НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Научный руководитель: Кондратенко Владимир Григорьевич, к.т.н., профессор кафедры МТ-6

      Большой процент от общего числа штампуемых поковок в современном машиностроении принадлежит поковкам типа шестерен. Помимо обычных шестерен с малыми ступицами, в промышленности требуются шестерни с одной или двумя увеличенными ступицами. В массовом и крупносерийном производствах штамповка подобных деталей производится на молотах и кривошипных горячештамповочных прессах (КГШП) с использованием открытых и закрытых штампов. Получение поковок в открытых штампах характеризуется большим расходом металла на заусенец, при этом, если штамповка ведется на молоте, то еще нужно учитывать повышенные припуски и напуски по сравнению с КГШП. В этом случае, в массовом производстве количество металла, идущего в отход достаточно велико, что в настоящее время недопустимо. Вследствие этого, в промышленности наиболее рациональным является применение штамповки на КГШП в закрытых штампах. Это объясняется еще и тем, что для получения поковок с высокими ступицами требуется выталкиватель. К недостаткам закрытой штамповки можно отнести требования повышенной точности изготовления оснастки и точной дозировки металла в штамп. При этом КГШП стоит в 2?2,5 раза дороже, чем эквивалентный ему молот. Сегодня проблемы с дозировкой металла и контролем успешно решаются при помощи электроники и вычислительной техники, а использование КГШП, у которого производительность выше, чем у молота, влечет за собой значительную экономию металла.
      Технологический процесс штамповки обычных шестерен состоит из операций осадки и окончательного формоизменения, который не позволяет получать поковки с высокими ступицами из-за большой относительной высоты заготовок, так как возможна потеря устойчивости. Разработанная технология штамповки шестерен в закрытых штампах на КГШП является однопереходной, включающей в себя две стадии как для получения малых (рис.1а), так и больших (рис. 1б) ступиц. Ее особенностью является применение проката малого диаметра, то есть заготовок со сколь угодно большим соотношением высоты к диаметру. Использование таких заготовок позволяет повысить точность дозировки металла в штамп, так как чем меньше размеры проката, тем допуск меньше и соответственно выше точность. Первая стадия процесса (предварительная) это радиальное выдавливание в кольцевую полость, вторая (окончательная) - осадка. Выдавливание необходимо для избежания потери устойчивости заготовки при последующей осадке. В реальном технологическом процессе после нагрева необходимо избавиться от окалины, вследствие чего добавляется операция предварительной осадки на 15% от высоты заготовки. Практически установлено, что такой степени осадки хватает для полного удаления обезуглероженного слоя.
      Теоретически, высота предварительно выдавленного фланца должна определять значения силы и работы деформирования данного процесса. В целях исследования влияния этой величины на общие энергетические затраты оборудования проведено исследование на гидравлическом прессе УИМ-50 с применением экспериментального штампа. В качестве заготовок использовались три одинаковых прутка с размерами 50x105. В качестве материала заготовок был выбран свинец, так как в пластическом состоянии он наиболее полно отражает течение стали при температуре штамповки.

Рис. 1. Получаемые поковки типа шестерен:
а) с малыми ступицами; б) с увеличенными

      Эксперимент включал в себя стадию радиального выдавливания заготовок в кольцевую щель с последующей осадкой. Высота кольцевой щели варьировалась при помощи специальных вставок, вследствие чего изменялся ход деформирования при осадке. Во время работы фиксировалось изменение силы в зависимости от хода ползуна, и в результате было получено шесть графиков. Обработка полученных данных велась на ЭВМ в программе MATHCAD, при помощи которой удалось математически описать функции сил от хода. Проинтегрировав полученные функции, нашли работы деформирования. Полная работа деформирования равна сумме работ на стадиях выдавливания и осадки. Сравнение полученных значений работ показало, что при увеличении высоты полости радиального выдавливания энергетические затраты оборудования уменьшаются.
      Вторая серия экспериментов была посвящена изучению процесса штамповки поковок с увеличенными ступицами. В целях снижения силы и работы деформирования, во время стадии осадки разгружалась осевая часть заготовки с одной или с двух сторон, путем удаления части экспериментальной оснастки (нижний и верхний пуансоны). В результате уменьшался размер контактной поверхности заготовки с инструментом, и металл свободно тек в осевом направлении. В связи с этим, возникла необходимость экспериментального определения полости (верхней или нижней), которая быстрее заполняется металлом во время осадки. Это важно для наилучшего расположения ручьев в штампе в том случае, когда поковка имеет разные по длине ступицы. Деформирование велось поэтапно и через каждые 10 мм, замерялись характерные величины. Результаты замеров представлены на рис. 2, из которого явно видно, что верхняя ступица заполняется быстрее почти в два раза. Сплошная линия отражает изменение высоты нижней ступицы, а штрихпунктирная верхней соответственно.

Рис. 2. Зависимость высоты ступиц от хода деформирования