Холодне пластичне формоутворення сталевих порожнистих заготовок деформуючих інструментів методами гідропресування і гідроштампування

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МЕРЗУГ Джамаль

УДК 621.73.4.002

ХОЛОДНЕ ПЛАСТИЧНЕ ФОРМОУТВОРЕННЯ СТАЛЕВИХ ПОРОЖНИСТИХ ЗАГОТОВОК ДЕФОРМУЮЧИХ ІНСТРУМЕНТІВ МЕТОДАМИ ГІДРОПРЕСУВАННЯ І ГІДРОШТАМПУВАННЯ

Спеціальність: 05.03.05 -

Процеси і машини обробки тиском

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк - 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донецькому фізико-технічному інституті ім. О.О. Галкіна НАН України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Спусканюк Віктор Захарович, завідувач відділом технологічних досліджень процесів гідропресування Донецького фізико-технічного інституту ім. О.О.Галкіна НАН України

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Алієв Іграмотдин Серажутдинович, завідувач кафедрою “Обробка металів тиском” Донбаської державної машинобудівної академії, Міністерство освіти і науки України, м. Краматорськ;

кандидат технічних наук Тютенко В'ячеслав Степанович, старший науковий співробітник відділу Донецького фізико-технічного інституту ім. О.О.Галкіна НАН України

Провідна організація: Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля, кафедра “Устаткування для обробки металів тиском”, Міністерство освіти і науки України , м. Луганськ

Захист відбудеться “26”грудня 2002 р. в 12.00 в аудиторії 5.353 на засіданні спеціалізованої ради Д 11.052.01 у Донецькому національному технічному університеті (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58). З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького національного технічного університету (83000, м.Донецьк, вул. Артема, 58, 2 навчальний корпус).

Автореферат розісланий 22 листопада 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, Д. 11.052.01 д.т.н., проф. В.І. Алімов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Техніко-економічні показники виробництва продукції пресуванням, волочінням, об'ємним і листовим штампуванням, методами порошкової металургії багато в чому залежать від технічного прогресу у виробництві інструментів типу матриць, волок, прес-форм. Використання методів пластичного формоутворення точних заготовок таких інструментів забезпечує різке скорочення обсягу механічної і ручної обробок, а в результаті формування сприятливої структури і термомеханічного зміцнення інструментальних сталей досягається значне підвищення їхньої експлуатаційної стійкості.

Одним з найбільш перспективних напрямків удосконалення технології пластичного формоутворення порожнин зазначених інструментів є обробка заготовок у середовищі рідини високого тиску. Основні переваги таких методів формоутворення порожнин полягають у зниженні контактного тертя, підвищенні технологічної пластичності заготовок і стійкості майстрів-пуансонів. Однак, дотепер роботи в цьому напрямку не одержали належного розвитку.

При оцінці ефективності різних способів холодного пластичного формоутворення заготовок визначальним критерієм є напруження у важко навантажених інструментах, у першу чергу - майстрах-пуансонах. Спосіб формоутворення порожнин вдавленням майстра-пуансона в заготовку з інструментальної сталі зі зворотнім витіканням матеріалу реалізується при дуже високому рівні тиску деформування. Тому доцільно досліджувати ефективність використання рідини високого тиску, у першу чергу, в процесах гідропресування заготовок інструментів на рухливому оправленні і роздачі заготовок майстром-пуансоном. Ці процеси реалізуються при тисках, прийнятних для практичного використання, а рідина високого тиску забезпечує більш сприятливі умови для організації радіального плину металу з метою формоутворення порожнин, зокрема, перемінного по висоті перерізу.

Дана робота присвячена підвищенню ефективності технології холодного пластичного формоутворення точних порожнистих заготовок деформуючих інструментів з інструментальних сталей методами роздачі і радіального обтиснення шляхом визначення раціональних режимів їхньої обробки з використанням рідини високого тиску.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації зв'язана з виконаними в Донецькому фізико-технічному інституті ім. О.О.Галкіна НАН України дослідженнями з державних науково-технічних програм 4.2.2 “Розробка високоефективних технологій обробки матеріалів тиском”, 04.01 “Ресурсозберігаючі екологічно чисті процеси і технології в металургії і ливарному виробництві” Міністерства освіти і науки України, зокрема з проектом 04.01/00026 “Технології виробництва заготовок складної конфігурації з високоазотистих сталей методами гідростатичної обробки” (№ держ. реєстрації 01970U016644). Автор брав участь у дослідженнях.

Мета і задачі дослідження. Мета дослідження - удосконалення технології холодного пластичного формоутворення порожнистих заготовок інструментів з інструментальних сталей методами роздачі і радіального обтиснення шляхом визначення раціональних режимів їхньої обробки з використанням рідини високого тиску.

Для досягнення вищевказаної мети вирішені наступні задачі:

1. Розроблено математичні моделі процесів роздачі заготовок з радіальним плином металу і радіального обтиснення заготовок інструментів з використанням майстрів-пуансонів і рідини високого тиску.

2. Розроблено розрахунково-експериментальну методику дослідження режимів формоутворення точних порожнин і якості заготовок інструментів.

3. Встановлено основні закономірності процесів холодного пластичного формоутворення заготовок інструментів методами радіальної роздачі і радіального обтиснення з використанням майстрів-пуансонів і рідини високого тиску.

4. Експериментально досліджено вплив умов пластичного формоутворення на якість заготовок вставок матриць.

5. Розроблено методичні рекомендації з проектування технологічних процесів і пристроїв для гідропресування і гідроштампування заготовок інструментів.

Об'єктом дослідження є процес холодного пластичного формоутворення порожнини деформуючого інструмента типу вставок матриць, волок, прес-форм способами роздачі чи обтиснення вихідних порожнистих заготовок з використанням майстрів-пуансонів і рідини високого тиску.

Предметом дослідження є режими обробки заготовок, що забезпечують формоутворення точних порожнин перемінного по висоті перерізу і зміцнення сталей у процесах роздачі або обтиснення з використанням майстрів-пуансонів і рідини високого тиску.

Методи дослідження. Теорія обробки металів тиском використана при розробці математичних моделей процесів пластичного формоутворення заготовок. Експериментальні методи дослідження використані для підтвердження достовірності теоретичних результатів, визначення режимів деформування і показників якості заготовок. Пластична деформація заготовок здійснювалася при атмосферних умовах і в середовищі рідини високого тиску.

Наукова новизна отриманих результатів

- Вперше отримана математична модель процесу роздачі заготовок в середовищі рідини високого тиску з радіальним плином металу при вдавленні майстра-пуансона в попередньо підготовлений отвір, яка забезпечує можливість аналітичного визначення тиску штампування, розподілу деформацій, граничної деформації заготовки без руйнування, профілю вихідної заготовки, при якому формообразується виріб з циліндричною зовнішньою поверхнею.

- Вперше отримана математична модель процесу радіального обтиснення заготовки методом гідропресування на оправленні з поперечним перерізом у виді правильного багатокутника, яка дозволяє визначити параметри формозміни і контактні тиски на стадії перетворення форми порожнини з циліндричної в пряму правильну призматичну.

- Вперше отримана теоретична залежність тиску гідропресування заготовки на циліндричному оправленні при однаковій їхній швидкості переміщення. Для випадку гідропресування заготовок на оправленні перемінного по довжині перерізу з багатогранною формою ділянки, що калібрує, запропонований поправочний коефіцієнт, який враховує складність профілю, і емпіричний вираз для його визначення.

- Вперше встановлено, що при радіальному обтисненні заготовок навколо майстрів-пуансонів перемінного по довжині перерізу методом гідропресування якісне оформлення порожнин із вхідною конічною, перехідною профільною і багатогранною калібруючою ділянками досягається при перемінних діаметрах порожнини і зовнішньої поверхні вихідної заготовки і раціональних коефіцієнтах витяжки.

Обґрунтованість і достовірність зроблених висновків підтверджуються відповідністю результатів математичного моделювання й експериментів, даними, отриманими при дослідному виготовленні інструментів з використанням запропонованих технологічних розробок.

Практичне значення отриманих результатів. На основі наукових результатів дослідження отримані наступні практичні результати:

1. Запропоновано нові методи пластичного формоутворення порожнин інструментів роздачею вихідної заготовки майстром-пуансоном з радіальним плином металу в рідині високого тиску або радіальним обтисненням навколо майстра-пуансона в процесі гідропресування.

2. Розроблено методичні рекомендації з проектування технологічного процесу гідроштампування, який забезпечує пластичне формоутворення з високою точністю розмірів і якістю поверхні порожнин різної конфігурації в заготовках з високоміцних легованих інструментальних сталей при прийнятних для практики тисках деформування (q/s=1,2...1,7),підвищення в 1,6...1,9 разів твердості і міцності матеріалу.

3. Розроблено методичні рекомендації з проектування технологічного процесу радіального обтиснення заготовок інструментів навколо майстрів-пуансонів у процесі їхнього спільного гідропресування, який забезпечує пластичне формоутворення з високою точністю розмірів і якістю поверхні порожнин із вхідною і калібруючою ділянками, у тому числі з багатогранним профілем ділянки, яка калібрує, у заготовках інструментів з високоміцних легованих сталей, підвищення в 1,3…1,4 разу їхньої твердості і міцності.

4. Розроблено маршрутні технологічні процеси виготовлення інструментів типу вставок матриць і волок, засновані на використанні технологій гідроштампування або гідропресування з радіальним обтисненням заготовок навколо майстрів-пуансонів.

Результати дослідження використані на СП “СІРІНА” і ВАТ “Точмаш” (м. Донецьк) при виробництві прес-форм і матриць із застосуванням технологій гідроштампування і гідропресування.

Особистий внесок здобувача. Особисто автором:

- запропоновані нові методи пластичного формоутворення порожнин заготовок і шляхи вирішення актуальної наукової задачі;

- розроблені математичні моделі процесів роздачі й обтиснення заготовок з використанням рідини високого тиску;

- встановлені основні закономірності формозміни і показники якості заготовок;

- розроблені методичні рекомендації з проектування процесів пластичного деформування заготовок, пристроїв для їхньої реалізації і маршрутні технологічні процеси виготовлення інструментів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на VI Міжнародній науково-технічній конференції “Машинобудування і техносфера на рубежі XXI століття” (Севастополь, 1999 р.).

Робота в повному обсязі заслуховувалася на засіданні розширеного семінару відділу технологічних досліджень процесів гідропресування Донецького фізико-технічного інституту ім. О.О.Галкіна НАН України.

Публікації. За результатами досліджень по темі дисертації опубліковано 7 робіт, з них 5 у виданнях, рекомендованих ВАК України. Усі роботи виконані зі співавторами.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, висновків і додатків. Робота викладена на 174 сторінках, містить 46 ілюстрацій, 2 таблиці, список використаних джерел з 93 найменувань на 9 сторінках і 3 додатки на 13 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, новизна і практичне значення отриманих результатів, зазначений особистий внесок здобувача у виконану роботу, зв'язок роботи з державними науково-технічними програмами.

У першому розділі проаналізований сучасний стан розробок процесів холодного пластичного формоутворення заготовок матриць і волок.

При оцінці ефективності способів холодного штампування заготовок інструментів визначальними факторами в більшості випадків є рівень тиску формоутворення і технологічна пластичність заготовок. Зниження напруження контактного тертя, підвищення технологічної пластичності заготовок і стійкості майстрів-пуансонів досягаються при пластичній деформації заготовок з використанням рідини високого тиску. У випадку обтиснення і роздачі необхідна формозміна вихідної порожнистої заготовки здійснюється при тисках менших, чим у випадку прошивання, однак закономірності цих процесів при реалізації їх з використанням рідини високого тиску мало вивчені. Не досліджені можливості використання процесів для формоутворення каналів матриць і волок перемінного по довжині перерізу зі значними розходженнями площ поперечного перерізу у вхідній і калібруючій ділянках каналу інструментів.

Необхідно розробити математичні моделі процесів і провести експериментальні дослідження з метою встановлення основних закономірностей формоутворення точних заготовок таких інструментів і впливу режимів обробки на їхню якість. Зроблено висновок, що результати дослідження процесів радіального обтиснення і роздачі можуть бути використані для розробки ефективних технологій формоутворення точних заготовок інструментів.

У зв'язку з цим поставлена мета і задачі роботи, приведені вище.

У другому розділі приведені математичні моделі процесів, що дозволяють визначити раціональні режими штампування і пресування заготовок інструментів з використанням рідини високого тиску.

При штампуванні формоутворення каналу, наприклад, вставки матриці здійснюється шляхом роздачі вихідної порожнистої заготовки з радіальним плином металу. Схема гідроштампування заготовок приведена на рис.1. У вихідній заготовці виконано осьовий циліндричний отвір, радіус якого дорівнює a0, а зовнішня поверхня має перемінний радіус b0(z). Профіль каналу матриці описується кутом , величина якого в загальному випадку залежить від z. Обробка здійснюється в гідростаті при тиску Р рідини, що оточує заготовку й інструмент.

У припущенні, що довжина заготовки в процесі деформації не змінюється, для одержання циліндричної зовнішньої поверхні після вдавлення пуансона необхідно, щоб початковий профіль цієї поверхні визначався співвідношенням

, (1)

де bu - радіус зовнішньої поверхні виробу.

Сила деформування F1 визначається з рівняння рівноваги пуансона з урахуванням сил, що діють на нього з боку заготовки і робочої рідини

(2)

де - коефіцієнт тертя.

Деформація зсуву, накопичена частками металу, що знаходяться на відстані r від осі заготовки, дорівнює

. (3)

Коефіцієнт жорсткості напруженого стану визначається як

, (4)

відкіля видно, що найбільш жорсткий напружений стан реалізується на зовнішній поверхні заготовки (при r=b).

Критерій деформацій заготовок без руйнування має вигляд

(5)

Схема гідропресування з радіальним обтисненням заготовок навколо майстра-інструмента приведена на рис. 2. Розглядається формоутворення матриць, що мають вхідну конічну ділянку, ділянку, що калібрує, відповідного профілю і перехідну від конічної до калібруючої. Майстер-пуансон прилягає до вихідної заготовки тільки на ділянці конічного розточення у верхній частині, а в інших місцях маються більшої чи меншої величини зазори. При гідропресуванні в цих місцях відбувається вільний плин металу в напрямку до осі заготовки до контакту з майстром-пуансоном.

З'ясування закономірностей змінювання товстостінності заготовки виконано при моделюванні процесу гідропресування трубної заготовки без оправлення. За інтегральну характеристику деформованого стану порожнистої заготовки прийнята величина її відносного подовження, яка визначається залежністю

, (6)

де D0, d0 - зовнішній і внутрішній діаметри вихідної трубної заготовки; z - осьова деформація трубної заготовки; - осьова деформація суцільного прутка при гідропресуванні з діаметра D0 через ту ж матрицю; k = 1,18 - коефіцієнт кореляції, визначений у спеціально проведених експериментах.

Діаметр порожнини трубної заготовки після гідропресування d1 визначається за значеннями z, діаметра отвору матриці D1 з урахуванням умови сталості обєму. Запропоновано математичну модель процесу радіального обтиснення, коли поверхня циліндричної порожнини вихідної заготовки дотикається до ребер майстра-пуансона і при гідропресуванні відбувається формування каналу матриці у виді правильного багатокутника з числом сторін не менш шести (у цьому випадку деформований стан металу з достатньою точністю можна вважати плоским). У силу симетрії задачі досить розглянути деформацію металу в секторі АОВ (рис. 3), де АВ і DC - відповідно дуги перерізу зовнішньої і внутрішньої поверхонь вихідної заготовки, DN - половина сторони перерізу майстра-пуансона. У деякий момент часу крапки А и В знаходяться в місцях A1, B1, а миттєве поле швидкостей плину металу схематично представлено в такий спосіб: мається “мертва” зона A1DM і зона металу A1B1C1M, радіальний плин якої спрямовано до центра О1. Оскільки процес деформації нестаціонарний і описане поле швидкостей є миттєвим, зона A1DM “мертва” умовно, тому що з часом крапка А1 зміщується уздовж радіуса А1О, крапка М - уздовж прямої DN. У кожен момент часу поле швидкостей однозначно визначається положенням крапки М, тобто величиною кута , який при повному оформленні профілю каналу матриці стає рівним =0.

З умови рівності площ криволінійних чотирикутників АВВ1А1 і DCC1M отримане рівняння відносно

(7)

де , , R0=AO - зовнішній радіус вихідної заготовки, R=A1O - поточне значення радіуса заготовки, a=ON. Радіус перерізу вихідної заготовки, необхідний для виконання профілю навколо майстра-пуансона, визначається з умови =0

, (8)

де - безрозмірний радіус зовнішньої поверхні заготовки вставки матриці після гідропресування. У випадку використання шестигранного майстра-пуансона величина знаходиться в діапазоні

. (9)

Оцінка контактних тисків на зовнішній поверхні заготовки в заданий момент часу в першому наближенні визначається при розгляді області деформованого металу A1B1C1M у вигляді сектора товстостінної труби. При =/6 отримана залежність

. (10)

Така оцінка контактних тисків пропонується для аналізу початкової стадії процесу. У реальній ситуації, коли контактні тиски перевищать деяке критичне значення, почне значно зростати витяжка і деформований стан істотно відрізняється від плоского. Цей рівень визначається з використанням відомих рішень задачі про гідропресування заготовки на твердому оправленні при відсутності зазорів між ними.

В третьому розділі описані методики дослідження, використане устаткування, інструменти й оброблювані матеріали.

Адекватність опису математичними моделями реальних процесів роздачі й обтиснення заготовок визначалася на основі зіставлення результатів теорії й експерименту по силовому режиму, тиску рідини, розподілу деформацій, граничним деформаціям заготовок без руйнувань. Таке всебічне зіставлення забезпечує велику достовірність результатів дослідження.

Закономірності досліджуваних процесів з'ясовувалися на прикладі пластичного формоутворення зазначеними способами вставок матриць для холодного видавлювання і пресування прутків круглого і профільного поперечних перерізів.

Експериментальні дослідження параметрів процесів гідроштампування і гідропресування заготовок проводилися в установці високого тиску, яка монтувалася на гідравлічному пресі моделі Д0437 зусиллям 5 МН.

При проведенні експериментів з гідроштампування (рис. 1) постійний рівень тиску рідини підтримувався за допомогою спеціального перепускного клапана, через який скидалася надлишкова рідина. Однакова задана глибина вдавлювання майстра-пуансона забезпечувалася шляхом обмеження переміщення верхньої рухливої частини установки до упора в контрольні втулки. Роздача заготовок до зовнішнього діаметра 30мм здійснювалася майстрами-пуансонами, що мають вхідну циліндричну частину, формотворну конічну ділянку при значеннях 2 =10...40 і циліндричний хвостовик. Використані також майстри-пуансони, що забезпечують формоутворення вставок матриць із сигмовидним профілем вхідної частини каналу.

Експерименти по гідропресуванню з радіальним обтисненням заготовок навколо майстра-пуансона здійснювалися в контейнері високого тиску з діаметром отвору, рівним 44 мм, за схемою, представленої на рис. 2. Вихідні заготовки 5 із вставленими в їхню порожнину майстрами-пуансонами 3 завантажувалися в контейнер і встановлювалися в порожнині конічної матриці (на даній схемі контейнер високого тиску і матриця представлені як одне ціле). Гідропресування заготовок здійснювалося напрохід через деформуючі матриці з конічною ділянкою при 2=10…20. Використано майстри-пуансони, що забезпечують пластичне формоутворення вставок матриць із вхідною конічною ділянкою (2=10…20), перехідною профільною і калібруючою шестигранною під ключ S=13 мм або квадратного поперечного перерізу з розмірами 1212 мм, а також майстри-пуансони для формоутворення вставок матриць з паском круглого перерізу, що калібрує.

Майстри-пуансони для роздачі і радіального обтиснення заготовок виготовлені зі сталі Х12М с твердістю після термічної обробки 57...59 HRC, шліфованою і полірованою поверхнею відповідно до відомих рекомендацій.

Вихідні заготовки для роздачі і радіального обтиснення виготовлялися зі сталей 45 (180 HB), 4Х8В2 (190 HB) і Х14АГ10СФ (280 HB). Такий набір матеріалів обумовлений кількома причинами. Сталь 45 використана як модельний матеріал при дослідженні силового режиму процесів і технологічної пластичності заготовок у зв'язку із широко приведеними в наукових публікаціях даними про характер зміни її властивостей у залежності від умов пластичної деформації, зокрема про значення емпіричних коефіцієнтів для оцінки зміцнення і граничних деформацій без руйнування. Інструментальна сталь 4Х8В2 широко використовується для виготовлення вставок матриць для холодного видавлювання, пресування і гідропресування. Сталь Х14АГ10СФ із підвищеним вмістом азоту є представником сталей, що характеризуються інтенсивним зміцненням у процесі холодної пластичної деформації. Ці сталі відрізняються високим рівнем міцності і пластичності, є корозостійкими, рекомендуються для виготовлення матриць і прес-форм.

Як робоча рідина при деформації заготовок використовувалася індустріальна олія марки - І-20. Деформувалися попередньо фосфатовані й обмилені заготовки, а також покриті мастильною речовиною КТІОЛ-15 з порошками (графіт, дисульфід молібдену).

Переміщення плунжера установки високого тиску реєструвалися за допомогою ходографа, зусилля деформування - з використанням методу тензометрії.

Якість деформованих заготовок вставок матриць оцінювалася за геометричною точністю і шорсткістю поверхні внутрішньої порожнини, точністю зовнішніх розмірів, результатами дослідження структури і властивостей сталей. Шорсткість поверхні досліджувалася на зразках, вирізаних з відповідних ділянок, на профілографі-профілометрі й інструментальному мікроскопі ІМЦ 10050А. Зміцнення сталей оцінювалося за результатами виміру твердості. Метод виміру мікротвердості використаний також для дослідження нерівномірності розподілу деформацій і неоднакового ступеня зміцнення сталей по висоті і поперечних напрямках у різних перерізах заготовок. Мікротвердість вимірювалася за допомогою прилада ПМТ-3, середній розмір діагоналі відбитка визначався по результатам 20-30 вимірів.

Наявність тріщин у зразках визначалася візуально, мікро- і макроструктура зразків, вирізаних із заготовок вставок матриць, досліджувалися на мікроскопах МІМ-7 і МІМ-8. Зміна структурного стану в результаті пластичної деформації досліджувалася на зразках сталі 4Х8В2 після загартування і відпустки, а на зразках аустенітної сталі Х14АГ10СФ після пластичної деформації і додаткового старіння при 500 С.

Використано методи статистичної обробки результатів вимірів.

В четвертому розділі приведені результати теоретичного й експериментального досліджень закономірностей процесів пластичного формоутворення порожнистих заготовок інструментів методами гідроштампування і гідропресування.

Встановлено, що розроблена математична модель процесу роздачі заготовки з радіальним плином металу при вдавленні майстра-пуансона в попередньо підготовлений отвір адекватно описує вплив основних факторів на силовий режим процесу, забезпечує прогнозування формозміни і величини граничної деформації без руйнування. Отримано теоретичні залежності відносного тиску штампування від відносної глибини вдавлення майстра-пуансона при різних рівнях тиску рідини і значеннях коефіцієнта тертя, товстостінності вставок матриць і геометричних параметрах їхніх каналів. Експериментальні результати відрізняються від теоретичних не більш, ніж на 10…15 %, при значеннях коефіцієнта тертя =0,20…0,25 у випадку роздачі заготовок при атмосферному тиску і =0,07...0,11 при тиску P=S, де S - середнє з початкового і кінцевого значень напруження пластичного плину матеріалу. Хоча величина f стає тим більше, чим вище тиск рідини P, збільшення значень f менше, ніж збільшення P/S навіть при однаковому значенні коефіцієнта тертя . А оскільки зі збільшенням тиску рідини умови змащення поліпшуються і значення знижуються, то збільшення відносного тиску штампування істотно нижче, ніж збільшення відносного тиску рідини. Тиск штампування зростає зі збільшенням глибини вдавлення майстра-пуансона, товстостінності матриці і кута конусності вхідної ділянки. При конусності майстра-пуансона, що відповідає 220, висота штампованої заготовки практично дорівнює висоті вихідної заготовки, що підтверджує радіальний характер плину матеріалу. У випадку більшої конусності майстра-пуансона спостерігається осаджування заготовки, ступінь якого зростає зі збільшенням кута і при 2=40 зменшення висоти досягає 10%.

Експериментально підтверджений прогнозований ефект значного підвищення технологічної пластичності заготовок при штампуванні в рідині високого тиску. При величині кута вставки =15 і атмосферному тиску граничні деформації заготовок відповідали глибині вдавлювання майстра-пуансона z1/a0=3,7...4,0. У випадку P=S, =10...15 зі збільшенням глибини вдавлювання до z1/a0=5 руйнувань не спостерігалося. Отримано задовільну згоду значень розрахункових граничних деформацій заготовок з результатами експериментів.

Максимальні напруження в необтисненій частині майстра-пуансона більше при менших кутах його конусності. При P=S, z1/a0=5, =10 ці напруження не перевищують 2,8S, що цілком прийнятно для виробничого застосування даного способу штампування.

Встановлено основні закономірності процесу радіального обтиснення заготовки навколо майстра-пуансона методом гідропресування. При обтисненні заготовки, що прилягає у вихідному положенні до майстра-пуансона з круглими поперечними перерізами, і ступенях деформації =1,2...1,8 її швидкість дорівнює швидкості майстра-пуансона, а у зоні пластичної деформації метал його випереджає. Ґрунтуючись на цьому експериментальному результаті, шляхом коректування відомого рішення для процесу гідропресування заготовок на циліндричному оправленні отримані співвідношення для розрахунку максимального тиску рідини при формоутворенні вставок матриць з отворами круглого поперечного перерізу. Згода теоретичного й експериментального значень тиску отримана при рівні коефіцієнта тертя =0,08. Для практичного використання запропонована спрощена залежність Р=1,9 S ln , де S - середнє з початкового і кінцевого значень напруження пластичного плину матеріалу. Запропоновано спосіб виготовлення вставок матриць, за яким формоутворення циліндричної ділянки порожнини здійснюється в процесі гідропресування вихідної заготовки з вільним у початковій стадії плином матеріалу в напрямку до осі до контакту з оправленням, а на другій стадії - обтисненням заготовки на оправленні з малими ступенями деформації =1,05...1,10. Запропоновано метод розрахунку необхідних обтиснень заготовок 1 на першій стадії, заснований на використанні математичної моделі гідропресування без оправлення й експериментально встановленого підгінного коефіцієнта k = 1,18. Перевага такого способу полягає в менших (на 10...15%) тисках гідропресування в порівнянні з випадком, коли у вихідному стані відсутній зазначений зазор і реалізується деформація, необхідна для досягнення однакового ступеня зміцнення заготовки.

При обтисненні заготовок навколо майстрів-пуансонів із профільною ділянкою, що калібрує (шестигранною або квадратною), поряд із плином металу до осі заготовки й у прямому подовжньому напрямку можливий зворотній стосовно майстра-пуансона зсув, що зв'язано з великим рівнем напружень, необхідних для виконання профілю вставки матриці. Для запобігання такого зворотнього зсуву необхідно до мінімуму знижувати ступінь деформації (1,02...1,04 )заготовки на ділянці, що прилягає до конічної частини майстра-пуансона. Для оформлення ділянок матриці, що калібрує і перехідної, необхідні раціональні ступені деформації відповідних ділянок, у зв'язку з чим зовнішня поверхня вихідної заготовки виточується з непостійним по її висоті діаметром. При малих деформаціях не досягається чітке оформлення граней паска, що калібрує, при занадто великих - збільшується ступінь витяжки заготовки і тиск гідропресування.

Експериментально встановлені раціональні ступені деформації заготовок, що забезпечують пластичне формоутворення вставок матриць, рівні M=1,30...1,35 для шестигранного і M=1,45...1,50 квадратного профілів отворів, що калібрують, при цьому довжина ділянки з максимальним зовнішнім діаметром вихідної заготовки складає l0=(1…1,5)lП, де lП - довжина паска матриці, що калібрує. Показано, що в зв'язку з відносно великими зазорами між майстром-пуансоном і вихідною заготовкою на перехідній ділянці ці ступені більше, ніж розраховані по теоретичній моделі для процесу формоутворення ділянки, що калібрує, у припущенні тільки поперечного плину матеріалу.

Запропоновано співвідношення для розрахунку висоти H перехідної ділянки майстра-пуансона і максимального зазору між майстром-пуансоном і вихідною заготовкою на цій ділянці в залежності від кута конусності каналу і радіуса R, що описує профіль майстра-пуансона в поздовжньому перерізі.

Тиск гідропресування дорівнює P=1,9КФSln, де КФ - поправочний коефіцієнт, що враховує складність профілю отвору. Запропонована емпірична залежність цього коефіцієнта від параметрів багатогранних отворів вставок. Уперше здійснене пластичне формоутворення дослідженим методом вставок матриць зі значними розходженнями площ поперечних перерізів отвору на вході і в ділянці, що калібрує, аж до Sв/Sк=5.

В п'ятому розділі приведені результати дослідження впливу умов пластичного формоутворення на якість заготовок вставок матриць. Встановлено, що точність розмірів внутрішньої порожнини відповідає квалитетам Н9…Н11 у штампованих заготовках, Н8…Н10 - у гідропресованих, шорсткість поверхні - значенням 0,2...0,1 мкм при прийнятній для практики точності зовнішніх розмірів.

Великий ступінь зміцнення сталей у результаті холодної деформації досягається в шарах у внутрішньої поверхні штампованих вставок матриць: твердість підвищується в 1,6...1,9 разу в порівнянні з вихідним рівнем, що відповідає більшим значенням ступеня деформації в цих ділянках заготовок. При гідропресуванні також досягається значне зміцнення сталей (підвищення твердості в 1,3...1,4 разу), особливо в шарах, що прилягають до поверхні внутрішнього каналу вставок матриць. На підставі результатів дослідження характеру розподілу твердості сталі встановлено, що максимальне значення коефіцієнта нерівномірності деформації гідропресованої заготовки при формоутворенні вставок із квадратним отвором, що калібрує, складає n=1,7, із шестигранним n=1,3. Ефективне використання зміцнення можливо при виготовленні вставок матриць і прес-форм зі сталей, які не потрібно нагрівати під загартування після деформації, наприклад, високоазотистих аустенітних сталей. У шарах вставки матриці зі сталі Х14АГ10СФ, що прилягають до квадратного отвору, що калібрує, твердість HV дорівнює 3646…3930 МПа, а після додаткового старіння підвищилася ще на 350…400 МПа. Великий ступінь зміцнення сталей у шарах, що прилягають до поверхні каналу штампованих або гідропресованих заготовок матриць, позитивно характеризує розглянуті методи обробки. Для забезпечення високого рівня твердості, міцності й ударної в'язкості матриць зі штампових сталей типу 4Х8В2 рекомендується метод попередньої термомеханічної обробки, заснований на використанні результатів холодної пластичної деформації при оптимальних режимах наступного загартування і відпустки. У загартованих і відпущених зразках вставок матриць встановлена якісна структура сталі 4Х8В2 без ознак дефектів типу пір і тріщин.

В шостому розділі описані методичні рекомендації з проектування процесів гідропресування і гідроштампування заготовок інструментів, маршрутні технологічні процеси виготовлення інструментів і деякі пристрої для пластичної деформації заготовок.

Основними операціями технологій виробництва інструментів з використанням методів гідропресування і гідроштампування є термічна обробка вихідного матеріалу, механічна обробка вихідних заготовок, нанесення покрить і мастильних речовин, холодне пластичне формоутворення заготовок, термічна обробка сталей і остаточна механічна обробка заготовок. Метод гідропресування використовується для формоутворення заготовок типу вставок матриць і волок із вхідним конусом при 2=5...30 і паском, що калібрує, круглого або багатогранного (не менш 4 граней) профілю, метод гідроштампування - для вставок матриць, волок, прес-форм із конічною ділянкою (240) або профільною в поздовжньому перерізі. Відповідальним моментом є проектування вихідних заготовок (рис. 4 і 5). У заготовці для гідропресування діаметр d0 дорівнює діаметру кола, при якому забезпечується мінімальний зазор між заготовкою і ребрами майстра-пуансона, кут 2 відповідає конусності готового виробу, D01=(1,01...1,02)D1,де D1 - діаметр паска деформуючої матриці, що калібрує, а розмір D02 розраховується з урахуванням пропонуємих значень =1,30…1,35 при шестигранному профілі, =1,45...1,50-при квадратному профілі майстра-пуансона, причому зі збільшенням товстостінності вставок, що виготовляються, рекомендуються менші з приведених значень. При формоутворенні методом гідропресування заготовок з каналом круглого перерізу зовнішні розміри вихідної заготовки рекомендується призначати з умови забезпечення раціональних режимів ПТМО сталі, встановлених раніше для штампових інструментів, що виготовляються з гідропресованих заготовок.

Дано рекомендації з нанесення покрить, мастильних речовин, мінімізації об'єму робочої рідини, розрахунку тиску і швидкості гідропресування, вибору необхідного устаткування і проектування установки високого тиску.

Особливістю проектування вихідної заготовки для штампування є призначення ступеня деформації також з використанням відомих рекомендацій з раціональних режимів ПТМО штампових сталей (ступінь деформації =0,14...0,50 у залежності від марки сталі і необхідного комплексу властивостей інструментів). Ступінь деформації заготовок з високоазотистих аустенітних сталей рекомендована в області =0,5...0,6. Конфігурація каналу вихідної заготовки a0(z) проектується з використанням розмірів готового виробу a(z) (рис. 5) і співвідношення

, (11)

а зовнішньої поверхні - з урахуванням умов сталості об'єму і радіального плину металу

. (12)

Отримані криві, що описують профілі каналу і зовнішній контур (пунктир на рис. 5а) вихідної заготовки, по можливості заміняються прямими (для зручності механічної обробки) і по (12) проектується профіль зовнішньої поверхні після штампування (мал. 5б). При відсутності такої можливості (занадто великі відхилення від раціональних ступенів деформації сталі в заданих ділянках) вихідна заготовка виточується з профільним каналом відповідної конфігурації.

Тиск рідини визначається з умови забезпечення технологічної пластичності заготовок (5), сила штампування дорівнює

, (13)

де DK - діаметр отвору контейнера високого тиску; DМП=2a2; KT=1,10...1,15-коефіцієнт, що враховує втрати на тертя ущільнювальних елементів плунжера об стінки контейнера; F1 визначається за (2). Дано рекомендації з використання покрить, мастильних речовин і робочих рідин, запропоновані пристрої для гідроштампування при перемінному або постійному тиску рідини.

Токарська обробка і шліфування гідропресованих і штампованих заготовок здійснюються тільки по зовнішньому контурі.

У додатках до дисертації приведена комп'ютерна програма для моделювання процесів гідропресування і гідроштампування і результати використання розроблених технологій.

пресування заготовка штампування формоутворення

ВИСНОВКИ

1. Розроблено основи теорії холодного формоутворення сталевих порожнистих заготовок деформуючих інструментів методами радіального обтиснення і роздачі з радіальним плином металу в рідині високого тиску.

2. Розроблено математичну модель процесу роздачі заготовки з радіальним плином металу при вдавленні майстра-пуансона в попередньо підготовлений осьовий отвір, яка забезпечує можливість аналітичного визначення тиску штампування, розподілу деформацій, граничної деформації заготовки без руйнування при штампуванні в середовищі рідини високого тиску і без неї.

3. Розроблено математичну модель процесу радіального обтиснення заготовки методом гідропресування на оправленні з поперечним перерізом у виді правильного багатокутника, яка забезпечує можливість розрахунку параметрів формозміни заготовки й оцінки контактних тисків на стадії перетворення форми порожнини з циліндричної в пряму правильну призматичну. На цій стадії тиск підвищується до рівня, при якому настає процес витяжки заготовки на оправленні.

4. Встановлено основні закономірності процесу гідроштампування-роздачі заготовки майстром-пуансоном з радіальним плином металу в середовищі рідини високого тиску. Збільшення відносної величини тиску штампування f=qш/s менше, ніж збільшення відносної величини тиску рідини P/s, головним чином, у зв'язку зі зниженням сил тертя. Тиск гідроштампування підвищується зі збільшенням глибини вдавлення майстра-пуансона, його конусності, відносної товстостінності заготовок. Радіальний плин металу спостерігається при кутах каналу 220, зі збільшенням і зниженням твердості металу зростає осаджування заготовки, ступінь якої при 2=40 і твердості менш 160HB досягає =10%. Розроблена експериментально перевірена методика розрахунку тиску рідини, що забезпечує штампування заготовок без руйнування.

5. Встановлено основні закономірності процесу радіального обтиснення заготовок навколо майстрів-пуансонів перемінного перерізу методом гідропресування. При використанні майстрів-пуансонів з конічною і циліндричною ділянками, коефіцієнтах витяжки =1,2...1,8 швидкість заготовки практично дорівнює швидкості майстра-пуансона, а у зоні пластичної деформації метал випереджає майстер-пуансон

6. Отримано теоретичне рішення задачі визначення максимального тиску при формоутворенні методом гідропресування заготовок інструментів з отворами круглого поперечного перерізу, яка забезпечує відповідність експериментальним даним при значенні коефіцієнта тертя =0,08. Для практичного використання запропоноване емпіричне співвідошення P=1,9Sln, де S - середнє з початкового і кінцевого значень напруження пластичного плину металу. При визначенні тиску формоутворення заготовок з багатогранною формою ділянки, що калібрує, вводиться поправочний коефіцієнт, для розрахунку якого запропоновано емпіричний вираз.

7. Встановлено, що для якісного оформлення порожнин вставок матриць із вхідною конічною, перехідною профільною і багатогранною ділянкою, що калібрує, необхідно використовувати заготовки з перемінним діаметром зовнішньої поверхні, при цьому коефіцієнт витяжки, що відповідає максимальному діаметру, дорівнює м=1,30...1,35 для шестигранного і м=1,45...1,50-для квадратного профілів ділянок, що калібрують.

8. Розроблено методичні рекомендації з проектування технологічного процесу гідропресування з обтисненням заготовок навколо майстра-пуансона і заснована на використанні цього процесу технологія виробництва сталевих інструментів типу вставок матриць і волок із вхідним конусом при 2=5...30 і ділянкою, що калібрує, круглого або, багатогранного профілю. Гідропресування забезпечує точність розмірів порожнин заготовок, що відповідає квалитетам Н8…Н10, шорсткість поверхонь - 0,2...0,1 мкм, підвищення твердості і міцності сталей у 1,3...1,4 разу.

9. Розроблено методичні рекомендації з проектування технологічного процесу гідроштампування заготовок і заснована на використанні гідроштампування технологія виробництва сталевих інструментів типу вставок матриць, волок, прес-форм із різною конфігурацією вхідної ділянки каналу. Холодне гідроштампування забезпечує точність розмірів внутрішньої порожнини, що відповідає квалитетам Н9…Н11, шорсткість поверхні на рівні 0,2 мкм, підвищення твердості і міцності сталей у 1,6...1,9 разу. Максимальні напруження в майстру-пуансоні при тиску рідини P=s, глибині вдавлення z1=5a0 і конусності =10 не перевищують 2,8s.

10. Для виробництва точних заготовок інструментів за розробленими технологіями використовуються звичайні установки для прямого гідропресування у випадку радіального обтиснення вихідної заготовки навколо майстра-пуансона і типу гідростата - у випадку гідроштампування заготовок. Розроблено методичні рекомендації з проектування технологічного оснащення для формоутворення заготовок новими методами.

11. Використання наукових результатів дозволяє здійснювати великі деформації заготовок інструментів, виготовляти їх з більш міцних інструментальних сталей, чим відомими способами. Економічна ефективність розробок зв'язана, головним чином, зі зниженням трудомісткості виробництва і підвищенням якості виготовлених інструментів. У результаті дослідно-промислової перевірки встановлено, що економічний ефект від використання технологій гідроштампування і гідропресування при обсязі виробництва по 1000 штук інструментів складає у випадку виготовлення прес-форм - 7500 грн., вставок матриць - 4730 грн.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах

1. Д.Мерзуг, Я.Е.Бейгельзимер, В.З.Спусканюк. Анализ процесса штамповки заготовок вставок матриц в среде жидкости высокого давления // Физика и техника высоких давлений. - 1995. - №2. - С.52-58.

2. Д.Мерзуг, Я.Е.Бейгельзимер, В.З.Спусканюк. К расчёту процесса гидропрессования заготовок деформирующего инструмента // Физика и техника высоких давлений. - 1996. - №2. - С.135-140.

3. Д.Мерзуг, И.М.Коваленко, В.З.Спусканюк. Пластическое формообразование вставок матриц при высоких гидростатических давлениях Физика и техника высоких давлений. - 1999. - №2. - С.38-43.

4. Д.Мерзуг, И.М.Коваленко, В.З.Спусканюк. Гидропрессование с радиальным обжатием заготовок матриц вокруг профильной оправки // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Міжвузівський тематичний збірник наук. праць. - Краматорськ: ДДМА, 1999. - С.85-87.

5. Д.Мерзуг, И.М.Коваленко, В.З.Спусканюк. Прогрессивные технологии холодного пластического формообразования заготовок деталей штампов и пресс-форм // Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века: Сб. трудов VI межд. науч.-техн. конф. в г. Севастополе 13-18 сентября 1999 г., т.2. - Донецк: ДГТУ, 1999. - С.168-171.

6. Д.Мерзуг, А.В.Спусканюк. Технология и устройство для гидроштамповки заготовок инструментов // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Межд. сб. научн. труд. - Донецк: ДГТУ, 2000. - С.208-215.

7. А.В.Спусканюк, Р.Аиссауи, Д.Мерзуг и др. Получение методом гидропрессования полых изделий с каналом переменного сечения // Физика и техника высоких давлений. -1996. - №2. - С.128-134.

АНОТАЦІЯ

Д. Мерзуг “Холодне пластичне формоутворення сталевих порожнистих заготовок деформуючих інструментів методами гідропресування і гідроштампування”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - Процеси і машини обробки тиском. - Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2002.

Дисертація присвячена вирішенню актуальної задачі підвищення ефективності технології холодного пластичного формоутворення сталевих порожнистих заготовок деформуючих інструментів методами пресування і штампування шляхом пошуку раціональних режимів їх обробки з використанням рідини високого тиску.

Запропоновані нові методи пластичного формоутворення каналів інструментів, які полягають в роздачі порожнини вихідної заготовки майстром-пуансоном в рідині високого тиску або в радіальному обтисненні заготовки навколо майстра-пуансона в процесі гідропресування. Розроблені математичні моделі процесів роздачі та обтиснення заготовок з використанням майстрів-пуансонів і рідини високого тиску. Розроблена розрахунково-експериментальна методика дослідження режимів формоутворення точних каналів і якості заготовок інструментів. Встановлені основні закономірності процесів холодного пластичного формоутворення заготовок інструментів за наведеними методами, вплив умов деформації на якість заготовок вставок матриць. Розроблені методичні рекомендації з проектування технологічних процесів і пристроїв для гідропресування та гідроштампування заготовок інструментів. Здійснена перевірка результатів в умовах виробництва.

Ключові слова: заготовки інструментів, радіальне обтиснення, роздача, рідина високого тиску, моделювання, раціональні режими, якість.

АННОТАЦИЯ

Д. Мерзуг “Холодное пластическое формообразование стальных полых заготовок деформирующих инструментов методами гидропрессования и гидроштамповки”. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением. - Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2002.

Диссертация посвящена решению актуальной задачи повышения эффективности технологии холодного пластического формообразования стальных полых заготовок деформирующих инструментов методами прессования и штамповки посредством поиска рациональных режимов обработки заготовок с использованием жидкости высокого давления.

Предложены новые методы пластического формообразования каналов инструментов, заключающиеся в раздаче исходной заготовки мастер-пуансоном в жидкости высокого давления либо в радиальном её обжатии вокруг мастер-пуансона в процессе гидропрессования.

Разработана математическая модель процесса раздачи заготовки с радиальным течением металла при вдавливании мастер-пуансона в предварительно подготовленное осевое отверстие, обеспечивающая возможность аналитического определения давления штамповки, распределения деформаций, предельной деформации заготовки без разрушения при штамповке в среде жидкости высокого давления и без неё. Разработана математическая модель процесса радиального обжатия заготовки методом гидропрессования на оправке с поперечным сечением в виде правильного многоугольника, обеспечивающая возможность расчёта параметров формоизменения заготовки и оценки контактных давлений на стадии преобразования формы полости с цилиндрической в прямую правильную призматическую.

Установлены основные закономерности процесса гидроштамповки-раздачи заготовки мастер-пуансоном с радиальным течением металла в среде жидкости высокого давления. Приращение относительной величины давления штамповки f=qш/s меньше, чем приращение относительной величины давления жидкости P/s, главным образом, в связи со снижением сил трения. Давление гидроштамповки повышается с увеличением глубины вдавливания мастер-пуансона, его конусности, относительной толстостенности заготовок. Радиальное течение металла наблюдается при углах воронки 220, с увеличением и снижением твёрдости металла возрастает осадка заготовки, степень которой при 2=40 и твёрдости менее 160HB достигает =10%. Разработана экспериментально проверенная методика расчёта давления жидкости, обеспечивающего штамповку заготовок без разрушения.

Установлены основные закономерности процесса радиального обжатия заготовок вокруг мастер-пуансонов переменного сечения методом гидропрессования. При использовании мастер-пуансонов с коническим и цилиндрическим участками, коэффициентах вытяжки =1,2…1,8 скорость заготовки практически равна скорости мастер-пуансона, а в очаге пластической деформации металл опережает мастер-пуансон Для качественного оформления полостей вставок матриц с заходным коническим, переходным профильным и многогранным калибрующим участками необходимо использовать заготовки с переменным диаметром наружной поверхности, при этом коэффициент вытяжки, соответствующий максимальному диаметру, равен м=1,30…1,35 для шестигранного и м=1,45…1,50 - для квадратного профилей калибрующих участков.

Разработаны методические рекомендации по проектированию технологических процессов гидропрессования и гидроштамповки заготовок инструментов. Для производства точных заготовок инструментов по разработанным технологиям используются обычные установки для прямого гидропрессования в случае радиального обжатия исходной заготовки вокруг мастер-пуансона и типа гидростата - в случае гидроштамповки заготовок

Гидропрессование обеспечивает точность размеров полостей заготовок, соответствующую квалитетам Н8…Н10, шероховатость поверхностей - 0,2…0,1 мкм, повышение твёрдости и прочности сталей в 1,3…1,4 раза. Холодная гидроштамповка обеспечивает точность размеров внутренней полости, соответствующую квалитетам Н9…Н11, шероховатость поверхности на уровне 0,2 мкм, повышение твёрдости и прочности сталей в 1,6…1,9 раза.

Осуществлена проверка результатов в производственных условиях. Использование научных результатов позволяет осуществлять большие деформации заготовок инструментов, изготавливать их из более прочных инструментальных сталей, чем известными способами. Экономическая эффективность разработок связана, главным образом, со снижением трудоёмкости производства и повышением качества изготовленных инструментов.

Ключевые слова: заготовки инструментов, радиальное обжатие, раздача, жидкость высокого давления, моделирование, рациональные режимы, качество.

SUMMARY

D. Merzug "Cold plastic shaping of hollow steel billets of deforming tools by means of hydropressing and hydropunching". - Manuscript.

The thesis to obtain a scientific degree of Candidate of Technical Sciences on the speciality 05.03.05 - Pressure Treatment Processes and Machines. - Donetsk National Technical University, Donetsk, 2002.

...