автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Научное обоснование и разработка энергосберегающих процессов холодного выдавливания высокоточных деталей сложной формы с глубокими полостями

поэтому стали с содержанием углерода более 0,35$ имеют ограниченное применение для холодной штамповки и обычно деформируются в горячем состоянии.

Типовой технологический процесс холодного выдавливания стальных изделий, как правило, организуется по двум вариантам -выдавливание на универсальных прессах с использованием штучных заготовок и выдавливание на специальных многопозиционных автоматах из бунтового материала.

В первом случае используется типовая последовательность операций: разделение прутка, на мерные заготовки, отжиг, нанесение фосфатного покрытия и омыливание, штамповка, выдавливанием. Если деталь сложная, используют несколько операций выдавливания. В этом случае полуфабрикат каждый раз отжигают и заново фосфатируют, для чего процесс приходится прерывать. Такая технология позволяет создать идеальные условия для деформ!фующего инструмента и до минимума содатить количество переходов штамповки. Кроме того, для выполнения всех операций можно в принципе обойтись только одним прессом, что делает ее эффективной, когда требуется изготовить сравнительно небольшую партию изделий. С ростом размера партии устанавливают несколько прессов, в соответствии с числом переходов штамповки, но в этом случае использование универсального оборудования оправдано только при условии применения эффективных средств автоматизации прессов, а также организации оптимальных транспортных маршрутов. В идеале такое производство трансформируется в автоматизированный участок, на котором в едином потоке установлено все технологическое оборудование. Такие решения используются как в СССР, так и за рубежом. По такой схеме в СССР работают все линии холодно-но выдавливания заготовок корпуса карданных подшипников, эта же схема весьма эффективно используется, например, фирмой ])е.£со

США) для изготовления комплекта деталей автомобильного электрооборудования. Технологию разработала фирма 1£кг<аа

ДСзЬЖ ветрапу , она же поставила оснастку и прессовое оборудование /¿73/*

Недостатком ее является невозможность получать изделия без дальнейшей механической обработки, из-за того, что отсутствует связь между фактическими размерами поковки и объемом отделяемой от прутка заготовки. Этот недостаток в принципе невозможно устранить из-за того, что в.печи для отжига находится несколько сотен и даже тысяч заготовок, а при необходимости многократного отжига эта цифра увеличивается в несколько раз. Аналогичным образом обстоит дело и с операциями фосфатирования и нанесения смазки. В результате сигнал онеобходшости изменить объем заготовки придет на операцию резки -6 -большим опозданием. И, хотя такие линии используются, в частности на Волжском автозаводе, операций удаления материала в стружку не удается избежать, а реализуемый коэффициент жепользованш материала не всегда высок.

1.2. Классификация процессов и операций выдавливания 1.2.1. Предварительные замечания

В производственной практике используются различные по схеме операции пластического формоизменения металла как в холодном состоянии, так и с использованием предварительного нагрева. Для удобства изучения все опера,ции объемной штамповки с осе-снмметричным очаго® деформации целесообразно разделить по наиболее важным характерным признакам. Такими признаками являются, по крайней мере, способ подведения энергии, необходимой для деформирования, и количество направлений истечения.

1*2.2. Замечания об энергетике объемной штамповки

Все процессы штамповки,особенно с объемной схемой напряженно-деформированного состояния, к которым относится и выдавливание, характеризуются высокими энергозатратами. Часть энергии расходуется на преодоление трения, но основная ее доля рассеивается в очаге деформации или на его границах }

Чаще всего используются следующие способы подведения энергии к очагу деформации: нагрев, то есть подвод простейшей формы энергии - тепловой, воздействие электромагнитным полем, воздействие механической промежуточной средой жидкостью или газом, воздействие жестким механическим инструментом. Понятно, что деление это достаточно условно; в реальных процессах деформирования энергия подводится не одним, а несколькими способами. Так, при горячей штамповке значительная (большая) часть энергии подводится в виде тепла при нагреве перед штамповкой, часть -в виде механического воздействия через жесткий инструмент. Если при этом используется смазка, то она является отчасти промежуточной средой, передающей механическое воздействие на деформируемый металл. При изотермической штамповке в режиме сверхпластичности механическое воздействие по существу сведено к минимуму и используется лишь как наиболее управляемый способ воздействия с целью получения требуемого перераспределения материала, к которому уже подведено основное количество энергии в виде тепла.

Воздействие через механическую среду используется при штамповке в гидростатах, а также при штамповке взрывом. При этом часть энергии рассеивается в виде тепла,, а часть аккумулируется энергоносителем и после разгрузки самопроизвольно высвобождается, зачастую создавая сложные технические проблемы, поэтому, например, при взрывной штамповке удобнее иногда использовать не жидкость, а песок, не обладающий способностью накапливать энергию упругого сжатия из-за высокого внутреннего трения. Энергетический к.п.д. деформирования жидким и особенно сыпучими энергоносителями невысок, что связано с неизбежными потерями на деформирование и перемещение самого энергоносителя. Но это направление успешно развивается ^ в связи с необходимостью деформировать сложные труднодеформиру-емые материалы, а также благодаря тому, что наложение гидростатического давления и температуры позволяют оказывать глубокое воздействие на твердое тело, не только расширяя возможности безотходной технологий, но и позволяет использовать достижения физики твердого тела, для поучения материалов с особымж служебными свойствами. Эти методы используются, в частности, для получения сверхпроводников и других композитных материалов При штамповке электромагнитным полем энергия подводится непосредственно к деформируемому материалу. Этот способ эффективен, когда используется тонкая листовая заготовка из магнито-проницаемого материала. Пределвно упрощается инструмент, но при деформировании объемных заготовок с малой относительной поверхностью этот метод не применяется из-за малой удельной энергии, выделяемой на поверхности заготовки,

При холодной штамповке выдавливанием вся необходимая для деформирования мощность подводится через деформирующий инструмент, обычно пуансон. Деформированию подвергается холодный материал, процесс характеризуется высокими давлениями,достигающими при выдавливании стали 30 кбар. Для того, чтобы инструмент выдержал такие давления, применяют специальные меры: контейнеры выполняют многослойными, а пуансоны изготавливают из самых прочных инструментальных сталей по специальной технологии, обеспечивающей максимальную прочность. Тем не менее обеспечение удовлетворительной прочности пуансонов, особенно прошивных, едва, ли не самая острая проблема технологии холодного выдавли-ания. Особенно остро эта проблема встает при изготовлении деталей этим способом в условиях крупносерийного массового производства,, когда высокая производительность и стабильность технологического процесса являются решающими условиями рентабельности.

Затраты энергии при горячей штамповке определяются энергией на нагрев и энергией, затрачиваемой на формоизменение. С увеличением температуры энергия нагрева растет, а энергия деформирования - уменьшается. Следовательно, существует температура . штамповки, при которой общие энергозатраты на процесс минимальны. Согласно исследованиям, проведенным Лихаиеким университетом на заводе фирмы Крайслер (США) С19о] штамповка при комнатной температуре требует минимальных затрат энергии. Так, удельная энергия деформации при высадке головки конической шестерни заднего моста составляет ¿3902 8.103 кгсм/см3, удельная энергия, затраченная на нагрев до 1000° под штамповку - 4,23.1О4 кгсм/см3. Кроме того, горячая поковка на 0,9 кг тяжелее, а на производство I кг стали в США расходуется 3.19.104 квтя энергии. В итоге общие затраты энергии при холодной штамповке на 76% оказываются ниже, чем при горячей. Дополнительная экономия получается за счет

- 416

148. Хан мл. Авицур Б., Бишоп Е. Анализ конечной стадии процесса высокоскоростного обратного выдавливания. Конструирование и технология машиностроения машиностроения //' Труды Американского общества инженеров-механиков. Пер. с англ. М.: Мир. N 3. 1S73. С. 188-196.

149. Чудаков П.Д., Коробкин В.Д. Обратное осесимметричкое выдавливание упрочняющегося материала // Прогрессивные технологические процессы обработки давлением. М.: Машиностроение. 1971. С.8-14.

150. Чудаков П.Д. Нестационарное пластическое течение изотропно уп-рачненого материала // Исследование в области пластичности и ОМД: Труды ТЛИ. Выпуск 2. 1974. С. 34-41.

151. Чудаков П.Д. Упрочнение при пластической обработке металлов //Известия ВУЗов. Машиностроение N 4. 1981.

152. Шехтер В.Я. //Кузнечно-штамповочное производство. 1965. N 5.

153. Шехтер В.Я. Оленин Л.Д. Комбинированное выдавливание деталей электрооборудования автомобиля с целью повышения качества: Об. Повышение качества и надежности продукции куэнечно-штамповочного производства. М.: МДНТП. 1966. С.179-183.

154. Шехтер В.Я. Оленин Л.Д. Цехи холодной объемной штамповки // Проектирование машиностроительных заводов и цехов: Справочник. М.: Машиностроение. 1974. т.З. С. 183-195.

155. Шофман Л.А. Основы расчета процессов штамповки и прессования. М.: Машгиз. 1961. С. 346.

156. Щерба В.Н., Шебейк А.Н. Холодное выдавливание полых изделий // Кузнечно-штамповочное производство. 1979. N 9, 0. 9-11.

157. Яшаяев С.Ш. Основы дифференциального выдавливания //Кузнечно-штамповочное производство. М. 1966. N 9. С. 4-6.

158. Яшаяев С.Ш. Резка заготовок от прутка сдвигом с дифференциала

200. Kudo H. Shinozaki K. Estruslonne a freddo con forza ausiliaria di trazlone per ridurre la presslone sul punsone // Riv. mecc. 1973. 24. N 550. p. p. 9-18.

201. Male A.T. Goeroft M.6. A Method for the Determination of the Coefficient of Friction of Metal under Conditions of bulk Plastic De- formation // J. of the institute of Metals. Vol. 93. 1964. p.p.38-42.

202. Mullins P.J. Hot-Cold Forming welds Best of Both Worlds // ii Ut-'K ciilu Uii -hxsnw&y iituuaU ieb. jcmi. .>■ r tu . idoi. iui. in x. u.

203. Roll K. Lange K. Comparison of different numerical methods for the calculation of metal forming1 processes // CIRP Annal. N 1. 1979. D. p. 141-145.

204. Roll K.Lange K. F'cssibilities for the use of the finite element. Method for the analysis of bulk metal forming Processes// C.I.R.P. Annal, 31, N 1,1982, p.p. 145-150.

205. Shabaik A.H. The effect of material properties on tension1 zone and bounlary shear-stress in extrusion //" Metal. Forming Theory and Practice. New York-London. 1971 p.p. 83-83.

206. Shabaik A.H., Negroni F.,T hemson E.G. An approach to die1 design xil exti uoiulla - reap. rtoML. imWm/ rl ud. iO./.iafu, p.p.

-1 Kf -1 ~ / iii XiC,4k.

207. Takahashi K. Kawabata K. Urakswa K. Cold heading rod itsi production and application /7 Wire and Wire Products 42. N 11. 1967. p. p.1980-1984; 2065-2066.

208. Thomson W. A nomogram for calculation forses and pressure for forward extrusion of steel /7 Metal Austrflia. N 10. 1981. p.

210. Zlmerman Z., Avitzur B. Analysis of the effect of strain har- dening on central bursting defects in drawing and extrusion // Trans. ASME. Vol.92. N 1. 1970. p.p. 135-145.

211. Bauler C.O. Kaltformen von Draht er aus ni einrostenden Stahlen // Draht 33 N3. 1982. p.p. 147-150.

212. Billigman H. Feldmann H.D. Stauchen und Pressen // Handbuch für das Kalt-und WarmMassivumformen von Stahlen und Nichte isenmetallen. 1973.

213. Feldmann H.D. Neure Entwiclung von Fertigungsverfakren und Mashinen der Kaltumformung //" Draht-Welt. 55 NU. 1969. S. 32-41.

214. Geiger F:. System Zum Erfassen und Senken des Werkzeug Verbrauchs beim Kaltrnassivumfomen // werkstattstechnik. M12. 1979. S.763-769.

215. Geiger Rolf. Des Stoffluss beim Kombinierten Napff1iesspressen Ber. Inst.Umr"ofmtechni Univ. Stuttgart. N 36. 1979. S.196.

216. Herbst U. Das Genanscheren von Werkstoffen zum Kaltfliesspres- sen // Ind.-Anz. 92. N 107-108. 1970. S. 2599

217. Landt K. Nester W. Besttirnung von Fliesskurven in Staushver- such. Fin Überblick.Teil. // 32 N 2. 1981. p. 70-75.

218. Lange K. Kling E. Stand und Kaltmassivumforrning // Draht. Vcl

219. Sheliaskoww S. Berechung der ümformkraft biem Kaltformpressen ohne Grat in zylindirischen Matrizen

Frtigungstechnik und Betrieb 26. N 6. 1975. 3. 348-350. pressen ohne Grat // Ind.- Anzeiger. S8. N 93. 1976. S.633-635.

221. Sheliaskoww S, Experimentale Ermittlung der KontaktnormalSpannungen beim Kaltformpressen ohne Grat in zVTlndirischen Matrizen mit Formelement // Ind.- Anzeiger. 97. N 85. 1975. S. 1815-1818.

222. Schmitt G. Die Ermittlung1 der Formänderungen beim Napf-Fliesspressen // Ind.-Anz. 90. N55. 1968. S. 1241-1246.

223. Wagener H.W., Albert K. Prakxishahe ßerchungsmthoden fur lim-formarbeitbeim Setsen // Ind.- Anzeiger. 103. N 28. 1381. S.20-24.

225. Bariani F. Zurla 0. Eterogenetia deIIa deformazione nell ope- ratione vai punzonatura // Traciture E Stampaggio vol. 5. 1982.

226. Nagy Ist van Sikfolyatasjs darabolas //' Gepgyrtsstecnlogia. N 2. S. 68-71.

227. Unksov I. P., Safarov Y. S. A Photoplastic investigation of contact stresses in the backward extrusion process // Int. lorn, of Mechanical Sciences Vol. 10. 1975. p.p. 597-603.

228. Impscn Machining / Verson Alsteel Conpany. Chicago. 1969. p.

229. Faitus I. Ivarenl za studena sa hlediska tysikalny rnetalur-gie //Yutniccke listy. N 3. 1982. S.183-188.

230. Zimpel 0.1. Stan i tendencie roswoin objetosciowej