Разработка и исследование ресурсосберегающего способа ковки заготовок, обеспечивающего повышение качества поковок

     Анализ  распределения напряжений на контактной поверхности показывает, что с увеличением соотношения u_г/u_в происходит смещение линии раздела пластического течения от середины и постепенно реализуется однопоточная схема течения металла, что обуславливает более интенсивное развитие сдвиговых деформаций в объеме металла. Для оценки энергосиловых параметров процесса по значениям давлений на контактной поверхности и напряжений контактного трения вычислены деформирующее усилие, приходящееся на единицу длины заготовки. График изменения деформирующего усилия (рисунок 3, а) показывает, что при u_г/u_в=2 и u_г/u_в=3 (кривые 2 и 3) значение деформирующего усилия почти в два раза ниже чем при u_г/u_в=1 и при осадке. Такое снижение значений деформирующего усилия с увеличением u_г/u_в связано с уменьшением площади контакта при отрыве части поверхности заготовки от инструмента и меньшими значениями давления на контактной поверхности при реализации интенсивной сдвиговой деформации. Вместе с тем при деформировании по рассматриваемой схеме возникает горизонтальная сила, которая возрастает с увеличением соотношения u_г/u_в (рисунок 3, б).  

а)

б)

0 - u_г/u_в=0 (осадка); 1 - u_г/u_в=1; 2 - u_г/u_в=2; 3 - u_г/u_в=3 

Рисунок 3 – Изменение усилий деформирования (а) и горизонтальной силы (б) в ходе нагружения 

     Сопоставление показателей напряженно-деформированного состояния заготовки и энергосиловых параметров процесса при различных значениях u_г/u_в показывает, что наиболее лучшие показатели получаются при соотношениях u_г/u_в=2¸3 и деформировании заготовки инструментом с грубо обработанной рабочей поверхностью без применения смазки. Дальнейшее увеличение u_г/u_в может быть ограничено, из-за возможного опрокидывания заготовки при интенсивном отрыве поверхности заготовки от поверхности инструмента. Результаты конечно-элементного моделирования процесса деформирования заготовок можно применить в целях создания теоретической базы данных для возможных случаев их реализации в практической деятельности различными инструментами.

     Для реализации интенсивных сдвиговых  деформации заготовки по вышеуказанной  схеме деформирования предложен кузнечный инструмент с плоскими рабочими поверхностями (рисунок 4), который отличается от существующих инструментов отсутствием сложных узлов, что улучшает его монтаж, наладку и эксплуатацию.

     Инструмент  работает следующим образом. В исходном положении (рисунок 4, а) бойки разведены, и заготовка 4 подается между ними. При ходе ползуна пресса вниз верхний боек 1 через рабочую вставку 2 давит на заготовку 4, в результате противодействия со стороны заготовки 4 рабочая вставка 2 перемещается по наклонной плоскости верхнего бойка 1. Благодаря этому поверхности соприкосновения рабочей вставки 2 и нижнего бойка 5 воздействуют на обрабатываемую заготовку 4 как в нормальном, так и в касательном направлениях, вызывая одновременно её обжатие и поперечный сдвиг за счет противоположно направленных сил контактного трения со стороны рабочей вставки 2 и нижнего бойка 5. После достижения необходимого сдвига заготовки (рисунок 4, б) верхний боек с рабочей вставкой поднимается вместе с ползуном пресса, а пружины 3 возвращают рабочую вставку 2 в исходное положение.  

а)

        б)  

1 – верхний  боек; 2 – рабочая вставка; 3 –  удерживающие пружины;  
4 – деформируемая заготовка; 5 – нижний боек;

а) – исходное положение; б) – конечное положение. 

Рисунок 4 – Схема деформирования инструментом, реализующий интенсивные сдвиговые деформации заготовки 

     Перемещение рабочей вставки u_р.в. при деформировании заготовки можно разложить на горизонтальные и_г и вертикальные и_в составляющие, при определенных соотношениях и_г/и_в которых как было установлено выше происходит наиболее лучше деформирование заготовки. Обеспечение требуемых значений соотношений и_г/и_в зависит от конструктивных параметров инструмента, машинного трения между рабочей вставкой и верхним бойком, деформационного трения между заготовкой и рабочей вставкой, реологических свойств материала, обрабатываемой заготовки.

     Для того чтобы рабочая  вставка начала перемещаться по наклонной  поверхности верхнего бойка, сила, действующая  со стороны заготовки, должна образовывать с нормалью к наклонной поверхности угол больше угла трения, т.е. для предлагаемого инструмента должно выполнятся следующее условие:

        

     a > a_тр.  (1) 

где a – угол наклона соприкасающихся поверхностей верхнего бойка и рабочей вставки;

a_тр – угол трения на соприкасающихся поверхностях верхнего бойка и рабочей вставки.

     При несоблюдении условия (1) деформирование заготовки будет осуществляться без перемещения рабочей вставки, т. е. будет осуществляться только осадка заготовки.

     При деформировании заготовки рабочие вставки, перемещаясь по наклонной поверхности, растягивают пружины 3 (рисунок 4). Для того чтобы при деформировании пружины работали только на растяжение, они в начальный момент должны быть перпендикулярны к наклонной поверхности бойка. Для обеспечения такого расположения до начала деформирования пружины необходимо устанавливать в несколько натянутом состоянии, с начальной (установочной) нагрузкой F_п.0., формула определения которой выведена из рассмотрения равновесия рабочей вставки до начала деформирования заготовки

      

      .  (2) 

где G – сила тяжести рабочей вставки;

n_п – количество пружин;

f – коэффициент трения на контактной поверхности рабочей вставки с верхним бойком.

     При этом жесткость пружины определяется по формуле: 

      ,  (3) 

где - задаваемое отношение начального растяжения пружины l₀ к длине разгруженной пружины Н₀.

     Сила  натяжение пружины в текущем  положении рабочей вставки равно  

      . (4) 

где l_п – удлинение пружины в текущем положении рабочей вставки.

     Угол j между исходным и текущим положениями, а также удлинение пружины l_п можно определить в следующем виде: 

      ,   (5) 

где и_р.в.отн – перемещение рабочей вставки относительно верхнего бойка;

Н₁=Н₀(1+k_п) – начальная (установочная) длина пружины.

     При деформировании на рабочую вставку  со стороны заготовки действуют вертикальная Р и горизонтальная Т силы (рисунок 5). Сила Р способствует перемещению рабочей вставки, а горизонтальная сила Т оказывает тормозящее действие движению рабочей вставки.  

Рисунок 5 – Схема действия сил на рабочую  вставку (а) в процессе деформирования заготовки и план сил (б) 

     Сила тяжести рабочей вставки G и сила натяжения пружины F_п малы по сравнению с силами Р и Т, в связи с чем во время деформирования ими можно пренебречь. Тогда, в соответствии с планом сил, представленной на рисунке 5, б, перемещение рабочей вставки возможно только при условии: 

       .  (6) 

     В противном случае перемещение рабочей  вставки невозможно из-за тормозящего  действия силы Т. Условие (6) показывает, что поперечный сдвиг заготовки рассматриваемым инструментом будет обязательно сопровождаться обжатием. Следует отметить, что значение соотношений Р/Т в первую очередь зависит от контактных условий между заготовкой и рабочей поверхностью инструмента.

     Для исследования влияния параметров предлагаемого  инструмента на технологические  показатели процесса деформирования проводилось математическое моделирование движения рабочей вставки. Движение рабочей вставки при поперечном сдвиге сложное, и состоит из переносного движения вместе с верхним бойком инструмента и относительного движения по наклонной поверхности верхнего бойка. Относительное движение рабочей вставки по наклонной поверхности верхнего бойка происходит под действием сил, показанных на рисунке 6.  

Рисунок 6 – Схема действия сил при  относительном движении рабочей  вставки  

     В соответствии со схемой, приведенной на рисунке 6, учитывая, что составлено дифференциальное уравнение относительного движения рабочей вставки в системе координат, связанной с верхним бойком: 

  (7) 

где т – масса рабочей вставки;

 – относительное ускорение  рабочей вставки в виде второй  производной от координаты х по времени t.

     Вышеприведенные результаты конечно-элементного моделирования  процесса деформирования заготовки при поперечном сдвиге показывают, что значения сил Р и Т зависят от соотношения v_г/v_в горизонтального и вертикального составляющих абсолютной скорости рабочей вставки и высотной деформации заготовки e_h. Вертикальные v_в и горизонтальные v_г составляющие абсолютной скорости рабочей вставки можно выразить через скорость верхнего бойка v_Б и относительную скорость рабочей вставки v_Отн., которая является первым производным от координаты х по времени t: 

      ,      . (8) 

     При равномерном движении верхнего бойка высотную деформацию заготовки e_h можно выразить через ход верхнего бойка и координату х рабочей вставки в следующем виде: 

        (9) 

где h₀ – начальная высота заготовки.

     Таким образом выражения (8) и (9) показывают, что силы Р и Т выражаются в виде функции от времени t, координаты х, первого производного : 

      ,     .  (10) 

     Формулы (4) и (5), показывают, что сила натяжения пружины F_п. и угол j являются функциями от относительного перемещения рабочей вставки и_{р.в.отн.}, т. е. от координаты х: 

      ,     .  (11) 

     Таким образом, функции (10) и (11), подставляемые в уравнение (7), показывают, что относительное движение рабочей вставки описывается нелинейным дифференциальным уравнением второго порядка: 

      

       , (12) 

где g – ускорение свободного падения.