автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка научно обоснованных методик проектирования технологических процессов холодной штамповки выдавливанием деталей плазмотрона

я - t * ' ... . /

С?'

с'" Л: "" .¡С .'<• ЛвМВМ^"

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РФ

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени государственный технический университет имени Н.Э. Баумана.

На правах рукописи УДК 621.777.4

Карачабан Павел Николаевич

РАЗРАБОТКА НАУЧНО ОБОСНОВАННЫХ МЕТОДИК ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ХОЛОДНОЙ ШТАМПОВКИ ВЫДАВЛИВАНИЕМ ДЕТАЛЕЙ

ПЛАЗМОТРОНА

Специальность 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель проф. Кондратенко В.Г.

Москва- 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ_5

ВВЕДЕНИЕ_7

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ_11

1.1. Анализ способов изготовления полых деталей

типа «стакан»-11

1.2. Методы снижения деформирующего усилия

при холодном выдавливании-:-29

1.3. Теоретические исследования процессов обратного

и комбинированного выдавливания_42

1.4. Выводы из литературного обзора. Цели и

постановка задач исследования_57

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ_59

2.1. Методика проведения теоретических

исследований_59

2.2. Проведение экспериментальных исследований_65

2.2.1. Обоснование постановки эксперимента_65

2.2.2. Исследуемые материалы, оборудование, технологическая оснастка_ 69 ■

2.2.3. Исследование влияния параметров процесса

на формоизменение и усилие выдавливания-71

2.3 Выводы по главе 2-75

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЫДАВЛИВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ «КАТОД» И «СОПЛО»_77

стр.

3.1. Экспериментальное определение рациональных форм заготовок и силовых параметров

процесса выдавливания детали «сопло»_77

3.2. Экспериментальное выдавливание заготовок

детали «катод» -83

3.2.1. Определение рациональных форм заготовок

и силовых параметров процесса выдавливания_83

3.2.2.Экспериментальная проверка качества соединения

медь-гафний_105

3.3. Выводы по главе 3-111

ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ

ВЫДАВЛИВАНИЯ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ_112

4.1. Обратное выдавливание_112

4.2. Прямое выдавливание_137

4.3. Заполнение угла матрицы_146

4.4. Выводы по главе 4_ 159

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ШТАМПОВОЙ ОСНАСТКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ ПЛАЗМОТРОНА _ 161

5.1. Постановка технического задания на разработку технологических процессов штамповки

заготовок деталей «катод» и «сопло»_ 161

5.2. Разработка технологических процессов выдавливания деталей «катод», «сопло» и конструкции универсального штампового инструмента_162

5.3. Апробация разработанных технологических

процессов_166

5.4. Выводы по главе 5_168

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

ЛИТЕРАТУРА_

ПРИЛОЖЕНИЯ_

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

г, (р, z - направление осей в цилиндрической системе координат,

текущие координаты материальной точки; с7Г, сГу, <jz - нормальные напряжения;

zrz - касательное напряжение, действующее в плоскости r-z;

<j- среднее главное напряжение;

<7S - напряжение текучести;

tk - контактное касательное напряжение;

Vr, Vz - компоненты скорости течения частицы (точки)

деформируемой среды; V0 - скорость движения пуансона;

er, sz - компоненты скорости деформации;

у гг - скорость угловой деформации;

si - интенсивность скоростей деформаций;

¡л - коэффициент контактного трения пластически деформируемого

материала об инструмент; Rx - радиус пуансона; R2 - радиус стенки матрицы; R=R2/Rl - относительный радиус; Р - усилие деформирования на данный момент; F0 - начальная площадь сечения образца;

F- текущая площадь сечения образца; /<г начальная высота образца; / - текущая высота образца; X - относительная степень деформации; е - логарифмическая степень деформации;

q - удельная сила деформирования на торце пуансона; Н0 - максимальная глубина зоны пластического течения; И - максимальная толщина очага пластической деформации; 5 - максимальная глубина застойной зоны; ^-семейство линий тока в «приосевой» области; щ - семейство линий тока в «пристенчной» области; щ (р, - граничные линии тока в «приосевой» области; со, Я, - граничные линии тока в «пристенчной» области.

ВВЕДЕНИЕ

В современном машиностроении для получения осесимметричных деталей типа «стакан», имеющих сложную внутреннюю и наружную поверхности, все большее распространение получают методы холодной объемной штамповки. Данный тип деталей, в частности, используется в аппаратах воздушно-плазменной резки (плазмотронах). Плазмотроны применяются для резки металлов по заданной линии или объему.

Плазмотрон является устройством для создания и стабилизации сжатой электрической дуги прямого действия, горящей между электродом плазмотрона (катод) и обрабатываемым изделием (анод) в потоке плазмообразующего и стабилизирующего газа.

Наиболее быстро изнашиваемыми деталями в плазмотроне являются катод и сопло. Катод представляет собой медную осесимметричную деталь типа «стакан» с запрессованным в нее вставкой из гафния или циркония диаметром 1,5...2,5 мм и длиной до 5 мм, сопло так же является медной осесимметрической деталью.

Основным производителем катодов и сопел, используемых в плазмотронах, до настоящего времени, был электромеханический завод в г. Степанаван (Армения), поэтому сейчас возник целый ряд проблем по налаживанию их производства на российских предприятиях.

Однако производимые как ранее так и сейчас отечественные катоды имеют малый рабочий ресурс, который в значительной степени зависит от качества контакта между корпусом «катода» и вставкой (по поверхности медь-гафний), а также низкую точность изготовления, плохое качество наружной и внутренней поверхности, большую массу.

Используемые в настоящее время технологические процессы производства катодов включают в себя получение заготовки холодной объемной штамповкой, ее механическую обработку до требуемых размеров, сверление отверстия под гафниевый стержень и последующую его запрессовку в корпус катода, что при массовом производстве не позволяет получить полного соединения между медным корпусом и гафниевой вставкой.

Катоды, полученные по такой технологии, обладают низкой стойкостью. По имеющимся данным промышленной эксплуатации они выдерживают только около 20-30 резов, после чего наступает их полное разрушение (по данным Удачнинского РССУ, см. приложение).

Вопросом повышения стойкости катодов заинтересовались в институте электросварки им. Е.О. Патона (г. Киев), где ведутся научно-исследовательские работы по этой проблеме. В качестве базовой модели для исследования ими был выбран катод, используемый в плазмотронах «Киев-4М» для ручной воздушно-плазменной резки.

Как уже отмечалось одним из основных факторов влияющих на рабочий ресурс катода является качество контакта по поверхности медь-гафний. Для его улучшения патоновцы предлагают использовать диффузионную сварку в вакууме. По их данным полученные таким образом катоды должны выдерживать до 300 включений, однако подтверждения этого промышленными испытаниями пока нет. Предложенный сотрудниками института им. Е.О. Патона способ является довольно дорогим, трудоемким и требующим наличия специального вакуумного оборудования.

Поэтому для решения этих проблем на кафедре «Технологии обработки давлением» (МТ-6) МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва) был предложен новый технологический процесс получения катодов с улучшенными эксплуатационными свойствами методом точной холодной объемной штамповки комбинированным выдавливанием. Основная идея предложенного способа заключается в том, что гафниевый стержень запрессовывается в заготовку перед штамповкой. В процессе деформирования на боковой поверхности вставки возникают сдвиговые деформации и высокие сжимающие напряжения, которые создают контакт между материалами.

В данной работе разрабатывается новый технологический процесс холодного комбинированного выдавливания полых осесимметричных деталей со сложной внутренней и наружной поверхностями с улучшенными эксплуатационными свойствами на основе экспериментальных и теоретических исследований процессов выдавливания.

Диссертация является продолжением научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре «Технологии обработки давлением» (МТ-6), по теории и технологии холодной объемной штамповки.

В работе установлены следующие, имеющие научную новизну положения:

1. Новый подход к решению задач по выдавливанию (прямому, обратному), основанный на получении точных решений для отдельных зон заготовки с последующим их согласованием.

2. Теоретические зависимости, описывающие течение материала для технологических процессов выдавливания при осевой симметрии, позволяющие определять линии тока, границы очага пластической деформации, напряженно-деформированное состояние в любой точке

деформированной заготовки, силовые параметры процесса выдавливания деталей.

3. Теоретически и экспериментально обоснованный способ получения контакта двух различных металлов в процессе холодного комбинированного выдавливания детали.

4.Экспериментально установлено влияние геометрической формы и размеров заготовки на силовой режим, кинематику течения и формоизменение заготовок. Автор защищает:

-технологический процесс, основанный на получении осесимметричных изделий из заготовки, предварительно собранной из разных материалов;

-методику теоретического решения дифференциальных уравнений, линий тока описывающих течение материала для осесимметричных процессов выдавливания, на основании которой определяются границы очага пластической деформации, линии тока и получаются зависимости для определения напряженно-деформированного и кинематического состояния по объему заготовки, путем согласования точных решений для областей в зоне оси симметрии и в периферийной зоне (около стенки матрицы);

-теоретические зависимости, определяющие линии тока, напряженно-деформированное состояние в объеме заготовки для ряда процессов выдавливания при осевой симметрии.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ способов изготовления полых деталей типа «стакан»

В настоящее время в различных отраслях машиностроении получили достаточно широкое распространение цилиндрические детали типа «стакан», с отношением наружного диаметра к внутреннему 1,05...2,0 и глубиной полости 1,4...2,0 диаметра пуансона, имеющие сложную внутреннюю и наружную поверхности (рис. 1.1). Так, в частности на рис. 1.2 и рис. 1.3 приведены типы выпускаемых отечественной промышленностью деталей плазмотрона (катоды и сопла).

Детали типа «стакан» с заданными размерами и необходимой шероховатостью поверхности можно получить различными технологическими способами: обработкой резаньем, литьем, объемной штамповкой.

Однако при массовом или крупносерийном характере производства для обеспечения требуемых механических характеристик, снижения трудозатрат, повышения коэффициента использования металла и производительности при производстве этих деталей важное' значение приобретает холодная объемная штамповка выдавливанием. Данный вид штамповки находит широкое применение во всех отраслях промышленности.

Преимуществами холодной штамповки выдавливанием [1,2], благодаря которым ее можно отнести к числу прогрессивных технологий, являются следующие:

035,2

а)

040

025,3

-1-

\ _1_ к. 1 > У/ | ■ч- 3

/ | ^

1 023

б)

032

026

в)

г)

Рис.1.1. Примеры полых деталей типа «стакан», используемых в машиностроении: а- толкатель клапана, сталь 40Х; б- поршневой палец, сталь 15Х; в-фланец, сталь 20; г-стаканчик, сталь 15Х

0/5

М16Х1

/

У]

1 012

02.5

б;

в)

Рис.1.2. Типы выпускаемых отечественной промышленностью катодов

024

027

013 030

а)

б)

Рис. 1.3. Типы выпускаемых отечественной промышленностью сопел

1.Получение поковок, по форме и размерам приближающихся к готовым машиностроительным деталям, что позволяет полностью исключить последующую обработку резаньем.

2.Высокая производительность труда при малых трудозатратах.

3.Коэффициент использования металла (КИМ) можно довести до 95...98%, который больше КИМ при литье и горячей штамповке на 10...30%, а по сравнению с механической обработкой резаньем в 2...3 раза.

4.Высокая точность размеров (9-12 квалитет) и качество поверхности (шероховатость) поковок в ряде случаев позволяют полностью исключить последующую обработку резаньем.

5.Применение в условиях массового, крупносерийного и мелкосерийного производства.

6.Возможность механизации и автоматизации технологического процесса позволяет улучшить условия труда.

Непосредственно в процессах холодного выдавливания деталей резервом интенсификации производства является сокращение числа переходов, что может быть обеспечено комбинированным выдавливанием, объединяющем различные схемы формоизменения заготовки.

Теоретические и экспериментальные исследования обратного выдавливания проводились многими отечественными и зарубежными учеными: А.Г. Овчинниковым [1,2,3,4,5], O.A. Ганаго [6,7], В.А.Головиным [8,9], Д.П. Кузнецовым [10,11,12,13], И.П. Рене [14,15,16], М.В. Сторожевым [17], Е.А. Поповым [17], Ф.А.Мартиросяном [18,19,20], Л.Г. Степанским [21,22,23], А.Д. Томленовым [24,25], Е.П. Унксовым [26,27,28], X. Кудо [29,30] и др.

Целью данных исследований являлось определение формы очага пластической деформации, усилия деформирования, давления на стенку матрицы, установление влияния геометрических параметров, смазки и покрытия на величину удельного деформирующего усилия.

Возрастание требований, предъявляемых промышленностью к изделиям, получаемых штамповкой, создание специализированного оборудования для осуществления процессов холодного комбинированного выдавливания вызывает необходимость разработки методик расчета силовых, деформационных и кинематических параметров [31] процесса выдавливания.

Все процессы холодного выдавливания по характеру течения металла делятся на простые и комбинированные. Простые процессы формоизменения это прямое, обратное, радиальное и боковое выдавливание, комбинированные процессы являются сочетанием двух или более простых.

Полые детали типа «стакан» получают обычно обратным выдавливанием. Максимальная глубина полости и минимальная толщина стенки определяется механическими свойствами материала. Обратное выдавливание характеризуется высокими удельными усилиями и сложными условиями работы пуансона.

При производстве деталей имеющих сложную внутреннюю и наружную образующие поверхности в настоящее время в промышленности применяют или многократное выдавливание пуансонами разных диаметров, или прямое выдавливание в жестких матрицах с многократной протяжкой ступенчатыми пуансонами, или комбинированное выдавливание, сочетающее в себе несколько простых способов (обратное выдавливание, прямое выдавливание, редуцирование, высадка и др.) [32,33,34,35].

Так, цилиндрические стаканы со ступенчатой полостью изготавливаются многопереходным выдавливанием или

однопереходным выдавливанием ступенчатым пуансоном. В работах [6,36], сравнивая силовые параметры обратного выдавливания гладким и ступенчатым пуансоном, указывается, что при деформировании ступенчатым пуансоном требуется сила деформирования на 20% и более, чем при выдавливании гладким пуансоном. Это объясняет более низкую стойкость ступенчатых пуансонов. Но это не означает, что нужно отказаться от использования ступенчатых пуансонов.

Однопереходный процесс холодного обратного выдавливания ступенчатым пуансоном целесообразно применять для производства деталей из материалов с напряжением текучести до 800 МП а и глубиной полости не превышающей 2...2,5 диаметра пуансона при этом переход между ступенями можно выполнить с достаточно малым радиусом скругления.

Исследование влияния перехода от одного диаметра пуансона к другому проведено в работах [2,37]. При плавном переходе уменьшается концентрация напряжений в рабочей части пуансона, однако, с изменением формы пуансона изменяется и форма внутренней полости штампуемой детали. Также с увеличением радиуса галтели увеличивается усилие деформирования. Поэтому' форму перехода выбирают из конкретных условий.

В работе [1] рассмотрена форма ступенчатого пуансона с обтекаемой формой переходной галтели (рис. 1.4), которая значительно уменьшает концентрацию напряжений [A.C. 538768 (СССР)], зависимость размеров галтели от радиусов ступенчатого пуансона приведена в таблице 1.

ГА

Рис. 1.4. Оптимальная форма переходной галтели ступенчатого

пуансона

Таблица 1

Зависимость размеров галтели от диаметров ступенчатого пуансона

[1]

X 0 0,015 0,14 0,26 0,6 1,25 1,62

У 0 0,05 0,20 0,27 0,4 0,48 0,5

В-с1

Наличие такой галтели у ступенчатого пуансона не только обеспечивает теоретический коэффициент концентрации напряжений, близкий к 1, но приводит к снижению силы и работы деформации, необходимых для выполнения технологической операции. В результате достигается наиболее высокая с