автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка и исследование технологических параметров процесса обратного выдавливания стаканов коническим пуансоном

Введение.

Глава 1. Обзор литературных источников (состояние вопроса). Цель и задачи исследования. £ I !

1.1 Силовой режим обратного выдавливания стаканов коническим?; | | ; j ! пуансоном.А ;j

1.2. Основные методы аналитического решения задач определения нагрузки при выдавливании.j

1.3. Анализ факторов, влияющих на точность обратного выдавливания стаканов.

1.4. Общий подход к анализу точности операций ХОШ.'

1.5. Цель работы и задачи исследования.

Глава 2. Теоретический анализ силового режима обратного выдавливания стаканов коническим пунсоном.: ;

2.1. Очаг пластической деформации при обратном выдавливании • ■ стаканов коническим пуансоном. ! ' !

2.2. Определение нагрузки при обратном выдавливании стаканов) коническим пуансоном методом верхней оценки.

Выводы.

Глава 3. Экспериментальное исследование силового режима процесса обратного выдавливания стаканов коническим пуансоном на основе факторных экспериментов.

Выводы.'

Глава 4. Анализ точности обратного выдавливания стаканов коническим пуансоном с применением функций чувствительности. Сравнительный анализ точности выдавливания стаканов коническим и цилиндрическим) пуансонами.

Выводы.

Глава 5. Экспериментальное исследование точности процесса обратного : ! выдавливания стаканов коническим пуансоном.J. Д ^ Q

Выводы.I

Глава 6. Исследование влияния погрешности наладки на точность выдавливаемых стаканов.

6.1. Повышение точности холодной объемной штамповки на гидравлических прессах уменьшением влияния погрешности наладки

6.2. Исследование погрешности наладки при обратном выдавливание , i стаканов коническим пуансоном на основе выполнения полньф" j факторных экспериментов (ПФЭ).

Выводы.1.' >

Глава 7.Применение результатов работы на действующем производстве. |

Одной из главных тенденций современного машиностроения является освоение ресурсосберегающих технологий, позволяющих существенно повысить коэффициент использования материала и значительно уменьшить трудоемкость последующей механической обработки. Наиболее полно указанная тенденция реализуется в технологических процессах холодной объемной штамповки. Развитие современного машиностроения неразрывно связано с интенсивным совершенствованием технологических процессов, в частности обработки металлов давлением, наиболее полным использованием их возможностей с точки зрения производительности, экономичности, качества и эксплуатационных характеристик изделий. Наиболее перспективными способами изготовления осесимметричных деталей являются процессы холодного выдавливания. Среди базовых процессов холодного выдавливания наиболее распространено обратное выдавливание [16].

Холодное выдавливание позволяет изготавливать штампованные поковки, форма, размеры и качество поверхности которых удовлетворяют требованиям, предъявляемым к машиностроительным деталям. Благодаря этому последующая обработка резанием, а также отходы металла сведены к минимуму. Однако для выполнения холодного выдавливания необходимо создавать значительные удельные силы, величина которых в ряде случаев составляет четыре и'более значений напряжения текучести деформируемого материала (2000.2500МПа) [34]. Обратное выдавливание широко применяется для изготовления из цветных металлов и их сплавов ряда полых и трубчатых тонкостенных деталей круглого, квадратного, прямоугольного и других поперечных сечений с большим отношением высоты к диаметру. В настоящее время обратным выдавливанием изготавливают детали из алюминия, меди, латуни, цинка и малоуглеродистой стали.

При холодном выдавливании в результате упрочнения предел текучести материала увеличивается в 1,6.2,6 раза и более. Поэтому для выдавливания можно применять менее прочные материалы и получать изделия, не уступающие по эксплуатационным свойствам изделиям из более прочного материала [18].

Процессы выдавливания обладают рядом преимуществ по сравнению с другими технологическими процессами обработки металлов давлением, поэтому их роль и удельный вес в массовом и крупносерийном производствах непрерывно возрастает.

Технологические процессы холодной объемной штамповки (ХОШ) в том числе обратное выдавливание позволяют изготавливать поковки, точность размеров которых близка к точности деталей после их механической обработки. Точность отдельных конструктивных элементов поковок зависит от их расположения относительно поверхности разъема штампа. В частности, точность диаметральных размеров соответствует 8.9 квалитету, а высотных, оформляемых взаимным расположением подвижной и неподвижной частями штампа, на 3.5 квалитетов грубее. Экономически целесообразно, как показывает практика, в этом случае не применять механическую обработку с целью повышения точности, а обеспечить требуемую точность высотных размеров (9. 10 квалитеты) в процессе штамповки поковок, без дополнительных затрат [4].

Большинство операций ХОШ в настоящее время выполняется на кривошипных прессах, это связано с тем что, до 80% парка всех прессов составляют кривошипные. Однако это не свидетельствует об их преимуществе перед гидравлическими прессами, а лишь отражает баланс прессов с различным типом привода, сложившийся в кузнечно-штамповочном производстве. Гидравлические прессы по сравнению с кривошипными имеют недостатки — меньшую производительность, а в некоторых случаях - более низкую точность штампуемых изделий. Но наряду с недостатками, они обладают преимуществами - большим рабочим ходом, постоянством силы на всей длине рабочего хода и отсутствием возможных перегрузок деталей пресса и штампа. Для некоторых операций ХОШ (например, выдавливания), где требуется большой рабочий ход применение гидравлических прессов более предпочтительно. При закрытой штамповке, когда возможна перегрузка деталей кривошипного пресса и штампа, применение гидравлических прессов также более предпочтительно. На предприятиях гидравлические прессы в основном используются как универсальное оборудование в условиях единичного, мелкосерийного производства и поэтому не полностью загружены.

Наибольший вклад в исследование и разработку теории и технологии обратного выдавливания внесли коллективы кафедр МГТУ им.Н.Э.Баумана, МГТУ СТАНКИН, МГТУ МАМИ и других научных школ. Следует отметить большой вклад в теоретические и экспериментальные исследования процессов выдавливания таких ученых, как М.В Сторожев, Е.А. Попов, А.Г. Овчинников, В.А. Головин, В.А. Евстратов, Е.Н. Ланской, А.Э. Артес, A.M. Дмитриев, A.JI. Воронцов и др., которыми предложен ряд функциональных зависимостей по определению энергосиловых параметров этого процесса, выявлены основные закономерности формоизменения деформируемых заготовок.

Одной из задач обеспечения качества изделий является повышение точности геометрических размеров и формы деталей. Точность повышает технологичность деталей при выполнении операций сборки, обеспечивает возможность автоматизации технологического процесса и увеличение срока службы изделия. Особое значение точность имеет при ремонте изделий — многократной сборке-разборке для увеличения стойкости деталей и снижения и себестоимости. Совершенствование конструкции приборов, машин и аппаратуры с целью повышения надежности и точности работы обусловливает применение в их узлах деталей с ужесточенными допусками на размеры и отклонения формы. Совпадение заданных и технологически возможных допусков на размеры деталей, изготавливаемых обратным выдавливанием, повышает эксплуатационные характеристики деталей, их качество и надежность в работе. На технологический процесс обратного выдавливания и формирование точности размеров поковок влияет целый ряд факторов: колебания механических свойств их материала; изменение условий контактного трения; жесткость системы кривошипный пресс-штамп, геометрические параметры выдавливаемых стаканов и др.

В машиностроении и смежных отраслях широкое применение находят изделия типа стаканов как с цилиндрической так и с конической полстями. Это различного рода корпуса, наконечники, клеммы и т.д. В большинстве случаев их изготавливают холодной штамповкой выдавливанием цилиндрическим ♦ пуансоном с последующей обработкой резанием. Такая схема выдавливания наиболее полно изучена и наряду с многолетним производственным опытом является теоретической основой для проектирования соответствующих технологических процессов и штампов для их реализации.

Поковки с конической полостью изготавливают обратным выдавливанием пуансоном в форме усеченного конуса, которое позволяет получить поковки, по форме и размерам близкие к деталям, требующие лишь незначительной последующей механической обработки. Часть классификации деталей с конической полостью представлена на рис. 1.1. Вместе с тем, как показывает ♦ анализ производства и литературных источников процесс обратного выдавливания стаканов коническим пуансоном с плоским торцем практически не исследован и в специальной литературе не нашел отражения производственный опыт. Известно лишь несколько работ по исследованию основных технологических параметров данного технологического процесса.

При некоторой общности процессов выдавливания цилиндрическим и коническим пуансоном между ними существуют принципиальные отличия. В частности, отличительной особенностью выдавливания коническим пуансоном является пластическое деформирование заготовки в постоянно уменьшающемся зазоре между пуансоном и матрицей. Это сказывается не только на величине удельных и полных сил деформирования, но и на характере их изменения. Последнее обстоятельство оказывает существенное влияние на достижимую точность высотных размеров выдавливаемых стаканов. В настоящее время отсутствуют теоретические и экспериментальные исследования, в том числе и обобщение производственного опыта, которые s

Покодки осесимметричные с конической полостью гладкие с перемычкой с отростком с фланцем д дерхней части с фланцем b средней части с фланцем б нижней части

01

04

05

07

09

10

01 V ж

Щ.

02

Рис. 1.1. Классификация поковок, изготавливаемых холодной объемной штамповкой [49] послужили бы научной базой при проектировании технологических операций изготовления деталей и заготовок холодной штамповкой обратным выдавливанием коническим пуансоном.

Исходя из вышеизложенного, на защиту выносятся следующие результаты работы:

1. Результаты анализа и экспериментальных исследований силы обратного выдавливания стаканов коническим пуансоном на основе метода верхней оценки. 2. Результаты сравнительного анализа силового режима обратного выдавливания стаканов коническим и цилиндрическим пуансонами.

3 Результаты анализа точности операции обратного выдавливания стаканов с применением основных положений теории параметрической чувствительности.

4. Результаты анализа основных факторов, влияющих на точность операции обратного выдавливания стаканов коническим пуансоном.

5. Результаты аналитических и экспериментальных исследований влияния погрешности наладки гидравлического пресса, погрешности исходной заготовки и погрешностей технологического процесса на точность высотных размеров выдавливаемых стаканов.

6. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по повышению точности поковок, изготавливаемых обратным выдавливанием на гидравлических прессах, за счет уменьшения погрешности наладки.

Общие выводы

1. Методом верхней оценки определена зависимость величины полных и удельных сил деформирования от минимальной толщины стенки, угла конуса полости, коэффициента контактного трения и механических свойств материала стаканов при их холодной штамповке обратным выдавливанием коническим пуансоном, что позволяет спроектировать технологический процесс изготовления поковок с конической полостью и снизить трудоемкость технологической подготовки производства.

2. На основе выполненных многофакторных экспериментов установлено, что величина силы обратного выдавливания стаканов коническим пуансоном определяется относительной толщиной их стенки и возрастает с ее уменьшением. Влияние напряжения текучести, коэффициента контактного трения и угла конуса пуансона на величину силы деформирования так же возрастает с уменьшением толщины стенки стакана. При уменьшении относительной толщины стенки (S/D) от 0,14 до 0,07 увеличение силы достигает 5.30%. Это позволяет определить возможный диапазон колебания силы выдавливания при выборе пресса по величине его номинальной силы.

3. Теоретически и экспериментально выявлено, что выдавливание коническим пуансоном, в отличие от выдавливания цилиндрическим, выполняется с сохранением объема исходной заготовки в полости штампа. Толщина дна стаканов с конической полостью зависит от погрешности объема исходных заготовок, а погрешность толщины дна, вызванная действием случайных погрешностей и систематической погрешности наладки меньше на 35.45% по сравнению с выдавливанием цилиндрическим пуансоном, что приводит к уменьшению припуска на механическую обработку торцев стаканов.

4. На основе функций чувствительности технологической системы и многофакторных экспериментов установлено, что влияние погрешности объема исходных заготовок на погрешность толщины дна стаканов возрастает с уменьшением относительной толщины их стенки, а влияние других случайных погрешностей и систематической погрешности наладки, уменьшается. С учетом величины исходных случайных погрешностей определено, что доминирующей погрешностью при обратном выдавливании стаканов коническим пуансоном является погрешность, обусловленная разбросом механических свойств материала исходных заготовок и составляет 50.60% суммарной погрешности толщины дна стаканов, ее влияние может быть уменьшено на 50% применением партионной наладки.

5. На основе выполненных экспериментов и анализа их результатов выявлено, что погрешность толщины дна стаканов, изготавливаемых обратным выдавливанием, как коническим так и цилиндрическим пуансонами, можно уменьшить установлением необходимой для выдавливания силы гидравлического пресса с ее максимально допустимым положительным отклонением. Влияние такого способа наладки силы гидравлического пресса позволяет уменьшить указанную погрешность на 30.60%.

6. Результаты выполненной работы реализованы на ОАО «Калужский электротехнический завод» в виде технологического процесса изготовления заготовок для деталей типа «Наконечник клеммы», а отдельные положения диссертации используются в учебном процессе на кафедре «Технология машиностроения» Калужского филиала МГТУ им. Н.Э.Баумана при чтении лекций по дисциплине «Технологии производства заготовок».

1. Аксенов Л.Б. Системное проектирование процессов штамповки. J1.: Машиностроение, 1990г. 240с.

2. Антонюк Ф.И. Верхняя оценка усилия обратного выдавливания полых заготовок коническим пуансоном с плоским торцем. // Известия ВУЗов «Машиностроение» №6, 1988г. С. 6-9.

3. Антонюк Ф.И., Вяткин А.Г. Влияние погрешности наладки кривошипных и гидравлических прессов на точность поковок, получаемых холодной объемной штамповкой // Вестник МГТУ. Машиностроение. 2002. - №2. - С. 115-126.

4. Антонюк Ф.И. Анализ и обеспечение высокой точности холодной объемной штамповки на прессах научно обоснованным выбором жесткости элементов технологической системы. Дис. . докт. техн. наук. // МГТУ им.Н.Э.Баумана. — М„ 2004. -350 с.

5. Богданов Э.Ф. Повышение стабильности и эффективности процессов штамповки // Кузнечно-штамповочное производство. 1985. - №4. - С. 19-21.

6. Боровиков С.М. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности. Мн.: Дизайн ПРО, 1998. - 336с.

7. Быховский M.J1. Точность механизмов, у которых положения звеньев описываются дифференциальными уравнениями // Известия АН СССР, ОТН, №11,1947.

8. Воронцов A.J1. Методические указания по определению напряженно-деформированного состояния методом делительных сеток // Производство проката. 2001. №4. С. 3-8.

9. Вяткин А.Г. Сравнительная оценка точности операций холодной объемной штамповки, выполняемых на кривошипных и гидравлических прессах. Дис. . канд. техн. наук. // МГТУ СТАНКИН. М., 2004. - 199 с.

10. Джонсон В., Кудо X. Механика процессов выдавливания металла. Металлургия. М., 1965.12 . Дмитриев A.M., Воронцов АЛ. Физические закономерности и определениеIсиловых параметров выдавливания полых цилиндрических изделий. // КШП. ОМД. 2004 №6. С.3-8.

11. Дмитриев A.M., Воронцов А Л. Выбор коэффициента трения для расчета технологических параметров штамповки выдавливанием. // КШП. ОМД. 2004, №1 С.23-26.

12. Дмитриев A.M., Воронцов А Л. Аппроксимация кривых упрочнения металлов // КШП. ОМД. 2002 №6. С. 16-22.

13. Дмитриев A.M., Воронцов А Л. Расчет накопленных деформаций при выдавливании полых цилиндрических изделий. // КШП. ОМД. 2004 №3 с.3-9.

14. Евдокимов А.К. Холодное выдавливание сложнопрофильных изделий. // КШП. ОМД. №1 -2005 С. 9-17.

15. Евдокимов А.К., Ципина Е.М., Калинина С.А. Влияние технологическихпараметров на процесс обратного выдавливания // Разработка и внедрениепроцессов объемной штамповки: Сб. матер. Всесоюзной конференции. Талин, 1971. - С.64-71.

16. Евстратов В.А. Основы технологии выдавливания и конструирования штампов. Харьков: Вища школа, 1987. - 144 с.

17. Евстратов В.А. Теория обработки металлов давлением. Харьков: Вища школа. 1981.-248с.

18. Кофанов Ю.Н. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности радиоэлектронных средств: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1991.-360 с.

19. Кузнечно-штамповочное оборудование: Учебник для машиностроительных вузов / Под ред. А.Н. Банкетова, Е.Н. Ланского. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1982. - 576с.

20. Ланской Е.Н., Артес А.Э. Вопросы точности при холодном выдавливании // Кузнечно-штамповочное производство. 1980. - №9. - С. 12-14.

21. Ланской Е.Н., Антонюк Ф.И. Анализ точности холодного выдавливания ПОЛ&1Х поковок статистическими методами // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2001. - №5. - С. 14-20.

22. Ланской Е.Н. Общий метод анализа жесткости прессов для объемной штамповки.// Кузнечно-штамповочное производство. 1969. - №5. - С. 29-32.

23. Ланской Е.Н., Позднеев Б.М. Влияние температурного фактора на размерную точность поковок при полугорячей объемной штамповке // Кузнечно-штамповочное производство. 1983. —№4. — С. 5-7.

24. Ланской Е.Н., Антонюк Ф.И., Вяткин А.Г. Точность поковок, изготавливаемых холодной объемной штамповкой на кривошипных и гидравлических прессах // КШП. ОМД. 2002. - №1. - С. 25-29.

25. Ланской Е.Н. Влияние жесткости процесса штамповки на точность. // Повышение точности и автоматизация штамповки и ковки. — М.: Машиностроение, 1967. С. 21-30.

26. Непершин Р.И. Моделирование пластического течения методом линий скольжения. // КШП. ОМД. №12 2003. - С.22-26.

27. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение. София: Техника, 1980.-304с.

28. Нузов А .Я. Исследование влияния температурно-силовых факторов на точность поковок. Дис. . канд. техн. наук/ Моск. станко-инстр. институт. — М.,1963.

29. Нузов А .Я. Наладка пресс-автомата AMP 30 на требуемый размер по высоте поковки // Труды института, вып. №1 (33), ВНИПП,1963.

30. Овчинников А.Г. Основы теории штамповки выдавливанием на прессах. — М.: Машиностроение, 1983.- 200с.

31. Овчинников А.Г., Дмитриев A.M. Прессы для холодной объемной штамповки выдавливанием с активными силами трения. // Кузнечно-штамповочное производство. 1995. -№2. - С. 28-29.

32. Овчинников А.Г., Хабаров А.В., Волчанинов К.К. Состояние и тенденции развития низкотемпературной штамповки выдавливанием. М.: НИИМАШ, 1984.-72 с.

33. Патрин А.П. Исследование жесткости горизонтально-ковочных машин: Дис. . канд. техн. наук. / Моск. станко-инстр. институт. -М., 1973. 157 с.

34. Попов Е.А. Некоторые варианты приближенного анализа операции обработки давлением // Машины и технология обработки давлением: Сб. научн. тр. МВТУ. №163. - М.: Машиностроение, 1973. - С. 168-177

35. Ренне И.П., Криштал М.А., Иванова Э.А., Чеховой А.Н., Шестакова Н.К. Об определении удельных усилий при осесимметричной закрытой прошивке. // Кузнечно-штамповочное производство. №5, 1975г. С.2-5.

36. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. — Д.: Машиностроение, 1971.-782с.

37. Рыжов Э.В., Горленко О.А. Математические методы в технологических исследованиях. Киев: Наукова думка, 1990. - 184 с.

38. Смирнов-Аляев Г.А., Чикидовский В.П. Экспериментальные исследования в обработке металлов давлением. JL: Машиностроение. 1972 —360с.

39. Смирнов-Аляев Г.А., Розенберг В.М. Теория пластических деформаций металлов. М.- JL, Машгиз, 1956г.

40. Степанский Л.Г. Расчеты процессов обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1979 -215с., ил.т

41. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение. 1971. - 424 с.

42. Томленов А.Д. Теория пластического деформирования металлов. Изд. Металлургия. 1972г.

43. Томсен Э. Механика пластических деформаций при обработке металлов М., Машиностроение 1969г.

44. Унксов Е.П, Джонсон У, Колмогоров В.Л. Теория пластических деформаций металлов. М.: Машиностроение, 1983. - 598 с.

45. Холодная объемная штамповка. Справочник под редакцией д-ра техн. наук проф. Г.А. Навроцкого. М.: Машиностроение, 1973, - 496с.

46. Шофман Л.А. Теория и расчеты процессов холодной штамповки. М.: Машиностроение, 1964.

47. Шофман Л.А. Приближенные решения некоторых трехмерных задач обработки металлов давлением. КШП. №4 — 1966г. — С.2-15.

48. Эверхарт Д. Холодное прессование металлов: Пер. с англ.- М.: Машиностроение, 1968. -147с.

49. Aoi Yasumichi, Ozaki Tatsuo. «Кюсю дайгаку когаку сюхо, Technol. Repts Kyushu Univ.», 1986, 59, №6, 815-18 Обратное выдавливание из А1 сплава пуансоном, имеющим форму усеченного конуса. ( яп.; рез. англ.)I

50. Kudo H. An Upper Bound Approach to Plane Strain Forging and Extrusion. International journal of Mechanical; II-I, I960, vol III-I, I960.