Технологическая эффективность специализированных гидравлических прессов с вращающимся штамподержателем

Необходимость облегчения машиностроительной продукции выдвигает ряд актуальных задач получения крупногабаритных тонкостенных изделий, обладающих высокими эксплуатационными свойствами. Однако на этом пути встречаются технологические трудности, прежде всего высокие удельные силы, многократно превосходящие напряжение текучести σ_s материала при температуре обработки. При этом резко снижается стойкость штампов и увеличиваются погрешности в размерах штампуемых деталей. Эта особенность пластического течения в тонких слоях связана с действием контактных сил трения, влияние которых тем больше, чем больше отношение диаметра D детали к ее высоте H (D/H). Существенно снизить внешнее трение при горячей штамповке не удается даже при тщательной механической обработке гравюры штампа и применении самых современных смазочных материалов.

Технологические силы штамповки и контактные нагрузки на инструмент могут быть многократно снижены, если вместо традиционной штамповки на универсальном оборудовании применять штамповку комбинированным нагружением металла путем воздействия на него одновременно осевой силой и крутящим моментом. Такое нагружение реализуется при штамповке с кручением, когда верхний штамп совершает одновременно поступательное и вращательное движения, воздействия тем самым на заготовку нормальной силой и крутящим моментом. Такой метод штамповки принципиально изменяет механику контактного трения и вызывает интенсивные сдвиговые деформации. Трение, препятствующее течению металла при обычной штамповке и потому являющееся вредным, становится активным и полезным при штамповке с кручением, а сдвиговые деформации в тангенциальном направлении вызывают качественную проработку материала изделий [1, 2].

Исследования пластического течения металла при штамповке с кручением [1] показывают, что технологические сила и момент определяются безразмерным параметром кручения q, определяемым по формуле:

, где ω и ν соответственно угловая и линейная скорости инструмента. Для оценки эффективности осадки с кручением получены зависимости безразмерных величин: среднего давления P*, равного отношению давления P на гравюру штампа к напряжению текучести σ_s деформируемого металла (P*=P/σ_s) и момента M* (отношение действительного момента кручения M к максимальному моменту кручения Mmax, (M*= M/Mmax) от параматра q (рис. 1).

Рисунок 1 – Зависимость относительного среднего давления P* и крутящего момента M* от параметра кручения q при значениях D/H: 1 – 70; 2 –58; 3 – 46; 4 – 32; 5 - 18

С увеличением параметра кручения контактные давления, а, следовательно, и технологические силы падают. Момент кручения, напротив, быстро возрастает и стремится к своему предельному значению. Большое значение имеет отношение диаметра к высоте диска. Чем больше это отношение (чем более тонкостенное изделие), тем больший эффект снижения силы. Для массивных деталей (с отношением D/H <3) применение штамповки с кручением с целью снижения силы представляется нецелесообразным.

Для экспериментальных исследований в широком диапазоне изменения режимов штамповки с кручением, задаваемых параметром кручения q, использовался гидравлический пресс с вращающимся инструментом (рис. 2).

Рисунок 2 – Конструктивная схема гидравлического пресса 1.6 МН

Пресс содержит станину 1, в направляющих которой установлены верхний 2 и нижний 4 ползуны. В нижнем ползуне смонтирован с возможностью вращения штамподержатель 11, жестко соединенный с винтом 10, а в верхнем ползуне 7 закреплена гайка 9, образующая винтовую несамотормозящую пару с винтом 12. В верхней поперечине станины 1 установлены центральный цилиндр 3 привода винта 10 и два боковых цилиндра 6 привода верхнего ползуна 7.

Холостой ход приближения штамподержателя 4 совершается подачей жидкости низкого давления в цилиндр 2, при этом нижний ползун 4 опускается вниз до соприкосновения верхнего инструмента с заготовкой. Затем в этот же цилиндр подается жидкость высокого давления, и заготовка осаживается поступательно перемещающимся инструментом. Когда давление рабочей жидкости достигает заданной величины, включается привод боковых цилиндров 6, которые перемещают верхний ползун 7 с гайкой 9. При скорости _г перемещения верхнего ползуна больше скорости υ_в перемещения нижнего ползуна гайка 9 обгоняет винт 10, что приводит к вращению штамподержателя 11 с угловой скоростью ω=( υ_г – υ_в)2π/S, где S – ход резьбы винтовой пары.

В начальный период осадки происходит увеличение давления P*, что соответствует малым значениям параметра кручения (q = 0÷1,5). Дальнейшая осадка характеризуется возрастанием параметра q, давление P* стабилизируется, а к концу процесса даже несколько уменьшается (рис. 3, а).

Энергоемкость операции осадки с кручением складывается из работы Aр поступательного перемещения штамподержателя и работы Ам его вращения. На рис. 3, б приведены зависимости A= A(ΔН), полученные при давлении Pц = 15(1); 10(2) и 5(3) МПа. Для сравнения на графике приведена экспериментальная кривая работы Ао при осадке поступательно перемещающимся штамподержателем. Анализ кривых показывает, что энергоемкость операции осадки с кручением при малых значениях q меньше энергоемкости традиционной осадки. Увеличение параметра q сопровождается соответствующим увеличением суммарной работы осадки с кручением за счет интенсивного увеличения работы кручения Ам.

Важным преимуществом комбинированного нагружения, является не только снижение средней величины контактных давлений, но и более равномерное их распределение.

Рисунок 3 – Изменение параметра кручения q и среднего давления P* (а) и работы деформирования А (б) от хода осадки ΔН при давлении в центральном цилиндре: 1 – Pц = 15; 2 – Pц = 10; 3 – Рц = 5Мпа

При однокомпонентном нагружении контактное деление в центральной зоне многократно превышает давление на периферии, что подтверждается формой дисков, полученных при осадке алюминиевых заготовок (рис. 4). Сравнение образца 3, осаженного без кручения силой 0,8 МН, и образца 2, осаженного аналогично силой 1,6 МН, показывает, что увеличение силы осадки в 2 раза не приводит к заметному увеличению диаметра заготовки, но вследствие деформации инструмента под воздействием высоких давлений в центральной зоне образец приобретает форму линзы. Та же заготовка 1,

Рисунок 4 – Образцы, осаженные на гидравлическом прессе: без кручения силой 0,8 МН (3) и 1,6 МН (2), с кручением силой 0,8 МН (1) (4 – исходная заготовка)

осаженная силой 0,8 МН с кручением до диаметра в 1,6 раза больше, чем диаметр образца 2, не имеет таких колебаний по толщине, что свидетельствует о более равномерном распределении контактных давлений при штамповке с кручением.

Список литературы

1. Штамповка с кручением // Субич В.Н., Демин В.А., Шестаков М.А., Власов А.В..: М.: издат. МГИУ. 2008. С. 389.

2. Михайленко Ф.П., Щербатов Д.А. Исследование напряженно-деформированного состояния и удельных нагрузок при осадке с кручением и без кручения заготовок из алюминиевых сплавов. // «Кузнечно-штамповочное производство» - 2008.-№10.-с.3-13.

СТЕПАНОВ

Борис Алексеевич

к.т.н., профессор Московского государственного индустриального университета (МГИУ)

E-mail: lvq1@mail.msiu.ru

Тел.: (499) 764-10-59