Многооперационная вытяжка в штампах с телескопическим инструментом

Актуальность темы

: Производство деталей из тонколистовых материалов ежегодно увеличивается. По данным исследовательской компании «Abercade» одних только алюминиевых бутылочных пробок различных типоразмеров в России в 2008 году было употреблено 2,8 миллиарда штук.

Расширяется и номенклатура выпускаемого проката, который идет на производство тонкостенных полых деталей. Такие детали получают из тонкого листа или фольги, изготовленных из разнообразных металлов и сплавов, как, например, медь, латунь, молибден, малоуглеродистая и коррозионно-стойкая сталь и др.

Но наибольший объем потребления проката связан с алюминием и алюминиевыми сплавами, в состоянии частичного упрочнения, и, чаще всего, анодированного или покрытого лаком или тонким слоем пластмассы.

Глубокая вытяжка тонколистовых материалов позволяет решить многие задачи производства полых тонкостенных деталей. Однако, при изготовлении относительно высоких изделий, требуется применение многооперационной вытяжки, которая при использовании раздельного оборудования приводит к низкому качеству деталей и высокой трудоемкости производства.

Современное развитие производства высоких тонкостенных деталей пошло по пути применения многооперационных прессов, позволяющих повысить производительность труда и снизить трудоемкость при достаточно высоком качестве деталей, но при этом ценой использования такого оборудования стал рост металлои энергозатратности.

В последние годы появился новый более экономичный способ многооперационной вытяжки в штампе с телескопическим инструментом, позволяющий за один ход пресса простого действия выполнить несколько вытяжных операций. Такой способ позволяет достичь максимального для глубокой вытяжки коэффициента использования металла, снизить затраты электроэнергии на выполнение всех операций, повысить качество изделий за счет того, что весь вытяжной инструмент располагается на одной оси. При этом, как и на многооперационных прессах, процесс легко автоматизируется и появляется возможность получать замкнутые технологии на прессах простого действия, т. е. от исходной ленты до готовой детали в одном штампе.

Помимо перечисленных преимуществ у этой технологии имеются и недостатки, в первую очередь связанные с отсутствием широкого опыта применения. Для нее практически нет рекомендаций по проектированию технологических переходов и конструированию штамповой оснастки и инструмента.

Имеющиеся данные по многооперационной вытяжке не учитывают применение вместо прижимов складкодержателей, которые необходимы при деформировании очень тонкого листа. Опасная зона рассчитывается только в напряжениях, хотя в этом случае необходимо учитывать и деформированное состояние. Нет учета большого перепада в механических свойствах полуфабриката при вытяжке начально неупрочненного дна и очень упрочненной стенки полой заготовки. Имеющиеся рекомендации по геометрии инструмента, условиям на контактных границах и коэффициентах вытяжки тонкостенных заготовок в телескопическом инструменте нуждаются в существенной корректировке.

Совершенно нет рекомендаций по проектированию штампов с многопозиционным расположением телескопического инструмента и системы слежения за задержками полуфабриката при работе такого штампа в автоматическом режиме.

Отсутствие надежных рекомендаций по проектированию и эксплуатации сдерживает внедрение высокоэффективной технологии в производство.

В виду изложенного, актуальной научной задачей в области развития штамповочного производства тонкостенных оболочек из тонколистового проката является изучение характера формоизменения заготовок при глубокой вытяжке в штампах с телескопическим инструментом, учитывая режимы деформирования, механические свойства обрабатываемого материала, граничные условия и геометрические особенности инструмента.

Часть исследований выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований № 04−01−96 705, тема «Технологическая деформируемость плакированных биметаллических сталь-никелевых заготовок в условиях плоской и объемной деформации" — № 08−08−99 034 «Оценка ресурса пластичности на основе анализа деформационных и силовых параметров при совместном решении задач методами разрыва напряжений и скоростей при изготовлении сложнопрофильных оболочек» и гранта Президента РФ для поддержки ведущих научных школ № НШ 1456.2003.8 и № НШ 4190.2006.8, а также по ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009;2010 годы)».

Цель работы: Совершенствование технологии и повышение качества проектирования и изготовления тонкостенных оболочек многооперационной вытяжкой в штампах с телескопическим инструментом.

Задачи исследования:

1. Изучить особенности деформации тонколистовых и тонкостенных заготовок в процессе глубокой вытяжки в зависимости от режимов деформирования, характера упрочнения штампуемых материалов и условий трения на контактных границах.

2. Разработать математические модели деформирования тонкостенных оболочек применительно к глубокой вытяжке в штампах с телескопическим инструментом.

3. Разработать универсальный критерий оценки штампуемости тонколистового проката на основе методов делительных сеток и испытаний образцов по Эриксену и применить его для проектирования технологии многооперационной вытяжки.

4. Разработать технологический процесс для получения тонкостенных алюминиевых колпачков с использованием многооперационной вытяжки в штампах с телескопическим инструментом.

5. Разработать рекомендации по проектированию технологических процессов и штамповой оснастки с использованием компьютерного моделирования.

Методы исследования: Режимы деформирования определялись теорией пластичности, базирующейся на совместном решении уравнений равновесия и условия текучести. Предельные характеристики штампуемых листовых материалов находили с использованием методов делительных сеток и Эриксена. Сопрягаемость деталей и узлов штамповой оснастки при проектировании основывалась на компьютерном моделировании в среде AutoCAD1. Эксперименты проводились с использованием современных испытательных машин и регистрирующей аппаратуры.

Автор защищает:

— разработанный комбинированный метод экспериментального анализа, сочетающий делительные сетки и метод Эриксена, позволяющий найти предельные значения интенсивности деформаций и напряжений в деформируемых металлах и сплавах и уточнить режимы многооперационной вытяжки из тонколистовых заготовок;

— выведенные математические модели глубокой вытяжки из тонколистовых трансверсально-изотропных материалов, на основе которых разработаны рекомендации по проектированию технологий изготовления тонкостенных оболочек;

— новую схему изготовления оболочек в штампах с телескопическим инструментом, обеспечивающих замкнутость технологических циклов, на универсальных маломощных прессах простого действия;

— конструкцию штампа, увеличивающую производительность труда в несколько раз, и систему автоматического контроля присутствия заготовки и полуфабриката на рабочих позициях во время его работы в автоматическом режиме с помощью фотодатчиков;

— выполнение элементов вытяжного инструмента из высокопрочных антифрикционных пластмасс.

Научная новизна: Разработан комбинированный метод анализа, сочетающий делительные сетки и метод Эриксена, позволяющий найти предельные значения интенсивности деформаций и напряжений в деформируемых металлах и сплавах и применить их для уточнения режимов многооперационной вытяжки из тонколистовых заготовок.

Выведены математические модели глубокой вытяжки телескопическим инструментом заготовок из тонколистовых трансверсально-изотропных материалов, благодаря которым установлены критические напряжения и деформации в опасных зонах полуфабриката и давление на рабочих радиусах инструмента.

Практическая значимость: Разработаны рекомендации по проектированию технологии изготовления тонкостенных оболочек, реализованные на примере производства парфюмерного колпачка в штампе для вытяжки с телескопическим инструментом. Разработана принципиально новая схема многооперационной вытяжки оболочек в таких штампах, обеспечивающих замкнутость технологических циклов на универсальных маломощных прессах. Разработана новая конструкция штампа, позволяющая увеличить производительность труда в несколько раз. Впервые предложено выполнять вытяжные матрицы из высокопрочных антифрикционных пластмасс (патент на изобретение РФ.

2 322 321). Разработана система автоматического контроля работы штампа с помощью фотодатчиков.

Реализация работы: Методика технологических расчетов тонкостенных корпусов была использована на ОАО «Тульский патронный завод».

Апробация работы: Материалы настоящей работы представлялись на всероссийских и международных конференциях и выставках. Участвовал в 38 научных мероприятиях, на которых был награжден 8 медалями (5 международных) и 32 дипломами лауреата, среди которых наиболее важные:

— Ежегодное выступление на конференциях, проводимых кафедрой МПФ ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»;

— Российская молодёжная научная и инженерная выставка «Шаг в будущее» / RYP SF Fair и Национальное соревнование молодых ученых Европейского Союза. Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1999;2002 гг.;

— Международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения». Москва, МАТИ, 1999;2007 гг.;

— Второй международный конгресс студентов, молодых ученых и специалистов «Молодежь и наука — третье тысячелетие"/У8ТМ'02. Научная выставка «Политехника». Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 15— 19.04.2002 г.;

— Европейская научная выставка «ЭКСПО-НАУКА-2002» ESE'2002. Словакия, Братислава, 14−22.07.2002 г.;

— IX Международная выставка молодежных научно-технических проектов «ЭКСПО-НАУКА-2003». Международный молодежный научный конгресс «Молодежь. Наука. Общество». Ассамблея Международного молодежного научного движения под девизом «Судьба планеты в руках молодых». Москва, ВВЦ, 12−19.07.2003 г.;

— II Международная научно-техническая конференция «Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование обработки материалов давлением». Тула, ТулГУ, 11−14.10.2004 г.;

— X Юбилейный Всероссийский слет студентов и аспирантов по совместной программе Минобрнауки России и Государственного Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «Студенты и аспиранты — малому наукоемкому бизнесу». Барнаул, АлтГТУ, 13−16.09.2005 г.;

— Международный салон промышленной собственности «Архимед». Москва, КВЦ «Сокольники», 2006;2007 гг.

Публикации: Материалы проведённых исследований представлены в 15 печатных работах (общий объем — 4 п.л., личный вклад — 3,6 п.л.), в том числе 2 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в список ВАК.

Структура и объём диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 68 рисунков, 4 таблицы и 124 наименований библиографического списка. Общий объем работы составляет 154 страниц.

Выводы.

1. Предложена трехрядная конструкция штампа с телескопическими инструментами, позволяющая выполнять 21 операцию за один ход универсального пресса простого действия и повысить коэффициент использования материала на 10−15%.

2. Контрольная сборка твердотельной модели позволяет подсчитать действительные зазоры в сопряжениях узлов штампа, оптимизировать его конструкцию и оперативно исправить возникающие недостатки.

3. Анализ деформации показал, что давление на инструменте приблизительно в 600 раз меньше того, что может выдержать стальной закаленный инструмент. Показано, что матрицы можно делать из высокопрочной антифрикционной пластмассы, тогда запас прочности становится двадцатикратным, что достаточно для высокой стойкости инструмента, а пуансоны и складкодержатель — оставить металлическими, при этом, например, капролоновые матрицы в 7 раз легче, чем стальные.

4. Показано, что штампы с телескопическим инструментом могут работать в автоматическом режиме только при установке системы контрольных датчиков, определяющих наличие заготовки и полуфабриката на рабочих позициях.

Заключение

.

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное значение для промышленности и состоящая в совершенствовании технологии и повышении качества изготовления тонкостенных металлических оболочек многооперационной вытяжкой в штампе с телескопическим инструментом.

В процессе выполненных теоретических и экспериментальных исследований достигнуты следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Установлено, что при глубокой вытяжке оболочек из тонколистового проката (0,2 — 0,8 мм) телескопическим инструментом требуется более точный расчет напряженного и деформированного состояний, учитывающий не только среднеинтегральные, но и локальные характеристики процесса. Причем необходимы уточнения справочных данных для выбора степеней деформации.

2. Разработанные математические модели глубокой вытяжки тонкостенных оболочек из трансверсально-изотропного материала позволили решить 4 важные задачи технологии: обосновать использование складкодержателей вместо прижимов, рассчитать напряженное и деформированное состояния в опасных сечениях штампуемых заготовок, определить локальное давление, действующее на инструмент, и общую силу деформирования.

3. Экспериментальные исследования свойств тонколистового проката разработанным комбинированным способом нахождения предельных интенсивностей деформаций в зоне возникновения «шейки» или разрушения позволили создать более точный и универсальный критерий оценки операций листовой штамповки и, в частности, вытяжки. Сравнивая нагартованные и отожженные образцы из алюминия А5, получили, что среднестатистическая по образцу предельная интенсивность деформации нагартованного материала составляет 0,232' а отожженного — [е Г = 0 314> что гораздо выше, т. е. на 26,1%. l ' j ср 5.

Глубина лунки соответственно для отожженного и нагартованного материала равна hi = 8,8 мм, h2 = 6,4 мм, что дает относительное отличие в 27,3%, т. е. расхождение между двумя видами оценки составляет 4,4%.

Аналогично среднестатистическое значение по критическому напряжению для нагартованного листа, а 1″ -79 9 МПа Для отожженного.

L «ср ' '.

— [а у = 53,9МПа, т-ерасхождение составляет 32,5%. Этот критерий дает отклонение от критерия по интенсивности деформации 19,7%, а от второго критерия по глубине — на 16%. Этот факт позволяет считать, что 3-й критерий более чувствителен к упрочнению металла в процессе деформации.

4. Разработаны рекомендации по проектированию технологии многооперационной вытяжки телескопическим инструментом тонкостенных металлических оболочек из тонколистового проката. На примере разработки технологий получения кожухов для электретных микрофонов и парфюмерных колпачков в однорядном и трехрядном штампах показана эффективность новых технологических процессов, позволяющих повысить коэффициент использования материала на 10−15% и создать надежную технологию в штампах-автоматах с системой контроля от сбоев.

5. Благодаря компьютерному моделированию в интегрально-графической среде AUTOCAD-2007, показано, что штамп с телескопическим инструментом может работать, как многорядный, на примере получения высоких алюминиевых колпачков, он может выполнять 21 операцию за один ход универсального пресса простого действия. Предложенная методика улучшает качество проектирования штампов с телескопическим инструментом и помогает ускорить подготовку производства при освоении новой продукции на 50%.

Предложено и выявлено, что отношение предела прочности, например, капролоновой матрицы для второй вытяжки парфюмерного колпачка (ав = 90 МПа) к давлению на вытяжном ребре упрочненного металла асж /ап = 100/2,6 =38, т. е. прочность ее в 38 раз выше действующего на нее давления, что достаточно для хорошей стойкости матрицы. Так как по массе капролоновая матрица в 7,2 раза легче стальной (отношение средней плотности материалов — 7,9/1,1), а по цене капролон дороже инструментальной стали в 2,5 раза (отношение оптовых цен за килограмм — 100/40). Таким образом, матрица из капролона при одинаковом отходе в стружку будет дешевле в 2,9 раза.

Методика расчёта технологии на изготовление алюминиевых колпачков использовалась на ОАО «Тульский патронный завод». Научные разработки внедрены в учебный процесс при подготовке лекций и лабораторных работ по дисциплинам «Компьютерное моделирование технологических операций холодной штамповки» и «Экспериментальные методы исследования напряжений и деформаций».