Формообразование ступицы при осадке заготовки в подкладном кольце

Полный текст

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

$\epsilon =\frac{H_0-H_{ст}}{H_0}·100\%$.

Высоту ступицы рассчитывали через разность высот по осевой линии $H_0=H_{к}-H_{ст}$. 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 $H_{ст}$ от степени деформации ε заготовки при следующих исходных данных: $D_0$ = 40 мм, $H_0=40 мм$, $d_0=22 мм$, 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,  $H_0=40 мм$., $d_0=22 мм$, 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, %
	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, %
	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, %
	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, %
	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, %
	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:$D_0=40 мм$ ; $H_0/D_0$= 0,5, $H_0/D_0=\mathrm{1,0}$, $H_0/D_0=\mathrm{1,5}$, $H_0/D_0=\mathrm{2,0}$; 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; $D_0=40 мм$; $H_0=40 мм$; 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; $D_0=40 мм$; $H_0=40 мм$; 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, $D_0=40 мм$,    $d_0/D_0.=\mathrm{0,4};\mathrm{0,55};\mathrm{0,70};$ $H_0=40$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».

Об авторах

Анастасия Валерьевна Гусева

Самарский университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: nastasya.guseva.234@mail.ru

студент IV курса

Россия, 443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, 34

Никита Дмитриевич Рузанов

Самарский университет

Email: ruzanow.n@yandex.ru

студент IV курса института ракетно-космической техники

Россия, 443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, 34

Владимир Родионович Каргин

Самарский университет

Email: vrkargin@mail.ru

профессор кафедры обработки металлов давлением Самарского университета

Россия, 443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, 34

Дополнительные файлы