Объемная холодная штамповка (ХОШ)

АННОТАЦИЯ

Актуальность темы исследования определяется недостатком информации поведения материала при изготовлении трубных конических переходов из алюминиевых сплавов при помощи операции обжима. Цель, поставленная к выполнению данной работы, экспериментально смоделировать технологию штамповки конических переходов из трубных толстостенных заготовок путем обжима в конических матрицах. В результате работы были выявлены оптимальные размеры заготовок и подобран инструмент для получения обжатых образцов, в которых не наблюдается потеря устойчивости.

Работа разделена на несколько логических частей. В первой части производится обзор, а также анализ уже существующих способов. Во второй части ставятся задачи и достигается их решение экспериментальным путем. В третьей части работы решение задач было достигнуто путем использования компьютерного моделирования.



Ключевые слова:

Обжим, эксперимент, моделирование, коническая матрица, QFORM

Сведения об объеме работы:

Количество страниц: 90

Количество рисунков: 86

Количество таблиц: 6

Число использованных литературных источников: 10


СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ	6

1 ИЗВЕСТНЫЕ СПОСОБЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБНЫХ КОНИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ, ОБОРУДОВАНИЕ И ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ОБЖИМА, ПРИМЕРЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.	7

	1.1 Трубный конический переход	7

	1.2 Обжим	8

	1.3. Оборудование и инструмент для обжима	15

	1.3.1 Основные конструктивные схемы штампов для обжима	15

	1.3.2 Стан для обжима конца толстостенной трубой заготовки	18

	1.3.3. Устройство для обжима конца толстостенной трубной заготовки	20

	1.3.4 Штамп для обжима трубчатых заготовок	21

	1.3.5 Устройство для обжима заготовки	25

	1.4 Примеры моделирования в программном продукте QFORM.	27

	1.5. Выводы	59

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИИ ОБЖИМА ТОЛСТОСТЕННЫХ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК.	60

	2.1 Подготовка экспериментов	60

	2.2 Инструмент, использованный для проведения экспериментов.	63

	2.3 Проведение экспериментов	64

	2.4 Анализ результатов формоизменения и силового режима образцов после обжима.	72

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРОГРАММНОМ ПРОДУКТЕ QFORM.	80

	3.1 Подготовка и проведение моделирования в программном продукте QFORM	80

	3.2. Выводы после компьютерного моделировании в программном продукте QFORM.	86

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ:	89











































ВВЕДЕНИЕ

Объемная холодная штамповка (ХОШ) применяется для изготовления деталей сложной формы, но малых размеров из металлов, обладающих высокой пластичностью. Процесс ХОШ — пластическая деформация деталей — подобен горячей штамповке. Однако отсутствие нагрева позволяет получить более точные детали и с более чистой поверхностью. Применение ХОШ в сочетании с другими штамповочными операциями позволяет получить детали, не требующие или почти не требующие дальнейшей механической обработки.























1 ИЗВЕСТНЫЕ СПОСОБЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБНЫХ КОНИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ, ОБОРУДОВАНИЕ И ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ОБЖИМА, ПРИМЕРЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

1.1 Трубный конический переход

Одной из главных проблем, возникающих при строительстве трубопроводов является сложность в корректировке диаметра трубы. В этом случае применяются специальный элемент, называемый конический трубный переход (рисунок 1). Использование таких переходов актуально на участках, где ширина трубы изменяется. Исходным продуктом в их изготовлении служат трубчатые заготовки. Эти элементы широко применяются в различных промышленных отраслях, среди которых есть стратегически важные направления. 



Рисунок 1 - Трубный конический переход

В настоящее время применяют различные способы изготовления конических переходов:

штамповка конических или ковка кольцеобразных поковок с последующей механической обработкой;

штамповка из листовых заготовок двух половинок (лепестков) с последующей их сборкой и сваркой;

штамповка из трубных заготовок методом раздачи или обжима; 
вальцовка из листовых заготовок с последующей сваркой

В данной работе будет рассмотрен вариант изготовления трубных конических переходов обжимом.



1.2 Обжим

В данной работе будет рассмотрен вариант изготовления трубных конических переходов обжимом.

Обжим – операция, предназначенная для уменьшения поперечных размеров краевой части полой цилиндрической заготовки. Формирование при обжиме осуществляется одним рабочим инструментом – матрицей, имеющей воронкообразную рабочую полость, куда заготовка заталкивается пуансоном. Происходящее уменьшение поперечного диаметра обеспечивает получение втулок с конической переходящей зоной.







	Рисунок 2 - Схема обжима в матрице с конической полостью

В очаге деформации действуют сжимающие, меридиональные и тангенциальные напряжения.

В работе [7] был выполнен экспериментальный анализ влияния характеристик инструмента и исходных заготовок на параметры формоизменения краевой зоны цилиндрических участков образцов из толстостенной трубы, обжатых в конических матрицах. Полученные количественные оценки были представлены графиками, которые помогут рационально проектировать штамповочные изделия.

В данной работе была поставлена задача найти рациональный подход использования металла краевой зоны, т.к. достаточно много материала теряется при механической обработке в виде напуска. Решение задачи – включение краевой зоны в тело готовой детали. Возможно такое при наличии количественных данных о параметрах формоизменения края обжатого хвостовика.

Поставленная задача была решена экспериментальным путем. Материал, использованный для опытов – сталь 20. Заготовки были подвержены холодному обжиму в матрицах с углами конусности: ?=10°, 15°, 20°, 25°. Диаметры выходных отверстий , формирующих цилиндрический хвостовик, соответствуют коэффициентам обжима: 1,2; 1,25; 1,30; 1,40; 1,50; 1,55.



Рисунок 3 - Образец с обозначением размеров



Рисунок 4 - Графики зависимости S3/S0 от коэффициента обжима, угла матрицы и относительной толщины стенки исходной заготовки



Рисунок 5 - Графики зависимости параметра h3/Н0 от коэффициента обжима, угла матрицы и относительной толщины стенки исходной заготовки.



Рисунок 6 - Графики зависимости параметра h4/H0 от коэффициента обжима, угла матрицы и относительной толщины стенки исходной заготовки

Проанализировав графики h3/H0 и h4/H0, где H0 – длина исходной заготовки, показали, что протяженность краевой зоны по наружной и внутренней поверхностям не совпадает. При этом снаружи она всегда больше. Для рассматриваемых параметров верно утверждение – возрастание S0/D0 и Kоб приводит к уменьшению как h3/H0, так и h4/H0. Касаясь влияния ? для исследования диапозона углов, следует отметить, что при ?=15° длина краевой зоны больше, чем при ?=10°, для ?=20° уменьшается, а при ?=25° снова возрастает.

В таком случае авторы статьи предполагают, что есть наличие некого экстремального значения угла между 15° и 20°, при котором длина краевой зоны будет минимальна. Также ими было отмечено, что нахождение данного угла требует проведения дополнительных исследований.

В заключении авторы рекомендуют свои результаты к использованию при назначении припусков и напусков на поковки и холодноштампованные полуфабрикаты, изготавливаемые обжимом толстостенных трубных заготовок в конических матрицах.

В работе [13] приводятся экспериментальные результаты исследования операции обжима трубных заготовок конической матрицей и коническим пуансоном. Показано удовлетворительное согласование экспериментальных и теоретических данных по силовым режимам операций обжима трубных заготовок.

Экспериментальные исследования процесса обжима трубных заготовок из латуни Л63 выполнены в штампе на испытательной машине ГМС-50 с записью диаграмм «сила-перемещение» в штампе коническим пуансоном или конической матрицей при разных значениях коэффициентов раздачи Kр = rк/r0 или обжима Kоб = r0/rк. В качестве инструмента использовалась коническая матрица с углом конусности a=20° для операции.

Экспериментальные исследования процесса обжима трубных заготовок из латуни Л63 выполнены в штампе на испытательной машине ГМС-50 с записью диаграмм «сила-перемещение» в штампе коническим пуансоном или конической матрицей при разных значениях коэффициентов раздачи Kр = rк/r0 или обжима Kоб = r0/rк. В качестве инструмента использовалась коническая матрица с углом конусности a=20° для операции.

Конструктивная схема штампа для обжима трубных заготовок приведена на рисунке 7. Рабочим органом открытого штампа является матрица 2, закрепленная на верхней плите 1. Фиксация заготовки осуществляется фиксатором 3, установленным на нижней плите 4. После обжима заготовка удаляется из матрицы выталкивателем 5.







Рисунок 7 - Конструктивная схема штампа для обжима

На рисунке 8 приведены полуфабрикаты на этапах обжима трубных заготовок:





Рисунок 8 - Формоизменение заготовки при обжиме пуансоном с углом конусности ?=20°.

По результатам проведенных экспериментальных исследований построены графические зависимости изменения относительной силы операции обжима от значения коэффициента обжима Коб (рисунок 9).



Рисунок 9 - Зависимости изменения относительной силы процесса от коэффициента обжима. (?=20; µ=0,1)

Проведя анализ графических зависимостей, автор показывает, что с увеличение коэффициента обжима происходит линейное увеличение относительной величины силы исследуемого процесса деформирования. Полученные экспериментальные данные позволяют судить о существовании оптимальных углов конусности ? пуансона в диапозоне 18… 20°.

1.3. Оборудование и инструмент для обжима

1.3.1 Основные конструктивные схемы штампов для обжима [4].

Основные конструктивные схемы штампов для обжима изображены на рисунке 10: жесткой обоймой и нижним выталкивателем (рисунок 10, а); разъемной матрицей 2 и 7 клином 6 (рисунок 10, б); разъемной матрицей 2 и пуансоном 4 (рисунок 10, в); сферический обжим (рисунок 10, г); обжим на конус (рисунок 10, д); одновременно с раздачей (рисунок 10, е)



              а                               б                               в                                г



      				         д                       е

Рисунок 10 - Штампы для обжима

а – с жесткой обоймой и выталкивателем; б – с разъемной матрицей и клином; в – с разъемной матрицей и обоймой с конусным отверстием; г – по сфере; д – по конусу; е – совмещенного с раздачей

1 – нижний выталкиватель; 2 – матрица; 3 – верхний выталкиватель; 4 – пуансон; 5 – ограничитель; 6 – клин; 7 – подвижная полуматрица; 8 – обойма;   9 – секторный ограничитель.

Если ведут обжим трубы с коническим участком, то форма обрабатываемого элемента образуется полностью по матрице. Обжим возможен также без пуансона, т.е. штамп работает по схеме свободного обжима                  (рисунок 11, а.)

Заготовка ориентируется фиксатором, закрепленном на плите винтом. Но если формируемая часть имеет сложную форму или необходимо выдержать точность размеров, в таких случаях следует осуществлять обжим при участии матрицы и пуансона и по возможности завершать операцию правкой.

Принцип работы штампа с наружным подпором следующий (рисунок 11, б). Часть заготовки свободная от обжима, находится в наружной обойме 3, которая предотвращает потерю устойчивости и выпучивания заготовки  наружу. Это позволяет получить большую степень деформации, чем в выше рассматриваемых штампах без подпоров. Для удобства установки заготовок и удаления отштампованных изделий обоймы 3, последняя выполняется разъемной и разжимается в нерабочем состоянии пружинами 2. При перемещении верхней части штампа вниз она смыкается вокруг заготовки клиньями 5. Выталкивание отштампованной детали из матрицы 6 выполняется выталкивателем 4, приводимым в действие пружиной 1 или траверсой ползуна пресса.

На рисунке 11, в и г показаны штампы для обжима концевой части трубы или полой заготовки по сфере, снабженные наружным (рисунок 11, г) или наружным 2 и внутренним 6 (рисунок 11, в) подпорами заготовки. В этих штампах снижается количество операций при многооперационном обжиме благодаря большей степени деформации. В штампе на рис. 11, в трубная заготовка устанавливается в зазор между наружной скользящей обоймой 2, которая опирается на толкатель 4, проходящие через плиту 5 от подушки пресса, и внутренним основанием-стержнем 3 со ступенькой для опоры торца заготовки. Заготовка обжимается матрицей 1 по сферической головке вкладыша 6, запрессованного в отверстие основания-стержня 3. В штампе на рисунке 11, г для обжима полой заготовки последняя устанавливается в обойме 2 на основании-стержне 3. При движении ползуна пресса вниз матрица 1, перемещая скользящую обойму 2 вниз, обжимает заготовку по сфере. Привод обоймы приводится в действие от подушки пресса посредством стержней 4, проходящих через отверстие в нижней плите 5.

                                

                                 а                                                           б

                                        

                                     в                                                              г

Рисунок 11 - Штампы для обжима (а - г) с подпором: наружным (б и г); наружным и внутренним (в)

1.3.2 Стан для обжима конца толстостенной трубой заготовки [6].

Стан для обжима конца толстостенной трубной заготовки, содержащий технологический блок с установленными в нем кольцевой матрицей с опорной втулкой и устройство для удаления обжатой трубной заготовки из матрицы, выполненное в виде жестко связанного со станиной силового цилиндра, на штоке которого закреплен выталкиватель, отличающийся тем, что в технологическом блоке дополнительно установлен соосно с матрицей индуктор для нагрева конца трубной заготовки, силовой цилиндр устройства для удаления обжатой трубной заготовки жестко состыкован на одной оси с силовым цилиндром устройства для калибрования внутреннего диаметра обжатого конца, на штоке цилиндра которого закреплен соосно с матрицей дорн, а шток цилиндра устройства для удаления жестко связан со станиной, при этом выталкиватель устройства для удаления выполнен в виде ступенчатого кольца, закрепленного на передней крышке силового цилиндра устройства для калибрования, и установлен в опорной втулке кольцевой матрицы по скользящей посадке.















Рисунок 12 - Стан для обжима

1 – технологический блок; 2 – индуктор; 3 – матрица; 4 – опорная втулка;      5 – устройство для проталкивания трубной заготовки; 6 – трубная заготовка; 7 – устройство для калибрования внутреннего диаметра обжатой трубной заготовки; 8 – обжатая трубная заготовка; 9 – устройство для удаления обжатой трубной заготовки; 10 – силовой цилиндр устройства проталкивания; 11 – шток устройства проталкивания; 12 – ступенчатая насадка для центрирования положения трубы; 13 – силовой цилиндр устройства для калибрования; 14 – шток устройства для калибрования; 15 – дорн; 16 – силовой цилиндр устройства для удаления; 17 – шток устройства для удаления; 18 – выталкиватель; 19 – рольганг.

Как следует из сопоставительного анализа известного и заявленного способов, обжим конца толстостенной трубной заготовки по новой технологии, при которой нагрев и обжим концевого участка трубной заготовки осуществляют последовательно с пошаговой подачей трубной заготовки в оптимальных температурносиловых режимах, повышает производительность процесса. Калибрование обжатого конца по внутреннему и наружному диаметрам, совмещенное с удалением трубной заготовки из матрицы, расширяет технологические возможности за счет повышения качества обработки и экономии металла.



1.3.3. Устройство для обжима конца толстостенной трубной заготовки [5].

Устройство для обжима конца толстостенной трубной заготовки, содержащее технологический блок, включающий матрицу, опорную втулку и выталкиватель, отличающееся тем, что дополнительно содержит индукционный нагреватель, имеющий возможность перемещения вдоль оси заготовки, обжимной станок, установленный соосно с матрицей и предназначенный для задачи заготовки в матрицу, и систему автоматического управления, содержащую блоки контроля изменения температурного и силового интервалов нагрева и обжима конца толстостенной трубной заготовки и сопряженные с ними датчики температуры нагрева и усилия обжима.



Рисунок 13 - Устройство для обжима

1 – технологический блок; 2 – индукционный нагреватель; 3 – обжимной станок; 4 – система автоматического управления; 5 – матрица; 6 – опорная втулка; 7 – выталкиватель; 8 – генератор высокой частоты; 9 – индуктор; 10 – механизм перемещения индуктора; 11 – силовой гидроцилиндр; 12 – пуансон; 13 – приемный рольганг; 14 – датчик температуры нагрева; 15 – датчик усилия обжима (датчик давления); 16 – устройство сравнения (контроля изменения температурного и силового интервалов нагрева и обжима конца трубной заготовки); 17 – датчик заданного температурного и силового интервалов обжима; 18 – трубная заготовка.

Как следует из сопоставительного анализа известного и заявленного устройств обжим конца толстостенной трубной заготовки по новой технологии , при которой нагрев и обжим концевого участка трубной заготовки осуществляют непрерывно последовательно в оптимальных температурно-силовых режимах, повышает производительность процесса и расширяет технологические возможности.

Производительность обжима повышается за счет непрерывного последовательного осуществления нагрева и обжима концевого участка трубной заготовки. Кроме того, обжим конца может быть выполнен за один переход.

Стабильность процесса обжима конца толстостенной трубной заготовки достигается за счет уменьшения длины нагреваемого конца трубы перед его обжимом за счет непрерывного последовательного нагрева локальной зоны концевого участка трубной заготовки и оптимизации температурного и силового режимов деформации, не допускающих условий, при которых нагретый конец трубной заготовки теряет осевую устойчивость.



1.3.4 Штамп для обжима трубчатых заготовок [8].

Формула изобретения: 1. Штамп для обжима трубчатых заготовок, содержащий матрицу, пуансон и прижим, отличающийся тем, что он снабжен верхней и нижней обоймами, верхняя обойма выполнена с рабочей поверхностью, внутренний диаметр которой равен наружному диаметру трубчатой заготовки, и вкладышем из пластичного металла с диаметром, равным внутреннему диаметру трубчатой заготовки, нижняя обойма выполнена с нерабочей полостью, диаметр которой равен диаметру вкладыша из пластичного металла, а линейный размер равен длине трубчатой заготовки, фильерой с калиброванным отверстием, расположенной между верхней и нижней обоймами, при этом вкладыш из пластичного металла совместно с фильерой выполнен с возможностью их переворота. 2. Штамп отличается тем, что фильера выполнена сменной, с различными диаметрами калиброванного отверстия.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для изготовления деталей из трубчатых заготовок.

Задачей изобретения является повышение производительности работы штампа без ухудшения качества готовых изделий за счет возможности многократного использования вкладыша из пластичного металла без дополнительной операции по отделению и удалению его из полости штампа и переналадки его в течение рабочего процесса.

Для решения этой задачи штамп, содержащий матрицу, пуансон и прижим, в отличие от прототипа, снабжен верхней и нижней обоймами. Верхняя обойма выполнена с рабочей полостью, внутренний диаметр которой равен наружному диаметру трубчатой заготовки, в которой размещен вкладыш из пластичного металла с диаметром, равным внутреннему диаметру а обрабатываемой заготовки. Нижняя обойма выполнена с нерабочей полостью, диаметр которой равен диаметру а вкладыша из пластичного металла, а линейный размер по высоте равен длине трубчатой заготовки. Благодаря воздействию усилия на вкладыш из пластичного металла (например, свинца) обеспечивается радиальное противодавление, что препятствует образованию круговых волн (гофров) на трубчатой заготовке и утолщению стенок как в зоне формообразования, так и в зоне подпора. Между верхней и нижней обоймами расположена фильера с калиброванным отверстием. Вкладыш из пластичного металла и фильера выполнены с возможностью совместного переворота их на 180° в осевом направлении. После переворота вкладыша совместно с фильерой процесс возобновляется без дополнительных подготовительных работ. Кроме того, конструктивно предусмотрена сменность фильер с отличными параметрами калиброванного отверстия. За счет этого можно регулировать величину противодавления внутри трубчатой заготовки.

Изобретение поясняется графическими материалами, где на рисунке 14 представлен штамп для изготовления деталей из трубчатых заготовок перед началом работы; на рисунке 15 - то же после окончания обжима.

Предлагаемый штамп содержит матрицу 1, пуансон 2, верхнюю обойму 3 (внутренний диаметр которой равен внешнему диаметру) трубчатой заготовки 4. В заготовку 4 установлен вкладыш 5 из пластичного металла (свинца) с диаметром, равным внутреннему диаметру обрабатываемой заготовки. Штамп содержит также нижнюю обойму 6, фильеру 7 и прижим 8. Диаметр нерабочей полости нижней обоймы 6 равен диаметру вкладыша из пластичного металла, а линейный размер по высоте равен длине трубчатой заготовки.

Использование предлагаемого изобретения позволяет без дополнительной переналадки штампа вести формообразование деталей. Возможность использования сменных фильер с разными калиброванными отверстиями позволяет изменять величину противодавления в штампе и получать детали с заданной распределенной толщиной стенок, получаемых из трубчатых заготовок с различными геометрическими и механическими параметрами.







Рисунок 14 - Штамп перед началом работы





Рисунок 15 - Штамп после окончания обжима





1.3.5 Устройство для обжима заготовки [1].

Изобретение относиться к обработке металлов давлением и может быть использовано для изготовления прутков, проволоки, труб.   

Волока предназначена для повышения интенсивности протяжки и улучшения поверхности металла при изготовлении прутков, проволоки, труб и трубных заготовок. Волока имеет рабочую поверхность, образованную калибрующим, формообразующим, формоизменяющим и входным участками. Снижение силы трения в очаге деформации обеспечивается за счет того, что волока выполнена сборно-разборной, состоящей из последовательно установленных и удерживаемых в сборно-разборной обойме калибрующей, формообразующей, формоизменяющей и входной частей, при этом на стыках формообразующей и формоизменяющей частей в волоке выполнен соединенный со штуцером канал для подачи в процессе волочения смазки к заготовке в области ее обжатия.

Задачей изобретения является создание волоки с возможностью подачи смазки в очаг деформации для снижения трения в зоне обжатия заготовки. Техническим результатом является улучшение качества поверхности заготовки, за счет снижения трения в зоне обжатия заготовки. Указанный технический результат обеспечивает волока, имеющая рабочую поверхность, образованную калибрующим, формообразующим, формоизменяющим и входным участками, при этом она выполнена сборно-разборной, состоящей из последовательно установленных и удерживаемых в обойме калибрующей, формообразующей, формоизменяющей частей, при этом на стыках формообразующей и формоизменяющей частей в волоке выполнен соединенный со штуцером канал для подачи смазки к заготовке в области обжатия в процессе волочения. Появляется возможность подачи жидких смазок в зону обжатия, что приводит к снижению трения между волокой и заготовкой.

Изобретение поясняется графически, где на чертеже показана волока для волочения заготовок.

В обойму 1 вставляется калибрующая часть 2, за ней - формообразующая часть 3 и формоизменяющая часть 4, последней вставляется входная часть 5. Через штуцер 6 в канал 7 подается смазка.

Волока работает следующим образом. Предварительно обработанный конец заготовки вставляют в волоку, со стороны калибрующей части 2 волоки, осуществляют захват конца заготовки тянущим устройством. В процессе волочения заготовка проходит формоизменяющую часть 4 и формообразующую часть 3 волоки. На этих участках на заготовку попадает смазка, которая подается штуцером 6 в канал 7. Затем заготовка попадает в калибрующую часть 2 и выходит из волоки.

Волока, имеющая рабочую поверхность, образованную калибрующим, формообразующим, формоизменяющим и входным участками, отличающаяся тем, что она выполнена сборно-разборной, состоящей из последовательно установленных и удерживаемых в сборно-разборной обойме калибрующей, формообразующей, формоизменяющей и входной частей, с образованием рабочей поверхности из соответствующих им участков, при этом на стыках формообразующей и формоизменяющей частей в волоке выполнен соединенный со штуцером канал для подачи в процессе волочения смазки к заготовке в области ее обжатия.



	



Рисунок 16 - Устройство для обжима заготовки.

1.4 Примеры моделирования в программном продукте QFORM.

В настоящее время в ОМД широко используется компьютерное моделирование, которое позволяет уйти от физического эксперимента.

Исходными данными для моделирования являются:

трехмерные геометрические модели инструмента (рисунок 17).

технологические параметры процесса: скорость движения инструмента, коэффициент трения.

материал заготовки: модель представлена в виде трубной отожженной заготовки из стали 20.



Рисунок 17 - Компьютерная модель процесса обжима.

Технологические параметры образцов и матриц представлены в таблице:

Табл. 1.

Технологические параметры образцов и матриц.

№ расчета

h/D

h, мм

D, мм

R, мм

?°

1

2

3

4

5

6

1



1



70



70

1,5



10

2







3



3







4,5



4



1,5



105



70

1,5



20

5







3



6







4,5



7



2



140



70

1,5



30

8







3



9







4,5





Представлены результаты моделирования процесса, возможные при различных условиях расчетов.



		а				б					в

Рисунок 18 - Результаты моделирования

а – образование поперечных складок, б – образование поперечных складок в недеформированной цилиндрической части, в – обжим без потери устойчивости.

Результаты анализа моделирования показали уменьшение радиуса скругления цилиндрической и конической частей матрицы заготовка теряет устойчивость в виде появления поперечных складок; c увеличением относительной высоты заготовки и угла конусности матрицы увеличивается вероятность появления поперечной складки в недеформированной цилиндрической области заготовки.

Моделирование произведено для схем обычного обжима и обжима с утонением толстостенных трубных заготовок конической матрицей методом конечных элементов. Выявлено влияние угла конусности матрицы, коэффициента трения, коэффициента обжима и утонения на силовые режимы Результаты теоретического исследования неоднородности распределения деформаций по толщине. Для исследованной модели принят материал - сталь 10.



Рисунок 19 - Зависимость изменения коэффициента неоднородности степени деформации от коэффициента трения (?=10°; mоб=0,6)

1 - P1; 2 - P2; 3 – P3



Рисунок 20 - Зависимость изменения коэффициента неоднородности степени деформации от угла конусности матрицы (µ=0,1; mоб=0,6)

1 - P1; 2 - P2; 3 – P3



Рисунок 21 - Зависимость изменения коэффициента неоднородности степени деформации от коэффициента обжима (?=20°; µ=0,1)

1 - P1; 2 - P2; 3 – P3

В работе [15] на базе метода конечных элементов проведено исследование силовых режимов процесса обжима цилиндрических заготовок в среде программного комплекса QFORM. Для их определения используется модель, которая представляет собой полую осесимметричную заготовку в формате 3D. Моделирование выполняется из стали 10; диаметр заготовки 80?74 мм в конической матрице с углом конусности матрицы ?=10°; 20°; 30° коэффициентом трения µ=0,08; 0,1; 0,15; 0,2 и коэффициентом обжима kоб=1,67; 1,43; 1,25.

	

	Рисунок 22 - Модель 3D инструментов перед моделированием:

	1 – заготовка; 2 – пуансон; 3 – матрица

	Табл. 2.

	Параметры моделирования

	Материал заготовки

	Сталь 10

	Температура штамповки

	20°C

	Реологические модели:

	а) Заготовка

	Упругопластичная

	б) Детали штампов

	L6 HRC42

	Число конечных элементов сетки заготовки, тыс

	150…400

	Размер КЭ

	0,2…0,5

	Скорость деформирования

	5

	Шаг интегрирования, мм

	0,03

	

	         После проведения экспериментов были построены графики зависимостей, а также проведен их анализ.

	

	Рисунок 23 - Графические зависимости изменения относительной силы процесса от относительного перемещения заготовки.

	          Проанализировав данный график было установлено, что изменение силы обжима можно разделить на 4 этапа:

	I этап: подгибается краевая часть заготовки, причем матрица воздействует только на узкий поясок у края заготовки, в промежутке между контактным пояском и недеформируемой частью образуется участок свободного изгиба, на этом этапе с увеличением перемещения заготовки относительная сила увеличивается.

	II этап: этот этап соответствует скольжению заготовки по конической поверхности матрицы. Здесь сила обжима увеличивается плавно.

	III этап: сила возрастает менее интенсивно, т.к. край заготовки выходит за пределы конической части матрицы.

	IV этап: на этом этапе сила увеличивается к максимальному значению и остается постоянной. Здесь происходит свободный изгиб заготовки и после этого начинается образовываться цилиндрический участок.

	

	Рисунок 24 - Деталь после обжима

	          На рисунках 25 и 26 было установлено следующее: при увеличении коэффициента трения значение относительной величины возрастает.

	

	Рисунок 25 - Графические зависимости изменения относительной величины силы от относительного перемещения заготовки при разных коэффициентах трения µ: 1 - µ=0,1; 2 - µ=0,15; 3 - µ=0,2

	          Проанализировав графики на рис. 4 и 5 был сделан вывод, что при увеличении значения коэффициента трения по каждому относительному перемещению относительная сила обжима увеличивается, а также максимальная относительная сила обжима возрастает пропорционально с увеличением значения трения.

	

	Рисунок 26 - Графическая зависимость изменения относительной величины силы процесса от коэффициента трения.

	          На графиках рисунках 27 и 28 представлены графики зависимости изменения относительной величины силы процесса обжима от угла конусности матрицы.

	

	Рисунок 27 - Зависимости изменения относительной силы процесса обжима от угла конусности матрицы.

	

	Рисунок 28 - Зависимости изменения относительной силы процесса обжима от угла конусности матрицы при: 1 - µ=0,8; 2 - µ=0,1; 3 - 0,15; 4 - µ=0,2.

	          Проведя анализ расчетов и графиков, которые изображены на рис. 5 и 6 были выявлены оптимальные углы конусности матрицы в пределах 15…25°, которые соответствуют наименьшей величине силы процесса. Также было установлено, что с ростом коэффициента трения и коэффициента обжима величина относительной силы процесса обжима возрастает.

	          Подводя итог, авторы делают вывод, что ими были установлены закономерности влияния изменения относительной силы процесса обжима от угла конусности матрицы и коэффициента трения и определены оптимальные углы конусности матрицы.

В работе [10,11] рассмотрено моделирование операции обжима с утонением толстостенных трубных заготовок. Для моделирования выбран комплекс программный комплекс QFORM.

На рисунке 29 представлены типовые детали, изготовленные операцией обжима с утонением стенки из толстостенных трубных заготовок.



Рисунок 29  - Типовые детали, изготовленные операцией обжима с утонением стенки из толстостенных трубных заготовок.

На рисунке 30 представлена модель, которая представляет собой полую осесимметричную заготовку в 3D, необходимая для определения силовых режимов операции обжима с утонением стенки.



Рисунок 30 - Модель 3D рабочего инструмента перед моделированием: 1- заготовка; 2 – пуансон; 3 – матрица; 4 – оправка; 5 – выталкиватель.

Далее приведены результаты моделирования операции обжима с утонением толстостенных трубных заготовок методом конечных элементов.

	Моделирование операции обжима с утонением тонкостенных трубных заготовок их стали 10 ( = 200 МПа;  = 340 Мпа; П = 750 Мпа) выполнялось при следующих исходных данных:

- диаметр заготовки 80 ? 74 мм в конической матрице;

- угол конусности матрицы ? = 10°; 20°; 30°;

- коэффициент трения µ = 0,1; 0,15; 0,2;

- коэффициент обжима  = 0,6; 0,7; 0,8;

- коэффициент утонения  = 0,8; 0,9; 1.

В таблице 3 представлены параметры моделирования операции обжима с утонением.

Таблица 3

Параметры моделирования операции обжима с утонением

Материал заготовки

	Сталь 10

Температура штамповки

20°C

Реологические модели

		а) Заготовка

Пластическая

б) Детали штамповки

L6 HRC42

Число конечных элементов сетки заготовки, тыс.

400…800

Размер КЭ, мм

0,1…0,3

Скорость деформирования, мм/с

5

Шаг интегрирования, мм

0,03



На рисунке 31 представлена заготовка на этапах операции обжима с утонением стенки.



Рисунок 31 - Заготовка на этапах операции обжима с утонением стенки.

На рисунке 32 представлена зависимость изменения относительной величины технологич?еской силы  = P/(?/) от относ?ительной велич?ины перем?ещения?  = р/.



Р?и?с?унок 32 - З?ави?с?и?м?ос?ть и?зм?енени?я?  от  (? = 20°;  = 0,7;  = 1; µ = 0,1).

И?с?с?ледовани?е зави?с?и?м?ос?т?ь и?зм?енени?я?  от?  показывает?, ч?т?о операци?я? об?жи?м?а с? ут?онени?ем? т?олс?т?ос?т?енных т?руб?ных загот?овок м?о?ж?ет? б?ыт?ь? ус?л?о?вно? разд?ел?ена на т?ри? с?т?ад?и?и?.

С?т?ад?и?и? о?пераци?я? о?б?ж?и?м?а с? ут?о?нени?ем? т?о?л?с?т?о?с?т?енных т?р?уб?ных за?го?т?о?во?к:

П?ер?ва?я? с?т?а?д?и?я? – т?р?уб?на?я? за?го?т?о?в?ка? о?б?ж?и?м?а?ет?с?я? на? ко?ни?ч?ес?ко?й? п?о?в?ер?хно?с?т?и? м?а?т?р?и?ц?ы?. О?т?но?с?и?т?е?л?ь?на?я? в?е?л?и?ч?и?на? с?и?л?ы? о?п?е?р?а?ц?и?и?  п?л?а?в?н?о? у?в?е?л?и?ч?и?в?а?е?т?с?я? с? р?о?с?т?о?м? о?т?н?о?с?и?т?е?л?ь?н?о?й? в?е?л?и?ч?и?н?ы п?е?р?е?м?е?щ?е?н?и?я?.

В?т?о?р?а?я с?т?а?д?и?я – ф?о?р?м?и?р?о?в?а?н?и?е з?о?н?ы у?т?о?н?е?н?и?я?. Н?а э?т?о?й с?т?а?д?и?и о?т?н?о?с?и?т?е?л?ь?н?а?я в?е?л?и?ч?и?н?а с?и?л?ы о?п?е?р?а?ц?и?и  р?е?з?к?о у?в?е?л?и?ч?и?в?а?е?т?с?я п?о м?е?р?е ф?о?р?м?и?р?о?в?а?н?и?я з?о?н?ы у?т?о?н?е?н?и?я (с р?о?с?т?о?м о?т?н?о?с?и?т?е?л?ь?н?о?й в?е?л?и?ч?и?н?ы п?е?р?е?м?е?щ?е?н?и?я?).

Т?р?е?т?ь?я с?т?а?д?и?я – п?р?о?и?с?х?о?д?и?т с?а?м?а о?п?е?р?а?ц?и?я о?б?ж?и?м?а с у?т?о?н?е?н?и?е?м?, а о?т?н?о?с?и?т?е?л?ь?н?а?я в?е?л?и?ч?и?н?а с?и?л?ы  о?с?т?а?е?т?с?я п?о?с?т?о?я?н?н?о?й в?е?л?и?ч?и?н?о?й?.

Г?р?а?ф?и?ч?е?с?к?и?е з?а?в?и?с?и?м?о?с?т?и и?з?м?е?н?е?н?и?я о?т?н?о?с?и?т?е?л?ь?н?о?й в?е?л?и?ч?и?н?ы с?и?л?ы  о?т в?е?л?и?ч?и?н?ы о?т?н?о?.......................