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.

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.

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.