Перейти к основному содержанию

Расчет штамповки корпусов - "Уральский завод электрических соединителей "Исеть" 

Целью данной работы был анализ различных вариантов штамповки изделия "Тройник" на механическом прессе К8336, с целью выявления потенциальных дефектов и выбора наилучшей технологии производства для внедрения в цехе.

Исходные данные для моделирования:

  • Оборудование: Механический пресс: К8336
  • Рабочий ход: 130 мм.
  • Количество ходов в минуту: 50 ход/мин
  • Номинальное усилие: 400 тс. (4 МН)
  • Смазка: Масло цилиндровое 52 ГОСТ 6411-76
  • Материал заготовки: АВ ГОСТ 4784-97 отожженный.
  • Температура заготовки в начале процесса: 20°С
  • Материал инструмента: сталь Х12МФ ГОСТ 5950-2000
  • Температура верхнего и нижнего инструментов: 20°С
  • Конечное расстояние между инструментами: 1 вариант - 4 мм  между пуансоном нижним и пуансоном внутренним 2 вариант - 3,6 мм между пуансоном верхним и вставкой

Для принятия решения о приемлемости техпроцесса, необходимо было определить следующие параметры:

  • заполнения штампа;
  • усилие деформирования;
  • образование дефектов;
  • напряжения в инструменте

Решение задачи проводилось в ПО QForm. В программе есть возможность отображения контактных областей инструмента с заготовкой, они показываются синим цветом. Мы смогли легко обнаружить области, где металл не касается инструмента.

 

Контакт с инструментом

 

Оказалось, что во втором варианте происходит незаполнение полостей штампа при достижении заданного расстояния 3,6 мм. Потери металла при переразбиении сетки в программе QForm практически не происходит. Она составила 1 мм3 (0,014 %) при начальном объеме заготовки 7210 мм3 и не может являться причиной незаполнения. Поэтому предполагаемыми причинами были выбраны:

  • Некорректное построение геометрии инструментов в CAD приложении.
  • Использование грубых параметров экспорта созданных трехмерных моделей в формат STEP.
  • Неправильный выбор размеров начальной заготовки.

Увеличение объема заготовки на 6 % позволило добиться заполнения полостей штампа (рис. 6). Однако в этом случае заполнение наступало уже при расстоянии между штампами 4,26 мм, дальше шло выдавливание металла в компенсаторы. Таким образом, необходимо было незначительное увеличение объема заготовки для полного заполнения.

 

Контакт штампа и заготовки

 

При моделирования существующей технологии штамповки корпуса (вариант 1) дефектов типа зажим или прострел выявлено не было. При моделировании второго варианта штамповки был выявлен конструктивная особенность верхнего штампа, приводящая к срезу металла с дальнейшим образованием заусенца и вероятным его проникновением вглубь металла (рис справа от текста). 

Расчеты также показали образование зажима (рис. 10, 11 справа) в верхней части поковки (красные точки), что говорило о высокой вероятности образования дефекта на зубце в реальном процессе. На иллюстрациях Вы также сможете увидеть следующие визуализации:

  • Распределение температуры по сечению и поверхности штамповки
  • Распределение степени деформации по сечению и поверхности штамповки

Для заполнения полости штампа прессу требуется 1,0 МН для первого варианта и 0,7 МН для второго варианта (рис. 17, 18). После заполнение усилие резко увеличивается, что говорит о необходимости точного определения объема заготовки во избежание заклинивания пресса. 

Специалисты "Нова-Инжиниринг" также выяснили, что в процессе закрытой штамповки возникают высокие напряжения, вследствие чего стойкость инструмента является одной из самых важных характеристик с точки зрения снижения себестоимости. Расчет напряженно-деформированного состояния согласно рекомендациям разработчиков проводился для предпоследнего шага расчета, когда полное заполнение еще не наступило (рис. 19).

Эквивалентные напряжения (рис. 20, 21) для нижнего штампа в 1,5 раза превышают напряжения для верхнего, однако, по величине значительно ниже предела текучести стали Х12МФ.

Средние напряжения сжатия не превышают допустимых (рис. 22, 23). При этом уровень растягивающих напряжений 1100 МПа в районе канавок (рис. 23б) и компенсаторов может приводить к их повышенному износу. В общем, по прочностным показателям инструмент работал в допустимых пределах.

Показатели износа верхнего и нижнего инструментов  отличались в 1,65 раза (рис. 24, 25). Наибольший износ происходил на верхнем инструменте в области края горизонтальной поверхности. Для нижнего инструмента наибольший износ в области канавок и компенсаторов (рис. 25б).

На рис. 26 представлены смещенные в результате упругой деформации контура инструментов. Они приведены с масштабом для лучшего представления. На их основе мы смогли определить попадание детали в поля допусков. Помимо этого в программе автоматически был создан инвертированный контур инструмента, который был скомпенсирован на величину прогиба. С его помощью получили деталь точной формы и размеров.

 

Далее рассмотрим результаты результаты расчета для второго варианта.

Распределение эквивалентных напряжений для верхнего (а) и нижнего (б) штампов (иллюстрации справа от текста) показывает, что верхний инструмент нагружен чрезвычайно сильно (рис. 27а, 28а). Напряжения в 2140 МПа превышают предел текучести, при этом эта величина характерна не для полного заполнения гравюры. Наибольшие напряжения приходится на часть штампа, на которую приходится наибольшее усилие при заполнении гравюры – в данном случае это рельефная часть, и особенно место контакта этой рельефной части с вертикальной цилиндричной поверхностью центральной части штампа (рис. 28а). Согласно данным, приведенным на рис. 29а, рис. 30а. в этом месте возникают максимальные растягивающие напряжения, порядка 1700 МПа. Это приведет к появлению трещин с последующим разрушением поверхности. Таким образом, стойкость верхнего инструмента в этом варианте будет чрезвычайно низка.

Нижний инструмент работает в пределах, допустимых напряжений. Наибольшие растягивающие напряжения не превышают 200 МПа. При этом наибольшие эквивалентные напряжения порядка 1050 МПа возникают в зоне формирующей внешний поясок детали (рис. 30б).

По износу показатели обоих штампов близки (рис. 31, 32). Наибольшие значения на кромках переходов вертикальных и горизонтальных поверхностей (рис. 32). Увеличение радиусов помогли снизить показатели износа.

На рисунках 32 и 33 (справа) Вы можете увидеть показатели износа для верхнего (а) и нижнего (б) штампов: масштаб, разрез и эквивалентные деформации штампов. Эквивалентные деформации верхнего штампа превышают значения на нижнем практически в 10 раз, как и значения для первого варианта технологии. Таким образом, для получения качественного изделия были заложены закладывать дополнительные припуски на механическую обработку.

Выводы тезисно:

  • Штамповка первого варианта показала его осуществимость и технологичность. В металле не возникает больших напряжений, наибольшие деформации накапливаются в области тонких элементов. Максимальные значения температуры разогрева порядка 100°С также наблюдаются в этой зоне. Рабочий инструмент работает в допустимых пределах по напряжениям. Наибольшее значение показателя износа характерно для верхнего штампа. Дефектов деформации обнаружено не было.
  • При моделировании второго варианта выявился ограничение конструкции штампа, небольшой переход – ступень 0,5 мм при штамповке срезает поверхность металла, приводя к образованию заусенца и последующий его «зажим»
  • Введены радиусы скругления в месте перехода. Расчет показал, что в данном месте при штамповке дефект не образуется. Однако, при этом показатель износа для этой области достаточно высок. Также в этой зоне происходит интенсивный разогрев металла.
  • Проведен расчет штамповки второго варианта технологии с модифицированным штампом.
  • Штамповка по второму варианту показала возможность образования дефектов – зажимов на зубцах «короны».
  • Прочностной расчет инструмента выявил места концентрации высоких напряжений в верхнем штампе. Наибольшие напряжения порядка 2150 МПа наблюдалось в местах стыка зубцов и вертикальной поверхностью внутренней части штампа. В это же зоне возникают наибольшие растягивающие напряжения 1700 МПа. При этом эта картина наблюдается еще до полного заполнения гравюры штампа. Эти явления могут приводить к образованию микротрещин и преждевременному выходу из строя инструмента.
  • Второй вариант технологии является возможным, но трудно осуществимым. Возможность образования зажимов на зубцах, в зависимости от ответственности данных зон, может приводить к отбраковке части изделий. Однако наибольшее влияние на осуществимость процесса оказывает выбор инструментальной стали. Эквивалентные напряжения, превышающие предел текучести материала, и высокий уровень остаточных напряжений приведет к низкой стойкости инструмента из существующей стали.
Изображение проекта