Формообразование ступицы при осадке заготовки в подкладном кольце

Гусева Анастасия Валерьевна; Anastasiya Valerievna Guseva; Рузанов Никита Дмитриевич; Nikita Dmitrievich Ruzanov; Каргин Владимир Родионович; Vladimir Rodionovich Kargin

Forming the nave during the sinking strain in the spacer

Authors: Guseva A.V.¹, Ruzanov N.D.¹, Kargin V.R.¹
Affiliations:
1. Samara University
Issue: No 1 (16) (2020)
Pages: 202-207
Section: Mechanical engineering and mechanical engineering
Published: 15.12.2020
URL: https://vmuis.ru/smus/article/view/9283
ID: 9283

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Computer simulation of the process of sinking strain a cylindrical workpiece on a spacer was performed in the Deform 2D / 3D software package. The influence of the degree of deformation, the relative dimensions of the workpiece, the magnitude of external friction, the relative dimensions of the hole in the spacer, the forging angle and the radius of the curve of the edge on the nature of the shape of the nave is established. With an increase in the degree of deformation, an increase in the height of the nave is established according to the law of the exponent. The lower the relative height of the workpiece $H_{0} / D_{0}$ , the higher the height of the nave. External friction promotes the formation of a higher nave than with the sinking strain of the workpiece in the absence of external friction. With an increase in the relative size of the hole in the washer $d_{0} / D_{0}$ , a noticeable increase in the height of the nave is observed. At large degrees of deformation, the radius of curvature of the edge of the hole does not affect the shape of the nave. With an increase in the forging angle from 1º to 6º, the height of the nave increases within (12 - 18) %.

Keywords

free forging, sinking strain in the spacer, modeling, alloy AD31, workpiece and tool geometry, degree of deformation, external friction, nave height

Full Text

Одной из технологических операций процесса ковки является операция осадки цилиндрической заготовки в подкладных кольцах. Данная операция позволяет получать поковки типа дисков с одно- или двухсторонними ступицами (отростками, бобышками, цапфами). Так отковывают некоторые типы прокатных валков, короткие кулачковые валы, поковки шестерён, фланцев и дисков со ступицами, когда размеры последних имеют небольшую величину в сравнении с габаритными размерами поковки [1–4].

Процесс осадки цилиндрических заготовок на нижнем подкладном кольце для поковки «диск с односторонней ступицей» рассмотрен в работах [5–10], в которых особое внимание уделено формообразованию заготовки, анализу потоков металла в радиальном и осевом направлениях, границе разделов потоков, расширению технологических возможностей осадки посредством изменения условий внешнего трения.

Цель работы – установление влияния соотношения начальных размеров заготовки, соотношения диаметра отверстия и диаметра заготовки в подкладном кольце, сил трения на контактных поверхностях верхнего бойка, подкладного кольца и заготовки, степени деформации, ковочного угла и радиуса закругления отверстия на характер формообразования ступицы поковки.

Постановка задачи

Моделирование осадки цилиндрической заготовки из алюминиевого сплава АД31 на подкладном кольце (рис.1) реализовано средствами специализированного пакета программы Deform - 2D на базе метода конечных элементов [11]. При постановке задачи компьютерного моделирования ее рассматривали как осесимметричную. Степень деформации заготовки определяли по формуле

$ε = \frac{H_{0} - H_{с т}}{H_{0}} \cdot 100 %$ .

Высоту ступицы рассчитывали через разность высот по осевой линии $H_{0} = H_{к} - H_{с т}$ . Коэффициент трения μ по контактным поверхностям принят по закону Кулона, количество конечных элементов в заготовке 1000.

Рис. 1. Схема осадки цилиндрической заготовки 1 в подкладном кольце 2 плоскими бойком 3 в начале (а) и в конце (б) процесса: – диаметр заготовки; – высота заготовки; , диаметр отверстия в подкладном кольце; γ – ковочный уклон; – высота ступицы; – высота фланца; – диаметр фланца; r – радиус кромки отверстия; – высота поковки; – диаметр контактной поверхности заготовки с верхним бойком

Рис. 2. График зависимости высоты ступицы от степени деформации

Результаты и их обсуждение

На рис. 2 представлен график зависимости высоты ступицы $H_{с т}$ от степени деформации ε заготовки при следующих исходных данных: $D_{0}$ = 40 мм, $H_{0} = 40 м м$ , $d_{0} = 22 м м$ , γ = 3º, r = 3 мм, μ = 0,3.

Как видно из рис. 2, с увеличением степени деформации наблюдается заметный рост высоты ступицы по закону параболы.

В табл. 1 приведены результаты исследования по влиянию величины коэффициента внешнего трения на контактных поверхностях заготовки и инструмента на высоту ступицы при различных степенях деформации при следующих условиях: $D_{0}$ = 40 мм, $H_{0} = 40 м м$ ., $d_{0} = 22 м м$ , γ = 3º, r = 3 мм, μ = 0; 0,15; 0.3; 0,5; ε = 25%; 50%; 75%.

Таблица 1

Результаты замеров высоты ступицы в мм в зависимости от значения коэффициента трения μ и степени деформации ε

μ	ε, %
μ	25	50	75
0	3,2	8,4	18,7
0,15	3,7	9,5	20,4
0,30	3,3	8,6	18,9
0,50	2,8	8,4	18,5

Таблица 2

Результаты замеров высоты ступицы в мм в зависимости от степени деформации ε и размеров исходной заготовки

$\frac{H_{0}}{D_{0}}$	ε, %
$\frac{H_{0}}{D_{0}}$	25	50	75
0,5	4,7	9,8	18,9
1,0	3,3	8,6	18,0
1,5	3,2	6,3	16,7
2,0	3,0	5,3	14,6

Таблица 3

Результаты замеров высоты ступицы в мм в зависимости от ковочного угла γ и степени деформации ε

αº	ε, %
αº	25	50	75
1º	3,3	8,4	18,3
3º	3,4	8,9	19,2
6º	3,9	9,6	20,5

Таблица 4

Результаты замеров высоты ступицы в мм в зависимости от радиуса закругления r и степени деформации ε

r, мм	ε, %
r, мм	25	50	75
1	3,1	8,9	19,6
3	3,4	8,9	19,2
5	3,8	9,0	19,2

Таблица 5

Результаты замеров высоты ступицы в мм в зависимости от отношения и степени деформации ε

$\frac{d_{0}}{D_{0}}$	ε, %
$\frac{d_{0}}{D_{0}}$	25	50	75
0,40	2,4	6,2	15,8
0,55	3,4	8,9	19,2
0,70	4,8	11,1	22,1

Из рассмотрения результатов видно, что внешнее трение способствует формованию более высокой ступицы, чем при осадке заготовки без трения. При μ = 0,15 и степенях деформации ε = 25%, 50%, 75% получены наиболее высокие ступицы. Рост величины коэффициента трения приводит к уменьшению размеров ступиц в пределах 5 – 10%.

Основная причина роста высоты ступицы при осадке в подкладных кольцах с трением в сравнении без трения – это сдерживание течения металла силами трения в радиальном направлении от оси к периферии, что приводит к увеличению питающего объема металла, локализированного около отверстия кольца, для формирования ступицы.

В табл. 2 приведены результаты исследования влияния размеров исходной заготовки $H_{0} / D_{0}$ на величину высоты ступицы при различных степенях деформации при следующих условиях: $D_{0} = 40 м м$ ; $H_{0} / D_{0}$ = 0,5, $H_{0} / D_{0} = 1,0$ , $H_{0} / D_{0} = 1,5$ , $H_{0} / D_{0} = 2,0$ ; μ = 0,3; мм; γ = 3º; ε = 25%, 50%, 75%.

Из рассмотрения результатов видно, что чем ниже заготовка, тем больше высота ступицы. Наиболее целесообразно для осадки в подкладных кольцах использовать исходные заготовки с размерами $H_{0} / D_{0} =$ 0,5 ÷ 1,0, так как при осадке интенсивность возрастания высоты ступицы увеличивается с уменьшением отношения. Такой характер изменения высоты ступицы свидетельствует и о сложном характере течения металла на разных этапах процесса осадки.

Ковочный уклон на подкладном кольце в пределах от 1º до 7º позволяет легко и быстро извлечь поковку из подкладного кольца.

Результаты моделирования по влиянию величины ковочного уклона на характер формирования размеров ступицы по высоте при μ = 0,3; $D_{0} = 40 м м$ ; $H_{0} = 40 м м$ ; α = 1º, 3º, 6º; r = 3 мм; ε = 25%, 50%, 75% приведены в табл. 3.

Установлено, что с увеличением ковочного угла с 1º до 6º высота ступицы возрастает устойчиво, в пределах (12-18) %. Это связано с уменьшением сопротивления деформации металла при заполнении конической полости подкладного кольца.

Пересекающие поверхности ступицы и фланца сопрягаются по радиусу закругления r. При ковке этот выступ в полости конического отверстия обтекается металлом и считается внутренним радиусом закругления. Его величина определяет качество поковки.

Результаты моделирования по влиянию величины радиуса закругления на характер изменения высоты ступицы при μ = 0,3; $D_{0} = 40 м м$ ; $H_{0} = 40 м м$ ; r = 1мм, 3 мм, 5 мм; α = 3º; ε = 25%, 50%, 75% приведены в табл. 4.

Установлено, что с изменением радиуса закругления высота ступицы изменялась в пределах 12% при ε = 25%, 1% при ε = 50% и ε = 75%. Влияние r проявилось только при малых обжатиях. При больших обжатиях это влияние отсутствует.

Относительная величина отверстия в подкладном кольце определяется отношением диаметра отверстия $d_{0}$ к первоначальному диаметру заготовки $D_{0}$ , то есть $d_{0}$ / $D_{0}$ .

Результаты моделирования по влиянию геометрического параметра $d_{0}$ / $D_{0}$ на характер изменения высоты ступицы при μ = 0,3, $D_{0} = 40 м м$ , $d_{0} / D_{0} . = 0,4; 0,55; 0,70;$ $H_{0} = 40$ мм; r = 3 мм; α = 3º при степенях деформации ε = 25%, 50%, 75% приведены в табл. 5.

Установлено, что с уменьшением $d_{0} / D_{0}$ затекание металла в полость конического отверстия подкладного кольца затруднено. Это связно с повышением сопротивления деформации металла при заполнении полости. При увеличении отношения $d_{0} / D_{0}$ заполнение полости кольца облегчается, что обеспечивает существенный рост высоты ступицы до 22,1 мм при степени деформации 75%.

Заключение

Проведен численный анализ влияния относительных размеров цилиндрической заготовки, относительного диаметра, ковочного угла и радиуса закругления кромки конического отверстия подкладного кольца, степени деформации и внешнего трения на процесс формообразования односторонней ступицы поковки.

Повышение степени деформации при осадке на подкладном кольце играет положительную роль, интенсивно увеличивая высоту ступицы поковки по параболическому закону с ростом степени деформации.

При осадке низких заготовок $H_{0} / D_{0}$ <1 высота ступицы на поковке значительно больше на (12 – 22) %, чем при осадке высоких заготовок $H_{0} / D_{0}$ > 1.

Внешнее трение на контактных поверхностях плоского бойка и подкладного кольца способствует более благоприятному формообразованию ступицы поковки за счет увеличения питающего объема металла в области отверстия кольца.

Чем больше ковочный угол и входной диаметр полости подкладного кольца, тем меньше сопротивление металла при заполнении конической полости и соответственно выше ступица на поковке.

Величина радиуса закругления кромки входного отверстия в диапазоне 1 – 5 мм при степенях деформации ε > 50 % не влияет на размер ступицы поковки.

Характер изменения высоты ступицы поковки свидетельствует о сложном нестационарном течении металла в осевом и радиальном направлениях на разных этапах совмещенных процессов осадки и выдавливания цилиндрической заготовки.

Предлагаемые рекомендации по выбору параметров процесса осадки цилиндрической заготовки на подкладном кольце в п. 2 – 6 расширяют технологические возможности формообразования поковки типа «диск с односторонней ступицей».