Ульяновский государственный технический университет

1
Инновационные технологии 21 века
в области машиностроения
«Повышение коэффициента использования
металла при изготовлении коробчатых деталей
типа квадратной формы с отверстием в донной
части в совмещенных процессах вытяжки и
отбортовки»
Ульяновский государственный технический университет
студенты кафедры «Материаловедение и ОМД»
машиностроительного факультета
Крещенова Ксения Александровна гр. ОМбд-21
Журтубаев Дмитрий Константинович гр. ОМбд-31
Научный руководитель проекта к.т.н., доцент кафедры «МиОМД», УлГТУ
Никитенко Валентина Михайловна
vm_nikitenko@mail.ru
Область практического применения коробчатых
деталей с отверстием в донной части
Бак топливный
Зеркала УАЗ
Облицовка радиатора
Классификатор коробчатых деталей
Панель двери передняя наружная
бампер УАЗ
2
Существующие аналоги технологии
формообразования деталей
1. Перераспределение деформации с помощью:
а) зажимов
б) предварительного
деформирования заготовок
Вытяжка с зажимом
в донной части
А.С. № 1155328 Г. А. Матвеев
Способы раскроя:
3
2. За счет уменьшения
растягивающих
тангенциальных напряжений
Отбортовка с промежуточной
вырезкой наиболее
Отбортовка : а)-с коническим встречным
Вытяжка и отбортовка
упрочненной части
пуансоном
б)-с поддерживающими
с зажимом боковых сторон
полуфабриката А.С.
втулками Устройство для интенсификации
А.С. 889205
№4422756/31-27
процесса отбортовки отверстий
В. Г. Кондратенко
Способ изготовления полых
В. И. Ефимов
изделий
Ю. Н. Берлет
Форма заготовки
согласно
рекомендаций
В. В. Шевелева,
С. П. Яковлева
Отбортовка с предварительной
вытяжкой боковых сторон коробки
А.С. 1388145 Способ изготовления
полых изделий с отверстием в донной
части А.Ш. Мурасов
Реверсивная отбортовка
А.С. 703186 Устройство для
отбортовки В. И. Ершов
4
Цель работы. Повышение коэффициента использования
металла при изготовлении коробчатых деталей типа
квадратной формы с отверстием в донной части в
совмещенных процессах вытяжки и отбортовки
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1.
2.
3.
4.
5.
Разработать комплексную математическую модель совмещенных процессов
вытяжки-отбортовки коробчатых деталей квадратной формы с отверстием в
донной части.
Оценить влияние основных технологических параметров на напряженно –
деформированное состояние заготовки с отверстием, силовые режимы и
предельные возможности при совмещении операций вытяжки и отбортовки.
Создать методику проектирования технологического процесса изготовления
коробчатых деталей квадратной формы из плоских заготовок с предварительно
пробитым отверстием, размеры которого меньше размеров отверстия в донной
части готового изделия.
Провести экспериментальные исследования при совмещенной вытяжкеотбортовки квадратных коробчатых деталей с целью подтверждения
достоверности результатов теоретического анализа.
Разработать практические рекомендации по совершенствованию совмещенного
процесса вытяжки-отбортовки коробчатых деталей квадратной формы с
отверстием в донной части в условиях промышленного производства на ОАО
«УАЗ».
Исследовательский характер проекта .
5
Материалы, технологическая оснастка, оборудование
Материал
исследовани
й
S0 ,
мм
rп , rм
мм
Размер
заготовок
мм
Сталь 08 Ю
0,6;0,7; 1,0
3, 5, 7
100х100
Сталь 08 пс
0,8; 1,0
3, 5, 7
Ø 86
Сталь 08 кп
1,0; 1,2
3, 5, 7
Ø 88
Экспериментальная оснастка трех типоразмеров
Факторы, влияющие на формоизменение заготовки
Рабочая зона штамповки на
гидравлическом прессе с использованием
синтетической водорастворимой смазки
СИНЭРС-В
S – толщина заготовки; D – размер
0
заготовки; rп и rм –радиусы закругления
кромок пуансона и матрицы; h –глубина
вытяжки ; Рпр -усилие прижима ; ап –
размер пуансона; Рвыт- – усилие вытяжки;
ΔS – относительное утонение стенки в
опасном сечении детали; Ф –
фестонообразование; ΔА’ – относительное
изменение размера фланца.
6
Влияние технологических факторов:
1. На фестонообразование
1- h/aп = 0,27
2- h/aп = 0,33
3- h/aп = 0,4
4- h/aп = 0,47
1- Рпр/Рвыт = 0,201
2- Рпр/Рвыт = 0,172
3- Рпр/Рвыт = 0,143
4- Рпр/Рвыт = 0,115
Влияние усилия прижима на фестонообразование
Влияние глубины вытяжки на фестонообразование
Максимальное значение степени фестообразования
(ΔФ) составляет 2,7. Т. О., размеры плоской заготовки в направлениях фестонов
можно уменьшить до 2%, а это равноценно повышению КИМ до ~ 4%.
2. На утонение стенки в опасном
сечении
1- Рпр/Рвыт = 0,201
2- Рпр/Рвыт = 0,172
3- Рпр/Рвыт = 0,143
4- Рпр/Рвыт = 0,115
Влияние глубины вытяжки
на утонение
1- h/aп = 0,27
2- h/aп = 0,33
3- h/aп = 0,4
4- h/aп = 0,47
Интенсивное снижение (ΔФ) с увеличением усилия прижима
наблюдается при больших значениях степени деформации –
глубины вытяжки
ΔА – относительное изменение размера фланца.
Основные виды брака при получении
деталей вытяжными операциями:
Влияние усилия прижима
на утонение
7
Сравнительный анализ процесса
деформирования заготовки при изготовлении деталей
-
S% 0
-4
-8
-12
-16
-20
-24
-28
-32
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11
1
2
d0=10ì ì
S0=1ì ì
Aâû ò =85ì ì
H=12ì ì
à)
34
5
6
7
8
9
10 11
á)
Изменение относительно утонения в опасном сечении детали ( S), в
процессе котором превалирует отбортовка
Изменение размера фланца(Аф) и диаметра
отверстия (dк ) в зависимости от глубины
вытяжки (Н)
Еd=f(Еф) Относительные деформации на кромке отверстия; Еd и
фланца Еф для So=0,7мм; ____do=8мм - - - -do=10мм;
глубина
вытяжки, мм
Предельная степень деформации на краю отверстия =33%
При S0 = 1,0 мм и Рпр = 10 и 15 кН заготовки размером: для обычной вытяжки 87, 1 -92,0 мм и для вытяжки-отбортовки – 85,6 мм.
Для толщины S0 = 0,7 мм : 82, 2- 92,7 мм и 80,7 мм
Определение предельного формоизменения
при отбортовке
Ê î òá=d0 /dÊ
Результаты экспериментов на образцах из сталей группы 08:
0,9
S0, мм
0,5
0,7
0,8
0,9
Aзаг,
мм
rм,
мм
d0, мм
H, мм
Dк, мм
Aф, мм
5
5
5
5
10
10
8
12
15
14
12
18
11,2
11,6
9,8
13,6
76
90,5
90,5
86
82
100
96
88
0,7
0,8
0,8
Aзаг
96
100
96
Rм
5
5
5
0,7
Ê î òá=d0 /dÊ
d0
12
10
8
H
Dк
14
14,5
9,8
Aф
13,5
11
9,8
99,5
93,6
90,5
0,8
-S0 =0,75 ì ì
-S 0 =0,75-0,72 ì ì
-S 0 =0,75 ì ì
Aзаг
Rм
d0
H
dк
100
100
100
5
5
5
10
12
8,5
15
12
14
10,5
12,8
9
0,5
d
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Котб= dо / dд= 0,75 dо –диаметр отверстия плоской заготовки = 87,0 мм;
dд – диаметр отверстия детали с учетом припуска
-S0 = 0,5 ì ì
d
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Ê î òá=d0 /dÊ
Aф
96
98
100
-S0 = 0,70-0,71 ì ì
0,7
äë ÿ ñòàë è 08ï ñ
0,5
0,7
0,7
0,6
0,5
0,6
S0
äë ÿ ñòàë è 08ê ï
0,8
0,9
S0
8
S 0
,
9

100

100
 
0
,
77
А
заг 116
на обрезку =116мм
Согласно рекомендации В.П. Романовского (d/S0) . d0=87, мм
Т.О. Котб < Котб.доП (не превышает 2,1), применение вытяжки-отбортовки
возможно за один переход.
0,9
äë ÿ ñòàë è 08Þ
0,8
0,7
0,6
0,5
-S0
-S0
-S0
-S0
-S0
=0,7 ì ì
=0,48-0,49 ì ì
=0,78-0,80 ì ì
=0,80 ì ì
=0,70-0,71 ì ì
d
Результаты влияния факторов на величину
АФ=f(h)
контролируемого параметра
Полиномиальная регрессия
Экспоненциальная
Степенная регрессия
регрессия
Aф
Aф
Aф
Линейная регрессия
Aф
h
h
h
D = f (h)
К
9
h
Аф- размер фланца, мм
Dk
Dk
h
Dk
h
Sk
SК = f (h)
h
Dk- конечный диаметр отверстия, мм
Sk
h
h
Sk
Sk
h
h
h
Sk- конечная толщина, мм; h- глубина вытяжки, мм.
h
Оценка предельного коэффициента
деформирования в процессе вытяжки-отбортовки
10
Котб.пр =f(SО/dО ;dО/АВЫТ)
Зависимость предельного деформирования К отб. пр.
от относительного диаметра отверстия dо/Авыт:
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 - соответственно для
S0/dо = 0,01; 0,02;0,03; 0,04; 0,05 ;0,06; 0,07
Зависимость предельного деформирования К отб.пр.
от относительной толщины материала S0/dо:
для стали 08 кп 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 – соответственно
для dо/Авыт : 0,1;0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7
1 для dО/АВЫТ 0,1
2
0,2
3
0,3
4
0,4
5
0,5
6
0,6
7
0,7
SО/d
О
dО /Авыт
1 для SО/dО 0,01
2
0,02
3
0,03
4
0,04
5
0,05
6
0,06
7
0,07
Зависимость предельного коэффициента деформирования (Котб.пр ) от относительной толщины материала (SО/dО ) и от
относительного диаметра пробиваемого отверстия (dО /АВЫТ)
Оценка преимущественного процесса
деформирования
11
1


Р
 
Max
Р
,
Р

Р
sin

д ф
к
Р – сила, развиваемая на пуансоне; Ркп – необходимое значение силы
контр-прижима, обеспечивающее преимущественное деформирование фланца
 д  T0
Интенсивность
деформации
на кромке
отверстия
t
Преимущественные виды процесса формообразования
 
Усилие прижима:


 
Pпр  e f a  dS0   отб   ф   иф р  e f a
-для увеличения предельного
коэффициента отбортовки,
 d
0
 c
i
1 c

– продольная деформация разрушения
при данной схеме НДС
-степень использования запаса t
пластичности материала
в процессе
 d i –деформация
Условия изготовления
учитывали рекомендации
0
деталей вытяжкойКолмогорова В. Л.
отбортовкой:
Р ф  1, преимущест венное деформирование фланцевой части заготовки;
  
Р
 1, преимущест венное деформирование донной части заготовки.

-показатель преимущественной реализации процесса формообразования
 уф   T 0
 д  T0
σð, σфу - напряжение, передаваемое наклонному участку
заготовки в угловой зоне донной и фланцевой частей
заготовки;σТ0 - экстраполированный предел текучести
Перспективность внедрения по результатам 12
расчетов и экспериментальных данных совмещенного
процесса
Анализ адекватности
теоретической модели
Усилие на пуансоне
……..
Экспериментальное
Теоретическое
ЗИС
Интенсификация процесса вытяжки-отбортовки
Схема совмещенного процесса
вытяжки-отбортовки
Принятые допущения:
1. Боковые участки фланца или дна заготовки не оказывают
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 НДС участков заготовки совпадают
(идентичность коэффициента Лодэ);
5. Интенсивность деформаций угловых зон фланца и дна
заготовки изменяются линейно по радиусу;
6. Трение на скругленных участках инструмента
учитывается по закону Эйлера, а на плоских участках – по
закону Амонтона-Кулона.
Схема конструкции штампа совмещенного действия
согласно патента на полезную модель №69780
а) НДС участков детали
б) расположения рабочих
деталей штампа
1- верхняя плита
2-пуансон- матрица
3-прижим-сьемник
4-обрезной пуансон
5-прижим
6-пружина-сьемника
7-нижняя плита
8- основание
9-матрица вырубная
10-прижим нижний
11-толкатель
12-выталкиватель
13-пуансон для вытяжки,
матрица для обрезки припуска
14-прижим нижний
15- пружина сьемника
16- упор
17-исходящий материал
18- вытягиваемая деталь
19- отход внутренний
13
Продукция проекта. Методика расчета
технологических параметров
на основе вытяжки-отбортовки
14
Маршрут технологического процесса
15
по изготовлению детали номенклатуры ОАО «УАЗ»
Действующий
1. Резка листа на полосы
1200
_______________
___________________
560
560
1. Резка листа на полосы
1200
_______________
___________________
Предлагаемый
2. Вырубка заготовки из полосы
2. Вырубка заготовки из
полосы,
3. Вытяжка детали на глубину 7 мм
3. пробивка отверстия
4. Вытяжка-отбортовка
4. Пробивка отверстия
5. Вытяжка- отбортовка с общей высотой
полуфабриката
6. Вырубка дефектного слоя внутренней части
заготовки.
7.Подсадка размеров с получением высоты 20, 5 мм
8. Обрезка детали по фланцу
9. Пробивка дна
обрезка детали внутренней части и
по фланцу,
5. пробивка дна
Практические рекомендации по использованию 16
технологии изготовления кузовной детали на основе
Чертеж детали
вытяжки-отбортовки
Техническая значимость проекта
от использования полученных результатов в
производстве:
Заготовка
для штамповки
Способ
изготовления
Для
вытяжки
Для
вытяжки и
вытяжиаотбортовки
Для
вытяжки –
отбортовки
Для
двойной
вытяжки –
отбортовки
Размер
исходной
заготовки
D,мм
217
203
190
190
Норма расхода материала по весу на одну деталь:
-для процесса (базовый вариант предприятия ОАО «УАЗ »):
Рм=2570 грамм;
-для процесса вытяжки-отбортовки (предлагаемый вариант):
Рм=2378 грамм
Увеличение КИМ – 9,5%
Экономия металла на годовую программу = 60, 84т