Процесс выдавливания конических зубчатых колес

Для формообразования давлением зубчатых колес разработаны два тина штампов — с размещением матрицы на верхней или нижней плите, В первой конструкции штампа предусмотрено выполнение подвижной промежуточной плиты (рис. 1.14, а), в полости которой размещают заготовку, а во второй — заготовка находится в матрице. С целью выбора наиболее благоприятного для формообразования штампа и возможности разработки рекомендаций по его использованию был выполнен комплекс исследований по определению влияния схемы деформирования и воздействия теплового режима на качество и стойкость инструмента при изготовлении конических зубчатых колес горячим выдавливанием.

Фрагменты конструкций штампов для получения поковок зубчатых колес

Рис. 1.14. Фрагменты конструкций штампов для получения поковок зубчатых колес с верхним (а) и нижним (б) расположением матрицы

и поперечное сечение (в) бандажированной матрицы с каналами для размещения термопар (А, В, С — точки, в которых приварены

термопары):

1 — матица; 2 — бандаж; 3 — заготовка; 4 — поковка; 5 — промежуточная плита; 6 — пружина; 7 — пуансон; 8 —- выталкиватель

 

Для выдавливания поковок зубчатых колес использовали цилиндрические заготовки (диаметр 35 мм, высота 35,5 мм) из стали 40Х. Случайные погрешности по массе заготовок, вызванные резанием абразивным кругом проточенного по диаметру прутка, имели вероятностный характер с нормальным распределением и не превышали 2 % от средней массы заготовок.

Выдавливание поковок колес осуществляли на прессе мод. КВ2132 в штампах, фрагменты схем которых приведены на рис. 1.14. Предполагалось, что деформирование материала в указанных штампах должно протекать одинаково и получаемые поковки не будут отличаться друг от друга. Однако все поковки, полученные на штампе с верхним расположением матрицы, имели значительный, как правило, асимметричный торцевой заусенец, высота которого изменялась от 1 до 8 мм (рис. 1.15, а).

 Процесс выдавливания конических зубчатых колес

Рис. 1.15. Снимки поковок зубчатых колес, изготовленных в штампах с верхним (о) и нижним (б) расположением матрицы

 

Торцевой заусенец поковок, изготовленных с использованием штампа с нижним расположением матрицы (см. рис. 1.14, б), был симметричным, а его высота не превышала 1 мм (рис. 1.15, б). Образование различных как по размерам, так и по форме торцевых заусенцев при получении поковок по рассматриваемым схемам свидетельствует об отличии протекания процесса деформирования в штампах с верхним и нижним расположением матрицы.

Для выяснения отличия протекания деформирования в таких штампах сначала рассматривался процесс формообразования поковки по схеме, приведенной на рис. 1.14, а. При наличии значительных сил трения, возникающих в процессе формообразования, между деформируемой заготовкой и рабочими поверхностями матрицы, металл заготовки, двигаясь в одном направлении с матрицей, затягивается в зазор между пуансоном и матрицей (сопрягаемые размеры пуансона и матрицы выполняли по скользящей посадке). При этом незначительная асимметрия расположения заготовки относительно матрицы приводит к появлению торцевого заусенца в виде выступа (см. рис. 1.15, а). При деформировании до второй схеме (см. рис. 1.14, 6) совместное перемещение металла заготовки и матрицы отсутствует, а возникающее на заключительном этапе формообразования максимальное давление не вызывает образования значительного по величине торцевого заусенца.

Образующийся у поковок, получаемых в штампе с верхним расположением матрицы, торцевой заусенец смещает пуансон относительно матрицы и вызывает появление заусенцев на его боковой поверхности. Смещение оси пуансона относительно оси матрицы приводит к увеличению вероятности его преждевременного разрушения и браку поковок из-за несоответствия расположения и размеров их полости предъявляемым требованиям.

Следует отметить, что использование направляющих колонок, проходящих через промежуточную плиту, для устранения смещений пуансона в процессе деформирования, как показали эксперименты, позволяет избавиться от брака при изготовлении поковок. Однако высота образовавшегося при этом симметричного торцевого заусенца составляла 4…6 мм, что вызывало образование заусенцев на поверхности пуансона и приводило к частым заклиниваниям промежуточной плиты (см. рис. 1.14, а), исключавшим ее возврат в исходное положение, т.е. при такой схеме деформирования не обеспечивается надежность работы штампа. Кроме того, следует отметить увеличение машинного времени механической обработки поковок из-за наличия у них заусенцев, которые значительно больше, чем у поковок, полученных в штампе с нижним расположением матрицы. Следовательно, можно сделать заключение, что более благоприятной является схема деформирования с нижним расположением матрицы.

Для определения влияния тепловых условий деформирования на размерную точность поковок и стойкость инструмента экспериментально измеряли температуру матрицы в процессе выдавливания поковок колес. Проведение таких измерений было обусловлено тем, что известные расчетные методы недостаточно совершенны и, как правило, требуют использования данных, которые в конечном счете рекомендуется определять экспериментально.

Температуру матрицы измеряли в трех точках: А, В и С. С этой целью в поперечном сечении штампа были выполнены полости в контейнере и забандажированной матрице (см. рис. 1.14, б, в). В указанных точках матрицы приваривали хромель-алюмелевые термопары, которые с помощью светолучевого осциллографа НО.4301 позволяли регистрировать изменения температуры во времени с точностью ±10 °С.

Для нагрева заготовок использовали комбинированный нагрев (печной — до 700 СС, индукционный — до температуры выдавливания), что было обусловлено необходимостью варьирования темпа выдавливания с минимальным временем выдержки заготовки перед формообразованием При температурах интенсивного образования окалины. При индукционном нагреве заготовок температуру их торцевой поверхности измеряли миллископом ФЭП-4М, что обеспечивало контроль нагрева заготовок с температурными отклонениями, не превышающими ±10 °С. При достижении требуемой температуры нагрев заготовок автоматически прекращался.

При эксплуатации тепловое состояние матрицы в указанных точках определяли в зависимости от способа нанесения смазки (в качестве смазки использовали суспензию графита в масле) на ее гравюру и температуры предварительного подогрева штампа при различных темпах выдавливания.

На рис. 1.16 приведены характерные осциллограммы изменения температуры в исследуемых точках матрицы. Температурный цикл выдавливания можно разделить на две стадии — нагрев и охлаждение (разбиение цикла на более короткие по времени стадии приведено в работе).

Для оценки необходимого числа экспериментов, обеспечивающих достоверность получаемых результатов, предварительно выдавливали 30 поковок. При этом продолжительность цикла получения поковки составляла 18 с. Поскольку каких-либо отклонений в закономерности изменения температуры для второго и третьего десятков поковок по сравнению с закономерностями, полученными для 6..50 поковок, не наблюдали, то в дальнейших исследованиях в каждом случае ограничивались выдавливанием 15 поковок.

 

 Процесс выдавливания конических зубчатых колес

 

Нагрев матрицы — первая стадия температурного цикла выдавливания характеризуется быстрым подъемом ее температуры до максимальных значений причем роста значения для каждого из выбранных темпов выдавливания тср (18…65 с) и температур предварительного подогрева штампа tв (20… 160 °С) не наблюдалось. Имевшие место колебания значений 1Ы (буквенный индекс указывает точку, в которой проводили измерения) для каждого из режимов выдавливания не превышали 100 °С. Температуры г 1с соответственно не превышали 460 и 400 °С. Такие повышения температур не сказываются на прочностных свойствах матрицы, поэтому характерные осциллограммы изменения температур в точках Б и С приведены лишь для одного режима выдавливания (рис. 1.16, кривые 4 и 5 соответственно).

Охлаждение матрицы — вторая стадия температурного цикла выдавливания характеризуется постепенным снижением температуры от максимального значения  до (рис. 1Л 6, кривые 1,7), которая устанавливается к моменту следующего цикла выдавливания. Нанесение смазки на гравюру заметно нарушало плавный характер снижения температуры матрицы лишь в точке А (кривые 3, 6). Температуры £2 яри выбранных режимах выдавливания устанавливались после первых 2…6 циклов. Значения установившихся температур при темпе выдавливания 65 с на неподогретом штампе — 20 °С) не превышали 100 °С. Для г2 так же, как и для имело место изменение ее значений, но их разность не превышала 50 °С.

Температура (кривая 1) при интервале между циклами выдавливания, равном 65 с, на неподогретом штампе примерно на 10…15 % ниже (кривые 2„ 3, 6), возникавших в процессе получения поковок на подогретом штампе с более высоким темпом выдавливания. В связи с этим для повышения стойкости инструмента следует рекомендовать конструкции штампов с периодически использующейся быстросменной матрицей, заменяемой за меньший, чем темп выдавливания, промежуток времени. При этом матрицу следует изготавливать из материалов, неразрушающихся при возникающих тепловых ударах. С этой же целью можно использовать конструкции подогреваемых штампов, в которых применяют матрицы, изготовленные из твердосплавных материалов, характеризующихся склонностью к хрупкому разрушению при возникающих без подогрева штампа градиентах температур.

Для определения влияния смазки на тепловое состояние матрицы при установившемся тепловом режиме (кривые 1,2, 7 на рис. 1.16) получали несколько поковок без смазки, а затем наносили ее на гравюру матрицы перед каждым последующим формообразованием либо полностью заполняли смазкой рабочую полость матрицы в интервалах между циклами выдавливания.

Для получения данных об изменениях температуры матрицы, вызванных указанными способами ее охлаждения, сопоставляли характерные осциллограммы для установившихся режимов выдавливания (кривые 2, 3, б). Из анализа значений для данных осциллограмм очевидно незначительное влияние охлаждающего воздействия смазки на инструмент даже при обильном ее нанесении (кривая 6). Тем не менее, используемая смазка обеспечивает термостабилизацию режима работы штампа и может быть рекомендована для промышленного производства зубчатых колес.

Кроме рассмотренных факторов, определяющих максимальные температуры разогрева матрицы, значительное влияние на нее оказывает время контакта поковки с гравюрой матрицы. Действительно, сведение к минимуму времени такого контакта путем одновременного удаления пуансона и поковки сразу после окончания ее формования из полости матрицы, как было установлено, позволяет более чем на 20 % понизить максимальные температуры разогрева матрицы при выдавливании на подогретых штампах. Осциллограмма изменения температуры при таком извлечении поковки в установившемся режиме выдавливания приведена на рис. 1.16, кривая 7. Такое снижение tx подтверждает возможность достижения высокой стойкости матриц при использовании для их изготовления сталей с температурами отпуска выше 650 °С, обычно рекомендуемых для штампового инструмента для деформирования в горячем состоянии (сталь 5ХЗВЗМФС).

Следует отметить, что на зафиксированные колебания температур и t2 в основном влияет время контакта поковки с гравюрой матрицы, поскольку в проведенных исследованиях время пребывания поковки в матрице менялось из-за неавтоматизированного включения после выдавливания автономного выталкивателя.

Для определения влияния различных режимов выдавливания на размеры поковки измеряли диаметр ступицы, который выбрали в качестве контролируемого размера для упрощения проведения замеров. Первые шесть поковок, полученных на неподогретом штампе, отличались по указанному размеру от поковок, изготовленных при установившихся температурах разогрева матрицы, на 10…30 мкм. Практически в тех же пределах изменялся контролируемый размер у поковок, выдавленных на предварительно подогретом штампе. Такое непостоянство размеров можно объяснить различиями теплового состояния штампа, возникающими из-за несоблюдения постоянного темпа выдавливания и размеров деформируемых заготовок.

Все приведенные выше результаты были получены при выдавливании заготовок, нагретых до 1050 °С (температура торцевой поверхности после индукционного нагрева). Ступенчатое снижение температуры нагрева заготовки на 50 °С с 1050 до 900 °С приводило к увеличению контролируемого диаметра ступицы в среднем на 25 мкм по сравнению с соответствующим максимальным размером поковок, полученных при более высокой (на 50 °С) температуре нагрева заготовок, для каждого изменения температуры. Это обусловлено возрастанием величины усилий деформирования и, соответственно, упругой деформацией матрицы. Отметим, что слой окалины на ступице для поковок, полученных при нагреве заготовок до 1050 °С, не превышал 50 мкм. При снижении температуры нагрева заготовок до 900 °С слой окалины на поковках уменьшался примерно на 10 мкм.

Поскольку в рассматриваемом процессе формообразования наибольшие отклонения размеров поковки будут наблюдаться на ее большем габаритном размере, то на основании проведенных измерений можно утверждать, что предлагаемая технология обеспечивает получение качественных поковок с размерами профиля зубьев, не требующих доводочных операций. .Этот вывод был подтвержден анализом точности всех параметров полученных колес.

Проведенные исследования указывают на необходимость использования в процессах выдавливания конических зубчатых колес подогреваемых штампов с нижним расположением матрицы, в которых предусмотрена система извлечений поковки из полости матрицы сразу же после ее формования. Кроме того, они дают представления о требованиях, которые следует предъявлять к материалам, используемым для изготовления матриц, для повышения их стойкости, и подтверждают, что применение горячего выдавливания в технологическом процессе изготовления конических зубчатых колес позволяет уменьшить трудозатраты, сэкономить материалы и сократить число зубообрабатывающих станков.

Комментариев нет »

Комментариев нет.

RSS-лента комментариев к данной записи. TrackBack URI

Оставить комментарий