автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Пластическое формообразование секторов тел вращения со сложным внутренним профилем

РГБ ОЛ

'f к А ПО í-.-"

— i Mili I .-

На правах рукописи

ЦАРЬКОВ Владимир Семенович

ПЛАСТИЧЕСКОЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЕ СЕКТОРОВ TEJI ВРАЩЕНИЯ СО СЛОЖНЫМ ВНУТРЕННИМ ПРОФИЛЕМ

Специальность 05.03.06 - Процессы и машины обработки

давлёнием

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула-1996

Работа выполнена в Тульском государственном техническом университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

И.А.Смарагдов.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В.Д.Кухарь,

кандидат технических наук В.Ф.Зимин.

Ведущее предприятие: НПО ЦНИИТОЧМАШ, г.Климовск.

Защита диссертации состоится 16 мая 1995г. в 14 часов е 9-м учебном корпусе, ауд. 101 на заседании специализированного совета К 063.47.03 Тульского государственного технического университета по адресу: 300600, г. Тула I проспект им. Ленина, 92.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Тульского государственного технического университета.

Автореферат разослал апреля 1995 года. •

Ученый секретарь специализиро- /

ванного совета, к.ф.-м.н. / ----- В.И.Желтков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Вопроо использования в современном машиностроении некоторых перспективных конструкций газодинамических импульсных устройств тесно связан с проблемой создания высокопроизводительной, малоотходной технологии изготовления их элементов, базирующейся на передовых методах обработки металлов. Решение упомянутой проблемы затрудняют требуемый объем выпуска, соответствующий массовому и даже сверхмассовому производству, и жесткие требования к точности изготовления и прочностным характеристикам элементов устройства.

Одним из наиболее актуальных аспектов этой проблемы является разработка технологии изготовления секторов ведущих устройств (ВУ), технико-экономические показатели которой соответствуют заданному характеру производства, при полном соответствии изготавливаемого изделия комплексу специфических требований, обеспечивающих его надежное функционирование.

Необходимость выполнения этих требований привела к созданию конструкций секторов ведущих устройств, представляющих сектор тела вращения со сложным внутренним профилем.

Высокие требования к технико-экономическими показателями технологического процесса в сочетании с высокой точностью основных геометрических параметров изготавливаемых изделий определили выбор объешой холодной штамповки в качестве основного способа формообразования.

Основным лимитирующим фактором при использовании этого метода являются высокие удельные нагрузки на формообразующий инструмент, обусловливающие его низкую стойкость. Поэтому применение метода холодной объемной птамповки в технологии изготовления секторов ведущих устройств требует поиска рациональных схем формообразования, тщательный выбор материалов, размеров и формы заготовки, инструмента к полуфабригата.

Объектом исследования в данной работе является возможность использование холодной объемной штамповки в технологии массового изготовления секторов ведущих устройств, имеющих форму секторов тела вращения со сложным внутренним профилем.

Целью работы является разработга технологии массового производства секторов, ведущих устройств (БУ), обеспечивающей получение внутреннего профиля в соотпетствии с комплексом требований, опре-

делающих надежное функционирование изделия, на базе операций холодной объемной штамповки.

В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:

- на основе анализа процесса пластического формообразования секторов ВУ определить целесообразную схему формообразования, задающую рациональное распределение контактных давлений на поверхности инструмента и позволяющую достичь удовлетворительной стойкости инструмента;

- установить аналитические и экспериментальные зависимости, связывающие силовые параметры процесса с геометрией заготовки, инструмента и формообразуеыого полуфабриката;

- разработать технологический процесс, удовлетворяющий условиям массового производства, технологическую оснастку и провести их опытно-промышленную отработку.

Научная новизна.

Разработан новый способ пластического формообразования секторов ВУ, основанный на исследовании влияния геометрии исходного полуфабриката на параметру, определяющие качество фсрмг.^уемогс внутреннего профиля я стойкость формообразующего инструмента.

Установлены аналитические зависимости, связывающие силовые ! геометрические параметры процесса радиальной осадки цилиндрической заготовки.в полости матрицу, позволяющие рассмотреть предельные, с точки зрения удельной нагрузки на инструмент, возможност; процесса.

Получены регрессионные зависимости, связывающие размеры заготовки и формообразующего инструмента с геометрическими параметрами штампуемого полуфабриката деталей типа секторов ВУ.

Установлено влияние разброса геометрических параметров исходного полуфабриката на факторы определяющие качество формообра-зуемого сектора ВУ.

Автор защищает технологию массового производства сектора! ВУ, основанную на новом способе пластического формообразованш секторов ВУ, обеспечивающем ва счет рационального распределенш контактных давлений удовлетворительную стойкость формообразуедегс инструмента при полном соответствии заданных параметров формооб-разуемого профиля секторов ВУ," и па полученных аналитических I регрессионных зависимостях, связывающих геометрические параметр1 заготовки, формообразующего инструмента и штампуемого полуфабри-

- Б -

ката с силовыми режимами процесса.

Практическая ценность и реализация результатов. Результат« диссертационной работы были использованы при разработке технологического процесса и технологической оснастки для изготовления секторов ВУ изделия 9КС7 в соответствии с тематическими планами хоздоговорных работ.

Указанные технологические процессы и оснастка прошли агтроба-цш на предприятии ЦНИИТОМАШ при изготовлении опытных партий изделий и внедрены на Ульяновском машиностроительном > заводе.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы долехены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного технического университета (Тула, 1991 - 95 г.г.), на научно-технической конференции ТВАИУ (Тула, 1995 г.).

Диссертационная работа обсуждена и одобрена кафедрами "Проектирование и производство металлических оболочек" и "Технология штамповочного производства" ТГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, е том числе 7 авторских свидетельств. ■

Структура и обэен работн. Диссертационная работа состоит кз квэдешм, четырех глав, заключения, списка литературы,, приложений и содержит 149 страниц мааиноаисиого текста, включая Б8 рисунков, 3 таблиц и 'список использованиях источников из 94 наименований.

СОДЕРЖАНКЕ РАБОТЫ Во введении дано обоснование актуальности темы исследования. р первой главе рассмотрено современное состояние вопроса. В настоящий момент в мгзиностроении существуют'типовые технологические процессы изготовления секторов ВУ с наружным диаметром 100 и более мм на базе операций механической обработки на специализированном металлорежучем оборудования. Больиая трудоемкость и относительно невысокий КИМ процесса формообразования этих изделий заставляют постоянно искать пути совершенствования технологии,. ~ основном эа счет увеличения доли операций пластического формообразования ц приближения конфигурации заготовки к форме готового изделия. • -

Однако, при использовании этих технологических приемов для изготовления аналогичных изделий малого диаметра (до 15 мм) эф- -фективност'ь- производства заметно снимается. Креме того, вследствие значительного повышения серийности производства, достигнуты'-;

технико-экономические показатели уже не могут удовлетворять жесткие требования патронного производства. Поэтому для решения этой задачи необходим поиск принципиально новых подходов. •

Один из таких подходов изложен в работах Л.А.Морозовой. Применение прутковых автоматов и специального профилированного прутка позволило значительно повысить технико-экономические показатели техпроцесса, но получение периодических кольцевых выступов на поверхности осевой полости (гребенки) на завершающем этапе с помощью профильного режущего инструмента (фрез) делает.проблематичным использование этого способа из-за низкой стойкости последнего.

Проблемы получения специального профилированного прутка не возникает при использовании способа пластического формообразования секторов ВУ из мерной цилиндрической заготовки, изложенного в работах Р.Е.Алексеева. Однако штамповка гребенки на заготовке со сформированным наружным контуром не обеспечивает получение качественного профиля гребенки по всей поверхности осевой полости и приводит к искажению ранее сформированных элементов наружного профиля. Поэтому в качестве основного способа формообразования гребенки здесь рассматривается, как и в предыдущем случае, нарезание профильными фрезами, что также не. решает проблему•получения секторов ВУ малого диаметра.

Исходя из этого, О.А.Кутергин использовал принципиально иной подход к решению данной задачи. В его работах с помощью методов аналитического анализа и экспериментальных исследований подробно рассмотрена операция пластического формообразования зубьев гребенки. На основе этих исследований разработан способ штамповки полуфабрикатов секторов ВУ со сформированным внутренним профилем под дальнейшую обработку по наружному контуру. Штамповка гребенки производится специальным профильным инструментом (знаком) в заготовке - полуцилиндре с осевой полостью, форма которой обеспечивает минимальное искажение плоскости разъема полуцилиндра при максимальном заполнении профиля гребенки формообразующего инструмента. Опытно-промышленная отработка этого способа показала низкие стойкость формообразующего инструмента и степень заполнения крайних зубьев,что приводит к заметному снижению несущей способности гребенки.

' Однако, при такой схеме обработки формообразованные элементы внутреннего контура служат надежной базой при обточке наружного контура, позволяя достичь полной взаимозаменяемости секторов при

сборке ВУ, что значительно облегчает последующую обработку полуфабрикатов.

Таким образом, перед настоящим исследованием формулируется основная задача - поиск рациональной схемы формообразования внутреннего профиля сектсров ВУ, обеспечивающей необходимый уровень качества формируемого внутреннего профиля и стойкость формообразующего инструмента, соответствующую нормам стойкости штамповой оснастки в массовом производства.

Во второй главе пр шодится описание принципиально нового способа формообразования' сектора ВУ, обеспечивающего решение ранее сформулированных задач за счет нетрадиционного подхода к выбору заготовки.* При этом проблема получения качественного внутреннего профиля решается ва счет локализации очага пластической деформации при формообразовании ссевой полости с гребенкой. Локализация достигается увеличением кривизны поверхности 'заготовки в зоне контакта с формообразующим гребенку знаком. Для этого на плоскости радиально осаженной цилиндрической-, заготовки формируется продольный профильный выступ (рис. 1).

В этом случае участок формообразования гребенки локализуется в относительно небольших областях, вступающих в контакт со знаком (рис. 1,6). Уменьшение поверхности контакта материала заготовки с формообразующим инструментом в области "формирования гребенки позволяет в значительной степени снизить энергоемкость процесса. Таким образом, пластическая область локализуется в зоне формирования профиля гребенки, не распространяясь на всю заготовку. Поэтому процесс формирования профиля гребенки не сопровождается радиальной осадкой заготовки и практически заканчивается к моменту образования контакта материала заготовки с плоскостью пуансона, когда в центре заготовки начинает развиваться обширная застойная зона( рис. 1,в). После этого начинается следующая стадия процесса, сопровождающаяся формообразованием плоскости разъема сектора.

Анализ характера разрушения формообразующего гребенку профильного инструмента (знака) при попытках пластического формообразования гребенки показывает, что основная причина Еыхода из строя инструмента - усталостные разрушения знала в результате циклического воздействия неравноглерно распределэшшх контактных

* По вопросам специальной технологии автор пользовлся научными консультациями г. т.н. Панфилова Г.В.

Pue. I. Локализация очага деформации при формообразовании oceBoii полости с гребенкой за счет продольного продольного выступа на поверхности заготовки

Шш

Рис. 2. Конические ограничители осевого течения материала

давлений на боковые стороны выступов,'формирующих профиль гребенки, приводящие либо к лотсальному дефекту - сколу части выступа, либо к разрыву знака. Факт разрушения, как показывает опыт штамповки полуфабрикатов секторов ВУ, преимущественно крайних выступов знака'свидетельствует о том, что для формообразующего инструмента наиболее опасны не столько сами абсолютные значения контактных давлений, максимум которых достигается в центре заготовки, сколько неравномерность их распределения по длине знака, обусловливающее возникновение усилия, достаточного для среза выступа (зуба) знака.

Исходя из этого, увеличение стойкости формообразующего инструмента решается за счет использования конических ограничителей (рис. 2).позволяющих значительно снизить нагрузку на боковые стороны зубьев формообразующего гребенку знака, без заметного роста усилия формообразования полуфабриката.

Кроме того, повышению стойкости формообразующего инструмента способствует выравнивание контактных давлений на его поверхности за счет предварительной подготовкой исходной заготовки,на которой формируется система компенсаторов.

Для этого исходную цилиндрическую мерную заготовку осаживают в радиальном направлении, формируя на плоскости заготовки продольный профильный выступ и два симметричных плоскостных компенсатора в форме лунок в средней части заготовки (рис. 3,а).

Формирование торцевого компенсатора (рис. 3,6) происходит при последующей осевой осадкой заготовки наклонными плитами. Этим достигается несколько положительных эффектов:

- у торцев заготовки возникают локальные зоны деформационного упрочнения, изменяющие пластические свойства материала по длине заготовки;

- изменяется площадь поперечного сечения по длине заготовки и формируется поверхностный компенсатор;

- наклон торцев. компенсирует удлинение заготовки при итам-. повке внутреннего профиля.

Таким образом, разработана схема формообразования полуфабриката сектора ВУ, обеспечивающая получение полноценного профиля при удовлетворительной стойкости формообразующего инструмента. Схема Формообразования включает три операции (рис. 4,а):

1. Радиальную осадку мерной цилиндрической заготовки;

2. Осевую осадку заготовки наклонными плитами;

3. Штамповку внутреннего профиля полуфабриката.

Рис. 3. Система компенсаторов:

а) плоскостной,

б) торцевой,

В) ПОБерхНОСТНЫЙ

Ф© I. Р^убка заготовки

•2. Раздельная осадка 'заготовки

в 3. Осевая осадка заготовки

4. Штамповка внутреннего профиля _

5. "ехобработка по нару;шо:.<ту контуру

ф- ■ I. Рубка заготовки

Ф \jrnJ. 2. Закрытая ради&т. осадка заготовки

3. Штагйповка внутрзкнего . профиля

■ 4. Ь'охобработка по нару^ног.-у контуру

Рис. 4. Технологические схемы формообразования секторов БУ

Когда на плоскости разъема формообраэуеыого полуфабриката образование лунок недопустимо, рекомендуется двухоперационная схема(рис. 4,6), отличающаяся от первой тем, что наклонные торцы полуфабриката получаются одновременно с радиальной осадкой заготовки. В этом случае отсутствие на заготовке плоскостного компенсатора определяет необходимость повышения эффективности поверхностного. Для этого на внешней поверхности полуфабриката штампуется поперечная канаЕка (рис.3,в).

В третьей главе работы изложены результаты аналитических и экспериментальных исследований процесса штамповки секторов ВУ, • позволяющие определять рациональные, технологические параметры \ процесса.

Аналитические зависимости, связывающие размеры штампуемого полуфабриката с силовыми режимами процесса, в рамках теории иде-альнон пластичности для плоского течения были получены с помощью*/ метода линий скольжения. Для этого решена задача, рассматриваощал предельные с точки зрения силовых режимов возможности радиальной осадки заготовки в полости матрицы с помощью конструкции полай линий скольжения, учитывающей кинематические особенностей процесса (рис. 5.). „ .. .

Интегрирование напряжений вдоль линий скольжения BD, DE позволяет определить составляющие технологического усилия, связывая тем самым шириной контакта В, высоту заготовки h, радиус матрицы RM с технологическим усилием,

ы (д)

Рх =-RoJ(0,5 + 0 + Oexp(mÜCos(«/4-Od£.-0,-5RoJexp(mÜSin(rt/4-t)dä,

О О

+ (-о,5-ф) Lad Cos(it/4-w) +-0.Б Lad Sin(rt/4-w)

w - • w •

Py =-RoJ*(0,5 + 8 + Оехр(гл£,)Cos(K/4+£)d4-0,Б R0Jexp(m£,)Sin(ií/4+^)d

О 0 •

t (-0,5-ф) Lad Cos(jí/4+<ü) + о,Б Lad SinCJt/4+w).

Полученные зависимости связывают размеры штампуемого сектора с усилием осадки и средним контактным давлением на повегхности инструмента и могут быть использованы для определения оптимальной геометрии формообраэуеыого полуфабриката и прочности формообразующего инструмента.

'В' /

Р5гс. 5. Полз линий снольяеняя и годограф скоростей для задачи радиальной осадки заготовки в полости матрицы

Для определения рациональных размеров исходной заготовки спланирован и проведен многофакторный эксперимент, в ходе которого установлены регрессионные зависимости, связывающие наиболее значимые параметры: диаметр исходной заготовки 03, определяющей ее объем ( длина заготовки определяется условием базирования ), степень радиальной осадки е, угол наклона формируемых торцев <р с размерами формообразуемого торца (Р и Ь),

Р = 1,81 - 1>Ю32 + 1,07е2 - 0,48<р2 + 2,070эе -- 1,9Ю3 + 1,88е - 0,87?

Ь - - 1,69 + 0,87032 - 0,82е2 + 0,68р2 + 1,0Ш3 + 0,8бе.

Полученные зависимости позволяют по выбранным размерам полуфабриката определить рациональные параметры процесса.

Размеры компенсаторов определяются из условия равномерного,, распределения контактных давлений на поверхности пуансона . вдоль' оси заготовки. Для учета их влияния на размеры полуфабриката спланирован и проведен следующий многофакторный эксперимент, результатами которого являются регрессионные зависимости, связывающие такие параметры как высота профильного выступа И (рис. 3,а), ширина поверхностного компенсатора А (рис. 3,в), отношение длины исходной заготовки к ее диаметру Ь3аг/Озаг (для двухоперационной схемы формообразования полуфабриката) с размерами штампуемого полуфабриката: '

Р = 1,81 + 0,27 I - 0,21 й - 0,53 А - 0,059 Ь А + 0,083 й А Ь = 0,95 - 1,14 Ь + 0,28 И - 0,35 А + 0,165 ЬА- 0,141 Ь А.

Критерием, учитывающим влияние свойств материала на параметры штамповки, является предел текучести материала. Оценю влияния предела текучести .материала на силовые режимы штамповки установлена путем сравнительного анализа процесса штамповки заготовок из стали 20 (бт = 250 МПа) и 20Г2Р (бт = '370 МПа) и позволяет оперативно изменять параметры технологического процесса при изменении свойств материала заготовки.

Важным вопросом при проектировании технологического процесса является установление влияния на качество формообразованного сектора разброса технологических параметров процесса. Для этого бил проведен корреляционно-регрессионный анализ результатов штамповки партии заготовок, итогом которого были зависимости, связывающие ширину, высоту, длину и массу исходного полуфабриката с качеством

итампуемого профиля, определяемого, в основном, шириной плоскости контакта материала заготовки с пуансоном и величиной утяжин в уг-1ах сопряжения поверхностей осевой полости, плоскости разъема и горца полуфабриката. Результаты анализа необходимы для назначения делесообразных допусков на размеры заготовки при проектировании технологического процесса.

В четвертой главе приведены результаты опытно-промышленной отработки технологического процесса иэготсзления секторов.

В основу разработанных для Ульяновского машиностроительного завода технологического процесса изготовления секторов ВУ и обес-течивающей реализацию данного техпроцесса в условиях массового троизводства технологической оснастки легли изложенные в предыду-цих разделах рекомендации.

Отштампованные образцы подвергались динамическим и статическим испытаниям формообразованной гребенки на прочность, показав-ними полное соответствие изготовленных образцов требованиям конструкторской документации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ:

1. Предложена и разработана новая технология холодной объем-юй штамповки деталей типа секторов ВУ, удовлетворяющая условиям массового производства, отличающаяся тем, что пластическое формообразование внутреннего профиля осуществляют на предварительно голученном полуфабрикате в форме полуцилиндра с продольным высту-гом, и обеспечивающая получение внутреннего профиля сектора ВУ в :оответствии с !сомплекссм требований, определяющим надежное функ-дионнрование изделия.

2. Установлены закономерности влияния геометрических параметров исходной заготовки, формообразующего инструмента, штампуемого полуфабриката на силовые режимы штамповки и факторы, определяющие качество формообразуемого сектора ВУ, и получены соответствующие зависимости, необходимые для определения рациональных технологических параметров процесса штамповки внутреннего профиля лекторов ВУ.

3. Разработаны рекомендации по проектированию технологической оснастки, обеспечивающей реализацию новой технологии в промышленных условиях.

Д. Разработанные технологический процесс и оснастка прошли зпытно-промышленную отработку на предприятиях ЩШИТОЧНЛИ и Ульяновский машиностроительный завод им. Володарского, в ходе которой

установлено повышение КИМ и снижение трудоемкости изготовления в 2 раза, по сравнению с базовым технологическим процессом, значительное повышение стойкости формообразующего инструмента (не мене 12000 циклов), снижение себестоимости изделия более, чем в б раз.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.Исследование напряженно-деформированного состояния материала < помощью метода делительной сетки//Тр./Ренне И.П..Кутергин O.A. Царьков B.C. Тульск. политехи, ин-т. - Тула, 1087. - 19 е.:ил. Рус. - Деп. в ВНЩТЭМР 27.07,87. N 349

2.Панфилов Г.В..Царьков B.C. Выдавливание из матрицы-контейнер на криволинейный рассекатель // Известия вузов. Машиностроение - 1990. -NO.- с. 79 - 81.

3.А.с. N 277712, СССР. Устройство для штамповки преимущественн полуфабрикатов секторов поддонов ОПП / О.А.Кутергин, Р.Е.Ален сеев, Г.В.Панфилов, В.Н.Кухарев, Л.Л.Шибаев, В.С.Царьков.

4.А.с. N 300234, СССР. Экспериментальное устройство для штамповн гребенки на СП / О.А.Кутергин, Р.Е.Алексеев, Г.В.Панфилог Д.Л.Михайлин, В.С.Царьков.

б.А.с. N 320064, СССР. Способ калибровки секторов поддонов к ОПТ О.А.Кутергин, В.С.Царьков, Л.Л.Шибаев, В.Ю.Филатова.

6.A.c. N 332634, СССР. Способ получения полуфабрикатов сектор< ВУ к ОПП / О.А.Кутергин, В.Н.Кухарев, Г.В.Панфилов, В.С.Цар] ков, Д.И.Фомичев.

7.А.с. N 332675,СССР.Способ получения секторов ВУ к ОПП /О.А.К тергин, В.Н.Кухарев, Г.В.Панфилов, В.С.Царьков, Б.Н.Вытягов.

8.А.с...(положительное решение по заявке N 4539562 от 18.02.9

Способ получения секторов ВУ к ОПП / О.А.Кутергин, В.Н.Кухаре Г.В.Панфилов, В.С.Царьков, Д.И.фсмичев.

9.A.c...(положительное решение по заявке N 4539563 от 18.02.S Способ получения секторов ВУ к СШП / О.А.Кутергин, В.Н.Кухаре Г.В.Панфилов, В.С.Царьков, Л.Ф.Новикова, Б.Н.Вытягов.

Подписано к печати 07,04,95. фораат бумаги 60хЬ4 1/16, Бумага типогр. 1а 2. Офсет,печ,Уол.печ.л,09,0.Уч.-иэд.л.0,8. Тираж 75 экз, Заназ Й 296,

Издано в Тульской государственной технической г университете, Тула,ул.Болдина<15{, Отпечатано на ротапринте в ТулГТУ.