автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка процессов производства полых ступенчатых деталей и сборки разъемных соединений холодным выдавливанием

На правах рукописи

»'Г и СА

ГЕРАСИМОВ Владимир Витальевич .

'.7 ИК)п 2000

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛЫХ СТУПЕНЧАТЫХ ДЕТАЛЕЙ И СБОРКИ РАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ХОЛОДНЫМ ВЫДАВЛИВАНИЕМ

Специальность 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000

IV.oota выполнена в Московском государственном техническом ч универешеге им. Н.Э.Баумана

Научный руководитель - член-корр. PA1I, профессор, доктор технических наук

' Дмигриев A.M. ; Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Головин В. А. к.т.н., доцент Малиноаский ГСП. Лелущая организация: ГШШ «Темп»

'Защита диссертации состоится •JUj&cJis 2000г. в_• час. не

заседании диссертационного Совет К 053.15.13 в МГГУ им. Н.Э.Баумана по адресу: 107005, Москва, 2-я Бауманская ул. д.5.

ГЗаш огзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью просим присылать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МГГУ им. Н.Э.Баумана. Телефон для справок 267-09-63 Автореферат разослан

" 2000г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СОВЕТА к.т.н., доцент

Шубин И Н.

Подп. к печати ¿л iM, ¿ем Объем 1п.л. Типография МГГУ им. Н.Э.Баумана

Зак.¿.У Тир. ЮОэкз

квгэ. чоо.1г>'М<о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность. Перспективы развития машиностроения тесно связаны с применением в производстве новых процессов производства деталей и заготовок. К числу прогрессивных способов производства изделий относится обработка металлов давлением и, в частности, один ш ее видов, штамповка методом холодного выдавливания. Эта технология позволяет изготовлять поковки, по форме и размерам приближающиеся к машиностроительным деталям, и тем самым сводить к минимуму последующую обработку резанием. Этим обеспечиваются малоотходная безотходная технологии. Коэффициент использования металла при холодном выдаачивании достигает 95-98%. Штамповка холодным выдавливанием обеспечивает высокую производительность труда при значительном повышении надежности деталей в эксплуатации и способна создавать «безлюдные» технологии.

Расширение области применения холодной объемной штамповки является важной задачей для увеличения экономической эффективности изготовления деталей. Решение этой задачи становится возможным в результате разработки новых схем деформирования, которые позволяют снизить удельные деформирующие силы, и более глубокого исследования уже известных схем деформирования.

Для получения сложных деталей, в частности, полых деталей с фланцем применяется холодное комбинированное выдавливание. Этот способ имеет ряд преимуществ:

-снижение удельной деформирующей силы по сравнению с прямым и обратным выдавливанием ;

-сокращение числа переходов, что приводит к уменьшению трудоемкости изготовления деталей. Применение активных сил трения в процессе выдавливания позволяет снизить деформирующую силу на 20%. Однако, кроме величины деформирующей силы, область производства полых цилиндрических деталей холодным выдавливанием ограничена их разностенносп,ю. Актуальными являются новые процессы штамповки, в которых применяются комбинация нескольких способов снижения удельной силы и уменьшения разностеннссти выдавленной заготовки.

Одним из направлений расширения области применения холодной объемной штамповки является обратное выдавливание спаренных заготовок, которое позволяет получать не только отдельные дегали по безотходной технологии, но и сборочные узлы.

Широкое использование процессов холодного комбинированного выдавливания и обратного выдавливания спаренных заготовок сдерживает ряд причин. К их числу относят отсутствие рекомендаций по

расчету силовых, деформационных и кинемашческих параметров процесса выдавливания отдельных типов деталей, в частности, рассматриваемых деталей.

Данная работа посвящена расширению области применения холодного выдавливания путем разработки и исследования двух недостаточно изученных ранее процессов. Первый процесс представляет собой комбинированное выдавливание двухполостных цилиндрических деталей со 'ступенчатой наружной поверхностью и осевым отростком. Второй процесс - изготовление сборочного узла обратным выдавливанием спаренных заранее спрофилированных заготовок.

Цель и зэдачи работы. Цель работы - разработка методики проектирования технологического процесса сборки деталей способом обратного выдавливания спаренных заготовок; установление оптимальных параметров процесса комбинированного выдавливания двухполостных ступенчатых деталей с осевым отростком.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- установить на основе экспериментальных исследований влияние размеров инструмента и величины удельной силы, действующей со стороны матрицы на заготовку, на качество изделия и величину силы при выдавливания полых деталей с фланцем,

- установить на основе экспериментальных исследований влияние относительных размеров и формы детатей, подвергаемых сборке, профиля торцевых поверхностей пуансона и контрпуансона, направления сил контактного трения на качество получаемого соединения при сборке узла штамповкой,

-теоретически определить величину деформирующей силы для получения сборочного соединения и величину силы размыкания получившегося соединения,

-разработать методику проектирования технологического процесса сборки деталей способом обратного выдавливания спаренных заготовок.

В работе установлены следующие, имеющие научную новизну, положения. Холодное комбинированное выдавливание двухполостных цилиндрических деталей с фланцем и осевым отросгком из ступенчатой заготовки при активном действии сил контактного трения, натяжения за фланец и использовании разгрузочной полости происходит при удельных силах на пуансоне, равных (1,9. ..2,5)ст5.

Теоретически и экспериментально обоснован способ получения сборочного соединения способом обратного выдавливания спаренных заготовок.

Силовые и кинематические параметры процессов обратного выдавливания пуансоном, имеющим форму рабочего торца в виде

усеченного конуса, могут с достаточной для практического использования точностью быть рассчитаны по полученным диссертантом зависимостям.

Автор защищает:

-математические модели для прогнозирования качества и определения силовых параметров процесса изготовления двухполостных деталей с фланцем и осевым отростком на разных этапах комбинированного выдавливания ступенчатой заготовки з зависимости от размеров инструмента и давления, оказываемого матрицей на торец фланца;

- математическую модель для прогнозирования качес гва выполнения сборочного соединения способом обратного выдавливания спаренных заготовок;

-математическую модель процесса формоизменения заготовки при обратном выдавливании пуансоном с рабочим торцом в форме усеченного конуса;

-разработанный технологический процесс сборки изделия «стакан-дно переходное»-с гарантированной силой разъема.

Практическая ценность. Разработана научно-обоснованная методика, которая обеспечивает проектирование технологических процессов изготовления сборочных узлов способом обратного выдавливания спаренных заготовок. Эта методика включает в себя расчет силовых параметров процесса сборки и разъединения узлов, оценку качества получаемого соединения в зависимости от профиля заготовок, формы рабочего торца пуансона и направления сил контактного трения.

Достоверность результатов, полученных в ходе теоретических исследований подтверждена экспериментальными данными. Расхождение расчетных и экспериментальных данных находится в пределах 20%.

Использование результатов. Результаты работы в виде методики проектирования технологического процесса сборки деталей способом обратного выдавливания спаренных заготовок предполагается использовать в технологической практике НПО «ЗВЕЗДА».

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на международной научно-технической конференции «100 лет Российскому автомобилю. Промышленность и Высшая школа" (г. Москва, МАМИ, 1996), международном научно-техническом симпозиуме (Моделирование и (сритерии подобия в процессах развитого пластического формоизменения» (г. Орел, 1996), Всероссийской научно-технической конференции «Машиностроительные технологии» (г.Москва, 1998), на научных семинарах кафедры «Технологии обрабогки

хавлением» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 печатный заботы.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 90 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения, содержит 78 рисунков, 24 таблицы, список литературы из 46 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель, научная новизна, практическая значимость и положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен обзор способов изготовления деталей сложной формы. В частности, приведены существующие методы изготовления стаканов и втулок с внешним фланцем, который располагается у основания детали или в срединной части. Отмечено, что исследованию формоизменення заготовки при холодном выдавливании для получения деталей с внешним фланцем посвящены работы В.А.Головина, В.А.Евстратова, Ф.А.Коммеля. Х.Мянда, Л.Д.Оленина, Л.А.Шофмана и др. Рассмотрены работы, посвященные исследованию штамповки полых деталей с дном сложной формы.

В этой главе проведен обзор работ, посвященных исследованию процесса обратного выдавливания спаренных заготовок. Данный процесс предназначен для безотходного изготовления сквозных втулок. Как показал обзор, качество получаемых изделий во многом зависит от формы рабочего торца пуансона.

Также был проведен анализ влияния отдельных технологических и конструкционных параметров на величину деформирующей силы при холодном выдавливании. Отмечено что, этим исследованиям посвящены работы В.Я. Даниленко, Ф.Боудена и Д.Тейбора, В.Е.Фаворского и др.

Выполнен обзор теоретических исследований процессов обратного выдавливания пунсоном с различной формой рабочего торца. Этим исследованиям посвящены работы С.И.Губкина, В.А.Евстратова, Х.Кудо, А.Г.Овчннникова, А.М.Дмитриева, И.Я.Тарновского и др. Краткс рассмотрены мгтоды' теоретического анализа процессов объемно!1 штамповки. В главе также сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе изложена методика проведения теоретических i экспериментальных исследований. Описана методика определение силовых параметров процесса обратного выдавливания заготово) энергетическим методом. Анализ операции осуществляется при помопц двух основных уравнений:

р

Н М I 7 ' 7 ^

/1 = 1 V т = 1Г я = 0<7

(1)

- = 0.

Здесь Рд- сила деформации; Уо - скорость перемещения инструмента (в (ашем случае У0 =1); Н - количество областей, на которые разбит очаг шастической деформации; М- количество поверхностей трения; N -соличество поверхностей разрыва скоростей; V - объем области в очаге шастической деформации; к;1 - обобщенные координаты; и5 - предел текучести деформируемого материала; - интенсивность скоростей деформации; тг контактное Касательное напряжение; Р - площадь юверхности трения; т. - предел текучести деформируемого металла на ;двиг; в - площадь поверхности разрыва скоростей течения; - любая «юрдината, определяющая положение поверхности раздела течения.

Область пластической деформации в заготовке делим на зоны, для которых можно подобрать простейшие поля скоростей. Строим поля жоростей, которые удовлетворяют граничным условиям, и записываем энергетическое уравнение (1) в развернутом виде.

Предложена схема изготовления двухполостной детали с фланцем и этростком способом комбинированного выдавливания. Она заключается в хледующем. Ступенчатую заготовку 1 с диаметрами ступеней и с!) устанавливают в полость матрицы 2 (рнс.1). Затем матрицу с заготовкой теремещают вверх до соприкосновения торцевой поверхности заготовки с забочим торцом пуансона. Для предотвращения отрыва фланца заготовки хг основания в процессе деформирования выдавливание начинается сонтрпуансоггом 3, который передвигается вверх. При внедрении ^очтрпуансона 3 в заготовку 1 часть металла течет в зазор между юйтрпуансонсм и матрицей, образуя стенку нижней втулки. Другая часть металла, которая контактирует с пуансоном, течет вверх, образуя стенку зерхней втулкн и осевой отросток.

Представлен способ получения сборочного соединения полых зеталей холодным выдавливанием спаренных заготовок. Он заключается в гом, что одновременно выдавливаются заранее спрофилированные

заготовки. Профиль заготовок, полученный в результате экспериментов, представлен на рисунке 2.

Также во второй главе изложена методика определения силы, необходимой для разъединения сборочного соединения. Она заключается в определении силы раздачи трубной заготовки коническим пунсоном, где в качестве конического пуансона принята внутренняя деталь, а в качестве раздаваемой - наружная деталь. При этом принят ряд допущений: внутренняя деталь представляет собой абсолютно твердое тело, наружная деталь представляет собой жесткопластическое тело, боковая поверхность коетакта обеих деталей друг с другом представляет собой боковую поверхность усеченного конуса, толщина части наружной детали, которая подвергается раздаче, постоянная по всей длине.

Приведена методика статистической обработки результатов эксперимента на основе регрессионного анализа.

В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования процесса выдавливания металла полым пунсоном в подвижной ступенчатой матрице. Для установления степени влияния исследуемых факторов на качество получаемого изделия, а также на величину деформирующей силы применялась методика многофакторного эксперимента.

В качестве варьируемых параметров были приняты следующие соотношения (см. рис.1): di/do- относительный внешний диаметр нижней втулки; diMr относительный диаметр фланца; d^do- относительный внутренний диаметр нижней втулки; (Зг/сЪготаосительный диаметр осевого отростка; h¿/do- относительная толщина донышка; h]/do- относительная высота фланца; do-диаметр пуансона; р-удельная сила, прикладываемая со стороны матрицы к торцу фланца заготовки.

Качество полученных образцов оценивалось по отсутствию наиболее типичных дефектов, которые были обнаружены. К ним можно Отнести: -наплыв металла в зазор между торцевыми поверхностями фланца детали и ступени матрицы; -трещина на боковой поверхности полости; -неполное оформление нижнего отростка;

-отклонение от прямолинейности торцевой поверхности ступени фланца.

В качестве материала для изготовления заготовок взят алюминиевый сплав Д16.

h

Ум

Рис.1 Схема изготовления двухполостной детали с фланцем н отростком способом комбинированного выдавливания

'ис.2 Профиль заготовок, подвергаемых сборке обратным выдавливанием

Эксперименты проведены на специализированном гидравлическом рессе для выдавливания с активными силами трения, разработанном в 'ПТУ им. Н.Э.Баумана. Для сокращения количества опытов использоваи робный факторный эксперимент З3х24//16.

Получены уравнения регрессии с учетом эффектов взаимодействия в иде:

У=Ь0+Ь; X1+Ь] 121+Ь2Х2+ ЬзХз+ Ь4Х4Н Ь44^+ Ь5Х5+ Ь6Хо+ 1)7*7+

+ ь77х7+ Ь7]х7 х)+ Ь74х7 х4+ Ь75х7 х5,

где У- функция отклика; х - линейная функция варьируемых параметроз; г - квадратичная функция варьируемых параметров; Ь-коэффициенгы модели. После обработки результатов экспериментов получены уравнения регрессии, связывающие появление перечисленных выше дефектов и деформирующую силу с исследуемыми факторами.

Установлено, что фактором, оказывающим наибольшее влияние на качество деталей, является давление матрицы на нижний торец фланца детали. С ростом давления происходит уменьшение наплыва металла, увеличение интенсивности течение металла в стенку нижней втулки, уменьшение трещины на боковой поверхности полости и одновременное уменьшение отклонения торцевой поверхности ступени фланца от плоскостности.

Наилучшее качество деталей можно получить, если давление не торец заготовки будет иметь значение, находящееся в диапазоне 22 -

Также установлено, что к снижению деформирующей силы при подл уменьшение наружного диаметра пуансона, увеличение диаметра полосп; пуансона, уменьшение диаметра фланца заготовки, уменьшение ширинь ступени контрпуансона.

В четвертой главе выполнен теоретический анализ процесса обрагног выдавливания пунсоном с рабочим торцом в виде усеченного конус: Анализ проводили на основе энергетического метода. Схема операци выдавливания приведена на рис.3.

Рис.3. Расчетная схема операции выдавливания пуансоном с рабочим торцом в виде усеченного конуса

32 МПа.

Деформируемое тело считается жесткопласхичесхим.

Очаг пластической деформации разделен на три зоны. Размеры первой области определены границами: 0 5 р 5 Г] - в радиальном направлении и

ъ й Ь - в вертикальном направлении; размеры второй области: Г| <, р <; Я ■ - в радиальном направлении и 0$г£Ь-в вертикальном направлении; размеры третьей области определены границами: г 5 р < Н - в радиальном направлении н Ь 5 ъ 5 1ц - в вертикальном направлении. Уо=0 в силу осевой симметрии задачи. Выбраны следующие функции для описания скоростей течения Область 1:

Р

Ур =--(А11-2А2-1),

2Ь

г т.

=--+ Аг(1--),

Ь Ь

где Л= 0,191*2 - 0,5811 + 0,053Ьг - 0,34Ь - 0,58ц + 0,1 ШЬ + 0,26Яц + 0,38 Область 2:

К2-р2

Ур2=--(АЬ - 2Аг - 1), '

2рЬ(112 - р2)

г Лг г - •

V**---<*-—),

11(^-1) ь

где А= С,19Я2 - 0.58К + 0.053112 - 0,34Ь - 0,58ц + 0,11ИЬ + 0,261*ц 4 0,38

Область 3:

[И* - Ь') с18а](112 - р2) с18а

ур3=-:-

РЕИЧ'К 2'-11') с(ёа?]г

Ур,=

Р.2 -(Нг'-Ь') с(Ёа)2

где г'=г+Ъ,

Для определения деформирующей силы записываем выражение (1) в развернутом виде.

. Для облегчения взятия интегралов получившееся выражение заменено полиномом вида: (q/c,) =b0+bnh2+bih+b22a2+ b2a+bjn+ buha+ ЬиЬц (3)

После определения коэффициентов полинома принимает вид (q/c,) =2,8813+0,39hJ-l,63 lh+0,0186u-0,0007а2+0,0011ц+ +0,00871ia+0,0001hp. (4)

Выражение для определения высота очага пластической деформации в зависимости от утла конусности торца пуансона и коэффициента трения определяется из условия минимизации мощности внешних сил:

5(q/ers)

-=0,

dh

откуда следует, что

. . h=2,091-0,011сс-0,00014ц. . (5) В пятой главе проведено исследование влияния различных факторов на качество сборки деталей обратным выдавливанием. В ходе анализа было установлено, что на качество сборочного соединения оказывают •влияние следующие-факторы:

-диаметр полости верхнего торца заготовок, -форма донышка верхней полости заготовок, -диаметр нижней полости заготовок, -наличие активных сил трения, •-наличие буртика на стенке полости матрицы, -форма рабочего торца контрпуансона. • При исследовании применяли сталь 10. Для сокращения количества опытов использован план дробного факторного эксперимента 2б//8, Статистическая обработка результатов эксперимента проводилась на основе регрессионного анализа: Задано уравнение регрессии, связывающее оценку качества получаемого соединения с исследуемыми факторами, в виде:

y=b0+ b[Xj+ b2x2+ b3X3+ b4X4+ Ъ5х5+ ЬбХ«. В результате обработки данных эксперимента установлено, что основное влияние на качество сборки соединения оказывают относительный диаметр полости верхнего торца заготовок и относительный диаметр полости нижнего торца заготовок. Также установлено, что качественная сборка осуществляется в случае, когда рабочий тореи котрпуансона имеет- плоскую форму. Негативное влияние на качество сборки соединения оказывает наличие активных сил трения в ю

троцессе выдавливания заготовок. Причем разрушение заготовок происходит при наличии буртика на стенке полости матрицы.

В данной главе проведен расчет силы, раскрывающей разъем ;борочного соединения. Схема операции размыкания представлена на тсМ. Из схемы видно, что боковую стенку детали, которая подвергается сформированию, можно представить в виде участка трубы с внутренней сонусной поверхностью. Деформируемая область детали Псостонт из двух участков: 1- соковая стенка; 2- участок перехода боковой стенки к юнопатио детали.

При размыкании . узла детали начинают перемещаться в гротивоположиых направлениях. При этом боковые стенки детали юдвергаются растяжению. Это перемещение приводит к возникновений) «стягивающих меридиальнмх и тангенциальных напряжений <тР и ста. Тричем стр=0 на переходе от очага деформации к основанию детали в [сходном состоянии и возрастает до максимального значения стр шах в юнце разделения деталей. Для участка 1 дифференциальное уравнение имеет вид:

ctet

г — +- a,.-a\,(l+nctga) =0 dr

Решение дифференциального уравнения приводит к следующей юрмуле для описания распределения напряжений в первом участке:

ar=as[(l+nctgct)(l V)+Bi Г|1/г].. . Произвольная постоянная Bi может быть найдена из граничного словия, согласно которому при

Г=Ггр ог=0.

Используя это условие, можно вывести формулу для определения велнчены напряжения ст/, действующего в первом участке на границе его со вторым участком, которая имеет вид:

Гф S Грр a/=ab[(l+MCtga)(l—->f--].

R.p 4RrR,p

Распределение напряжений во втором участке очага деформации может быть охарактеризовано следующей формулой.

о*

-[cosa-2|xsina-(cosa,-2|j.sinas)[ 1 +ц(а11-а)]+

cosa-в

+B2(cosal-B)[l+n(alt-a)]]. (6)

Постоянная интегрирования Вг может быть найдена нэ условия,

и

в

ЧТО При 0=0, СГг=СГг"+ с^— ,

4гп

РисЛ. Расчетная схема для определения силы размыкания сборочного узла:

I - внутренняя деталь, II - внешняя деталь

где г„ - радиус скругления кромки детали на переходе от его коническое части к торцевой поверхности. При относительно малых значениях точнее было бы подставлять радиус срединной поверхности детали рд втором участке величиной

в 2

Значение напряжения оу"=аг „их действующего во втором участке очага пластической деформации на границе с недеформированной частью основания детали может быть получено при подстановке в формулу 6 значения а=0. Тогда формула для определения ст," после отыскания значения В2 и несложных преобразований с учетом того, что

п

a rn-Ru R u Rrp

1-в=1--=1--= —, a cosaK-B= — примет вид:

rn Гп Гц Г„

<Wn Ггр

<7, mux = o/» -[l-(cosaI-2nsmaKXl+HaJ,)+((l+nct^aIXi--)f

Ru R,p

s Rrp

+ — )(1+ца,е)— ]■ .

4r„ r„

Выражение для определения силы размыкания сборочного »единения следующее:

CTsr„ гф P=n(Ri-r2)-[!-(cosa»-2nsina«Xl+Ma.)+( (l+fictgo^Xl-—)+

Ru Rrp

s Ггр s Rip

+--+ _)(1+дак)— ].

4Rr R^ 4r„ r„

В данной главе также изложена методика, проектирования ехнологнческого процесса получения сборочного соединения шособсм обратного выдавливания спаренных заготовок.

Для получения деталей, подвергаемых сборке, предполагается ^пользование цилиндрических заготовок. Диаметр заготовки юлжен быть равен наружному диаметру собираемых деталей. Форма 1 размеры собираемых деталей выбираются при помощи настроенной математической модели исходя из условия получения ¡ысококачественного соединения.

Деформирующая сила обратного выдавливания спаренных ^готовок, при котором происходит сборка, определяется характером ечения на заключительной стадии штамповки. При этом происходит аполнение всех полостей, образованных профилями собираемых (етален. Поэтому можно считать, что на конечной стадии'процесса фоизводится обратное выдавливание одной заготовки. Значение сформирующей силы подсчитывается с учетом значения спряжения текучести материала, которое определяется по кривой 'прочнения

Результаты работы в виде методики проектирования ехнологнческого процесса сборки деталей способом обратного ыдавливания спаренных заготовок предполагается использовать в ехнологической практике НПО «ЗВЕЗДА».

Общие выводы

1 .Предложенная новая схема изготовления полых деталей < фланцем позволяет в 1,5 раза снизить удельную сил; деформирования за счет использования активных сил трения подтяжки за фланец, наличия осевого отростка при одновременнол снижении увода пуансона в процессе деформирования.

2.Экспериментальные исследования выдавливанщ

двухполостных ступенчатых деталей с фланцем по предложеннот схеме позволили установить ряд наиболее типичных дефектов Наибольшее влияние па качество получаемого изделия оказывает давление матрицы на торцевую поверхность фланца заготовки Анализ полученного качества деталей (отсутствие типичны* дефектов) ,в „зависимости от относительных размеров инструмента, относительной, высоты фланца заготовки, относительной величины хода контрпуансоиа, давления на торец фланца заготовки позволил установить оптимальные параметры процесса.

• 3. Предложенный способ получения сборочного соединения полых деталей является., .разновидностью применения известного метода обратного выдавливания спаренных заготовок, который ранее применяли только для безотходного выдавливания сквозных втулок.

4. Экспериме1ггальные исследования сборки заранее спрофилированных заготовок позволили установить оптимальную форму заготовок и инструмента, при которых происходит соединение деталей.

5. Полученные в результате теоретических исследований выражения для определения относительной удельной силы обратного выдавливания пунсоном с рабочим торцом в виде усеченного конуса и формулы для определения силы размыкания сборочного соединения позволяют использовать их при проектировании технологического процесса сборки детапей способом обратного выдавливания спаренных заготовок.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Дмитриев A.M., Огаджанян О.И., Герасимов В.В. Применение активных сил контактного трения в операциях холодного выдавливания цилиндрических деталей // 100 лет Российскому автомобилю. Промышленность и Высшая школа: Тезисы докладов международной научно-технической конференции. - Москва, 1996.-С.39.

2. Дмитриев A.M., Герасимов В.В. Кинематика течения при выдавливании пуансоном с усеченным коническим торцом // Моделирование и критерии подобия в процессах развитого пластического формоизменения: Тезисы докладов международного научно-технического симпозиума. - Орел, 1996.- С.22.

3. Герасимов ВВ., Дмитриев A.M. Комбинированное ыдавливание сложных деталей // Машиностроительные технологии: 'борнпк тезисов докладов Всероссийской научно-технической онференции. - Москва, 1998. - С. 134-135.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ способов изготовления деталей сложной формы.

1.1.1. Способы изготовления стаканов и втулок с внешним фланцем. 1 1.1.2 Способы изготовления стаканов с дном сложной формы и узлов «стакан - дно переходное».

1.2. Анализ выдавливания спаренных заготовок.

1.3. Анализ влияния отдельных факторов на величину деформирующей силы при холодном выдавливании.

1.4. Теоретические исследования обратного выдавливания.

1.5. Выводы из литературного обзора, постановка цели и задач исследования.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Схема операции выдавливания двухполостного стакана с фланцем, имеющего в полости со стороны фланца внутренний осевой отросток.

2.2. Схема сборки полых деталей способом холодного выдавливания.

2.3. Методика проведения теоретических исследований.

2.3.1. Применение энергетического метода для решения задачи обратного выдавливания пуансоном с рабочим торцом в виде усеченного конуса.

2.3.2. Методика определения силы, необходимой для разъединения сборочного узла.

2.4. Методика проведения экспериментальных исследований.

2.4.1. Исследуемые материалы, оборудование, технологическая оснастка для получения ступенчатого стакана с осевым отростком.

2.4.2. Исследуемые материалы, оборудование, технологическая оснастка для сборки холодным выдавливанием.

2.5. Методика проведения исследований влияния основных параметров процесса на качество получаемого изделия и удельную силу выдавливания.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ТЕЧЕНИЕ МЕТАЛЛА В СТУПЕНЧАТОЙ

ПОДВИЖНОЙ МАТРИЦЕ ПРИ ВЫДАВЛИВАНИИ ПОЛЫМ ПУАНСОНОМ, ДЕФЕКТЫ ИЗДЕЛИЯ И ПУТИ ИХ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ

3.1. Течение металла и дефекты при комбинированном выдавливании полым пуансоном в ступенчатой подвижной матрице.

3.2. Проведение экспериментов.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА4. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАТНОГО

ВЫДАВЛИВАНИЯ СТАКАНОВ ПУАНСОНОМ С РАБОЧИМ ТОРЦЕМ В ФОРМЕ УСЕЧЕННОГО КОНУСА

4.1. Исследование обратного выдавливания по традиционной схеме

4.2. Исследование процесса обратного выдавливания с активными силами трения.

Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ СБОРОЧНОГО СОЕДИНЕНИЯ СПОСОБОМ ОБРАТНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ СПАРЕННЫХ ЗАГОТОВОК 154 5Л. Установление влияния различных факторов, влияющих на качество сборки деталей обратным выдавливанием.

5.2. Проведение экспериментов, определяющих влияние отдельных факторов на качество сборки деталей.

5.3. Расчет силы, раскрывающей разъем сборочного соединения.

5.4. Методика проектирования технологического процесса сборки разъемов способом обратного выдавливания спаренных заготовок.

5.5. Разработка технологического процесса сборки деталей способом обратного выдавливания спаренных заготовок.

Выводы по главе 5.

Перспективы развития машиностроения тесно связаны с вопросом применения в производстве новых процессов получения деталей и заготовок. К числу прогрессивных способов получения изделий относится обработка металлов давлением и, в частности, один из ее видов, штамповка методом холодного выдавливания. Эта технология позволяет изготовлять поковки, по {|)ОрМ£ и размерам приближающиеся к машиностроительным деталям, и тем самым сводить к минимуму последующую обработку резанием. Этим обеспечивается малоотходная и безотходная технология. Коэффициент использования металла при холодном выдавливании достигает 95-98%. Штамповка холодным выдавливанием обеспечивает высокую производительность труда при значительном повышении надежности деталей в эксплуатации и способна создавать «безлюдные» технологии (1).

Расширение области применения холодной объемной штамповки является важной задачей для увеличения экономической эффективности изготовления деталей. Решение этой задачи становится возможным в результате разработки новых схем деформирования, которые позволяют снизить удельные деформирующие силы.

Для получения сложных деталей, в частности, полых деталей с фланцем применяется холодное комбинированное выдавливание. Этот способ имеет ряд преимуществ:

-снижение удельной деформирующей силы по сравнению с прямым и обратным выдавливанием ;

-сокращение числа переходов, что приводит к уменьшению трудоемкости изготовления деталей.

Одним из направлений расширения области применения холодной объемной штамповки является обратное выдавливание спаренных заготовок, которое позволяет получать не только отдельные детали по безотходной технологии, но и сборочные узлы.

Широкое использование процессов холодного комбинированного выдавливания и обратного выдавливания спаренных заготовок сдерживает ряд причин. К их числу относят отсутствие надежных рекомендаций по расчету силовых, деформационных и кинематических параметров процесса выдавливания.

Данная работа посвящена расширению области применения холодного выдавливания путем разработки и исследования двух процессов холодного осесимметричного выдавливания. Первый процесс представляет собой комбинированное выдавливание двухполостных цилиндрических деталей со ступенчатой наружной поверхностью и осевым отростком. Второй процесс - это изготовление узла обратным выдавливанием спаренных заранее спрофилированных заготовок.

В работе установлены следующие, имеющие научную новизну, положения.

Холодное комбинированное выдавливание двухполостных цилиндрических деталей с фланцем и осевым отростком из ступенчатой заготовки при активном действии сил контактного трения и натяжение за фланец происходит при удельных силах на пуансоне, равных (1,9.2,5)с8.

Процесс получения соединения способом обратного выдавливания спаренных заготовок происходит при установленной в работе форме профиля этих заготовок.

Силовые и кинематические параметры процессов обратного выдавливания пуансоном, имеющим форму рабочего торца в виде усеченного конуса, могут с достаточной для практического использования точностью быть рассчитаны по полученным зависимостям.

Автор защищает: 9

-математические модели для прогнозирования качества и определения силы процесса изготовления двухполостных деталей с фланцем и осевым отростком на разных этапах комбинированного выдавливания ступенчатой заготовки в зависимости от размеров инструмента и давления, оказываемого матрицей на торец фланца;

-математическую модель для прогнозирования качества выполнения соединения способом обратного выдавливания спаренных заготовок;

-математическую модель процесса формоизменения заготовки при обратном выдавливании пуансоном с рабочим торцом в форме усеченного конуса;

-разработанную научно-обоснованную методику проектирования технологических процессов изготовления узлов способом обратного выдавливания спаренных заготовок. Эта методика включает в себя расчет сил при сборке и разъединении узлов, оценку качества получаемого соединения в зависимости от профиля заготовок, формы рабочего торца пуансона и направления сил контактного трения;

-разработанный технологический процесс сборки соединений с гарантированной силой разъема «стакан-дно переходное».

Выводы по работе

1 .Предложенная новая схема изготовления полых деталей с фланцем позволяет в 1,5 раза снизить удельную силу деформирования за счет использования активных сил трения, подтяжки за фланец, наличия осевого отростка при одновременном снижении увода пуансона в процессе деформирования.

2.Экспериментальные исследования выдавливания двухполостных ступенчатых деталей с фланцем по предложенной схеме позволили установить ряд наиболее типичных дефектов. Наибольшее влияние на качество получаемого изделия оказывает давление матрицы на торцевую поверхность фланца заготовки. Анализ полученного качества деталей (отсутствие типичных дефектов) в зависимости от относительных размеров инструмента, относительной высоты фланца заготовки, относительной величены хода контрпуансона, давления на торец фланца заготовки позволил установить оптимальные параметры процесса.

3. Предложенный способ получения сборочного соединения полых деталей является разновидностью известного метода обратного выдавливания спаренных заготовок, который ранее применяли для безотходного выдавливания сквозных втулок.

4. Экспериментальные исследования сборки заранее спрофилированных заготовок позволили установить оптимальную форму заготовок и инструмента, при которых происходит соединение деталей.

5. Полученные в результате теоретических исследований выражения для определения относительной удельной силы обратного выдавливания пуансоном с рабочим торцом в виде усеченного конуса и формулы для определения силы размыкания сборочного соединения позволяют использовать их при проектировании технологического процесса сборки деталей способом обратного выдавливания спаренных заготовок.

1. Оптимизация технологических процессов и конструкций штампов для холодного и полугорячего выдавливания: Методические рекомендации / НПО «ВИСП» , ХПИ им. В.И. Ленина. М.: ВНИИТЭМР, 1989,- 192с.

2. Фаворский В.Е. Холодная штамповка выдавливанием. М.: Машиностроение, 1966,- 158с.

3. Исследование процессов холодной объемной штамповки деталей из легких сплавов: Отчет по научно-исследовательской работе/ МВТУ им. Н.Э.Баумана: Рук. темы Овчинников А.Г. Исп. Степанов В.П., Дмитриев A.M. ГР№ 72054983, инв. № Б-393128.-М.:, 1974,- 139с.

4. Степанов В.П. Исследование процесса выдавливания с противодавлением изделий типа стакан с фланцем// Современные проблемы технологии машиностроения: Тезисы докладов. -Тбилиси, 1972,- С.83-85.

5. Овчинников А.Г. Исследование кинематики и напряженного состояния заготовки в процессе обратного выдавливания с активными силами трения //Труды МВТУ им. Н.Э.Баумана.- 1978,- № 263, выпуск 12,- 144с.

6. Овчинников А.Г., Малышев В.И. Исследование процесса обратного выдавливания с использованием активных сил трения // Технология изготовления заготовок в машиностроении.-М.: Машиностроение, 1971.-С.90-97.

7. A.c. № 173107 (СССР). Способ выдавливания металлических деталей / Ю.П. Можейко, Н.К. Розенталь // Б.И.- 1962,- № 14

8. Васако К. Холодная объемная штамповка деталей сложной формы: Пер. с нем./ ВЦП.-1985.-№36.-2с.

9. Кимура С. Обработка полых деталей с фланцем и точных деталей: Пер. с яп. /ВЦП.-1982,- №17.-4с.

10. Коммель Ф.А. О формоизменении заготовки при комбинированном выдавливании. // Инженерные методы расчета пластической обработки металлов. Таллин, 1971,- С.209-220.

11. Шофман JI.A. Основы расчета процессов штамповки и прессования.-М.: Машгиз, 1961,- 120с.

12. Оленин Л.Д. К расчету технологических переходов при холодном комбинированном выдавливании // Объемная штамповка. М.: МДНТП.- 1967,- С.63-69.

13. Мянд Х.Х. Определение усилий при комбинированном выдавливании деталей типа ступенчатых втулок // Прогрессивные процессы обработки выдавливанием деталей инструментального производства,- Таллин, 1975.-С. 122-128.

14. Торхов A.C. Усилие обратного холодного выдавливания деталей с фигурными полостями // Кузнечно-штамповочное производство. 1966.- № 3.- С.7-8.

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

16. Холодная объемная штамповка: Справочник. / Под редакцией Г.А.Навроцкого, В.А.Головина, Ф.М.Нистратова М.: Машиностроение, 1973,- 496с.

17. Прозоров JI.B. Холодное выдавливание тонкостенных изделий // Новые исследования в области кузнечной технологии.-М.: ЦНИИТМАШ, 1950.-С.87-96.

18. Дмитренко Д.А. Разработка процесса выдавливания полых цилиндрических изделий высокой точности: Дис. . канд. техн. наук: 05.03.05.-Москва, 1990. -112с.

19. A.c. 472735 (СССР). Способ обратного выдавливания спаренных заготовок / Г.А. Кузнецова // Б.И. 1973,- № 5.

20. Касамота С. Новые способы штамповки полых деталей: Пер. с яп. /ВЦП. -1980,- №14.-5с.

21. Ехан Г. Штамповка деталей в серийном производстве: Пер. с нем./ ВЦП. -1986.-№36.-2с.

22. Кузнецова Г.А. Изготовление втулок сквозной прошивкой // Кузнечно-штамповочное производство,- 1979,- №6.-С. 12-13.

23. Боуден Ф., Тейбор Д. Трение и смазка,- М.:Машгиз, I960,- 152с.

24. Даниленко В.Я. Исследование состояния смазочного покрытия и его влияния на процесс холодного выдавливания стальных деталей: Дис. . канд. техн. наук. Харьков, 1976. - 125с.

25. Евстратов В.А., Даниленко В.Я. Методика оценки качества фосфатного покрытия и оптимальное конструирование стальных деталей, изготовляемых холодным выдавливанием // Объемная штамповка. М.: МДНТП, 1973.- С.155-161.

26. Филимонов Ю.Ф., Позняк JI.A. Штамповка прессованием,- М.: Машгиз, 1964,- 182с.

27. Новое в кузнечно-штамповочном производстве. //Труды ЭНИКмаша,- М.: Машгиз, 1964,- Книга 8. 143с.

28. A.c. 160931 (СССР). Способ обратного выдавливания деталей типа стаканов / С.Ш. Яшаяев //Б.И.- 1964 № 5.

29. Губкин С.И. Пластическая деформация металлов,- М.: Металлургиздат, I960,-407с.

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

31. Прогрессивные технологические процессы холодной штамповки

32. Ф.В. Гречников, A.M. Дмитриев, В.Д. Кухарь и др.; Под общ. ред. А.Г. А.Г.Овчинникова.-М.: Машиностроение, 1985,- 184с.

33. Дмитриев A.M. Исследование процесса холодного обратного выдавливания и стойкости ступенчатых пуансонов: Дис. . канд. техн. наук: 05.03.05,- М., 1976.-193с.

34. Kudo H. Some analytical and experimental studies of axi-simmetrical cold forging and extrusion // Jntern. J. of mechanical science.- 1960,- № 2,- P.23-24.

35. Теория обработки металлов давлением/ И.Я. Тарновский, A.A. Поздеев, O.A. Ганаго и др. Под ред. И.Я.Тарновского М.: Металлургиздат, 1963. -671с.

36. Джонсон У., Меллор П. Теория пластичности для инженеров: Перевод с < англ. М.: Машиностроение, 1979. - 568с.

37. Степанский JI. Расчеты процессов обработки металлов давлением,- М: Машиностроение, 1977,-424с.

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

39. Герасимов ВВ., Дмитриев A.M. Комбинированное выдавливание сложных деталей // Машиностроительные технологии: Сборник тезисов докладов Всероссийской научно-технической конференции. М., 1998. - С. 134-135.

40. Попов Е.А. Общая теория формоизменяющих операций листовой штамповки с осевой симметрией деформирования: Дис. . док. техн. наук -М„ 1956.-426с.

41. Евстратов В.А. Основы технологии выдавливания и конструирования штампов. Харьков: Вища школа, Изд-во при Харьковском университете, 1987. - 144с.

42. Соловцов С.С. Безотходная резка сортового проката в штампах. М. Машиностроение, 1985,- 176с.

43. Гуляев А.П. Металловедение. М.Металлургия, 1966. - 480с.3.87171539 т3.81. Y1(H1)37 3.6217153.6075 0.80.80.850.90.951. Hl

44. Dl=l,32 D2=0,4 D3=l D4=l,9 H2=0,4 p=9.61.91415^391 1. Y1(H2)3.87171%.873.893.88

45. Dl=l,32 D2=0,4 D3=l D4=l,9 Hl=0,8 p=9.64.45499846 T1. Y1(D1) 4.23.813933 3.8 4

46. D2=0,4 D3=l D4=l,9 Hl=0,8 H2==0.4 p=9.696 Р 31.96

47. Dl=l,3 D2=0.4 D3=l D4=l,9 Hl=0,8 H2=0.43.70938337 — ■y2(h1>a .653.584383,55075 0.80.8085 0.91. HI0.95

48. Dl=l,32 D2=0,4 D3=l D4=l,9 H2=0,4 p=9,63.70938338 т36 -y2(h2) 3.432 — ■3.1019910 35' 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.704 H2 0.7

49. Dl=l,32 D2=0,4 D3=l D4=l,9 Hl=0,8 p=9,63.70938338 T36 -y2(d1) 3.432 -3.145937 31.31.321.3514 1.45d11.52

50. D2=0,4 D3=l D4=l,9 H 1=0,8 H2=0,4 p=9,64.08231845 -г1. Y2(D2) 3.52.892742.50 38 0.4 0.42 0.44 0.46 0.48 0.5 0.52 0.54 0.5604 D2 0.55

51. D 1=1,32 D3=l D4=l,9 Hl=0,8 H2=0,4 p=9,63.7093833.837 -13.61. Y2(D3)3.534 —3.3343833.3095 1105 1.11. D31.1512 1.2

52. Dl=l,3 D2=0.4 D4=l,9 Hl=0,8 H2=0,4 p=9,63.70938338 T3.61. Y2(D4) 3.43.084383195 21. D42.052.1

53. Dl=l,32 D2=0.4 D3=l Hl=0,8 H2=0,4 p=9,64.0584057 1. Y3(H1).0564.0554054 0.753.576504356 1. Y3(H2>3.523.5192170.8085 0.91. HI0.95

54. Dl=1.32 D2=0,4 D3=l D4=l,9 H2=0,4 p=9.60 38 0 4 0.42 0.44 0.46 0.48 0.5 0.52 0.54 0.564 H2 0.55

55. Dl=1.32 D2=0,4 D3=l D4=l,9 Hl=0,8 p=9.61. Y3(D1)1.31.351.41.51.55

56. D2=0,4 D3=l D4=l,9 Hl=0,8 H2=0,4 p=9.6

57. Dl=1.32 D3=l D4=l,9 Hl=0.8 H2=0,4 p=9.6095 1 1.05 1.1 1.15 1.21. D3

58. Dl=1.3 D2=0.4 D4=l,9 Hl=0.8 H2=0,4 p=9.6185 1.9 1.95 2 2.051. D4

59. Dl=1.32 D2=0.4 D3=l Hl=0.8 H2=0,4 p=9.65 10 15 20 25 30 3596 р 31.9i

60. Dl=l,32 D2=0,4 D3=l D4=l,9 Hl=0,8 H2=0,41.678911.2-1-i-i-i-i-1-1-1035 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.71. H2

61. Dl=l,32 D2=0,4 D3=l D4=l,9 Hl=0,8 p=9.61. DI

62. D2=0,4 D3=l D4=l,9 Hl=0,8 H2=0,4 p=9.61.303911. Y4(D2)0.291443042 0.44 0.46 0.48 0.5 0.52 0.541. D2

63. Dl=1.32 D3=l D4=l,9 Hl=0,8 H2=0,4 p=9,61.678911.71.41.303911.3095 11.051.11.151. D3

64. Dl=1.3 D2=0.4 D4=l,9 Hl=0,8 H2=0,4 p=9,612 1.20.5548 — ■1. У5(Ш?5460.5544 —0.55Я*?542 075 0.80.80.850.90.951. Hl

65. Dl=1.32 D2=0.4 D3=l D4=1.9 H2=0.4 p=9.6056 T0.55054 1. Y5(H2)0.530.520.510.3504 0.45 0.5 0.55 0.6 0.651. H2

66. Dl=1.32 D2=0.4 D3=l D4=1.9 Hl=0.8 p=9.60.68665607 T0.651. Y5(D1)06

67. D2=0.4 D3=l D4=l .9 Hl=0.8 H2=0.4 p=9.606 т055 —05 1. Y5(D2)0.450.40.35о 38 0.4 0.42 0.44 0.46 0.48 0.5 0.52 0.54 0.561. D2

68. D2=0.4 D3=l D4=1.9 Hl=0.8 H2=0.4 p=9.60.480.471. Y5(D3p.46045 -0.44038 0.4 0.42 0.44 0.46 0.48 0.5 0.52 0.541. D3

69. Dl=1.3 D2=0.4 D4=l .9 Hl=0.8 H2=0.4 p=9.60.560.46578%46

70. Dl=1.32 D2=0.4 D3=l Hl=0.8 H2=0.4 p=9.6

71. Dl=l .32 D2=0.4 D3=l Hl=0.8 H2=0.4 D4=l .9