2012. С. 166 -171.

8. Филиппов Ю.К., Рагулин A.B., Игнатенко В.Н., Молодое A.B., Федосов Д.А. Сравнение технологический процессов изготовления поршня тормозного цилиндра при холодном комбинированном выдавливании. // Обработка металлов давлением: сборник научных трудов ДГМА -Краматорск, 2012. -№2 (31). С. 132- 135.

9. Молодов A.B., Филиппов Ю.К. Моделирование процессов холодного комбинированного выдавливания полусферических деталей с фланцем. // КШП - ОМД. - 2012. - №5. - С. 27 - 30.

10. Калпин Ю.Г., Петров П.А., Молодов A.B. Измерение силы трения по стенкам контейнера при прямом холодном выдавливании. // КШП - ОМД. - 2012. - №10. - С. 44 - 47.

МОЛОДОВ АНДРЕЙ ВИКТОРОВИЧ

ХОЛОДНОЕ КОМБИНИРОВАННОЕ ВЫДАВЛИВАНИЕ ПОЛЫХ ПОЛУСФЕРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ С ФЛАНЦЕМ

Тираж 100 экз. Заказ № 98-13

Подписано в печать 13.05.13 Формат 60x90. 1/16. Бумага 80г/м2 Гарнитура «Тайме». Ризография. Усл. печ. л. 1.0.

Университет машиностроения 107023, г. Москва, Б. Семеновская ул., 38.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ (МАМИ)"

04201358553

Н

МОЛОДОВ АНДРЕИ ВИКТОРОВИЧ

ХОЛОДНОЕ КОМБИНИРОВАННОЕ ВЫДАВЛИВАНИЕ ПОЛЫХ ПОЛУСФЕРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ С ФЛАНЦЕМ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки

давлением

Научный руководитель -проф., д.т.н. Филиппов Ю.К.

Москва 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ..........................................................................................................................................................5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА..................................................................................13

1.1 Исследование процессов прямого, обратного,

радиального и комбинированного выдавливания........................13

1.2 Теоретический анализ операций радиального, обратного и комбинированного выдавливания..............................................................33

1.3 Контактное трение при обработке давлением..................................36

1.4 Методы исследования контактного трения........................................42

1.5 Цель и задачи работы............................................................................................47

ГЛАВА 2. _ ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕМАТИКИ ТЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛА ПОЛУСФЕРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ С ФЛАНЦЕМ ПРИ ХОЛОДНОМ КОМБИНИРОВАННОМ ВЫДАВЛИВАНИИ................................................................. 48

2.1 Исходные данные для конечно-элементного моделирования..................................................................................................................................49

2.2 Моделирование и исследование процесса комбинированного выдавливания полусферических деталей с фланцем

при различных вариантах формообразования................................50

2.3 Исследование и прогнозирование возникновения дефектов металла при комбинированном выдавливании полусферической детали с фланцем................................................................................................64

2.4 Результаты и выводы................................................................................................................68

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕМАТИКИ ТЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛА ПОЛУСФЕРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ С ФЛАНЦЕМ ПРИ КОМБИНИРОВАННОМ ВЫДАВЛИВАНИИ................................................................ 69

3.1 Исследование кинематики течения металла методом

координатной сетки................................................................ 70

3.2 Обработка результатов испытания образцов....................... 77

3.3 Сравнение данных, полученных экспериментальным путём, с результатами компьютерного моделирования

в системеС>Рогт-2В............................................................... 82

3.4 Результаты и выводы.............................................................. 85

ГЛАВА 4. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО СМАЗЫВАЮЩЕГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ХОЛОДНОГО КОМБИНИРОВАННОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ................................................................ 87

4.1 Исследование различных типов смазки при холодном обратном выдавливании............................................................ 88

4.2 Определение коэффициента контактного трения методом осадки кольцевых образцов................................................... 93

4.3 Метод прямого измерения силы трения по стенкам цилиндрического контейнера.................................................... 96

4.4 Экспериментальная проверка метода прямого измерения

силы трения по стенкам цилиндрического контейнера .... 98

4.5 Обработка результатов эксперимента............................... 101

4.6 Результаты и выводы.............................................................. 106

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ХОЛОДНОЙ ОБЪЁМНОЙ ШТАМПОВКИ ДЕТАЛИ «КОРПУС ШАРОВОЙ ОПОРЫ» С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМБИНИРОВАННОГО ПРОЦЕССА ВЫДАВЛИВАНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПОЛУСФЕ-

РИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ С ФЛАНЦЕМ............................... 107

5.1 Назначение детали.................................................................. 107

5.2 Разработка и исследование технологического процесса детали «Корпус шаровой опоры» передней подвески автомобиля............................................................................... 109

Компьютерное моделирование технологического процес-5.3 са холодной объемной штамповки детали

«Корпус шаровой опоры»..................................................................................................116

5.4 Производственная оснастка для изготовления поковки «Корпус шаровой опоры»..............................................................................................120

5.5 Выбор оборудования................................................................................................................125

5.6 Результаты и выводы................................................................................................................127

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ....................................................................................................................................128

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ........................................................130

ПРИЛОЖЕНИЯ ............................................................................................................................................140

Приложение 1. Акт внедрения результатов исследования

в производство 140 Приложение 2. Акт внедрения результатов исследования

в учебный процесс 141

Приложение 3. Выдержки из ГОСТ 18970-84 и ГОСТ 3.1109-82 142

ВВЕДЕНИЕ

В современном машиностроении гражданского и военного значения большое количество деталей получают наиболее прогрессивным способом пластической обработки - способом холодной объемной штамповки. Холодная объемная штамповка - экономичный и высокопроизводительный процесс изготовления небольших точных деталей из стали и цветных сплавов, позволяющий в несколько раз сократить технологические отходы металла по сравнению с обработкой резанием, а так же повысить надежность, износостойкость и долговечность деталей, снизить трудоемкость их изготовления и повысить производительность труда.

Холодной объемной штамповкой (ХОШ) получают большое количество изделий весом от нескольких грамм до нескольких килограмм по 9 квалитету точности и с чистотой обработки поверхности не более 20. При данном методе обработки не возникает необходимости в нагреве исходных материалов и инструментов. В результате ХОШ поверхность заготовки не окисляется, благодаря чему полученные детали отличаются большей прочностью и точностью размеров, меньшей шероховатостью поверхности. Результатом подобной обработки становятся качественные изделия с высокими и стабильными механическими свойствами, что объясняется отсутствием рекристаллизации в металле и упрочнением (в отличие от горячей объёмной штамповки). Отсутствие термообработки означает и отсутствие окалины, которая образуется на поверхности деталей при нагреве, кроме того из общего химического состава поковок не уходят углерод и цинк. Все это улучшает качество поковок в целом и сокращает припуски на дальнейшую обработку, тем самым увеличивая коэффициент использования металла (по сравнению с литьём и горячей штамповкой на 30% и более, по сравнению с обработкой резанием - в 2-3 раза). В ряде случаев поковки не требуют дополнительной обработки, являясь готовыми деталями (коэффициент использования металла составляет 1). Время изготовления детали зависит от ее сложности: для производства простых деталей зачастую необхо-

дим один рабочий ход пресса, сложные же детали требуют нескольких переходов. Металл, из которого изготавливается деталь, в процессе деформации упрочняется тем больше, чем больше ее степень. Эту особенность процесса ХОШ используют при замене обработки резанием объемной холодной штамповкой. Упрочнение металла в ряде случаев заменяет при холодной штамповке термическую обработку (закалку с отпуском), которая применяется после механической обработки детали. Благодаря ХОШ на штампуемых деталях отсутствуют надрезы, появляется направленность волокон вдоль конфигурации штампованной заготовки, улучшается микрогеометрия. Помимо экономии металла существенно снижается трудоёмкость и себестоимость деталей, высокий уровень автоматизации и механизации самих процессов. Применение многопозиционных штамповочных автоматов, а также установка на прессы многопозиционных штампов-автоматов, обеспечивает повышение производительности в 5-10 раз и более по сравнению с современными автоматами с ЧПУ для обработки резанием подобных деталей. В отличие от горячей объёмной штамповки, холодная объёмная штамповка придаёт металлам мелкозернистую структуру.

Помимо выше перечисленных преимуществ, имеется и ряд недостатков при использовании процессов ХОШ. Одним из недостатков холодной штамповки является относительно высокая цена штампов, однако это не является препятствием для широкого применения холодной штамповки в серийном и массовом производствах, где повышенные затраты на подготовку производства окупаются довольно быстро. Другой недостаток - это деформационное упрочнение металла, ведущее к повышению сопротивления пластической деформации. Такой недостаток приводит к необходимости выбора более мощного и дорогостоящего технологического оборудования.

Внимание ученых и исследователей уделено теоретическому и экспериментальному анализу операций ХОШ, определению технологической силы, в зависимости от вида напряжённо-деформированного состояния и значения деформации, геометрии инструмента, условий на контакте заготовки с инструментом и т.д. Эти вопросы рассмотрены в работах Ю.А. Алюшина, А.Э. Артеса,

A.JI. Воронцова, O.A. Ганаго, B.A. Головина, Г.Я. Гуна, A.M. Дмитриева, B.B. Евстифеева, B.A. Евстратова, А.З. Журавлёва, Г.И. Кириллова, С.М. Колесникова, Ф.А. Коммеля, A.A. Коставы, Д.П. Кузнецова, А.Д. Матвеева, А.Н. Мить-кина, Г.А. Навроцкого, Р.И. Непершина, А.Г. Овчинникова, В.А. Огородникова, Л.Д. Оленина, И.П. Ренне, Ю.С. Сафарова, Е.И. Семёнова, Г.А. Смирнова-Аляева, Л.Г. Степанского, А.Д. Томленова, Е.П. Унксова, В.Е. Фаворского, Ю.Ф. Филимонова, Ю.К. Филиппова, А.И. Хыбемяги, В.Я. Шехтера, J1.A. Шофмана, а также Б. Авицура, У.Джонсона, Э. Томсена, Г.Д. Фельдмана, Р. Хилла, Ч. Янга и др.

Комбинированное выдавливание является перспективным процессом холодной объёмной штамповки. Такой процесс может быть успешно применен для изготовления полых полусферических деталей с фланцем с различным внутренним профилем.

Цель работы

Повышение эффективности процесса производства осесимметричных полусферических деталей с фланцем, получаемых методом холодного комбинированного выдавливания, за счет изучения характеристик течения металла для данного класса деталей.

Для решения этой задачи необходимо определить кинематику течения металла в условиях холодной деформации, а так же её зависимость от изменения геометрии рабочего инструмента, напряжённо-деформированного состояния, контактного трения и др. Для создания нового технологического процесса производства деталей холодной объёмной штамповкой требуется более подробное изучение поведения материалов в процессе их формообразования.

Актуальность научной задачи

Для повышения качества изделий и технологических возможностей ХОШ необходимо развитие технологий заготовительного производства за счет изучения и освоения процессов комбинированного выдавливания, а также исследования технологических свойств новых смазочных материалов, применимых для процессов ХОТИ. На решение этой задачи направлена настоящая работа.

Научная новизна:

Получена аналитическая зависимость для расчета удельной силы деформирования для процесса холодного выдавливания полой полусферической детали с фланцем на основе представленной математической модели.

Практическая значимость.

На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований:

- выработаны рекомендации по выбору рациональной геометрии рабочего инструмента для холодного комбинированного выдавливания для класса полых полусферических деталей с фланцем. Данные рекомендации исключают возникновение дефектов, сопутствующих при процессах холодного комбинированного выдавливания;

- экспериментально определен показатель контактного трения при холодной деформации заготовок, покрытых смазкой семейства Bonderlube, методом осадки кольцевых образцов. Результаты экспериментов приняты фирмой Henkel inc. для реализации смазочного материала марки Bonderlube на российском рынке;

- разработан и экспериментально проверен на работоспособность метод прямого измерения силы трения по стенкам цилиндрического контейнера;

- получен тарировочный график «сила-глубина затекания» для алюминиевого сплава АДО ГОСТ 4784-97, применимый к методу прямого измерения силы трения по стенкам цилиндрического контейнера;

- разработан технологический процесс изготовления детали «Корпус шаровой опоры» методом холодного комбинированного выдавливания из стали 10. Спроектированы производственные штампы. Технологический процесс и конструкция штампов внедрены в производство.

Личный вклад соискателя заключается в:

- обосновании цели работы, разработке основных идей и методик исследований, постановке и решении задач диссертационной работы;

- исследовании процесса комбинированного выдавливания, составлению рекомендаций по выбору геометрии рабочего инструмента для процесса комбинированного выдавливания, разработке технологии производства полусферических деталей с фланцем;

- разработке конструкторской документация на промышленную штамповую оснастку для выдавливания полусферических деталей с фланцем;

- проведении моделирования процессов выдавливания осесимметричных полусферических деталей с фланцем методом конечных элементов в программе С2Рогт-2В при различной геометрии рабочего инструмента;

- разработке метода прямого измерения силы трения по стенкам цилиндрического контейнера.

Апробация работы

Результаты исследований доложены на международном научном симпозиуме "Автотракторостроение - 2009", г. Москва, 2009; на международной научно-технической конференция ААИ «Автомобиле- и Тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров", посвященная 145-летию МГТУ «МАМИ», г. Москва, 2010; на 77-й международной научно-технической конференция ААИ «Автомобиле- и Тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров", г. Москва, 2012.

Связь темы диссертации с общегосударственными задачами

Экспериментальные исследования по определению величины контактного трения по стенкам цилиндрического контейнера при пластической деформации алюминиевых сплавов проводились в рамках государственного контракта № 14.740.11.0584 «Исследование сопротивления сплавов системы А1-М§-81 деформации в течение переходных процессов, инициированных пластической деформацией, при повышенных температурах» от 05 октября 2010 г.

В первой главе представлен обзор литературных источников, относящихся к изучаемым вопросам: исследование процессов прямого, обратного, радиального и комбинированного выдавливания; существующие подходы к моделированию процессов холодного выдавливания; классификация типовых дета-

лей с фланцем и существующих математических моделей процессов выдавливания деталей с фланцем; существующие методы исследования контактного трения.

Из обзора литературных источников, приведенных в главе, следует, что отсутствует анализ процесса комбинированного выдавливания полых полусферических деталей с фланцем, не изучено влияние геометрии инструмента на конечные размеры детали и силу деформирования. Также отсутствует качественный метод оценки сил трения, действующий в процессах обработки металлов давлением, не связанный с последующим расчетом, связанным, как правило, с упрочняющими допущениями.

В заключение обзора сформулированы неисследованные или требующие уточнения вопросы, на основании которых поставлены цель и задачи настоящей работы.

Во второй главе проведено моделирование комбинированного процесса выдавливания полых полусферических деталей с фланцем аналитическим методом и методом конечных элементов в программе С)Рогт-2В при различной геометрии рабочего инструмента. Изучена кинематика течения металла и предложена оптимальная геометрия рабочего инструмента, при которой идет максимальное заполнение полости штампа металлом. Приводятся рекомендации по выбору оптимальной геометрии рабочих частей штамповой оснастки для производства класса полусферических деталей с фланцем.

Кривая упрочнения стали 10 для проведения моделирования взята из работы [32]. Виртуальные размеры исходной заготовки и инструмента для моделирования соответствовали размерам образца, рассчитанного для технологического процесса и штампа для комбинированного выдавливания.

Определены причины появления дефектов, сопровождающих процесс формообразования полусферических деталей с фланцем, выработаны рекомендации по предотвращению появления данных дефектов на стадии проектирования рабочего инструмента.

В третьей главе проведено сравнение исследования формообразования полой полусферической детали с фланцем экспериментальным методом координатных сеток и методом конечных элементов (QForm-2D) при комбинированном выдавливании. Приводятся сравнительные данные кинематических и геометрических характеристик, а также данные о распределении скоростей в деформируемой заготовке при формообразовании изделий полусферического типа с фланцем, полученных в системе конечно-элементного моделирования QForm-2D и экспери�