Никитенко Филимонов И П Попов - ulstu.ruvenec.ulstu.ru/lib/disk/2011/Nikitenko.pdf2 УДК 621.73.002.5 ББК 34.4 г Н 93 Рецензенты: доктор

1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования

«УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

В. М. Никитенко, В. И. Филимонов,

И. П. Попов

Разработка и совершенствование процессов формоизменения деталей коробчатой формы из листовых заготовок вытяжкой-отбортовкой

Ульяновск УлГТУ 2011

2

УДК 621.73.002.5 ББК 34.4 г Н 93

Рецензенты: доктор технических наук, зам. директора по научной

работе (Ульяновский ВИАМ) Постнов В. И.,

кандидат технических наук, доцент С. С. Гужин

Научный редактор д-р техн. наук В. И. Филимонов

УДК 621. 73. 002. 5

Никитенко, В. М.

Разработка и совершенствование процессов формоизменения

деталей коробчатой формы из листовых заготовок вытяжкой-отбортовкой / В. М. Никитенко, В. И. Филимонов, И. П. Попов. – Ульяновск : УлГТУ,

2011. – 102 с. ISBN 978-5-9795-0807-8

Рассмотрены основные особенности известных способов изготовления

рассматриваемых деталей вытяжными операциями, отличительные особенности

предлагаемой технологии, показано возрастание роли ресурсосберегающих технологий

в автомобильной промышленности листоштамповочного производства и возможности

их использования, проанализированы основные направления предложенной технологии

изготовления деталей коробчатой формы в плане квадратной с отверстием в донной части.

Предназначено для работников предприятий, научных работников, аспирантов,

студентов машиностроительных факультетов, специализирующихся в области

обработки металлов давлением.

© Никитенко В. М., Филимонов В. И., Попов И. П., 2011

ISBN 978-5-9795-0807-8 © Оформление. УлГТУ, 2011

Н 93

3

ВВЕДЕНИЕ

Развитие современного машиностроения характеризуется созданием

конструкций и узлов машин, предназначенных для работы в различных

условиях эксплуатации. Эти задачи решаются в соответствии с требованиями

экономического развития, предусматривающими сосредоточение усилий на

повышение качества, производительности труда, снижении материалоемкости

и энергопотребления.

Основными критериями, лимитирующими применение технологических

процессов, определяющих эффективность технических решений при

штамповке деталей с отверстиями в донной части, является

металлосбережение, оцениваемое коэффициентом использования металла

(КИМ).

Анализ действующих технологий холодной штамповки различных

деталей из листового металла показал, что до 80% их цены составляет

стоимость металла.

Поэтому разработка и внедрение металлосберегающих технологий,

направленных на уменьшение расхода материала, является одним из

радикальных путей снижения себестоимости штампованных деталей и

трудоемкости изготовления, при обеспечении показателей качества в принятых

условиях работы.

Применение прогрессивных формообразующих технологий, а также

расширение технологических возможностей известных методов, основанных на

пластическом деформировании, позволяющие увеличить КИМ, который в

настоящее время не отвечает современным требованиям металлообработки при

изготовлении рассматриваемых деталей, является актуальной, важной научно-

технической проблемой, решение которой внесет значительный вклад в ускоре-

ние научно-технического прогресса.

Как показал обзор научно-технической литературы, совмещение

операций вытяжки и отбортовки используется в настоящее время только при

4

производстве осесимметричных деталей. Вместе с тем для производства

транспортных средств, оснащения автоматизированных складов в

машиностроении и автомобилестроении прослеживается необходимость

изготовления деталей коробчатой формы с отверстием в донной части.

Из-за недостаточной изученности применительно к листоштамповочному

производству, применение совмещенной операции вытяжки-отбортовки в

автомобильной промышленности ограничивается. Традиционно такие детали

изготавливают вытяжкой из плоской заготовки с последующей пробивкой

отверстия требуемой формы и размеров, что сопровождается большим отходом

металла.

Широкому и успешному внедрению в промышленность теоретических

работ, посвященных определению напряженно-деформированного состояния,

силовых условий и предельных возможностей при совмещении вытяжки и

отбортовки, способствовали работы отечественных и зарубежных ученых:

В. М. Антонова, Ю. Н. Берлета, С. А. Валиева, Ф. В. Гречникова,

В. И. Ершова, А. А. Ильюшина, В. Л. Колмогорова, В. Д. Кухарь,

А. Д. Матвеева, А. Ш. Мурасова, И. А. Норицына, А. Г. Овчинникова,

Е. А. Попова, В. П. Романовского, Г. А. Смирнова-Аляева, М. В. Сторожева,

Ю. А. Титова, В. В. Шевелева, Л. Ф. Шофмана, С. П. Яковлева,

Д. А. Вайнтрауб, Б. П. Звороно, X. Свифт, З. Марчиньяк и многих других,

внесших значительный вклад в разработку теоретических и практических

вопросов при изготовлении коробчатых деталей в плане вытяжными

операциями.

Несмотря на предпринимаемые большие усилия и быстрый прогресс в

развитии теории пластичности, многие важные задачи остаются

неразрешенными и имеют совсем мало примеров точного их решения в рамках

теоретического анализа относительно вытяжки, совмещенной с отбортовкой.

5

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ

ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ КОРОБЧАТОЙ ФОРМЫ ИЗ ЛИСТОВОГО МЕТАЛЛА

1.1. Сортамент коробчатых деталей. Область применения

Развитие машиностроения неразрывно связано с применением

прогрессивных методов изготовления деталей методом обработки металлов

давлением, к которым предъявляются высокие требования по качеству,

точности геометрических размеров, чистоте поверхности, что обосновано не

только совершенствованием уже существующих, но и развитием новых

способов штамповки, в том числе и совмещенного способа вытяжки-

отбортовки.

В настоящее время процессы интенсивного деформирования в листовой

штамповке и, в частности, при получении коробчатых деталей квадратной

формы с отверстием в донной части находят широкое применение в

автомобильной промышленности и в машиностроении (рис. 1.1).

В автомобилестроении такими деталями являются светоотражатели фар,

фитинговые элементы кузова, а в складском хозяйстве – коробчатые прокладки

под стяжные болты, основания распорок и многие другие.

Рис. 1.1. Геометрические параметры квадратной коробчатой детали с фланцем

и отверстием в донной части 

6

Технологические процессы изготовления таких деталей в настоящее

время характеризуются тем, что после вытяжки осуществляется пробивка

отверстия в плоскости дна, затем производится отбортовка, что

сопровождается большим отходом металла. Высокие детали требуют два и

более перехода вытяжки, кроме этого, технологии изготовления деталей с

фигурным дном характеризуются применением реверсивной вытяжки с

пробивкой отверстия и отбортовкой.

Анализ обширной номенклатуры деталей коробчатой формы позволил

выделить группу типовых деталей в соответствии с их конструктивно-

технологическими особенностями с целью структурирования всего

разнообразия, основными признаками, которых являются: форма боковой

поверхности детали, форма дна и наличие отверстия в плоскости, радиус

перехода боковых стенок (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Типовые детали коробчатой формы

7

Рассмотренной номенклатуре принадлежат как освоенные в

промышленности формы деталей, так и перспективные, находящиеся в стадии

разработки и исследования. Изготовление некоторых деталей рассматривается

в данной работе. Формообразование деталей этой группы протекает по одной и

той же схеме деформирования. Основной недостаток таких технологических

процессов – низкий коэффициент использования металла (КИМ), так как отход,

полученный после пробивки на производстве, в основном не используется.

Поэтому важнейшая проблема кузнечно-штамповочного производства –

изыскание новых эффективных методов формообразования коробчатых

деталей, обеспечивающих максимальное снижение расхода материала.

Анализ действующих технологических процессов показал, что имеются

резервы повышения КИМ, следовательно, снижения себестоимости

штампованных деталей.

1.2. Использование вытяжки и отбортовки

при изготовлении различных заготовок

В соответствии с выбранными направлениями исследований в работе

анализировалась научно-техническая литература, проводился патентный поиск

по совершенствованию раскроя листового металлопроката для деталей

коробчатой формы, а также по оптимизации формообразующих операций при

штамповке коробчатых деталей с отверстием в донной части.

В последние годы проведено много исследований и создано изобретений,

направленных на повышение эффективности вытяжки и экономию металла за

счет получения рациональных форм заготовок и раскроя проката. В качестве

альтернативных известны следующие способы изготовления.

В патенте США [55] предлагается форма заготовки, обеспечивающая

минимальную высоту фестонов после вытяжки за одну, две и три операции;

8

заготовка имеет форму круга с радиусом R, у которого срезаны четыре взаимно

перпендикулярные сегмента под углом 45° к направлению проката.

Для вытяжки деталей типа коробки предложена заготовка, имеющая

форму квадрата со срезанными углами. Срезы выполнены по дуге окружности,

проведенной из геометрического центра заготовки диаметром, равным 1,02 –

1,2 стороны квадрата [16].

Также используют восьмигранную заготовку, вырубаемую из полосы,

толщина которой равна расстоянию между противоположными гранями

восьмигранника [8]. Благодаря этому экономия металла составляет 10-13% по

сравнению с исполнением круглой заготовки, вырубаемой из полосы или листа.

В исследованиях, проведенных в Тульском политехническом институте,

предложена заготовка для вытяжки деталей из анизотропного материала,

отличающая тем, что контур ее периодически изменяется в окружном

направлении по косинусоидальному закону [42].

В Польше разработан способ вытяжки деталей из квадратных заготовок,

прижимаемых к матрице с различными усилиями. Для осуществления этого

способа разработан штамп с сегментным прижимом. При вытяжке квадратной

заготовки со стороной, равной размеру круглой заготовки, получают изделие,

высота которого больше на 31,4% по сравнению с высотой изделия,

полученного из круглой заготовки. В изделиях, полученных из квадратных

заготовок, утонение стенки изделия происходит по всей ее длине, а в изделиях,

полученных из круглых заготовок, на части стенки и на дне. Но в первом

случае утонение составляет 6,5%, а во втором 22% [39].

В работе [10] предложен способ изготовления деталей из заготовки

прямоугольной или шестиугольной формы путем вытяжки и последующей

торцевой осадки. Для повышения качества вытяжку осуществляют при

обеспечении неравномерного утонения боковой стенки изделия и вытяжном

зазоре, величину которого принимают прямо пропорционально ширине

противолежащего участка фланца заготовки.

9

В соответствии с Польским патентом [56] квадратную или многогранную

заготовку вырубают из листа в таком направлении, чтобы края заготовки были

параллельны или перпендикулярны направлению образования фестонов при

вытяжке круглой заготовки.

При вытяжке деталей коробчатой формы из таких заготовок условия

деформирования могут ухудшаться, кроме того, как правило, увеличиваются

затраты на инструмент, стойкость его снижается. Это влечет за собой

повышение расхода металла и повышение трудоемкости изготовления.

Анализ номенклатуры деталей промышленных предприятий

автомобильной отрасли (листоштамповочное производство) позволил сделать

вывод о возможности разработки мероприятий ресурсосбережения при

формообразовании деталей коробчатой формы с отверстием в донной части с

целью повышения КИМ.

1.3. Анализ существующих способов, направленных на экономию металла

при изготовлении деталей коробчатой формы

с отверстием в донной части

Анализируя основные особенности существующих способов получения

коробчатых изделий в плане квадратных небольшой высоты с отверстием в

донной части, установлены пути совершенствования процессов за счет

перераспределения деформаций с помощью зажимов донной или боковой части

коробки и применения профильных пуансонов (комбинированные способы).

Рассмотрены известные способы, направленные на экономию металла при

изготовлении деталей коробчатой формы с отверстием в донной части.

Изобретение [8], может быть использовано при штамповке деталей

коробчатой формы из тонколистового материала за счет увеличения степени

вытяжки.

10

В изобретении [64] рекомендуется способ штамповки полых изделий с

отверстием в донной части.

В изобретении [9] рассмотрен способ изготовления изделий с отверстием

в донной части, включающий вырезку плоской заготовки с отверстием,

размеры которого меньше размеров отверстия в донной части готового изделия,

и последующую ее вытяжку-отбортовку. Этот способ отбортовки можно

осуществить в крупносерийном и массовом производстве, т. к. штамповая

оснастка для его реализации значительно проще по конструкции, чем для ранее

рассмотренных способов. Значительного расширения возможностей отбортовки

можно достичь, уменьшая величину растягивающих тангенциальных

напряжений и создавая сжимающие радиальные напряжения. При отбортовке

в зоне деформации создается благоприятная схема напряженно-

деформированного состояния, которая позволяет повысить величину предельно

допустимого коэффициента отбортовки за один переход и удается уменьшить

число штамповочных переходов, что увеличивает высоту и повышает точность

формы.

В работе [20] сделан анализ применения принципа совмещения при

осуществлении отбортовки. При этом предельные возможности

формообразования существенно повышаются.

Способ изготовления полых изделий с отверстием, предложенный в

изобретении [64], позволяет интенсифицировать процесс формообразования.

Предлагаемый способ обеспечивает увеличение высоты изделий путем

исключения отрыва донной части.

Анализ существующих способов, направленных на экономию металла при

изготовлении деталей коробчатой формы с отверстием в донной части,

показал, что используемые в современном производстве способы

формообразования не в полной мере используют возможность расширения

зоны деформирования при совмещении отбортовки с вытяжкой, что не

11

позволяет рационально использовать металл и приводит к погрешностям

формы заготовки и расположения поверхностей изделия.

В существующей на сегодняшний день литературе информация

представляет научный интерес, однако использование в практических задачах

по разработке технологий недостаточны для разработки рекомендаций по

выбору оптимальной геометрии заготовки, рациональных технологических

схем и режимов деформирования при совмещенном процессе вытяжки-

отбортовки.

Поэтому детали коробчатой формы в плане квадратные небольшой высоты

с отверстием в донной части целесообразно изготавливать совмещенной

вытяжкой-отбортовкой из плоской заготовки с предварительно пробитым

отверстием, размеры которого значительно меньше размеров отверстия в дне

готовой детали. Освоение предлагаемого рационального способа штамповки в

листоштамповочном производстве применительно к изготовлению

рассматриваемых деталей может обеспечить:

- уменьшение размера заготовки;

- уменьшение расхода материала на 5–15%;

- уменьшение числа штамповочных переходов;

- повышение коэффициента использования металла;

- повышение качества выпускаемых изделий и производительности труда.

1.4. Подходы к определению рациональных параметрических

характеристик процесса вытяжки-отбортовки

В ходе работы, анализируя техническую литературу, основное

внимание уделялось влиянию условий штамповки на допустимое

формоизменение листового проката: вида напряженно-деформированного

состояния, определяемого числом переходов, конфигурацией заготовки,

точностью фиксации заготовки в штампе, смазочным материалом и способом

12

нагружения; конструкции детали, ее технологичности и относительных

размеров; конструктивным особенностям штампов и оборудования для

реализации процесса, их наладки, организации труда и других.

Вытяжка коробчатых деталей встречает известные затруднения, связанные с

неравномерностью деформации вдоль периметра изделия, что вызывает

необходимость прибегать к довольно сложным формам полуфабрикатов на

промежуточных вытяжных переходах. Большинство работ, связанных с

исследованиями процессов анизотропных листовых материалов и описанных в

технической литературе, направлено на повышение качества изделия.

Так в Тульском политехническом институте предложен способ получения

квадратных и прямоугольных в плане коробчатых изделий [69]. При этом

заготовку деформируют в процессе перемещения пуансона поэтапно под

действием вытяжного пуансона. Плоская листовая заготовка формуется в

круговой конус при вытяжке квадратной в плане коробки или в овальный конус

при вытяжке прямоугольной коробки. Далее деформируются угловые участки

полуфабриката. Деформирование развивается от углов в стороны и затем

охватывает весь периметр изделия. Процесс вытяжки несколько растягивается

во времени, и усилие вытяжки снижается на 15–20% по сравнению с

традиционной вытяжкой при той же работе деформирования.

На рисунке 1.2 показаны стадии деформирования заготовки при вытяжке

квадратной в плане коробки с размерами 25×25 мм; высотой 40 мм из марки

стали 10 кп и толщиной 1 мм. Размер заготовки 65 мм. Вытяжка по

предложенной схеме производится на матрицах, калибрующий поясок которых

образован пересечением заходной конической поверхности матрицы (конус

может быть круговым или овальным в зависимости от формы коробки в плане)

с поверхностью, определяющей контур изделия в плане.

13

Рис. 1.2. Стадии деформирования заготовки в процессе вытяжки коробчатых деталей

Следует отметить, что вследствие опережающего деформирования в

углах контура материал заготовки в процессе вытяжки может интенсивно

перераспределяться из угловых участков в прямые стороны контура. Последнее

приводит к тому, что изделие получается большей высоты с меньшими

угловыми фестонами, чем при традиционной вытяжке (рис. 1.3).

Рис 1.3. Коробки, полученные вытяжкой: а – по обычной схеме; б – по новой схеме

На рисунке 1.4 показан типовой штамп для вытяжки квадратной в плане

коробки. В верхней матрице 1 вытягивается полуфабрикат из листа пуансоном

2, в нижней матрице 3, устанавливаемой по необходимости, получается

утонение стенки готового изделия.

Рис.1.4. Типовой штамп для вытяжки коробок по новой схеме

а) б)

14

Вытяжка коробок без фланца из плоской заготовки за одну операцию

может быть осуществлена как без прижима, так и с прижимом заготовки по

всему контуру. Необходимость применения прижима заготовки определяется

параметрами вытяжки угловых участков коробки (соотношением размеров,

наличием предварительной деформации и т. п.).

Предельное значение коэффициента вытяжки без прижима

характеризуется известным в теории холодной штамповки условием для

осесимметричных деталей, которое можно здесь рассматривать лишь с

некоторым допущением:

)1(5,4100 10 K

A

S

заг

, (1.1)

где Sо – толщина заготовки; Aзаг – размер заготовки; К1 – коэффициент первой

вытяжки.

Но в некоторых случаях прижим прямых сторон в процессе вытяжки

недопустим по разным причинам, например:

1) из-за наличия предварительно отогнутых внутрь кромок (как в данном

случае);

2) из-за наличия ранее полученных формовок, уступов и других

элементов в прямых стенках.

В таких случаях плоский прижим только в угловых участках

неэффективен, поскольку приводит к браку в местах перехода от углов к

прямым стенкам (выворачивание с последующим гофрообразованием и

протяжкой складок). Во избежание подобного брака весьма эффективной

является вытяжка коробки с прижимом.

Авторы допускают, что особенностью вытяжки коробок в данном случае

является зависимость угла конуса матрицы α от соотношения геометрических

параметров угла коробки, т. е.

),,,,(0

ny A

SКrrF d , (1.2)

где ry и rд – угловой и донный радиусы закруглений коробки; К – коэффициент

15

вытяжки; S0 – относительная толщина заготовки; εn – степень предварительной

деформации заготовки, поскольку плоской заготовкой может быть фланец уже

вытянутого изделия.

Угол α определяет критическую степень деформации (в данном случае

максимально возможную вытяжку без прижима углов), т. е. при угле α < αкрит

произойдет образование складок, что нарушает точность формы изделия.

На основании этих условий авторами была обозначена задача, которая

сводится к определению критического угла матрицы, определяющего

возможность вытяжки углов без прижима, с последующим прижимом угловых

участков, как показано на рис.1.5. Если же αкрит матрицы не обеспечивает

нужного качества переходных участков от угла к прямым стенкам, то угол

матрицы следует взять меньше αкрит.

Рис. 1.5. Схема построения профиля рабочих частей штампа для вытяжки

коробчатой детали на угловых участках

Рис. 1.6. Этапы деформирования прямых сторон Iа, Iв, Iс)

и угловых участков (IIа, IIв, IIс) при вытяжке коробчатой детали

16

Этого можно достичь с помощью опережающего поворота прямых сторон

по сравнению с угловыми участками. Последовательные этапы

деформирования прямых сторон (Ia, Iв, Ic) и угловых участков (IIа, IIв, IIс)

показаны на рис. 1.6, угловые участки заготовки вытягиваются без прижима до

угла α2 заходной части матрицы. Угол α2 в данном случае является предельным

(но меньше αкpum), так как дальнейшая вытяжка будет сопровождаться

появлением гофр. Поэтому с этого момента в работу вступает прижим, при

котором и осуществляется дальнейшая вытяжка (IIв, IIс). Известно, что

причиной гофрообразования при вытяжке является потеря устойчивости

заготовки под действием тангенциальных сжимающих напряжений σt, действие

которых показано на рис. 1.7, что соответствует моменту Iв и IIв на рис. 1.6,

когда в работу вступает прижим.

Поскольку задача состоит в том, чтобы обеспечить максимально

возможную степень деформации (вытяжки) углов без прижима, то необходимо

уменьшить величину αkpum матрицы (соответственно и прижима).

Рис. 1.7. Вид на угол коробки в момент вытяжки (IIв)

В работах [70; 71; 72] проведены исследования формоизменения

заготовок польским ученым Марчиньяком З., в работах [43; 4] Матвеев Г. А.,

развивая теоретические исследования [60-63; 66] Попова Е. А., исследует

совмещение операций вытяжки и отбортовки по схеме напряженно-

деформированного состояния. В трудах этих ученых разработаны и

усовершенствованы методы анализа процессов пластического

17

формоизменения, даны примеры их применения к анализу процессов обработки

металлов давлением.

По мнению авторов, справочные данные при проектировании процессов

штамповки коробчатых деталей на основе вытяжки-отбортовки А. Д. Матвеева,

В. П. Романовского, Г. Д. Скворцова по предельному коэффициенту

отбортовки (Котб) использовать не представляется возможным, т. к. они

получены при исследованиях процесса отбортовки до получения полного

борта, без учета зависимости Котб от предварительно пробиваемого диаметра

отверстия.

В технической литературе отсутствуют данные по Котб для значений

относительной толщины материала заготовки меньше 0,01, наиболее

характерных для коробчатых деталей с относительно большим отверстием на дне.

Течение металла при вытяжке-отбортовке коробчатых деталей

существенно зависит от конструкции детали и условий реализации процесса.

Для деталей коробчатой формы заранее прогнозировать преимущественное

течение металла (из донной или фланцевой части заготовки) достаточно

затруднительно, поэтому возникает необходимость моделирования данного

процесса с целью задания режимов его осуществления.

Осуществление неполной отбортовки в совмещенной или отдельной

операции исследовалось в работах [5; 6; 7; 30; 31], а также в работе Скворцова Н. В.

[75] представлены результаты экспериментальных исследований штамповки

деталей, включающих вытяжку с использованием отбортовки с целью

уменьшения числа переходов.

Анализ экспериментальных исследований показал, что диаметр отверстия

в вытягиваемой детали в процессе формообразования изменяется

пропорционально диаметру предварительно выполняемого отверстия,

параметру и глубине вытяжки, но обратно пропорционально диаметру

соответствующего перехода.

18

Операция отбортовки имеет значительное распространение в листовой

штамповке. Сущность этой операции состоит в том, что участки заготовки,

ближайшие к кромке отверстия, отгибаются с одновременным увеличением

диаметра отверстия.

Высота получаемого таким путем борта зависит от возможного (без

разрушения заготовки) увеличения диаметра отверстия, обычно оцениваемого

коэффициентом отбортовки Котб:

0отб

изд

dK = .

d

(1.3)

Рекомендуемые в технической литературе значения коэффициента

отбортовки колеблются в зависимости от вида материала в пределах от 0,65 до

0,9. Для уточнения значений допустимой величины коэффициента отбортовки

и выяснения условий, при которых возможно вести процесс отбортовки с

меньшими значениями этого коэффициента, проведено исследование

Е. А. Поповым [60 – 63].

Предельный коэффициент отбортовки определялся путем постепенного

увеличения размера матрицы и пуансона при неизменном диаметре пробитого

отверстия. Предельным коэффициентом считали ту величину его, при которой

в отдельных заготовках образовывались небольшие трещины по краю борта.

Опытами установили влияние толщины материала и диаметра исходного

отверстия на предельный коэффициент отбортовки. Для этого были сделаны

заготовки с просверленными и затем зачищенными наждачной бумагой

отверстиями (S0 = 0,7– 3мм; стали 08кп) и полученные пробивкой в штампе без

последующей зачистки.

В условиях опыта предельный коэффициент отбортовки является не

постоянной величиной для данных механических свойств и марки металла, а в

значительной степени зависит от отношения толщины заготовки к диаметру

отверстия. С увеличением относительной толщины предельный коэффициент

отбортовки уменьшается.

19

Установлено, что предельный коэффициент отбортовки для заготовок с

отверстиями, полученными сверлением с последующей зачисткой наждачной

бумагой, меньше. Эксперименты свидетельствуют о том, что состояние кромки

отверстия оказывает влияние на предельный коэффициент отбортовки, хотя

разница в предельных коэффициентах для заготовок с пробитыми отверстиями

и отверстиями, полученными сверлением, меньше. Величина радиуса

скругления рабочего торца пуансона оказывает влияние также и на

конфигурацию борта, получающегося при наличии между пуансоном и

матрицей зазора, превышающего толщину исходной заготовки. При отбортовке

квадратным пуансоном края заготовки, скользя по радиусу скругления

пуансона в конце процесса отбортовки, отгибают уже оформленную часть

борта, образуя кольцевой поясок. Проведя теоретический анализ процесса

отбортовки, установлено: минимальную конечную толщину заготовки по краю

борта ( 1S ) можно с достаточной точностью определять по следующей формуле:

изг

oo d

dSS 1

. (1.4)

Листовой материал, подвергаемый штамповке, как правило, обладает

анизотропией механических свойств. Различие свойств в разных направлениях,

принято характеризовать коэффициентом анизотропии, представляющим собой

(по Ланкфорду) отношение логарифмических деформаций по ширине и

толщине плоского образца при растяжении.

При выполнении проектных технологических расчетов «задаться»

показателем анизотропии нельзя, так как эти показатели являются физической

величиной, выявляемой лишь при испытании той или иной конкретной заготовки.

Они обычно имеют разную величину, даже в пределах одной партии металла той

же марки.

При вытяжке коробчатых деталей из круглых заготовок, особенно в

штампах без прижима, по краю изделий образуются так называемые

«фестоны». Выступающая часть фестонов у стальных заготовок всегда

20

расположена по направлению прокатки и перпендикулярно к ней. Под углом

45° к направлению прокатки расположены впадины. Фестоны являются

результатом неравномерности деформации вследствие анизотропии исходной

заготовки.

Таким образом, анизотропия механических свойств оказывает влияние на

предельные возможности формоизменения.

Ранее отмечалось, что данные, приведенные в работах А. Ю. Аверкиева,

Ю. Н. Берлета, Г А. Матвеева, З. Марчиньяка, Е. И. Попова, по предельному

деформированию, получены для сравнительно узкого диапазона толщин;

ограниченного числа материалов; не учитывалось влияние величины диаметра

предварительно пробиваемого отверстия в заготовке; отсутствуют данные о

наиболее используемых в машиностроении сталей 08кп, 08Ю, 08пс при

изготовлении рассматриваемых деталей в автомобильной промышленности.

Кроме того, данные исследований относятся к полной отбортовке.

В настоящее время основным способом проектирования технологических

процессов при получении деталей вытяжными операциями является

использование справочных материалов, опыта технолога, отладки по методу

проб и ошибок. Такой подход нельзя признать эффективным, поскольку он

требует затрат времени и средств на разработку и отладку технологического

процесса, не позволяет дать научно-обоснованную оценку реальных

возможностей по экономии металла и оптимизации процесса в целом.

Таким образом, накопленных данных для реального проектирования

технологических процессов штамповки коробчатых деталей с отверстием в

донной части за счет формообразования вытяжкой-отбортовкой недостаточно.

Для получения деталей коробчатой формы с целью повышения КИМ

процесс отбортовки следует вести с Котб, близким к предельному, независимо от

того, какие размеры борта имеет конечная деталь.

В данной работе рассматривали процесс вытяжки с неполной отбортовкой,

так как считать вытяжку с полной отбортовкой с гарантированными размерами

фланца практически невозможно.

21

В ходе работы при анализе известных методов изготовления деталей

коробчатой формы с отверстием в донной части совмещенной вытяжкой и

отбортовкой показало, что технологические возможности данных методов

ограничены как с точки зрения предельных размерных соотношений, так и

энергосиловых характеристик процесса формообразования.

Из-за отсутствия рекомендаций по практической реализации этих

способов, оптимальных параметров для их осуществления,

недостаточной изученности характера формоизменения заготовки в

зависимости от условий осуществления процесса, с целью оценки влияния

основных технологических параметров на напряженно-деформированное

состояние заготовки с отверстием, силовые режимы и предельные

возможности, была разработана методика технологических расчетов

штамповки и получена комплексная математическая модель совмещенного

процесса вытяжки и отбортовки с учетом линейного закона упрочнения

материала заготовки.

В методике даются рекомендации по расчету энергосиловых параметров

процесса, анализу штампуемых материалов заготовки, по конструкции и

материалам инструмента для вытяжки-отбортовки.

В работах других авторов не установлены границы применимости

формообразования процесса.

Отсутствует научно-обоснованная методика проектирования технологи-

ческого процесса, обеспечивающая при изготовлении сокращение расхода

штампуемого металла.

Авторами выявлены закономерности изменения кинематики течения

материала, неучтенные особенности механизма процесса вытяжки-отбортовки,

что расширяет диапазон применения предлагаемого способа при изготовлении

рассматриваемых деталей.

Показано возрастание роли безотходных технологий в машиностроении и

возможности их использования.

22

ГЛАВА 2. МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА СОВМЕЩЕННОЙ ВЫТЯЖКИ-ОТБОРТОВКИ

ДЕТАЛЕЙ КОРОБЧАТОЙ ФОРМЫ В ПЛАНЕ КВАДРАТНОЙ С ОТВЕРСТИЕМ В ДОННОЙ ЧАСТИ

2.1. Исходные данные и принятые допущения

Для разработки комплексной математической модели приняты

обоснованно допущения и условия рассмотрения процесса:

1) боковые участки фланцевой или донной части заготовки не оказывают

существенного влияния на деформирование зон заготовки;

2) материал заготовки считается несжимаемым, упрочняющимся по линейному

закону;

3) нормальные к поверхности фланца или дна заготовки напряжения

незначительны в сравнении с напряжениями, расположенными в плоскости

листа;

4) схемы напряженного и деформированного состояний на плоских участках

заготовки совпадают (идентичность факторов Лоде);

5) интенсивность деформаций угловых зон фланца или донной части заготовки

изменяются линейно по радиусу;

6) трение на скругленных участках инструмента учитывается по закону Эйлера,

а на плоских участках – по закону Амонтона-Кулона.

Важной особенностью рассматриваемого условия осуществления

процесса наличия неполной отбортовки, при которых достигается требуемая

форма детали.

Деформирование донной и фланцевой частей заготовки проводили в

моменты достижения максимальных значений напряжений, которые

характеризуют течение металла и величину деформации.

23

2.2. Математическая модель процесса деформирования

донной части заготовки

Учитывая первое допущение, можно рассматривать раздельно

деформирование угловых и боковых участков заготовки. При этом

деформирование угловой зоны фланца рассматривали как деформирование

кольца равномерно распределенной стягивающей силой, приложенной к

внутреннему контуру, а деформирование углового участка дна заготовки – как

деформирование кольца растягивающей равномерно распределенной силой по

внешнему контуру. В том и другом случае можно использовать уравнение

равновесия осесимметричной оболочки постоянной толщины с учетом

действия сил трения [61; 78; 85]:

0sin

RR

f, (2.1)

где – текущая координата; , – радиальное и окружное напряжение

соответственно; f – коэффициент трения; – угол между касательной в

меридиональном направлении и осью симметрии оболочки; R, R – радиусы

кривизны рассматриваемого элемента оболочки в меридиональном и окружном

направлении соответственно.

Для плоских участков заготовки (фланцевой и донной части) R = ,

R = , τθ =0 , где τθ – касательные напряжения, действующее на площадках,

перпендикулярных к широтному и меридиональному направлениям, уравнение

равновесия (2.1) приобретает следующий вид:

0

d

d . (2.2)

Дальнейшее рассмотрение проводим в два этапа, относящиеся к

деформированию дна с отверстием и фланца заготовки соответственно. При

деформировании дна заготовки параметры r0 и b0 являются «плавающими»

24

(в начальный момент их значения равны r0Т и b00, а в конечный момент – r0 и b0

соответственно, согласно рис. 1.1). Угловые участки донной части заготовки

растягиваются, а боковые участки подвержены перетяжке. В начальной стадии

деформирования угол между наклонным участком заготовки и плоскостью ее

донной части (рис. 2.1) является зависимым от времени или текущей глубины

вытяжки:

сбсб l

tvarctg

l

h(t)arctg(t) , (2.3)

где h(t) – текущая глубина вытяжки; v – скорость движения пуансона; t – время;

lсб – участок сбега заготовки.

Рис. 2.1. Схема приложения сил при перетяжке заготовки через ребро инструмента: rи = rм для матрицы; rи = rп для пуансона; R = rи + s

В частности, для сечения, показанного на рис. 1.1, lсб = bф – bд.

Условие пластичности для углового участка

σθ = σЅ , (2.4)

где Тv, λ – параметры кривой упрочнения исходной заготовки; ie –

интенсивность логарифмических деформаций.

Граничные условия для произвольной стадии деформирования

= rо; 0 . (2.5)

Для решения задачи, определяемой соотношениями (2.2) – (2.4), необходимо

определить интенсивность деформаций в формуле (2.4). Учитывая о

несжимаемости материала, а также допущения 3 и 4, можно записать:

R

rи

S

N

N

25

0 neee , n

n

ee

ee

, (2.6)

где е, е, еn – логарифмические деформации в радиальном, окружном и

нормальном к плоскости дна заготовки направлениях.

Интенсивность деформаций дается формулой

222 )()()(3

2nni eeeeeee ,

которая после преобразований с учетом соотношений (2.6), приобретает вид

eei

2

3

3

2 2

. (2.7)

Окружная логарифмическая деформация в текущий момент времени

задается соотношением:

'0ln

rei ,

причем максимальное значение этой деформации достигается при = r0, когда

= 0. С учетом пятого допущения формула (2.7) преобразуется к виду:

д

д

отi rr

r

r

re

'0

'0ln

, (2.8)

где r0 – текущее значение радиуса сопряжения боковых контурных линий

отверстия; rот – радиус сопряжения боковых образующих отверстия в исходной

заготовке; rд – радиус скругления пуансона (рис.1.1).

Решение уравнений (2.2), (2.4) и (2.8) с нулевым граничным условием на

кромке отверстия приводит к следующему результату:

)(ln 0'0

rEr

Dд

, (2.9)

где д – радиальное напряжение в угловой части дна заготовки; D, Е –

размерные коэффициенты, которые определяются зависимостями:

отд

дT r

r

rr

rD

'0

'0

0 ln

,

отд r

r

rrE

'0

'0

ln .

26

Следует отметить, что в формуле (2.9) значение r0 является текущим; оно

может быть связано с приращением глубины вытяжки dhд

tvdrdhд '0 , (2.10)

где v – скорость движения пуансона; dt – приращение времени.

Вычисление силы, передаваемой в наклонный угловой участок заготовки

(рис. 2.1; rи = rп), связано с учетом изгиба и последующего разгиба заготовки, а

также силы трения. Первоначально найдем методом баланса работ силу,

связанную с изгибом и разгибом заготовки без учета сил трения. Приращение

работы внешних сил, приходящееся на полосу заготовки единичной ширины,

определяется

dhPdA дex , (2.11)

где Рд – погонная сила.

Приращение работы внутренних сил найдено формулой

dhsedA iiin 0 , (2.12)

где i – интенсивность напряжений; s0 – толщина исходной заготовки.

Приравнивая правые части соотношений (2.11) и (2.12), получили

значение напряжения, связанного с изгибом и разгибом заготовки:

iiдд

ри es

Р

0

. (2.13)

Возьмем интенсивности напряжений и деформаций с некоторым

превышением: интенсивность напряжений равной пределу текучести, а

интенсивность деформаций – равной половине логарифмической деформации

наиболее деформированного волокна с целью усреднения деформации по очагу

деформации. Однако наличие изгиба и разгиба требуют удвоения результата,

так что в конечном итоге из формулы (2.13) получаем:

2/ln

2/ln

0

0

0

00 sr

sr

sr

sr

n

n

n

пТ

дри , (2.14)

где rп – радиус скругления пуансона.

27

Напряжение, передаваемое наклонному участку заготовки в угловой зоне,

теперь может быть представлено в следующей форме:

fдри

дд е)( , (2.15)

где напряжения в правой части формулы (2.15) определяются соотношениями

(2.9) и (2.14) соответственно; f – коэффициент трения; – угол между

наклонным участком заготовки в угловой зоне и плоскостью дна профиля,

определяемый формулой (2.3) при значении глубины вытяжки за счет донной

части заготовки hд = vt.

Зависимость (2.15) можно использовать для определения предельных

возможностей процесса по критерию предельных напряжений, передаваемых

от донной части заготовки наклонному участку угловой зоны. Отнеся

напряжение в левой части зависимости (2.15) к пределу текучести и считая

= r0, получим зависимость относительного радиального напряжения от

коэффициента отбортовки (Котб = rд /r0) для различных значений толщины

заготовки (sо). Что касается влияния боковых участков, то они не оказывают

существенного влияния на предельные возможности формообразования,

поскольку для них характерна лишь перетяжка заготовки, при которой

напряжение, передаваемое наклонному участку, не превышает 10 – 15% от

предела текучести материала заготовки. Отметим, что упрочнение оказывает

существенное влияние на предельные возможности процесса

формообразования детали. Расчет по формуле (2.15) при = 0 показывает, что

предельные коэффициенты отбортовки для толщин заготовок, указанных на

рис. 2.2, составляют 1,65; 1,76; 1,88; 2,06 (соответственно для s0 = 1; 2; 3; 4 мм).

Это в среднем на 8 –15% выше предельных значений Котб, получаемых с учетом

упрочнения (рис. 2.2).

Полная сила на пуансоне при преимущественной отбортовке за счет

деформирования донной части вычисляется по формуле

00 )4(22 srbcsrР дридддд

дд , (2.16)

28

где сд, bд – линейные размеры донной части изготавливаемой детали.

Рис. 2.2. Технологически допустимые области при преимущественной отбортовке:

1 – 4 – s0 = 1; 2; 3; 4 мм соответственно

Формула (2.16) справедлива для произвольной стадии деформирования,

однако очевидно, что максимальная сила сопротивления пластической

деформации будет иметь место на начальной стадии деформирования донной

части заготовки. В том случае, когда соответствующие линии контуров донной

и фланцевой части заготовки не следуют правилу эквидистантности, второе

слагаемое в формуле (2.16) должно быть надлежащим образом

скорректировано: длина отрезка каждой контурной линии должна

факторизоваться с соответствующей экспонентой.

2.3. Математическая модель процесса деформирования

фланцевой части заготовки

Приступим к определению характеристик напряженно-деформированного

состояния во фланцевой части заготовки.

Напряжение, передаваемое наклонному участку заготовки в угловой зоне,

можно вычислить по формуле

fфрипр

ффу е)( , (2.17)

где ф – радиальное напряжение деформирования углового участка фланца;

29

пр – напряжение от действия прижима; и-рф – напряжение от изгиба-разгиба

заготовки на ребре матрицы.

Для вычисления радиального напряжения используем совместное

решение уравнения (2.2) с условием пластичности в следующем виде:

S . (2.18)

Граничное условие для данного случая имеет вид

= Rк , 0 , (2.19)

где Rк – текущее значение радиуса сопряжения радиусного участка фланца

заготовки с прямолинейными отрезками его контура.

Решение, полученное интегрированием уравнения (2.2) совместно с

условиями (2.18) и (2.19), представляется следующим выражением:

)(ln

к

к

ф RВR

А , (2.20)

где 0ln Тф

к

фк

ф

r

R

rR

rА

,

ф

к

фк r

R

rRВ ln

.

Напряжение от действия прижима пр в угловой зоне фланца вычисляется

на основе закона трения Амонтона-Кулона, причем трение учитывается на

обеих сторонах фланца:

0

22 )(

sr

rrRqf

ф

мфкфпр

, (2.21)

где q – удельная сила прижима; rф , rм – радиус сопряжения боковых стенок

матрицы в угловой зоне фланца и радиус скругления ребра матрицы

соответственно.

Напряжение от изгиба-разгиба заготовки на ребре матрицы может быть

вычислено по формуле, аналогичной формуле (2.14):

2/ln

2/ln

0

0

0

00 sr

sr

sr

sr

м

м

м

мТ

фри . (2.22)

30

Таким образом, формулы (2.20) – (2.22) полностью определяют

напряжение, передаваемое от фланца наклонному участку угловой зоны

заготовки.

Напряжения, передаваемые наклонным участкам боковых сторон

будущей детали, могут быть определены методом баланса работ [87] для

полосы единичной ширины (рис. 2.1; rи = rм):

inex dAdA , (2.23)

где dAex, dAin – приращение работы внешних и внутренних сил соответственно.

sin

dhPdA погex , (2.24)

где Рпог – погонная сила, действующая перпендикулярно боковому ребру

матрицы и лежащая в плоскости наклонного бокового участка заготовки; dh –

перемещение пуансона.

Приращение работы внутренних сил должно учитывать действие

прижима, изгиб и разгиб заготовки, а также силы трения на ребре скругления

матрицы, то есть

sin

)(2 0

0

dhse

s

rRqfedA fмк

риiiin

, (2.25)

где первое слагаемое в квадратных скобках учитывает изгиб и последующий

разгиб заготовки на ребре скругления матрицы аналогично формуле (2.14).

Подстановка формул (2.24) и (2.25) в соотношение (2.23) приводит после

несложных преобразований к следующему выражению для определения

искомого напряжения:

fмк

м

м

м

мT

погфб e

s

rRqf

sr

sr

sr

sr

s

Р

00

0

0

00

0

)(2

2/ln

2/ln . (2.26)

Зависимость (2.26) определяет значение последнего слагаемого в правой

части формулы (2.17), которую можно использовать не только для вычисления

необходимой силы деформирования заготовки, но и для определения

предельных возможностей процесса по критерию предельных напряжений,

передаваемых от фланцевой части заготовки наклонному участку угловой зоны.

31

Отнеся напряжение в левой части зависимости (2.17) к пределу текучести и

считая = (rф + rм), получим зависимость относительного радиального

напряжения от предельного коэффициента вытяжки заготовки из фланца

m = Rн/(rм + rф) для различных значений толщины заготовки (s0).

Как и в случае донной части, напряжение перетяжки боковых участков

заготовки (с учетом трения от действия прижима) составляет небольшую

величину (около 20%) от максимального напряжения в угловой зоне фланца и

фактически не влияет на предельные возможности процесса деформирования

(рис. 2.3).

Рис. 2.3. Технологически допустимые области при преимущественной вытяжке

угловой зоны из фланцевой части заготовки: 1 – 4 – s = 1; 2; 3; 4 мм соответственно

На рис. 2.3 указаны технологически допустимые области по предельным

коэффициентам вытяжки m для каждой толщины заготовки. При = 0

предельные коэффициенты вытяжки m на 5 – 10% выше тех же значений с

учетом упрочнения, указанных на рис. 2.3.

Полная сила, передаваемая наклонным участкам заготовки при

формообразовании фланца, с учетом зависимостей (2.17) – (2.25) определяется:

00 )4(22 srbcsrР фбфффф

фу

ф , (2.27)

где сф, bф – линейные размеры фланцевой части изготавливаемой детали.

Как и в случае донной части заготовки, когда сф – сд bф – bд, формулу

(2.27) надлежит корректировать, поскольку изменяется значение угла ,

32

входящего в экспоненту формулы (2.26). Зависимости (2.26) и (2.27) учитывают

трение между заготовкой и прижимом в случае, когда кромка заготовки

находится на одинаковом расстоянии от линии контура проема детали.

Для установления доминирующего вида деформирования при

изготовлении деталей коробчатой формы предложен показатель д ф .

При 1 наблюдается деформирование фланцевой части заготовки (вытяжки),

при 1 – деформирование донной части заготовки (отбортовки), рис. 2.4.

Рис. 2.4. Область протекания процесса вытяжки-отбортовки:

1- 4 - К отб = 1,2; 1,4; 1,6; 1,8

Упрочнение несущественно влияет на изменение деформирующей силы в

связи с последовательной деформацией различных участков заготовки,

соответствующих боковым сторонам детали. Влияние упрочнения более

заметно в угловых зонах, однако и оно не приводит хотя бы к стагнации

величины деформирующей силы.

На рис. 2.4 указаны области преимущественной вытяжки и отбортовки

для различных соотношений параметров заготовки.

Поэтому процесс формообразования следует делить на два этапа:

первоначально деформируется одна часть заготовки (например, дно), а затем –

другая (фланец) или наоборот.

При этом преимущественный ход желаемого процесса следует

обеспечивать путем выбора режимов его осуществления, применения

специальных схем формообразования или устройств фиксации определенных

33

участков заготовки для предотвращения их пластического деформирования.

Например, для фиксации донной части заготовки можно использовать контр-

прижим. Получена формула для определения усилия совмещенной вытяжки –

отбортовки

кпф РРРMaxР ,

sin

1 д

, (2.28)

где Р – сила, развиваемая на пуансоне; Ркп – необходимое значение силы контр-

прижима, обеспечивающее преимущественное деформирование фланца.

Указанное значение силы контр-прижима в формуле можно подсчитать

на основе сравнения напряжений, передаваемых наклонным участкам

изготавливаемой детали со стороны донной и фланцевой части заготовки.

Разбиение процесса формообразования деталей коробчатой формы

вытяжкой-отбортовкой вызывает необходимость формулировки условий

предельного деформирования на каждом из этапов, как это было сделано выше.

При этом желательно соблюдать принцип соответствия категории сложности

детали и используемого материала. Задача определения предельных параметров

вытяжки-отбортовки (как теоретически, так и экспериментально) может быть

существенно облегчена, поскольку для деталей типовых форм существуют

критерии предельного формообразования заготовки как для отбортовки, так и

для вытяжки [61, 72]. Параметры штампов для реализации вытяжки-

отбортовки, которые не определяются формой и размером изготавливаемой

детали, можно назначать в соответствии с рекомендациями работы [61].

В случае применения специальных материалов, особых схем формообразования

или же в случае изготовления нетиповых деталей для выявления параметров

штампов может потребоваться экспериментальное исследование процессов

вытяжки-отбортовки.

Таким образом, для двух последовательных этапов преимущественного

деформирования устанавливаются, по сути, два интегральных показателя

глубины вытяжки Hд и Hф, которые и определяют конечную глубину детали

при условии сохранения сплошности заготовки. Отметим, что при известной

34

скорости движения пуансона, его перемещение, может быть связано со

временем, как и геометрические параметры периферийных точек фланца и

отверстия, что позволяет рассматривать параметры напряженно-

деформированного состояния и силовые параметры как функции времени.

Однако это требует рассмотрения процессов деформации на основе

пластического течения, что существенно осложняет расчетные процедуры,

приводящие к численному интегрированию уравнений такой модели. Что

касается числа вытяжек и отбортовок, то процедура их назначения может быть

принята такой же, как и при раздельном осуществлении этих процессов.

Формулы (2.15) и (2.17) могут также использоваться при анализе

технологичности деталей. Очевидно, что, если не выполняется хотя бы одно из

условий

0Tд , 0T

фу , (2.29)

то изготовление соответствующей детали вытяжкой-отбортовкой невозможно

или же требует нескольких технологических переходов.

Условие (2.29) применимо лишь для первичного анализа технологичности.

В вынужденном случае (специфической конструкции, схемы формо-

образования, особого материала) следует прибегнуть к уточненным критериям

технологичности. Чтобы экономить металл, надо отбортовку проводить по

максимуму до момента разрушения кромки, в качестве критерия разрушения

можно взять критерий Колмогорова В. Л. [58]

10

c

i

t

d

, (2.30)

где c – предельная деформация разрушения при данной схеме напряженно-

деформированного состояния для рассматриваемого элемента; i

t

d0

–

накопленная деформация элемента в рассматриваемом процессе.

35

Для отбортовки отбо

нi

t

Kr

rd lnln

0

;

k

exrc

16,22 .. , (2.31)

где 3

k ; 222

2

1ркki ;

.. –деформация при линейном растяжении.

Кромка заготовки для изотропного металла деформируется при растяжении

в , 0 , тогда В

3

1 ;

Вi в 22

2

1 . (2.32)

Приравняв (2.31) и (2.32), получили .... 3

16,22

в

Вc exr ; (временное

сопротивление разрыва для 08кп = 0,37);

.....ln exrKK кротботб . (2.33)

Чтобы увеличить предотбК . , можно прижать кромку. Если на кромке вк ,

тогда ..2 с и 1,2. предотбК . Далее находим напряжение в стенке со

стороны отбортовки в зоне радиусов закругления кромки коробки. Найти

напряжение можно по-разному (в том числе для осесимметричной задачи) при

0 [78].

6.11242

10

0

0

0*max

Sr

S

Sr

S

R

r

nб

стs

(2.34)

0

0

* отвs T .O. i T .O.

r rПl П

r

; 00 57,0 Srrrr nотв (2.35)

Далее находим экстремум максимального напряжения при вытяжке

коробки exrвmax . Приравняв (2.34) и (2.35)

max0

00. 6,11

21 в

nб

отвотвqT Sr

S

R

rrrП

. (2.36)

С другой стороны, 0. rКr кротботв (ставим в (2.36))

от б .кр 0 0ТО от б .кр ρвm ax экст р .

б n 0

К × r Sσ +П К -1 1 - + 1 + 1 ,6μ = σ

R 2 r + S

36

Отсюда

1п6,1121

...

.max

0

0

. кротбOT

экстрв

nкротб

ботв КSr

S

К

Rr

,

0... rКr кротбТотв . Если детотв rr , тогда уменьшить .max экстрв , если это

возможно, в противном случае надо увеличить силу прижима. Или, если

возможно уменьшить r и увеличить . При этом необходимо, чтобы

вв max . Надо иметь в виду, что при отбортовке, как и при вытяжке, имеет

место экстремум .max экстрв . Проанализируем (2.34) и (2.35)

6,112

1п0

0

0

0max

Sr

S

R

r

r

rr

nб

отвотвТОотб .

Найдем экстремум

06,11ппп

6,112

1п 0

00

0

0

max

б

отвТО

nб

отв

отв

отб

R

r

r

r

Sr

S

R

r

rr (2.37)

1 01п2

1 ..0

0

0

OT

бnб

отв

б

отв

R

r

Sr

S

R

r

R

r ;

1

п215,0 ..0

0

0max

OT

бnотвотв R

r

Sr

SRr

.

Если maxотвдет rr , то процесс вытяжки-отбортовки устойчив, в

противном случае произойдет полная отбортовка.

Рассмотрен случай, когда фланец узкий, т. е. процесс достигает

экстремального значения .max экстрв

Если фланец широкий, т. е. процесс вытяжки не достигает

экстремального значения, решение упрощается.

1. Находим детr ;

2. Определяем по предотбК . ;

3. Определяем размеры заготовки с учетом того, что приблизительно часть

длины образующей дна кротб

детдетg К

rrl

.

пойдет на формирование стенки

коробки;

4. Находим со сторон отбортовки и вытяжки напряжения и их приравниваем

37

maxmax вотб . (2.38)

Из условия правой части находим либо относительно нее перемещение

фланца, либо глубину вытяжки и усилие прижима фланца, которое является

принципиальной величиной распределения течения металла

afрифafпрafрипрфвыт edS

P

dS

Pe

dS

Pe

dS

PPP

dS

Pвыт

00000 ;

afфри

фafпр eedS

Pвыт

0

; afфри

фотб

afпр eedS

P

0

;

afфри

фотб

afпр edSeP

0 . (2.39)

С широким фланцем при Dф >3 d; h >2 d необходимо вычленение

Pnp=q*Fnp, где q – давление прижима; Fnp – площадь прижима; удельное

усилие прижима q для стали 08кп составляет 2…2,5 МПа.

2.4. Выводы

1. Предложен и исследован новый процесс вытяжки-отбортовки.

2. Изучен механизм совмещенной вытяжки применительно к изготовлению

деталей коробчатой формы.

3. Разработана комплексная математическая модель вытяжки-отбортовки

коробчатых деталей в плане квадратных с отверстием в донной части из

материала с линейным законом упрочнения.

4. Получены теоретические зависимости основных технологических факторов

процесса вытяжки-отбортовки по критерию предельных напряжений, которые

позволяют оптимизировать технологический процесс.

5. На основе теоретических исследований получена формула для

определения усилия, развиваемого на пуансоне

кпфд РРРMaxР ,

sin

1

.

38

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Объекты, средства и условия проведения

экспериментальных исследований

Ряд экспериментальных исследований проводился в лабораторных

условиях кафедры «М и ОМД» УлГТУ, основная же часть – в научно-

исследовательской лаборатории «Листовая штамповка» ОАО «УАЗ». При

экспериментальном установлении области определения факторов, влияющих на

процессы вытяжки-отбортовки, выбраны следующие параметры: толщина

заготовки (S0); размер заготовки (Азаг); радиусы закругления кромок пуансона и

матрицы (rп и rм); глубина вытяжки (Н); усилие прижима (Рпр); размер пуансона

(ап); усилие вытяжки (Рвыт), ΔS – относительное утонение стенки в опасном

сечении детали; Ф – фестонообразование; ΔА’ – относительное изменение

размера фланца с целью изыскания возможностей уменьшить размер исходной

заготовки и установления соответствующих условий вытяжки-отбортовки.

Процесс осуществляли на машине для испытаний листового материала МТЛ-

10Г-1 (представляет собой гидравлический пресс), на прессе Ерфурт PKZZ (I)

800/3150 в экспериментальном штампе (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Расположения рабочих деталей штампа совмещенного процесса

вытяжки-отбортовки

39

Для реализации процесса вытяжки была спроектирована и изготовлена

экспериментальная оснастка трех типоразмеров, сменные части которых

(матрицы, пуансоны, центрирующие кольца) позволили изменять параметры

процессов в достаточно широком диапазоне (приложение 1).

Изменение зазора между пуансоном и матрицей при вытяжке заготовок

различной толщины производили соответствующим изменением размера

кромок закругления матриц и пуансонов. Радиусы кромок матриц и пуансонов

составляли 3, 5, 7 мм. Для исследований использовали листовой материал из

наиболее распространенных высокопластичных марок сталей 08 кп, 08 пс, 08ю

разной толщины S0 = 0,5 – 1,2, мм используемых при изготовлении деталей в

автомобильной промышленности; заготовки использовали круглой и

прямоугольной формы. Размеры исходных заготовок от 86 до 100 мм.

Исходные данные для проведения эксперимента сведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Исходные данные для проведения эксперимента

Материал

исследований

S0

мм

rп , rм

мм

Размер заготовок

мм

Сталь 08 Ю 0,6; 0,7; 1,0 3, 5, 7 100100

Сталь 08 пс 0,8; 1,0 3, 5, 7 Ø 86

Сталь 08 кп 1,0; 1,2 3, 5, 7 Ø 88

Экспериментальные исследования осуществляли в экспериментальных

штампах. Если при вытяжке на определенную глубину, трещины не

появлялись, то деформированию подвергали новую заготовку на большую

глубину, и так процесс повторяли до появления трещины. Было обеспечено

максимальное усилие прижима с целью исключения течения металла из

фланцевой части заготовки. Это давало возможность установить предельные

степени деформации при отбортовке и закономерность формоизменения

образцов с увеличением их высоты. На каждом этапе нагружения и по

40

окончании производили замеры параметров. Каждый опыт повторяли на

3–5 заготовках.

Исследование процесса осуществляли с использованием традиционных

методов планирования экспериментов.

3.2. Методика планирования экспериментов.

Обработка и результаты экспериментальных исследований

На основе анализа экспериментальных исследований дана оценка степени

влияния факторов на выходные параметры. Установили, какие из них являются

определяющими. По результатам исследования изучили зависимости от

радиуса закругления инструмента, глубины вытяжки, толщины материала,

марки материала. Радиус закругления матрицы (rм) оказывает существенное

влияние в ходе процесса вытяжки на напряжение в материале и усилие,

необходимое для вытяжки; образование складок; утонение материала стенок;

стойкость штампа; коэффициент вытяжки и число вытяжных операций. Чем

больше радиус закругления матрицы, тем больше потребное для вытяжки

усилие, тем больше участок у края вытягиваемого изделия, на котором

получаются складки, тем меньше операций нужно для получения изделия.

Рис. 3.2. Влияние радиуса закругления кромки матрицы на усилие

при разной глубине вытяжки

Радиус закругления матрицы по возможности необходимо выбрать

наибольший при условии, что можно обеспечить вытяжку без образования

складок. Радиус закругления пуансона (rп) на усилие вытяжки влияет

41

незначительно, но он оказывает влияние на утонение материала стенок у дна

изделия (рис. 3.2).

Влияние основных факторов на фестонообразование. На величину

фестонообразования при вытяжке коробчатых деталей оказывает влияние:

глубина вытяжки h, усилие прижима заготовки Рпр, радиус скругления матрицы

rм и пуансона rп, толщина материала S0 и другие факторы. Рассмотрено влияние

относительной глубины вытяжки (h/an) и усилия прижима на

фестонообразование с целью уменьшения размеров плоской заготовки вдоль и

поперек направления прокатки металла. Чем больше давление прижима, тем

скорее может быть получено предельное максимальное усилие вытяжки и тем

меньшая степень деформации вытяжки может быть получена, так как

максимальное давление прижима совпадает с максимальным усилием вытяжки,

если давление прижима мало, то происходит образование складок.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Рис. 3.3. Влияние глубины вытяжки на фестонообразование

С увеличением глубины вытяжки (рис. 3.3) степень фестонообразования

увеличивается при всех значениях прижима, увеличение усилия прижима

заготовки приводит к снижению значения ΔФ при всех h/an. Наибольшее

интенсивное снижение фестонообразования с увеличением усилия прижима

наблюдается при больших значениях степени деформации - глубины вытяжки,

которое определяли замерами измерительным инструментом.

Влияние глубины вытяжки и усилия прижима на параметры

оптимизации. Для установления размеров исходной заготовки кроме

h/an

1

3

2

4

ΔФ,% 1- Pпр/Рвыт =0,201

2- Pпр/Рвыт =0,172

3- Pпр/Рвыт =0,143

4- Pпр/Рвыт =0,115

42

фестонообразования важным параметром является относительное изменение

размера фланца, которое можно оценить следующими показателями:

ΔA’=min

'

min

'max

'

А

А-А100% , (3.1)

где min'А – средний размер фланца; (Amax + Amin)/2 при минимально необходимом

усилии прижима для соответствующий глубины вытяжки; max'А – средний

размер фланца при выбранной глубине вытяжки и усилия прижима (Pпр max).

Таким образом, относительное увеличение размера фланца с ростом

прижима и интенсивность его уменьшения с увеличением глубины вытяжки

оценивали в сравнении с размерами фланца при наименьшем усилии прижима,

обеспечивающим устойчивую вытяжку без образования гофров. С увеличением

h/an увеличился и ΔA’, причем тем интенсивнее, чем больше Pпр.max/Pпр.min.

Максимальное значение Δ A’~3,4 %, позволяет уменьшить размер плоской

заготовки, применяя усилие прижима, в 1,5–2 раза, превышающее минимально

необходимое (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Изменение Δ A’ + ΔФ (%) в зависимости от глубины вытяжки

и усилия прижима

h/an Pпр/Рвыт

0,115 0,143 0,172 0,201

0,27 0,37 0,49 0,6 0,71

0,33 0,77 0,79 1,01 1,2

0,4 1,23 1,48 1,40 1,7

0,47 1,81 2,21 2,63 3,44

Анализ данных показывает, что суммарное относительное изменение

(уменьшение) размеров заготовки может составить не менее ≈ 3%, это

равноценно снижению расхода металла до ≈ 6 % (рис. 3.4).

Увеличение усилия прижима с 5 до 15 кН позволяет значительно

уменьшить размеры исходной заготовки.

43

Таким образом, за счет увеличения усилия прижима и уменьшения

размеров заготовки в направлении образования фестонов можно повысить

коэффициент использования металла.

При вытяжке одним из основных видов брака является образование

трещин и разрывов в опасном сечении детали. В деталях коробчатой формы

опасным сечением является место перехода донной части в вертикальную

стенку в радиусной части.

Рис. 3.4. Изменение размера фланца (Аф) в зависимости от глубины вытяжки (Н)

для заготовки толщиной S0 = 1 мм: сплошные линии при усилии прижима Рпр= 15 кН;

штриховые линии при усилии прижима Рпр= 5 кН

На утонение стенки детали в опасном ее сечении влияют различные

факторы, в том числе и усилие прижима. С увеличением глубины вытяжки

происходит интенсивное утонение стенки детали в опасном сечении при всех

значениях усилия прижима (рис. 3.5–3.6). Величина ΔS изменяется от 5% –16%

при заданных значениях Pпр/Рвыт и h/an.

С увеличением Pпр/Рвыт величина ΔS увеличивается при всех h/an (табл. 3.3).

Результаты экспериментов позволили выбрать оптимальную величину усилия

прижима с тем, чтобы обеспечить получение качественных деталей без трещин

и разрывов при изготовлении деталей вытяжными операциями.

44

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

h/a n Рис. 3.5. Влияние глубины вытяжки на утонение стенки

0

5

10

15

20

25

30

0 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4

Рис. 3.6. Влияние усилия прижима на утонение стенки

Основной характеристикой пригодности металла для изготовления

деталей является штампуемость, которая зависит от химического состава

материала, прочностных характеристик, пластичности, анизотропии, размеров

зерна, структурного состояния и других факторов.

Для изучения закономерностей формоизменения листовых заготовок при

выполнении различных операций необходимо иметь сведения об исходных

механических свойствах металла. Данные о свойствах, имеющиеся в

справочной литературе, носят оценочный характер и пригодны для

приближенных расчетов деформационных и силовых параметров процессов.

1- Pпр/Рвыт =0,201

2- Pпр/Рвыт =0,172

3- Pпр/Рвыт =0,143

4- Pпр/Рвыт =0,115

ΔS,%

1

2

3

4

Pпр/Рвыт

1- h/an=0,27 2- h/an=0,33 3- h/an=0,4 4- h/an=0,47

1

2 3

4 ΔS,%

45

Опыт многих предприятий показывает, что их использование при внедрении

новых технологий часто приводит к отрицательным результатам: к браку в

производстве и большим издержкам при отладке нового технологического

процесса.

Таблица 3.3

Влияние усилия прижима и глубины вытяжки на толщину стенки

детали в опасном ее сечении

h/an Обозначение Pпр/Рвыт0,115 0,143 0,172 0,201

0,27

Si,мм 0,96 0,95 0,94

7,8

0,93 ΔS,% 5,7 6,9 9,15

0,33

Si,мм 0,92 0,9 0,99 0,98 ΔS,% 10,14 11,88 13,94 14,3

0,4

Si,мм 0,88 0,87 0,87 0,75 ΔS,% 12,44 13,44 14,67 16,11

0,47

Si,мм 0,89 0,87 0,86 0,74 ΔS,% 11,38 13,37 14,31 15,88

Для выявления влияния на процесс вытяжки-отбортовки основных

показателей штампуемости, таких как предел прочности в, предел текучести

s, относительное удлинение , относительное сужение , коэффициент

нормальной анизотропии R*, показатели деформационного упрочнения (А, n),

необходимо проведение дополнительных лабораторных испытаний, т. к. при

разработке технологических процессов вытяжки-отбортовки необходимы

достаточно точные данные о свойствах используемого материала.

Механические испытания на растяжение позволяют установить наиболее

важные характеристики металлов, определяющие поведение заготовок при

осуществлении формоизменяющих процессов листовой штамповки [51–53].

Для проведения испытаний применяли разрывную универсальную

испытательную машину типа УММ 10С с нагрузкой 10 т. с. и измерительный

46

инструмент в соответствии с требованиями соответствующих стандартов. Для

определения механических характеристик использовали известные формулы.

Результаты обработки экспериментальных данных по изучению образцов

на растяжение (влияние анизотропии на штампуемость металла) сведены в

таблице 3.4.

Таблица 3.4

Результаты обработки экспериментальных данных по изучению

образцов на растяжение

Марка S0 , мм

σв , МПа σв МПа

R R ср.

0 90 45 0 90 45

08ПС

0,6 336 352 349 346 0,81 1,0 0,75 0,85

0,7 349 356 353 353 0,11 1,81 0,97 0,96

0,8 320 325 330 325 0,99 1,32 1,46 1,25

0,85 360 357 359 359 1,23 1,38 0,88 1,16

08КП

0,64 316 319 330 322 1,35 1,85 0,84 1,22

0,72 287 294 299 293 1,45 1,71 1,08 1,34

0,81 352 345 267 321 1,96 1,71 1,27 1,55

08Ю

0,7 324 322 334 327 1,3 2,1 1,1 1,4

0,75 320 319 333 324 1,39 1,73 1,25 1,39

0,85 382 284 299 322 1,66 1,69 1,23 1,45

Анализ эксперимента по определению зависимости напряжения от

деформации показал, что пределы прочности для марок сталей группы 08

составляют: сталь 08КП – 293–322 МПа, сталь 08ПС – 325–359 МПа, сталь

08Ю – 299–327 МПа.

Таким образом, механические свойства испытываемого материала

соответствуют стандарту.

При определении среднего коэффициента анизотропии для

установившейся стадии нагружения для различных марок сталей показало: для

стали 08КП Rср = 1, 22–1,55; для стали 08Ю Rср, = 1,39–1,45; для стали 08ПС

RcP= 0,85–1,25.

47

Полученные данные истинных напряжений используются для оценки

напряженно-деформированного состояния в соответствии с полученной

математической моделью.

Анализ научно-технической литературы по вопросу о предельной

деформируемости при отбортовке позволил сделать вывод о необходимости

проведения исследований процесса с целью изучения характера

формоизменения заготовок, а также для проверки адекватности

математической модели, позволяющей устанавливать преимущественный вид

деформирования. Для исследований согласно поставленным задачам и цели

была принята схема осуществления процесса нагружения. В процессе

эксперимента варьировали параметрами: d0; S0; rn; rм; Азаг; Нв; Рпр; Рв и другими.

Расчет необходимого для получения достоверных результатов числа

параллельных опытов определяли на основе статистической оценки

результатов предварительных экспериментов.

В процессе выполнения эксперимента регистрировались: усилие вытяжки

(Рв); усилие прижима (Рпр); измеряли выходные параметры (в мм): Аф – размер

фланца, Sк – толщина заготовки на кромке отверстия, dк – диаметр отверстия с

помощью измерительного комплекса; определяли их средние значения и

вычисляли относительные изменения фланца и отверстия

для оценки возможностей данного процесса и практического применения

результатов экспериментов.

Интерполируя результаты исследования, установили, что использование

данного процесса взамен вытяжки с последующей пробивкой отверстия дает

возможность увеличить коэффициент использования металла: при S0 = 1,0 мм

на 5–10,3 %, а при S0 = 0,7 мм на 14–18 % при максимальном утонении металла

на внутренней кромке отверстия.

Определили, что увеличение диаметра отверстия с 8 до 10 мм при

небольшом усилии прижима Рпр практически не влияет на характер

деформации, однако при увеличении Рпр от 5 до 15 кН интенсивность

48

деформации внутренней части заготовки резко возрастает, а фланцевой

уменьшается. Их анализ свидетельствует, что в условиях эксперимента

формообразование боковой поверхности образцов идет одновременно за счет

деформирования периферийной и внутренней частей заготовки.

Увеличение усилия прижима интенсифицирует деформацию

внутренней части заготовки, при меньшей толщине материала это влияние

больше.

Тангенциальная деформация и деформация по толщине при

S0 = 0,7 мм также больше, чем при S0 =1,0 мм. Увеличение толщины заготовки

равнозначно увеличению силы прижима, т. е. в этом случае превалирует

отбортовка за счет деформации внутренней части заготовки.

Это можно объяснить тем, что кольцевые элементы заготовки, более

удаленные от края отверстия, получая меньшую деформацию, оказывают

сдерживающее влияние на краевые элементы заготовки, препятствуя

возникновению в них локальной деформации, как бы искусственно выравнивая

распределение деформаций [30–31].

Для оценки неравномерности деформаций были проведены замеры

толщины материала в меридиональном сечении и построены графики

распределения относительной деформации по толщине (рис. 3.7). На рис. 3.7, а

показано изменение S для процесса, в котором превалирует отбортовка.

Толщина заготовки от кромки фланца к отверстию монотонно

уменьшается и достигает максимальной деформации S =33% на краю

отверстия (соответствует предельной деформации).

Вытяжка-отбортовка (рис. 3.7,б) до той же глубины сопровождается

резким снижением деформации ( S = 12–16%) металла у отверстия, фланцевая

часть заготовки при этом получает деформацию утолщения ( S = 2 – 6%).

49

Рис. 3.7. Изменение S при вытяжке-отбортовке: а – увеличение толщины

от кромки; б – утонение от кромки фланца к отверстию

Для оценки возможностей процесса и практического применения

результатов экспериментов был проведен расчет относительных деформаций на

внутренней кромке отверстия и фланца. Определили, что осуществление

вытяжки, совмещенной с отбортовкой, целесообразно при относительных

степенях деформации, не превышающих 25 – 30% .

Необходимое для получения достоверных результатов число

параллельных опытов определили на основе статистической оценки данных

экспериментов. Корень уравнения tγ нормированной функции Лапласа Ф0(t)

находили согласно [81–83; 90] при заданной доверительной вероятности

γ =0,95: tγ = 1,96.

Расчет доверительных значений и необходимого числа опытов для ко-

нечного диаметра отверстия как параметра, имеющего наибольший разброс

показаний при замерах, приведен в приложении 2.

Результаты исследований показали, что функции показателей

эффективности процессов вытяжки-отбортовки от независимых переменных

а)

б)

50

(Нвыт, S0, d0, Авыт) не имеют экстремальных точек и носят монотонно

убывающий или возрастающий характер. Экспериментальные исследования

реализованы однофакторными планами. При этом варьировали каким-либо

одним параметром (Нвыт, S0, d0, Авыт), а планирование экспериментов свелось к

выработке последовательности проведения опытов (приложение 3).

3.2.1. Определение предельного коэффициента формоизменения

и его влияния на расход металла

Большое внимание во всех работах при вытяжке и отбортовке деталей

уделяется пластичности, деформируемости материалов, изменениям в их

микро - и макроструктуре. Основной показатель способности металлов к

формоизменению – запас пластичности (степень деформации до разрушения).

Благоприятное напряженно-деформированное состояние в очаге деформации, а

также локальный и пульсирующий характер нагружения заготовки повышают

пластичность при вытяжке с отбортовкой. Для определения предельного

коэффициента деформирования в процессе проведены экспериментальные

исследования, в которых значительно расширены диапазоны изменения

основных параметров. Исходные данные сведены в таблице 3.5.

Установлено, что на предельные коэффициенты отбортовки оказывает

влияние относительная толщина и относительный диаметр отверстия.

Большим их значением соответствуют меньшие значения коэффициента

отбортовки (d0/dк).

Следовательно, чем больше толщина исходного материала и диаметр

предварительно пробиваемого отверстия в заготовке, тем больший эффект

можно достичь при отбортовке, тем самым снизить расход металла.

Была получена степенная зависимость для определения предельных

коэффициентов отбортовки для группы сталей (08пс, 08ю, 08кп). Были

выявлены основные режимы формообразования (рис. 3.8– 3.10).

51

С целью построения рационального процесса формообразования

поставлен полнофакторный эксперимент с использованием методов

математической статистики для получения комплексной оценки предельных

возможностей процесса.

Таблица 3.5

Экспериментальные исходные данные

№

Марка

стали

S0, мм

Aзаг, мм

rм, мм

d0, мм

1

2

3

08кп 0,5

0,8

0,7

82

96

100

3,5,7

3,5,7

3,5,7

6; 8; 10; 12

6; 8; 10; 12

6; 8; 10; 12

4

5

6

08пс 0,7

0,8

0,9

96

100

96

3,5,7

3,5,7

3,5,7

6; 8; 10; 12

6; 8; 10; 12

6; 8; 10; 12

Таблица 3.6

Результаты экспериментов на образцах из стали 08кп

S0, мм Aзаг,

мм

rм, мм d0, мм H, мм Dк, мм Aф, мм

0,7

0,8

0,9

100

96

88

5

5

5

10

8

12

14

12

18

11,6

9,8

13,6

90,5

90,5

86

Рис. 3.8. Влияние d0/an на предельный коэффициент отбортовки для стали 08кп

Рис. 3.9. Влияние d0/an на предельный коэффициент отбортовки для стали 08ю

52

Для описания формообразования вытяжки-отбортовки деталей коробчатой

формы использован степенной полином множественного порядка в виде:

pi bi

bi

bb xxxxby ......21210 . В качестве исходных данных результаты экспериментов

по выявлению влияния относительной толщины материала0

01 d

Sx (x1[0,01;

0,07]) и относительного диаметра пробиваемого отверстия вытA

dx 0

2 (x2)[0,1;

0,7] на коэффициент предельной деформации 0

.d

dпрKотб к , представленные

в таблице 3.7.

Таблица 3.7

Результаты экспериментальных исследований

№ опыта Kп X1 X2

1 1,091 0,01 0,1

2 1,161 0,07 0,1

3 1,289 0,01 0,7

4 1,386 0,07 0,7

Рис. 3.10. Влияние d0/an на предельный коэффициент отбортовки для стали 08 пс

53

По результатам экспериментальных данных получили регрессионную

модель вида Y=f (x1; x2), где Y – коэффициент Kотб.пр, представленный на рисунке

3.15. Исходные данные обрабатывали в пакете Stat Graphics в разделе

«Множественная регрессия». В основу регрессионного анализа положен метод

наименьших квадратов.

Результаты регрессионного анализа представлены в таблице 3.8.

Таблица 3.8

Результаты расчета параметров регрессионной модели

Параметры

модели Коэффициенты

Стандартная

ошибка

t –

статистика

Уровень

значимости

Х1 1,391667 0,225 6,1852 0,1020

Х2 0,3525 0,0255 15,6667 0,0406

Свободный

член 1,035083 0,014407 71,8457 0,0089

Регрессионная модель, полученная по результатам статистической

обработки экспериментальных данных, была подвергнута дисперсионному

анализу. Число опытов = 4; среднее остатков = 5,55112Е-17: дисперсия остатков

= 1,8225Е-4; стандартизованная ошибка остатков = 0,0135; коэффициент

асимметрии равен 0 (стандартизованный коэффициент равен 0); коэффициент

эксцесса равен – 6 (стандартизованный коэффициент равен – 2,44949);

статистика Дурбина – Ватсона = 2; R – квадрат = 0,996488; стандартизованный

R – квадрат = 0,989463; множественный коэффициент корреляции R = 0,9947.

Таблица 3.9

Результаты дисперсионного анализа модели

Источник Сумма

квадратов

Степени

свободы

Средний

квадрат

Критерий

Фишера F

P –

значение

Модель 0,0517045 2 0,0258522 141,85 0,0585

Ошибка 0,00018225 1 0,00018225 - -

54

Таблица 3.10

Результаты дисперсионного анализа переменных модели

Источник Сумма

квадратов

Степени

свободы

Средний

квадрат

Критерий

Фишера F

P – значение

Х1 0,00697225 1 0,0069723 38,26 0,1007

Х2 0,04473225 1 0,0447322 245,44 0,04

Так как полученное значение множественного коэффициента корреляции

R =0,9947 > 0,51, то существует тесная корреляционная связь между

экспериментальными и расчетными значениями коэффициента Кпр, и

регрессионная модель позволяет объяснить на 99% (в 99 случаях из 100)

общий разброс данных относительно среднего значения Кпр.

Таблица 3.11

Результаты расчета по регрессионной модели

№

опыта

Экспериментальное

значение

Значение,

рассчитанное

по модели

Остатки Стандартизованные

остатки

1 1,091 1,08425 0,00675 0,50000

2 1,161 1,16775 0,00675 -0,50000

3 1,289 1,29575 0,00675 -0,50000

4 1,386 1,37925 0,00675 0,50000

Представлен график полученной регрессионной модели. Как видно из

графика (рис. 3.12), с увеличением 0

01 d

Sx и

вытA

dx 0

2 значение коэффициента

0d

dKпр к возрастает.

Полученные зависимости характеризуют предельные параметры процесса,

поэтому для их практического применения необходимо уменьшить на 10 -15%

коэффициент предельного деформирования Кпр (т. е. увеличить размер пробиваемого

отверстия перед вытяжкой-отбортовкой) [8; 33]. Проведенные экспериментальные

55

исследования позволили установить режимы предельного формоизменения в

процессах вытяжки-отбортовки деталей коробчатой формы.

Рис. 3.11. Регрессионная модель

Анализируя график зависимостей Котб.пр = f(Sо/dо, dо/Aвыт), видим, что с

увеличением относительных величин Sо/dо и dо/Aвыт увеличивается коэффициент

предельного деформирования, т. е. увеличивается возможность получения большего

диаметра отбортованного отверстия без образования трещин на кромке отверстия.

3.2.2. Анализ адекватности теоретической модели

Экспериментальные исследования и теоретические расчеты для деталей

из марки стали 08кп с размером пуансона 30 мм и исходной толщиной

материала 0,7 мм в зависимости от диаметра отверстия исходной заготовки

составили расхождение во всем диапазоне изменения do не больше 15%, что

может считаться приемлемым для практических расчетов. Для других

56

диапазонов Sо (до 2,5 мм), An=30 мм и марок материалов различие

экспериментальных и теоретических данных еще меньше (An – размер

пуансона) (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Усилие на пуансоне

Расхождение опытных и расчетных усилий деформирования во всем

диапазоне изменения параметров не превышало 10 – 15%, что может считаться

приемлемым с точки зрения практических расчетов.

Результаты эксперимента показали, что области преимущественного

деформирования вытяжкой при прочих равных условиях соответствуют

большие значения размера и толщины заготовки, а также усилия прижима.

С увеличением диаметра отверстия формообразование осуществляется за счет

деформирования внутренней части заготовки, т. е. отбортовкой. Это

подтверждается сравнением расчетных и опытных данных.

Установили: увеличение усилия прижима Рпр интенсифицирует

деформацию внутренней части заготовки, при меньшей толщине материала это

влияние больше. Увеличение диаметра с 10 до 12,5 мм при небольшом усилии

прижима Рпр незначительно влияет на характер деформации, однако при

увеличении Рпр от 5 до 15 кН интенсивность деформации внутренней части

заготовки резко возрастает, а фланцевой уменьшается.

Таким образом, подтверждена адекватность математической модели

реальному процессу формообразования изделий.

57

3.3. Методика выбора заготовок и основные направления снижения

расхода металла при изготовлении коробчатых деталей вытяжкой,

совмещенной с отбортовкой

3.3.1. Оптимизация заготовок для коробчатых деталей, вытягиваемых

в одну операцию

Согласно данным технической литературы (Романовский В. П.,

Зубцов М. Е. и т. д.) при штамповке квадратных коробок применяются

круглые заготовки, которые после вытяжных операций подвергаются обрезке

припуска по высоте или по фланцу. Поэтому при разработке технологических

процессов штамповки деталей типа коробок следует уделить большое внимание

вопросу рационального использования металла. В работе выявлен резерв

снижения расхода металла за счет использования рациональной формы

заготовки.

С использованием теории Романовского В. П. в зависимости от

сочетания параметров коробки и различной степени вытеснения металла в

боковые стенки на основе выполненных исследований установлены отдельные

области, которым соответствуют разные способы формообразования заготовки.

В результате этого были уточнены пределы применения существующих мето-

дов расчета и установлены способы образования заготовок для случаев, ранее

не рассматривавшихся в технической литературе. Квадратные коробки с

фланцем в большинстве случаев представляют собой относительно невысокие

детали ( ,60В/Н ) при небольшой ширине фланца, предназначенного для

соединения с другими деталями.

Как правило, эти коробки можно изготовлять за одну операцию вытяжки,

кроме коробок с очень малыми радиусами угловых закруглений, требующих

дополнительной операции калибровки.

58

В таблице 3.12 представлены результаты расчетов по определению

размеров и форм.

Таблица 3.12

Исходные и расчетные данные по определению размеров заготовки

Постоянные данные

;мм1403 ф3 В мм;92В мм;29Н мм;R мм5Вф (на сторону); мм1S .

Номер

варианта

№

п/п

Переменные данные, мм Полученные значения, мм

1R 2R фR L 0R загA Х

Вариант

№1

1.1.

10,0

6,0

24,09

58,63 32,50 197,26 8,24 1.2. 8,0 59,78 32,27 195,56 8,04 1.3. 10,0 60,95 32,00 193,90 7,84 1.4. 12,0 62,07 31,73 192,14 7,63

Вариант

№2

2.1.

15,0

6,0

31,16

58,63 41,17 197,26 10,50 2.2. 8,0 59,78 40,85 195,56 10,28 2.3. 10,0 60,95 40,54 193,90 10,07 2.4. 12,0 62,07 40,22 192,14 9,85

Вариант

№3

3.1.

20,0

6,0

38,23

58,63 49,26 197,26 12,60 3.2. 8,0 59,78 48,91 195,56 12,10 3.3. 10,0 60,95 48,56 193,90 11,62 3.4. 12,0 62,07 48,20 192,14 11,10

Вариант

№4

4.1.

25,0

6,0

45,30

58,63 57,08 197,26 11,85 4.2. 8,0 59,78 56,71 195,56 11,37 4.3. 10,0 60,95 56,33 193,90 10,92 4.4. 12,0 62,07 55,94 192,14 10,43

При вытяжке квадратных коробок с фланцем, ввиду значительной

неравномерности деформации вдоль контура, обязательно необходима

последующая обрезка неровного фланца. Форму заготовки в данном случае

можно упростить.

Необходимо соблюдать следующие требования: 1) предотвратить

нехватку поверхности металла заготовки; 2) устранить скопление заведомо

лишнего металла в углах, затрудняющего процесс вытяжки. При расчете и

построении заготовки использовали правило – равенство площадей

59

поверхности заготовки и коробки (с припуском на обрезку). Размер заготовки

(Азаг):

Азаг.=В–2 2R +2 L , (3.13)

где B – ширина коробки, мм: 2R – радиус скругления пуансона, мм: L – длина

выпрямляемой стенки, мм. Из рисунка 3.13 видно, что заготовка имеет

сложную форму, которую получить вырубкой из полосы практически

невозможно, поэтому есть необходимость упростить форму заготовки

(рис. 3.14), так как после вытяжки производится обрезка по фланцу. Согласно

данным таблицы, с использованием формул (3.14 – 3.18) построили графики

зависимости (см. рис. 3.15 – 3.18), позволяющие определить: на сколько можно

уменьшить размер исходной заготовки и снизить нормы расхода металла для

различных вариантов изготовления деталей коробчатой формы.

Рис. 3.13. Форма и размеры плоской

заготовки для данного варианта

штамповки детали коробчатой формы

Рис. 3.14. Эскиз заготовки для штамповки

детали коробчатой формы

60

H/ВfG /B)f(RG 1 Рис. 3.15. Влияние глубины вытяжки Рис. 3.16. Влияние радиуса закругления на снижение нормы расхода металла на снижение нормы расхода металла

Формула для определения уменьшения размеров заготовки:

%100A

A-AA х , (3.14)

где А–Ах – размер заготовки без лысок и с лысками соответственно, мм.

2Х-AA х , (3.15)

где Х– величина лыски, мм.

Формула для определения снижения нормы расхода металла:

%1000

10

G

GGG , (3.16)

где 10 G и G – норма расхода металла на заготовку без лысок и с лысками, г;

20 ASG , (3.17)

где S – толщина металла, мм; – плотность металла, г/см3.

21 2XASG . (3.18)

Анализ показывает, что при штамповке квадратных в плане коробчатых

деталей для различных вариантов можно снизить расход металла от 6,47% до

20%, и данные свидетельствуют об увеличении запаса пластичности

61

материалов на 10 - 20% по сравнению с обычной вытяжкой с последующей

пробивкой отверстия.

Рис. 3.17. Влияние глубины вытяжки Рис. 3.18. Влияние радиуса закругления на уменьшение размера заготовки на уменьшение размера заготовки

H/ВfА /B)f(RА 1

3.4. Выводы

1. Определены объекты исследования, средства и условия проведения

исследований.

2. Спроектирована и изготовлена экспериментальная оснастка по

исследованию процесса вытяжки-отбортовки.

3. Разработана методика полного факторного эксперимента для

определения эмпирических зависимостей геометрических параметров и

качества поверхности при вытяжке и отбортовке от технологических факторов

процесса.

4. Проведение экспериментов по оценке влияния факторов на

предельный коэффициент деформирования позволило выявить характерные

особенности процесса вытяжки-отбортовки.

62

5. В результате комплексных экспериментов получена математическая

модель предельного формоизменения (коэффициента предельного

деформирования).

6. Экспериментально установлены наиболее благоприятные

технологические режимы обработки вытяжкой-отбортовкой.

7. Анализ результатов экспериментальных исследований показал

значимость коэффициентов регрессии при основных факторах, проведено их

сравнение с теоретическими расчетами.

8. Разработанные математические модели хорошо согласуются с

экспериментальными данными (погрешность аппроксимации эксперимен-

тальных значений не превышает 10%.), т. е. адекватно описывает процесс

деформирования листовой заготовки при изготовлении детали вытяжкой-

отбортовкой (при 95% вероятности).

9. В процессе штамповки квадратных коробчатых деталей можно

использовать круглые заготовки с лысками взамен круглых, что приводит к

снижению нормы расхода металла до 20%.

63

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1. Особенности разработанных ресурсосберегающих технологий листовой

штамповки при изготовлении деталей коробчатой формы

вытяжкой-отбортовкой

На основе проведенных теоретических и экспериментальных

исследований разработана методика по расчету технологических параметров и

усовершенствованы металлосберегающие технологии изготовления деталей

автомобиля «УАЗ» из номенклатуры ОАО «УАЗ». Внедрение новых

технологий включает следующие этапы:

– усовершенствование технологий штамповки с использованием

практических рекомендаций и научно обоснованной методики расчета

основных технологических параметров;

– проектирование и изготовление экспериментальной оснастки,

проведение лабораторных испытаний;

– внедрение научных результатов при исследовании.

Для освоения новых технологий были выбраны детали коробчатой формы

в плане квадратные с центральными отверстиями в донной части. В качестве

примера, иллюстрирующих работоспособность методики расчета

технологических процессов на основе вытяжки-отбортовки, представлены

результаты расчета детали №451В–5401330/331 – «Панель боковины

внутренняя передняя».

4.1.1. Деталь №451В–5401330/331 – деталь коробчатой формы

«Панель боковины внутренняя передняя»

Для изготовления детали №451B–5401330/331 необходимо осуществить

операции вытяжки, гибки и другие, поэтому нужно выбрать марку материала,

64

которая должна соответствовать как назначению и условиям работы, так и

технологическим требованиям, вытекающим из характера и степени

производимой деформации. Для данной детали требуются достаточно хорошие

характеристики штампуемости материала в процессе вытяжки.

При вытяжке сферических или сложной формы деталей в штампах с

вытяжными ребрами для сохранения прочности опасного сечения следует применять

металл повышенной прочности и упрочняемости при достаточной пластичности.

Химический состав используемой для исследований стали и ее механические

свойства приведены в таблицах 4.1 и 4.2.

Таблица 4.1

Химический состав тонколистовой холоднокатаной малоуглеродистой

качественной стали для холодной штамповки марки 08Ю (ГОСТ 9045 – 93)

Содержание элементов, %

С

Mn

S Р А1

Si Сг Ni Cu

Не более Не более

0,07 0,20 -

0,35

0,025 0,020 0,02 -

0,07

0,01 0,03 0,06 0,06

Таблица 4.2

Механические свойства тонколистовой холоднокатаной

малоуглеродистой качественной стали марки 08 Ю

Марка

стали Категория

σт,

МПа

σв,

МПа

δ, %

(не менее)

σт/σб

(не более)

HRB

(не более)

08ю ОСВ 200 330 44,0 0,66 48

Сталь 08Ю выпускается в виде рулона и листов. В серийном

производстве применяется рулонный прокат.

Для изготовления детали необходимо использовать сталь 08Ю.

Определение размеров и формы заготовки. Как было сказано выше,

размеры и форма заготовки зависят от размеров и формы отштампованной

65

детали и способа ее изготовления. Когда рассматривали технологичность

конструкции детали, была поставлена задача с целью снижения расхода

металла для формообразования детали использовать металл из центральной

части заготовки, а не вытягивать его из под прижима.

Рассмотрим два варианта определения размеров и формы заготовки для

изготовления проектируемой детали: а) для формообразования детали за счет

вытягивания металла из-под прижима, т. е. за счет вытяжки; б) для

формообразования детали за счет вытяжки металла из центральной части

заготовки, т. е. за счет вытяжки-отбортовки.

1-й вариант: на рис. 4.1 представлено поперечное сечение детали.

Рис. 4.1. Поперечное сечение детали

Согласно данным эскиза (рис. 4.1), определяем длину заготовки в поперечном

сечении детали

Lп = 10.1 + 8,1 + 32,1 + 4 • L1 + 2 • L2 + 2 • 2,1 + 21 + 418, (4.1)

где

L1=4

r21

, (4.2)

L1=4

22 r

, (4.3)

66

r1=1,45 мм, L1= 4

45.114,32 =2,27 мм ,

r2=18,50 мм, L1= 4

50.1814,32 =29,05 мм ,

Lп = 10,1 + 8,1 + 32,1 + 4•2,27 + 2•29,05 + 4,2 + 21 + 418 =560,70 мм.

Припуск на обрезку П=10,5 мм. Длина заготовки с учетом припуска на обрезку:

L 'п =Lп+2П, (4.4)

L 'п =Lп+2П=560,70+2•10,5=581,70 мм.

Согласно данным базового предприятия L оп=582,0 мм.

На рис. 4.2 представлено продольное сечение детали, позволяющее

определить длину заготовки.

Рис. 4.2. Продольное сечение детали

Определяем длину отдельных участков детали и длину заготовки в целом.

1-й участок (см. рис. 4.3).

Рис. 4.3. Элемент продольного сечения детали

L1 = 9,1 мм;

67

L2=4

21r

; (4.5)

где r1=1,45 мм, L2= 4

45.114,32 =2,27 мм .

L3 = 32,0 мм;

L4=4

r24

; (4.6)

где r4=18,45 мм, L2= 4

45.1814,32 =29,0 мм

L5=2,1 мм; L6 = L2 = 2,27мм; L6 = 415,0 мм.

2-й участок (см. рис. 4.4).

Рис. 4.4. Элемент продольного сечения детали

L7 = L2 = 2,27 мм; L8 = L5=2,1 мм; L9 = L4 = 29,0 мм;

L10= 3,3352,433 22 мм; L11= 3,32141,29 22 мм; L12=L2=2,27 мм;

L13=9,1 мм.

Общая длина заготовки:

Lд = L1+L2+L3+…+L11+L12+L13, (4.7)

Lд = L1+L2+L3+…+L11+L12+L13=9,1+2,27+32,0+29+2,1+2,27+415+2,27+2,1+

+29,0+33,3+32,3+2,27+9,1= 604 мм.

68

С учетом припуска на обрезку П = 10,5 мм имеем: L'д = 604+2•10,5 = 625 мм.

Таким образом, установлено, что плоская заготовка имеет размер,

соответствующий данным базового предприятия.

В целях снижения расхода металла, который является основной статьей

затрат в себестоимости детали, необходимо получить формообразование детали

за счет применения вытяжки-отбортовки, т. е. за счет вытягивания металла из

центральной части заготовки.

2-й вариант: (см. рис. 4.5).

Рис. 4.5. К определению возможности применения вытяжки-отбортовки

при штамповке детали

Согласно данным [72] расчетные значения коэффициента отбортовки Котб.

при 77,0116

1009,0100

загА

S.

Учитывая, что при отбортовке прямоугольных отверстий Котб. можно

уменьшить на 10 – 12%, тогда K'

.отб = 0,75.

Из выражения:

K'

.отб =загА

d0, (4.8)

где d0 – диаметр пробитого отверстия, находим:

69

заготб АКd '0 , (4.9)

0,8711675,00 d мм.

Определяем площадь кольца Fк, которая будет участвовать в

формообразовании детали

Fк = kdd )(4

20

21

, (4.10)

где d1=189,8 мм, d0=87,0 мм;

k – коэффициент, учитывающий увеличение площади благодаря утонению

материала. Принимаем k =1,1.

0,527231,1)0,878,189(785,0 22 кF мм2.

Определяем площадь поверхности сформированной части детали:

F1 = )82(4

2111 rrd

, (4.11)

где d1=189,8 мм, r1=18,0 мм.

0,80714)188188,18914,32(785,0 21 F мм2.

2222 hdF , (4.12)

где d2=152 мм, h2=2,1 мм.

F2= 1,215214,3 =1002 мм2.

F3 = )82(4

2333 rrd

, (4.13)

где d3=150 мм, r3=1,0 мм.

F3 = 0,948)18115014,32(785,0 2 мм2.

F4 = )dd(4

2'4

24

, (4.14)

где d4=150 мм, d'4 =116 мм.

F4 = 0,7099)116150(785,0 22 мм2.

Площадь поверхности цилиндрической части сформированной детали

составляет:

Fд = F1+F2+F3+F4, (4.15)

70

Fд = F1+F2+F3+F4 = 14807+1002+948+7099 = 23 856 мм2.

Как видно из расчетов, FкFд, следовательно, формообразование детали

можно осуществить за счет вытяжки-отбортовки путем вытягивания металла из

центральной части заготовки.

Для установления величины Δ, на которую мы должны уменьшить размеры

плоской заготовки в разных направлениях, находим размер заготовки Азаг. для

получения детали вытяжкой.

Азаг.=1,13 дF , (4.16)

где Fд – площадь поверхности цилиндра.

Fд=F1+F2+F3+F4+F5, (4.17)

где

255 785,0 dF , (4.18)

где d5 = 116мм.

0,563101162785,05 F мм2;

Fд = 14 807 +1002 + 948 + 7099 +10 563 = 34 415,0 мм2;

Азаг.=1,13 34415 = 52,18513,1 =209,64 мм, принимаем Азаг.=210 мм.

Согласно разработанной технологии Азаг.' = 190 мм, следовательно,

благодаря применению операции вытяжки-отбортовки можно уменьшить

размеры плоской заготовки на 20 мм.

Раскрой материала. Определение нормы расхода материала. Под

раскроем понимается принятое расположение штампуемых заготовок на листе,

полосе и т. д. Раскрой должен обеспечить: минимальный расход металла на

деталь, наибольшее количество штампуемых деталей и высокую стойкость

инструмента.

Анализ конструкции детали и размеров и формы заготовки для ее

изготовления показывает, что деталь имеет прямоугольную форму и

сравнительно большие размеры, поэтому могут быть рассмотрены два варианта

получения заготовок:

а) из листа стандартных размеров;

71

б) из рулона материала стандартной ширины.

Оценку экономичности раскроя следует производить посредством

коэффициента

раскроя:

Кр=%1000

hB

nf р

, (4.19)

где Кр – коэффициент раскроя, %; fо– площадь заготовки, мм2; nр– количество

рядов раскроя; В – ширина полосы, мм; h – шаг раскроя, мм.

Рассмотрим два варианта раскроя на заготовки:

1-й вариант: в качестве исходного материала принят лист с размерами

0,9×1250×2500 мм.

1. Количество заготовок из листа – 8.

2. Имеются концевые отходы с размерами: a)260×1250 мм; б)50×2240 мм.

Находим коэффициент раскроя листа на заготовки:

0p

f NK 100%

A B

, (4.20)

где fо = 560 • 600 = 336 000 мм2; N – количество заготовок из листа (N = 8 шт.); А –

длина листа (А = 2500 мм); В – ширина листа (В = 1250 мм).

'p

336000 8K 100 86,0%

250 1250

.

2-й вариант: в качестве исходного материала используется рулон с размером

0,9×1200 мм.

1. Количество заготовок из листа –2 шт.

2. Концевых отходов нет.

Определяем величину коэффициента раскроя для данного варианта раскроя:

'' 0p

f NK 100%

A B

, (4.21)

где fо= 336 000 мм2;

N – количество заготовок из листа (N = 2 шт.); А – длина листа (А = 1200мм);

В – ширина листа (В = 560 мм).

72

Таким образом, для получения заготовки применяем рулон холоднокатаный с

размерами 0,9×1200 мм на сталь ГОСТ 9045–93 на размеры рулона ГОСТ 19904-90.

Материал 08ю.

Определяем норму расхода металла на одну деталь:

1. По базовому варианту:

Hop = o

o3

N

G, (4.22)

где Hop – норма расхода металла, кг;

o3G – масса листа, кг; oN – количество

деталей из листа, шт.

o3G =0,09•58,2•125•7,85:1000=5,14 кг, oN = 2 шт., H

op =

2

14,5=2,57 кг.

2. По проектной технологии:

H'p = '

'3

N

G, (4.23)

где '3G – масса листа, кг;

'N – количество деталей из листа, шт. ( 'N =2 шт.).

'3G =0,09•56•120•7,85:1000=4,75 кг, H

'p =

2

75,4=2,375 кг.

Снижение нормы расхода металла на одну деталь ∆H'p составляет:

∆H'p = H

op – H

'p , (4.24)

∆H'p =2,570–2,375=0,195 кг (7,58%).

Установление характера, количества и последовательности операций.

Характер операций определяется геометрической формой и конфигурацией

штампуемых деталей, наличием вырезов, отверстий и т. д. Количество и

последовательность операций определяется конфигурацией и сочетанием

конструктивных элементов детали, требуемой точностью и необходимостью

соблюдения баз обработки.

(4.23)

73

На основании анализа расчетов размеров заготовки, где заложен

принципиально новый способ формообразования детали за счет применения

вытяжки-отбортовки путем вытягивания металла из центральной части

заготовки и способов раскроя металла заготовки для штамповки

проектируемой детали, рекомендуется использование следующих переходов.

1. Резка рулонного материала на полосы. Переход осуществляется на

автоматической линии резки рулонного материала на заготовки.

2. Вырубка заготовки. Операция осуществляется в заготовительном пролете

цеха. Пробивка отверстия.

3. Вытяжка - отбортовка детали на глубину 22 мм (с промежуточной

надрезкой окна).

На рис. 4.6 представлен эскиз сечения детали после данной операции.

Рис. 4.6. Эскиз сечения детали после вытяжки-отбортовки

Как было сказано выше, формообразование детали идет за счет вытяжки-

отбортовки путем вытягивания металла из центральной части заготовки.

Необходимые расчеты по определению Котб. и другие данные выполнены в

подразделе 4.1 данной работы. Согласно этим расчетам Котб. = 0,75,

уменьшение толщины материала заготовки в среднем на 10%.

Этот переход выполняется в штампе совмещенного действия с

промежуточной надрезкой окна. Применяемое оборудование – пресс

двойного действия.

4. Обрезка детали по контуру, вырезка окна и пробивка фасонного отверстия с

размерами, операция выполняется в штампе совмещенного действия.

5. Формовка детали согласно чертежу. Работа выполняется в формовочном штампе.

74

На основе анализа рассмотренных выше переходов штамповки принимаем

следующий процесс изготовления детали:

1. Резка рулонного материала с размерами 560×1200 мм полосы.

2. Вырубка заготовки из полосы, пробивка отверстия.

3. Вытяжка - отбортовка детали на глубину 22 мм с промежуточной надрезкой окна.

4.Обрезка детали по наружному контуру согласно чертежу детали, вырезка окна с

размерами 396×397 мм и пробивка фигурного отверстия.

5. Формовка по чертежу.

Расчет усилия деформации при вытяжке-отбортовке. Вытяжка-

отбортовка детали на глубину 22 мм с промежуточной надрезкой окна с

размерами 345×344 мм производится в штампе совмещенного действия,

конструкция которого представлена на рис. 4.7. Усилие, необходимое для

осуществления этой операции, состоит из двух совмещено выполняемых

составляющих:

а) усилие надрезки окна с размерами 345×344 мм;

б) усилие вытяжки-отбортовки.

Прессовое оборудование выбирается путем сложения усилий этих

составляющих. Определяем усилие надрезки окна:

P = P1 + Q1, (4.25)

где Р – общее усилие, Н;

P1– усилие среза, Н;

Q1 – усилие прижима, Н.

P1=k • L• S • σср, (4.26)

где L – периметр надрезаемого окна, мм.

Согласно рис. 4.5, периметр равен:

L = 2πR + 2L1 + 2L2, (4.27)

где R = 58 мм; L1 = 345 - 116 = 229 мм; L2 = 344 - 116 = 228 мм.

L = 2•3,14•58 + 2•229 + 2• 228 = 1278,28 мм;

75

P1 =1,3•1278,28•0,9•240 = 358 941,0 Н = 358,94 кН.

Согласно данным [80]:

Q1=kсн–P1, (4.28)

где kсн – коэффициент, определяемый в зависимости от типа штампа и

толщины материала равен 0,06.

Q1 = 0,06•358,94 = 21,53 кН.

Рис. 4.7. Схема конструкции штампа совмещенного действия для вытяжки-отбортовки на

глубину 22 мм и промежуточной надрезки: 1 – матрица; 2 – пуансон; 3 – прижим; 4 – секция пуансона; 5 – выталкиватель; 6 – нижняя плита; 7 – секция выталкивателя;

8 – нож; 9 – отлипатель; 10 – пружина; 11 – деталь

Общее усилие надрезки окна составляет:

Р = 258,94 + 21,53 = 380,48 кН.

Определяем усилие вытяжки-отбортовки по формуле

P'=P1'+Q1', (4.29)

где Р' – общее усилие отбортовки, Н; P1' – усилие, необходимое для вытяжки -

отбортовки, Н; Q1' – усилие прижима, Н.

Согласно данным [80]:

P1' = l,l • π • S • σт(D–d), (4.30)

где σт– предел текучести материала заготовки (σт=200 МПа);

76

d – размер отверстия до отбортовки (d = 344,5 мм); D – размер отверстия

после отбортовки (D = 381,0 мм).

Р1' = 1,1•3,14• 0,9•200(381 – 344,5) = 226 9245,78 H = 2269,25 кН.

Усилие прижима:

Q1'= 0,1•P1', (4.31)

Q1' = 0,1 • 2269,25 = 226,93 кН.

Общее усилие вытяжки - отбортовки:

Р' = 2269,25 + 226,93 = 2496,18 кН.

Расчет усилия деформации при обрезке детали по контуру, вырезке окна

и пробивке фигурного отверстия. Операция обрезки детали по контуру,

вырезка окна с размерами 396×397 мм и пробивка фигурного отверстия с

размерами 40×60 мм выполняется в штампе совмещенного действия.

Усилие, необходимое для выполнения этой операции, определяется по

формуле

P = P1 + Q1, (4.32)

где Р – общее усилие, Н; Р1 – усилие среза, Н; Q1 – усилие прижима-

съемника, Н.

P1=k•L•S•σср, (4.33)

где L – периметр обрезки припуска, вырезаемого и пробиваемого отверстия.

Согласно чертежу детали периметр среза L:

L = L1+L2+L3, (4.34)

где L1– периметр обрезаемого контура, мм; L2– периметр вырезаемого

отверстия, мм; L3 – периметр пробиваемого отверстия, мм.

Согласно чертежу детали: L1 = 522 + 508 + 514 + 545 + 230 = 2319,0 мм;

L2 = 2π R +2l1 + 2l2, (4.35)

L2 = 2•3,14•64 + 2•394 + 2•395 = 1979,92 мм;

L3 = 2π R3 + 2l3 (4.36)

L3 = 2–3,14– 20 + 2–10 = 125,6 + 20 = 145,6 мм.

Общий периметр L = 2319 +1979,92 +145,6 = 4444,52 мм.

77

Следовательно Р1 =1,3• 4444,52•0,9•240 = 124 8021,0 Н.

Q1=0,l•P1 (4.37)

Q1=0,1• P1=0,1•1 248 021,0=124 802,1 Н.

P=1 248 021,0 +124 802,1=1 372 823,1Н=1 372,8 кН.

Расчет усилия деформации при формовке детали. Операция формовки

детали выполняется в штампе простого действия с использованием

гидравлического пресса простого действия.

Усилие, необходимое для выполнения этой операции, складывается из двух

составляющих: 1) усилие гибки; 2) усилие формовки, т. е.

Pобщ = Р1 + Р2, (4.38)

где Р1 – усилие гибки, Н; Р2 – усилие формовки, Н.

Усилие гибки без калибровки определяется по формуле

P1=2,5B • S • σв • k2, (4.39)

где В – длина линии изгиба, мм; S0 – толщина материала (S0 = 0,9 мм); σв – предел

прочности штампуемого материала (σв = 330 МПа); k2=0,21 при rп /S = 1,0/0,9 = 1,11 и

rм/S = 1,0/0,9 = l,ll. Согласно чертежу находим: В = 418 + 522 + 514 = 1454 мм.

Р1 = 2,5 • 1454 • 0,9 •330 •0,21 = 22 6715,0 Н.

Находим усилие формовки Р2 по формуле

P2=p • F, (4.40)

где р – удельное усилие формовки (р = 50 МПа);

Площадь формовки:

F = b • 1, (4.41)

F = 12,0•1000 = 12 000 мм2 ; Р2=50 • 12 000 = 600 000,0 Н;

Р = 226 715,0 + 600 000,0 = 826 715,0 Н = 826,7.

78

4.2. Разработка методики расчета основных технологических параметров,

обеспечивающих точность формообразования деталей

Разработка методики по расчету технологических процессов базируется

на результатах исследований.

Вытяжка. При разработке методики по расчету технологических параметров

при изготовлении деталей коробчатой формы вытяжкой использовались

эмпирические зависимости и материал различных справочников технической

литературы, данных промышленных предприятий.

Полная отбортовка. По справочным данным определили коэффициент

отбортовки, который является основным параметром операции отбортовки [60; 93].

Используя методы точных и системных наук, включая современные, получены

уравнения регрессий, согласно которых рассчитывается размер отверстия под

отбортовку (dο = dο Котб), затем вычисляется расчетный коэффициент отбортовки детали,

он сравнивается с допустимым коэффициентом отбортовки. Если Котб ≤ Кпр, то

отбортовку возможно осуществить без предварительной вытяжки. Для

предварительной вытяжки устанавливается необходимая высота H выт= H дет – H отб;

усилие прижима фланца, чтобы отбортовать неполное отверстие по максимуму

(до разрушения кромки).

Вытяжка – отбортовка. В методике рассмотрены расчеты способа

отбортовки – получение горловины в заготовке с предварительно пробитым

отверстием и вытяжки-отбортовки. Новый способ штамповки отличается от

неполной отбортовки тем, что диаметр отверстия (d0) в полуфабрикате значительно

меньше, чем необходимо для полной отбортовки. Для обеспечения максимальной

экономии металла размер отверстия определяется, с учетом допустимого

коэффициента отбортовки, который, устанавливается на 10... 20% больше

предельного с целью полного исключения вероятности образования трещин на

внутренней кромке отверстия. Предельный коэффициент формоизменения

определяется по уравнениям регрессии, полученным многофакторным анализом.

79

Если Котб < Кпр, то применение вытяжки- отбортовки для изготовления

деталей возможно.

Для выбора рациональной технологии просчитываются все возможные

варианты изготовления детали, и выбирается технологический процесс,

обеспечивающий экономию металла.

Все расчеты ведутся согласно методике, схема которой представлена на

рис.4.8.

Рис. 4.8. Схема расчета параметров ресурсосберегающих технологий на основе

вытяжки-отбортовки

4.3. Экономическая эффективность практического использования

результатов исследований

Расчет экономической эффективности выполнен на основе методике в

соответствии с методическими указаниями, изложенными в публикациях.

Экономический эффект на одну деталь определяется по формуле

80

Э = (С1 + К1 ЕН) – (С2 + К2ЕН), (4.42)

где С1 ,С2 – себестоимость детали по действующему и проектируемому

технологическим процессам, руб; Кь К2 – капиталовложения по действующему

и проектируемому технологическим процессам, руб; Ен – нормативный

коэффициент эффективности использования капитальных вложений.

Себестоимость детали определяется

С=М + З + У + Ш + П + Н, (4.43)

где М – затраты на металл, руб; З – заработная плата штамповщика, руб;

У – затраты на установку и наладку штампов, руб; Ш – затраты на

эксплуатацию и амортизацию штампов, руб; П – затраты на эксплуатацию и

амортизацию прессового оборудования, руб; Н – накладные расходы, руб.

Затраты на металл устанавливаются из выражения

М = GмЦм – СоЦо, (4.44)

где, Gо, Цо– масса заготовки и отхода металла на одну деталь, кг; Цм, Цо –

стоимость 1 кг металла и отходов, руб.

Научные выкладки позволили реализовать практический выход с

плановым выпуском детали № 451В-5401330/331 «Панель боковины

внутренняя передняя» в виде технико-экономических показателей.

Показатели экономической эффективности представлены в таблице 4.3.

На основе разработанной новой методики расчета для изготовления

деталей коробчатой формы проведено усовершенствование технологического

процесса производства деталей автомобиля «УАЗ», отвечающее требованиям

ОАО «УМЗ».

Экономический эффект от внедрения составит 1 006 472 рубля. При этом

снижается норма расхода металла на одну деталь, уменьшается потребность

металлопроката на годовую программу на 13%, повышается коэффициент

использования металла.

Что подтверждает эффективность этой технологии (табл. 4.4–4.5).

81

Таблица 4.3

Технико-экономические показатели

п./п.

Наименование показателей

Единицы

измерения

Значения показателей

БВ ПВ

1 Годовая программа дет. 312 000 312 000

2 Объем производства реализуемой

продукции

руб. 9 607 104 9 048 936

3 Годовой расход металла т 801,84 741

4 Затраты на металл руб. 20 046 080 18 525 000

5 Стоимость ОПФ руб. 10 742 380 10 823 380 6 Количество технологического

оборудования

ед. 3 3

7 Численность рабочих, в том числе:

основных рабочих

чел.

чел.

13

7

13

7

8 Среднемесячная заработная плата:

основных рабочих

руб.

руб.

5 480,0 5

244,7

5 480,0

5 244,7

9 Трудоемкость на годовую программу ч 2 995,2 2 995,2

10 Себестоимость детали руб. 76,776 25,220 11 Уровень рентабельности

производства

% 27,78 26,88

12 Оптовая цена детали руб. 80,792 79,003

13 Снижение расхода металла т/% - 60,84/9,58 14 Коэффициент использования металла % 77 86

15 Годовой экономический эффект руб. - 1 006 472

В таблицах 4.4. - 4.5 на основании расчета приведены показатели для

определения себестоимости деталей по действующему процессу на

производстве и предлагаемой технологии.

82

Таблица 4.4

Расход металла по действующим и проектируемым технологиям

№ Номер и наименование

детали

Норма расхода

металла на одну деталь,

Снижение расхода на одну деталь

Снижение металла на программу

Коэффициент использования

металла

новая старая кг % кг новая старая

1 451В-5401330/331 Панель боковины внутренняя передняя

2,375

2,57

0,195

7,58

60 840,0

84

77

Таблица 4.5

Снижение затрат за счет внедрения металлосберегающих технологий

Вышеприведенные примеры использования результатов данной работы

показали, что методика расчета основных технологических параметров

позволяет с достаточной степенью точности для практического применения

разрабатывать и проанализировать действующие технологические процессы с

целью их усовершенствования и установления ресурсосберегающих

технологий изготовления детали, позволяющие повысить коэффициент

использования металла на 13 – 18% .

№ Номер и наименование

Себестоимость, руб. Экономический эффект, руб.

по действующей

С1

по новой С2 с учетом

Кдоп

на одну деталь

на годо- вую прог- рамму

1 451В-5401330/331 Панель боковины

75,740

74,184

1,556

1 521 000

83

4.4. Выводы

1. Усовершенствован технологический процесс изготовления детали

коробчатой формы с отверстием в донной части, позволяющий экономить

материальные ресурсы, уменьшить количество операции по обработке

давлением и повысить производительность труда при обеспечении показателей

качества в принятых условиях работы.

2. Рассчитан экономический эффект от использования результатов данной

работы.

3. Предложен штамп для расширения технологических возможностей

процесса, что позволяет сократить сроки изготовления. Научная идея,

выраженная натурально, запатентована. Получен патент на полезную модель

№ 69780 «Штамп для изготовления полых деталей с отверстием в донной

части».

84

Приложение 1

Формующий инструмент для изготовления детали №451В–5401330/331 –

«Панель боковины внутренняя передняя» вытяжкой-отбортовкой

85

Продолжение приложения 1

86

Продолжение приложения 1

87

Окончание приложения 1

Экспериментальная оснастка (общий вид)

88

,1

N

XX

n

ii

.

112

N

XXS

n

ii

Приложение 2

Расчет необходимого числа наблюдений для получения достоверных

результатов (параллельных опытов)

Расчет выполнен по методике, изложенной в работах [42, 56].

Среднеарифметическое значение (математическое ожидание) измеряемой

величины вычислено по формуле

где iX – значение измеряемой величины в i-м опыте; N – количество опытов.

Величина дисперсии найдена по уравнению

Из предположения, что распределение случайной величины подчиняется

закону Стьюдента с fc =N–1 степенями свободы, вычислена заданная точность

получения величины математического ожидания:

Квантиль распределения Стьюдента cf

t , при заданной доверительной

вероятности у =0,95 и уровне значимости =0,05 и при fc=N-1 определена по

данным работы [42].

Доверительные границы значений параметра при заданном уровне зна-

чимости 5% определены по формуле

nStXXcf

/,minmax, .

Необходимое число опытов при этом найдено по уравнению

22 / зо StN .

nStcfз /,

89

y = 86,90e-0,00x

R² = 0,85379

80

81

82

83

84

85

2 4 6 8 10 12

y = -0,069x2 + 0,457x + 84,22R² = 0,989

79

80

81

82

83

84

85

2 4 6 8 10 12

y = 87,89x-0,03

R² = 0,64979

80

81

82

83

84

85

2 4 6 8 10 12

y = -0,517x + 86,82R² = 0,857

78

80

82

84

86

88

90

2 4 6 8 10 12

y = -2,55ln(x) + 87,76R² = 0,653

78

80

82

84

86

88

90

2 4 6 8 10 12

Приложение 3

Регрессионный анализ зависимости Aф = f (Н)

Полиномиальная регрессия Экспоненциальная регрессия Степенная регрессия Линейная регрессия

Логарифмическая регрессия

90

y = -0,002x2 + 0,136x + 7,76R² = 0,984

8

8,2

8,4

8,6

8,8

9

2 4 6 8 10 12

y = 7,878e0,011x

R² = 0,9758

8,2

8,4

8,6

8,8

9

2 4 6 8 10 12

y = 0,551ln(x) + 7,563 R² = 0,9608

8,2

8,4

8,6

8,8

9

2 4 6 8 10 12

Продолжение приложения 3

Регрессионный анализ зависимости Dк = f (Н)

Полиномиальная регрессия Экспоненциальная регрессия

Степенная регрессия Линейная регрессия

Логарифмическая регрессия

y = 7,604x0,065

R² = 0,9668

8,2

8,4

8,6

8,8

9

2 4 6 8 10 12

y = 0,098x + 7,86R² = 0,978

8

8,2

8,4

8,6

8,8

9

2 4 6 8 10 12

91

y = -0,000x2 - 0,008x + 0,72R² = 0,972

0,54

0,59

0,64

0,69

0,74

2 4 6 8 10 12

y = 0,730e-0,01x

R² = 0,967

0,54

0,59

0,64

0,69

0,74

2 4 6 8 10 12

y = 0,761x-0,08

R² = 0,864

0,54

0,59

0,64

0,69

0,74

2 4 6 8 10 12

y = -0,010x + 0,726R² = 0,970

0,54

0,59

0,64

0,69

0,74

2 4 6 8 10 12

y = -0,05ln(x) + 0,754R² = 0,876

0,54

0,59

0,64

0,69

0,74

2 4 6 8 10 12

Окончание приложения 3

Регрессионный анализ зависимости Sк = f (Н)

Полиномиальная регрессия Экспоненциальная регрессия

Степенная регрессия Линейная регрессия

Логарифмическая регрессия

92

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе в ходе выполнения теоретико-экспериментальных исследований

решена актуальная задача и получены новые научные и практические

результаты:

1. Установлено, что одним из наиболее рациональных процессов

изготовления коробчатых деталей квадратной формы с отверстием в донной

части является совмещение операций вытяжки и отбортовки.

2. Разработана комплексная математическая модель с учетом линейного

закона упрочнения материала заготовки, позволяющая определять силовые и

деформационные условия, доминирующий вид формообразования при

совмещении операций вытяжки и отбортовки, и управлять процессом

штамповки за счет изменения размеров заготовки.

3. Определены предельные границы деформирования фланцевой и

донной частей заготовки при доминирующем процессе вытяжки или

отбортовки.

4. Изучен характер формоизменения заготовки с отверстием в донной

части в зависимости от условий осуществления процесса штамповки

коробчатых деталей. Получена регрессионная зависимость предельного

коэффициента отбортовки от относительной толщины материала заготовки и

относительного диаметра пробиваемого отверстия, используемая при выборе

диаметра пробиваемого отверстия в заготовке.

5. Разработана методика проектирования совмещенных процессов

вытяжки и отбортовки коробчатых деталей квадратной формы с отверстием в

донной части.

6. Показано, что погрешность между теоретическими и

экспериментальными значениями усилий и деформаций не превышает 15%.

7. Результаты работы позволили повысить коэффициент использования

металла на 18% при изготовлении детали с центральным отверстием в донной

части для автомобиля «УАЗ», что обеспечивает условный годовой

экономический эффект 1 006 472 рубля в ценах 2010 года.

93

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Аверкиев, А. Ю. Методы оценки штампуемости листового материала /

А. Ю. Аверкиев. –  М. : Машиностроение, 1985. – 176 с.

2. Аверкиев, А. Ю. Оценка штампуемости листового проката / А. Ю. Аверкиев //

Кузнечно-штамповое производство.-1987. –  №10. – С. 6 - 8.

3. Арышенский, Ю. М. Теория и расчеты пластического формоизменения

анизотропных материалов / Ю. М. Арышенский, Ф. В. Гречников.  –  М.  :

Металлургия, 1990. – 304 с.

4. Антонов, В. М. Особый способ вытяжки коробчатых деталей / В. М. Антонов //

Кузнечно-штамповое производство. – 1968. – №1. – С. 24-26.

5. Берлет, Ю. Н. О некоторых направлениях снижения расхода металла в

прессовом производстве / Ю. Н. Берлет, А. Ш. Мурасов, Ю. А. Титов //

Наукоемкие технологии товаров народного потребления: тез. докл. науч.-техн.

конф. ОАО Экспоцентр «Большая Волга». –  Ульяновск, 1997. –  С. 36-37.

6. Берлет, Ю. Н. Экспериментальные исследования процесса вытяжки,

совмещенной с отбортовкой / Ю. Н. Берлет, Ю. А. Титов // Вестник УлГТУ. –

1998. – №2. – С. 21-25.

7.  Берлет, Ю.Н. Об условиях протекания процесса вытяжки, совмещенного с

неполной отбортовкой / В. И. Филимонов, Ю. А. Титов // Кузнечно-

штамповочное производство. –  2000. –  №2. –  С. 20-24.

8. А. с. 1611511 СССР, МКИ3 В21 Д22/00. Способ изготовления полых деталей/

Ю. Н. Берлет, А. Ш. Мурасов, В. Ф. Макаров, С. А. Рыженков // Открытия.

Изобретения. – 1990. – №45.

9. А. с. 5013128/27, МКИ3 В21 Д22. Способ изготовления полых изделий с

отверстием в донной части / Ю. Н. Берлет, А. Ш. Мурасов, С. А. Рыженков,

В. Ф. Макаров // Открытия. Изобретения. – 1991. – №8.

10. А. с. 538767 СССР, МКИ3 В21 Д 22/02. Способ изготовления полых

деталей / Б. З. Богуславский, Е. С. Сизов // Открытия. Изобретения. – 1976. – №8.

94

11. Валиев, С. А. Комбинированная глубокая вытяжка листовых материалов /

С. А. Валиев. – М. : Машиностроение, 1973. – С. 52.

12. Вайнтрауб, Д. А. Технологические расчеты при вытяжке высоких

прямоугольных деталей / Д. А. Вайнтрауб. – Л. : ЛДНТП, 1969. – 28 с.

13. Валеев, С. А. Новая схема вытяжки коробчатых деталей / С. А. Валеев,

В. Н. Чудин // Кузнечно-штамповое производство. – 1970. – №2. – С. 22.

14. Валиев, С. А. Деформация анизотропного материала при комбинированной

вытяжке с утончением / С. А. Валиев // Технология машиностроения. – 1967. –

Вып. 1. – С. 129-136.

15. Головлев, В. Д. Расчеты процессов листовой штамповки / В. Д. Головлев. –

М. : Машиностроение, 1974. – 136 с.

16. А. с. 1423222 СССР, МКИ3 В21 Д22/00. Способ изготовления полых

деталей/ Е. Д. Голубкин, Е. Г. Кошевой, Б. В. Скидан, А. М. Башков //

Открытия. Изобретения.– 1988.– №34.

17. Ершов, В. И. Об одном из путей интенсификации процесса отбортовки

отверстий / В. И. Ершов, С. А. Федосова, А. И. Соболь // Кузнечно-

штамповочное производство. – 1983. – №4. – С. 20-22.

18. Ершов, В.И. Об одном способе интенсификации при отбортовке листового

материала / А. С. Чумадин, В. В. Ковалев // Кузнечно-штамповочное

производство, 1989. –  №4. –  С. 25‐26.

19. А. с. 703186 СССР, МКИ3 В21 Д19/00. Устройство для отбортовки /

В. И. Ершов, А. Г. Пашкевич, В. И. Глазков, М. Ф. Каширин // Открытия.

Изобретения. – 1979. – №46.

20.  Ефимов, В. И. Об одном из путей интенсификации процесса отбортовки

отверстий / В. И. Ефимов, А. С. Чумадин, В. В. Ковалев // Кузнечно-

штамповочное производство. –  1983. –  №4. –  С. 20-22.

21. А. с. 988412 СССР, МКИ3 В21 Д22/00. Способ вытяжки изделий /

Ю. Д. Железнов, В. Г. Шибаков, Л. А. Кузнецов, Л. А. Рябцева, И. Г. Шибанов //

Открытия. Изобретения. – 1983. – №2.

95

22. А. с. 988412 СССР, МКИ3 В21 Д22/00. Способ вытяжки полых изделий /

Ю. Д. Железнов, В. Г. Шибаков, Л . А. Кузнецов, Л. А. Рябцев, И. Г. Шибанов //

Открытия. Изобретения. – 1983. – №17.

23. Журавлев, В. Н. Машиностроительные стали : справочник / В. Н. Журавлев,

О. И. Николаева. – М. : Машиностроение, 1992. – 480 с.

24. Зажигаев, Л. С. Методы планирования и обработки результатов физического

эксперимента / Л. С. Зажигаев, А. А. Кишьян, Ю.И. Романиков. – М. : Атом-

издат, 1978. – 232 с.

25. Заявка №61-222641 (А) Int Cl В21Д22/08. Способ отбортовки отверстия /

Масааки Ода, Япония. 28.03.85.

26. Заявка №61-222642 (А) Int Cl В21Д19/08. Способ отбортовки отверстия /

Масааки Ода, Япония. 28.03.85.

27. Зубцов, М. Е. Листовая штамповка / М. Е. Зубцов. – Л. : Машиностроение,

1980. – 431 с.

28. Ильюшин, А. А. Пластичность / А. А. Ильюшин. – М. ; Л. : Гостехиздат,

1948. – 346 с.

29. Исаченков, Е. И. Контактное трение и смазки при обработке металлов

давлением / Е. И. Исаченков. – М. : Машиностроение, 1978. – 208 с.

30. Исследование и разработка прогрессивных технологических процессов

вытяжки деталей, обеспечивающих снижение расхода металла. Отчет о НИР

(промежуточный) №24-30/185/ Ульяновский политехнический институт,

руководитель Берлет Ю. Н.; исполнитель Мурасов А.Ш. – Ульяновск, 1987. –

80 с. – инв. № ГР 0187. 00576.

31. Исследование, разработка и внедрение прогрессивных технологий

штамповки деталей осесимметричной формы. Отчет о НИР (заключительный)

№24-8/91. Ульяновский политехнический институт; руководитель Берлет Ю.Н.;

исполнитель Мурасов А. Ш.– Ульяновск, 1993. – 83 с. – Инв. № 02920012016.

96

32. Каюшин, В. А. Выворот концов труб с последующей отбортовкой /

В. А. Каюшин, И. П. Ренне // Кузнечно-штамповочное производство. – 1983. –

№4. – С. 22-25.

33. Ковка и штамповка: Справочник. В 4 т. Листовая штамповка / под ред.

А. Д. Матвеева ; ред. совет: Е. И. Семенов (председатель) и др. – М. :

Машиностроение, 1985-1987. – 544 с.

34. Колмогоров, В. Л. Механика обработки металлов давлением /

В. Л. Колмогоров. – М. : Металлургия, 1986. – 668 с.

35. Контактное трение в процессах обработки металлов давлением /

А. Н. Леванов, В. Л. Колмогоров, С. П. Буркин и др. – М. : Металлургия, 1976. –

157 с.

36. Кроха, В. А. Упрочнение металлов при холодной пластической деформации /

В. А. Кроха. – М. : Машиностроение, 1980. – 157 с.

37. Лебедев, А. А. Проблемы прочности / А. А. Лебедев, И. В. Маковецкий,

А. С Штукатурова. – М. : Машиностроение, 1981. – №2. – С. 41-44.

38. Лехницкий, С. Г. Теория упругости анизотропного тела / С. Г. Лехницкий. –

М. : Наука,  1977. – 416 с.

39. А.с. 1088842 СССР, МКИ3 В21 Д22/00. Способ изготовления полых

стаканообразных изделий / В. К. Лобанов, С. Д. Жовтобрюх, Ю. П. Слыш и др. //

Открытия. Изобретения. – 1984. – №16.

40. А. с. 1430136 СССР, МКИ3 В21 Д19/00. Способ отбортовки отверстий /

Л. П. Логунов // Открытия. Изобретения. – 1983. – №14.

41. Львовский, Е. Н. Статистические методы построения эмпирических формул /

Е. Н. Львовский. – М. : Высшая школа, 1988. – 239 с.

42. Макаров, Л. Л. К расчету профильных заготовок для вытяжки

цилиндрических деталей из анизотропных неоднородных материалов //

Технология машиностроения. – 1974. – Вып. 35. – С. 116-122.

43. Матвеев, Г. А. Исследование совмещений операций вытяжки и отбортовки /

Г. А. Матвеев. – М. : Труды МВТУ, 1983. – 118 с.

97

44. А. с. 889205 СССР, МКИ3 В21 Д22/02. Способ изготовления полых изделий

/ Г. А. Матвеев, В. Г. Кондратенко, Д. П. Чиркин, В. И. Грищенко // Открытия.

Изобретения. – 1981. – №46.

45. Матвеев, А. Д. Исследование границы между осессиметричными вытяжкой

и отбортовкой заготовки с отверстием на основе безмоментальной

конечноэлементарной модели/ А. Д.Матвеев, А. А. Рахман, С. А. Рыжслов [и

др.]. – МАМИ, ИАП АНСССР, УДК 593.621.735.

46. А. с .634816 СССР, МКИ3 В21 Д22/06. Способ раскроя полосы /

А. Ш. Мурасов // Открытия. Изобретения. – 1978. – №19.

47. А. с. 889205 СССР, МКИ3 В21 Д22/22. Способ изготовления полых изделий/

Г. А. Матвеев, В. Г. Кондратенко, Д. П. Чиркин, В. Н. Грищенко // Открытия.

Изобретения.– 1981.– №46.

48. Мурасов, А. Ш. Металлосберегающие малозатратные технологии листовой

штамповки / А. Ш. Мурасов, В. Ф. Макаров // Заготовительные производства в

машиностроении. – 2005. – №3.

49. А. с. 1155328 СССР, МКИ3 В21 Д22/00. Способ изготовления полых

изделий из листового материала / Г. А. Матвеев // Открытия. Изобретения. –

1985. – №16.

50. А. с. 1388145 СССР, МКИ3 В21 Д22/00. Способ изготовления полых

изделий с отверстием в донной части / А. Ш. Мурасов, Ю. Н. Берлет,

А. М. Рыженков, В. Ф. Макаров // Открытия. Изобретения. – 1988. – №14.

51. Металлы. Методы механических и технологических испытаний. – М. :

Издательство стандартов, 1988. – 388 с.

52. Методические указания. Методика выбора и оптимизации контролируемых

параметров технологических процессов // РДМУ 109 -77, Введено 01.07.87. –

М. : Издательство стандартов, 1987. – 64 с.

53. Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных

материалов: Справочное пособие. В 2 т. / под общ. ред. А. Г. Туманова. Т.2:

98

Методы исследования механических свойств металлов. – М. : Машиностроение,

1974. – 320 с.

54. Микляев, П. Г. Анизотропия механических свойств металлов /

П. Г. Микляев, Я. Б. Фридман. – М. : Металлургия, 1986. – 223 с.

55.  Патент 4005665 США, МКИ3 В21Д53/00. Формовка заготовок,

обеспечивающих минимальную высоту фестонов после вытяжки / Нишихара

Тосиро, Токахаси Нобауки // Открытия. Изобретения. – 1977. – №10.

56.  Патент 77099 ПНР, МКИ В21Д22/20. Способ получения заготовок для

вытяжки / Калиновский Жан // Открытия. Изобретения. – 1975. – №8.

57. Петерсон, Р. Коэффициенты конструкции напряжений / Р. Петерсон. – М. :

Мир, 1977. – 235 с.

58. Пластичность и разрушение / В. Л. Колмогоров, А. А. Богатов,

Б. А. Мыгачев и др. – М. : Металлургия, 1977. – 336 с.

59. Полухин, П. И. Сопротивление пластической деформации металлов и

сплавов / П. И. Полухин, Г. Я. Гунн и др. – М. : Металлургия, 1976. – 487 с.

60. Попов, Е. А. Величина изгибающего момента при вытяжке / Е. А. Попов //

Машины и технология обработки металлов давлением. – М. : Машгиз, МВТУ,

1958. – С. 95-99.

61. Попов, Е. А. Основы теории листовой штамповки / Е. А. Попов. – М. :

Машиностроение, 1977. – 278 с.

62. Попов, Е. А. Пути сокращения длительности технологического цикла при

листовой штамповке // Прогрессивная технология холодной штамповки /

Е. А. Попов; под ред. А. Н. Малова. – М. : Машгиз, 1955. – С. 144-160.

63.  Попов, И. П. Направленное изменение толщины листовой заготовки в

процессах пластического деформирования : учебное пособие / И. П. Попов.

Самара : Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2006. – 190 с.

64. А. с. 959872 СССР, МКИ3 В21 Д22/02. Способ изготовления полых деталей

с отверстием в донной части / Н. В. Потекушин // Открытия. Изобретения.–

1982. – №35.

99

65. Прогрессивные технологические процессы холодной штамповки /

Ф. В. Гречников, А. М. Дмитриев, В. Д. Кухарь и др.; под общей ред.

А. Г. Овчинникова. – М. : Машиностроение, 1985. – 184 с.

66. Попов, Е. А. Допустимый коэффициент отбортовки / Е. А. Попов. –

Вестник машиностроения. – 1951. – №3.

67.  Ременик, В. С. Отбортовка коробчатых деталей с широким фланцем /

В. С. Ременик // Кузнечно-штамповочное производство. – 1963. – №10.

68. А. с. 884795 СССР, МКИ3 В21 Д22/18. Способ изготовления полых изделий/

Л. Л. Роганов, А. Ф. Тарасов, В. С. Клеус // Открытия. Изобретения. – 1992. –

№12.

69. Рогожин, Н. В. Образование продольных трещин при вытяжке через две

матриц/ Н. В. Рогожин, И. П. Рене, В. П. Кузнецов // Обработка металлов

давлением. – Тула, 1971. – С. 109-117.

70. Романовский, В. П. Анализ напряженно-деформированного состояния в

начальной стадии процесса глубокой вытяжки / В. П. Романовский // Кузнечно-

штамповочное оборудование. – 1967. – №2. – С. 23.

71. Романовский, В. П. Процесс образования и расчет прочности опасного

сечения при глубокой вытяжке / В. П. Романовский // Кузнечно-штамповочное

оборудование. – 1968. – №9. – С.12.

72. Романовский, В. П. Справочник по холодной штамповке /

В. П. Романовский. – Л. : Машиностроение, 1979. – 520 с.

73. А. с. 188601 ЧССР, МКИ3 В21 Д22/28. Заготовка для вытяжки деталей /

Сарадин Жан, Машерник Оливер // Открытия. Изобретения. – 1981. – №7.

74. Сизов, Е. С. Сверхглубокая вытяжка полых деталей / Е. С. Сизов,

М. А. Бабурин, В. А. Горпынченко, А. Д. Тумасов // Кузнечно-штамповочное

производство. – 1996. – №1. – С. 24-27.

75. Скворцов, В. Н. Основы конструирования штампов для холодно-листовой

штамповки / В. Н. Скворцов. – М. : Машиностроение, 1972. – 387 с.

100

76. Смирнов, В. С. Теория обработки металлов давлением / В. С. Смирнов. –

М. : Металлургия, 1973. – 296 с.

77. Смирнов-Аляев, Г. А. Механические основы пластической обработки

металлов / Г. А. Смирнов-Аляев. – Л. : Машиностроение, 1968. – 271 с.

78. Сторожев, М. В. Теория обработки металлов давлением / М. В. Сторожев,

Е. А. Попов. – М. : Машиностроение, 1977. – 423 с.

79. Теория и расчеты пластического формоизменения анизотропных мате-

риалов / Ю. М. Арышенский, Ф. В. Гречников. – М. : Металлургия, 1990. –

304 с.

80. Теория обработки металлов давлением / И. Я. Тарновский, А. А. Поздеев,

О. А. Ганаро и др. – М. : Металлургия, 1963. – 627 с.

81. Теория пластических деформаций металлов / Е. П. Унксов, У. Джонсон,

А. Г. Овчинникова. – М. : Машиностроение, 1985. – 589 с.

82. Тимощенко, В.А. Новая технология вытяжки и отбортовки листовых

заготовок / В. А. Тимощенко, В. Н. Просяник // Кузнечно-штамповочное

производство. – 1986. – №12. – С. 12.

83. Чудин, В. М. Вытяжка некруглой заготовки из анизотропного материала /

В.М. Чудин, Б. С. Яковлев // Технология машиностроения. – 1987. –

Вып. №1.– С. 23-26.

84. Филимонов, В. И. Теория обработки металлов давлением /

В. И. Филимонов. – Ульяновск : УлГТУ, 2004. – 208 с.

85. Филимонов, В. И. Конструктивно-технологические особенности коробчатых

деталей, изготовляемых вытяжкой-отбортовкой / В. И. Филимонов,

Ш. Г. Калимулин // Автомобильная промышленность. – 2003. – №9. – С. 21-23.

86. Хилл, Р. Математическая теория пластичности / Р. Хилл – М. : ГИТТА,

1956. – 407 с.

87. Шевченко, К. Н. Основы математических методов в теории обработки

металлов давлением / К. Н. Шевченко. – М. : Высшая школа, 1970. – 351 с.

101

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................................................ 3

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ

В ОБЛАСТИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ КОРОБЧАТОЙ ФОРМЫ

ИЗ ЛИСТОВОГО МЕТАЛЛА

1.1. Сортамент коробчатых деталей. Область применения ................................ 5

1.2. Исследование вытяжки и отбортовки при изготовлении

различных заготовок ................................................................................................ 7

1.3. Анализ способов, направленных на экономию металла

при изготовлении деталей коробчатой формы с отверстием

в донной части .......................................................................................................... 9

1.4. Подходы к определению рациональных параметрических характеристик

процесса вытяжки - отбортовки .......................................................................................................... 11

ГЛАВА 2. МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА СОВМЕЩЕННОЙ ВЫТЯЖКИ-ОТБОРТОВКИ

ДЕТАЛЕЙ КОРОБЧАТОЙ ФОРМЫ В ПЛАНЕ

КВАДРАТНОЙ С ОТВЕРСТИЕМ В ДОННОЙ ЧАСТИ

2.1. Исходные данные и принятые допущения ...................................................... 22

2.2. Математическая модель процесса деформирования донной части

Заготовки .................................................................................................................. 23

2.3. Математическая модель процесса деформирования

фланцевой части заготовки .................................................................................... 28

2.4. Выводы .............................................................................................................. 37

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Объекты, средства и условия проведения

экспериментальных исследований ........................................................................ 38

3.2. Методика планирования экспериментов. Обработка и результаты

102

экспериментальных исследований ....................................................................... 40

3.2.1. Определение предельного коэффициента

формоизменения и его влияния на расход металла ............................................. 50

3.2.2. Анализ адекватности теоретической модели ................................... 56

3.3. Методика выбора заготовок и основные направления снижения расхода

металла при изготовлении коробчатых деталей вытяжкой, совмещенной

с отбортовкой ........................................................................................................... 57

3.3.1.Оптимизация заготовок для коробчатых деталей,

вытягиваемых в одну операцию ............................................................................ 57

3.4. Выводы ............................................................................................................ 61

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1. Особенности разработанных ресурсосберегающих технологий

листовой штамповки при изготовлении деталей коробчатой формы

вытяжкой-отбортовкой .............................................................................................. 63

4.1.1. Деталь №451В–5401330/331- «Панель боковины внутренняя

передняя» .............................................................................................................. 64

4.2. Разработка методики расчета основных технологических параметров,

обеспечивающих точность формообразования деталей .................................... 78

4.3.Экономическая эффективность практического использования

результатов исследования ...................................................................................... 79

4.4. Выводы .............................................................................................................. 83

ПРИЛОЖЕНИЯ ........................................................................................................... 84

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 92

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК ..................................................................................... 93

103

Научное издание

НИКИТЕНКО Валентина Михайловна ФИЛИМОНОВ Вячеслав Иванович

ПОПОВ Игорь Петрович

Разработка и совершенствование процессов формоизменения деталей коробчатой формы

из листовых заготовок вытяжкой-отбортовкой

Редактор М. В. Штаева

Компьютерная верстка Г. Н. Щербаков

ЛР №020640 от 22.10.97. Подписано в печать 18.07.2011. Формат 6084/16.

Усл. печ. л. 6,05. Тираж 50 экз. Заказ 764.

Ульяновский государственный технический университет 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, 32.

Типография УлГТУ, 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, 32.