Оптимізація конструкцій штампів

Для об’ємного штампування

10.6.1. Оптимізація конструкцій молотових штампів

10.6.2. Оптимізація конструкцій штампів КГШП

10.6.3. Оптимізація конструкцій штампів ГКМ

10.6.3. Оптимізація конструкцій штампів для видавлювання

 

Оптимізація конструкцій штампів

Для видавлювання

Оптимізація конструкцій штампів

Для об’ємного штампування

10.6.1. Оптимізація конструкцій молотових штампів

Об’ємне штампування виконують на штампувальних пароповітряних молотах, корбових гарячештампувальних пресах, а також на інших видах ковальсько-штампувального обладнання. На жаль, у цьому посібнику охопити штампи для виготовлення деталей на усіх видах обладнання немає можливості. Тому розглянемо оптимізацію конструкцій штампів молотових та пресових.

Молотові штампи – це переважно двокомпонентні штампи. Тому оптимізацію конструкцій таких штампів ведуть у двох напрямках. По-перше, треба мінімізувати масу та вартість кожного штампа. Очевидно, що висота верхнього Н_в та нижнього Н_н “кубиків” визначається масою упадних частин молота G_м і є величиною паспортною для даного молота. Отже розмір Н= Н_в+Н_н визначається технологією виготовлення штампованки (необхідною для виготовлення величиною G_м). А от розміри штампа в плані L∙В можна оптимізувати.

Математична модель вартості штампа В_ш має такий простий вигляд:

В_ш = (Н_в+Н_н) ∙L∙В∙γ∙Ц + В_мо. (14.02)

Тут Н_в, L, В та Н_н, L, В –розміри кожного з “кубиків”, з яких виготовляють штамп, м; γ – питома вага матеріалу штампа, т/м³; Ц – ціна однієї тони штампової сталі, грн/т; В_мо – вартість механічного оброблення штампа, грн.

Критерій оптимізації – мінімум вартості В_ш.

Очевидно, що величини γ, Ц та В_мо практично не залежать від розмірів штампа в плані (для певного молота, в якого маса упадних частин дорівнює G_м), а Н_в+Н_н – це величина задана. А от із зменшенням розмірів штампа в плані (L∙В) його маса і вартість зменшуються. Але із зменшенням L та В суттєво зменшується поверхня дзеркала штампа. Тому дзеркало піддається пластичній деформації (зминанню під дією ударних навантажень).

30.03.2013 21:07

Умова незминання дзеркала штампа має такий вигляд

L∙В - ΣA ≥ (q^-1)∙G_м (10.03)

Тут L та В – розміри штампа в плані, м; ΣA – сума поверхонь рівчаків на дзеркалі штампа, м²; q – допустиме навантаження на поверхню дзеркала з умови його незминання, т/м²; G_м – маса упадних частин молота, т.

Т ут ми маємо використати оптимізацію з обмеженням, яке визначається знаком ≥.

Умову (14.03) можна представити у вигляді:

L ≥ (G_м/q + ΣA)/ В. (14.04)

Мінімальну ширину штампа В можна розрахувати, використавши компонувальний ескіз (його можна накреслити на міліметровому папері), як суму розмірів: ширини чистового рівчака В_ч, усіх заготівельних рівчаків ΣВ_з та ширини перемичок між рівчаками ΣВ_п.

Суму поверхонь рівчаків ΣA можна визначити за допомогою планиметрування.

Маса упадних частин G_м визначається з розрахунків технологічного процесу, а допустиме навантаження на поверхню дзеркала з умови його незминання q можна вибрати з таблиці 14.1.

Таблиця 14.1

Рекомендації з вибору допустимого навантаження

на поверхню дзеркала з умови його не зминання [14]

Розміри штампів	q, м2/т
Дрібні штампи (для молотів з масою упадних частин до 3,15 тони) Середні штампи (для молотів з масою упадних частин від 3,15 до 6,3 тони) Крупні штампи (для молотів з масою упадних частин 6,3 тони і більше)	0,015   0,030   0,045

Розрахунки по формулі (14.03) для різних штампів дають різні значення L. Якщо розрахункове значення виходить значно меншим за довжину паза в бабі, то в останній можуть з’явитись вм’ятини. Закріплення в бабі наступного штампа, для якого L дещо більше, може призвести до руйнування останнього. Тому розрахунки довжини L бажано корегувати і приймати його значення таким, яке має відповідний розмір баби, а розмір В перераховувати.

Розглянуті розрахунки є наближеними. Вони стосуються лише штампів, що виготовлені зі сталі звичайних інструментальних марок та звичайних режимів їхнього термічного оброблення.

На кінець зазначимо, що таку оптимізацію називають умовною (бо вона має обмеження у вигляді нерівності (14.03), де q є певною константою, що визначається на підставі узагальнення виробничого досвіду).

Другий напрямок оптимізації конструкції молотового штампа полягає в тому, щоб попередити місцеве зминання дзеркала штампа через його перекоси в момент удару. Це спостерігається у тих випадках, коли центр тиску рівчака (ЦТР) штампа дуже віддаляється від центру штампа (ЦШ). Центр штампа це – проекція на поверхню дзеркала точки перетину осі хвостовика та осі плішки.

Наприклад, в процесі штампування гонка тепловозного дизеля 2Д-100 чистовий рівчак розташували симетрично відносно центра штампа (рис. 39, а). Це призводило до того, що в процесі штампування виникав значний за величиною момент F_д·е, який перекошував верхню частину штампу, а це спричиняло зминання штампа в області малої голівки гонка. Тому висота Н_м малої голівки поступово зменшувалась, а висота Н_в великої голівки – збільшувалась. Деталь отримували із спотворенням, а штамп досить швидко виходив з ладу через зминання дзеркала.

Щоб уникнути такого положення, треба визначити положення центру тиску рівчака штампа (ЦТР). Для цього можна рекомендувати будь-який з аналітичних методів. Але цей шлях доволі складний: він потребує високої інженерної кваліфікації. Можна запропонувати простий, але наближений спосіб. Він полягає в тому, що з високоякісного картону (або навіть із бляхи) треба вирізати контур штампованки, збільшений по усьому периметру на ширину ґратового містка b.

Методом двох підвішувань визначити його центр ваги. Припустити, що центр ваги вирізаного контуру приблизно збігається із центром тиску рівчака штампа і розмістити рівчак на дзеркалі штампа таким чином, щоб центр тиску рівчака штампа (ЦТР) збігався з центром штампа (ЦШ) (рис. 39, б).

Вісь плішки – виправити на малюнку.

Рис. 39. Неправильне (а) та правильне розташування чистового рівчака на дзеркалі штампа (б)

 

10.6.2. Оптимізація конструкцій штампів КГШП

Штампи кривошипних гарячештампувальних пресів (КГШП) – це багатокомпонентні штампи: вони складаються з постійного універсального блоку, який включає верхню та нижню плити, напрямні вузли у вигляді колонок і втулок, механізм виштовхування, опорні плити, опорні планки та елементи кріплення. Блок є універсальним елементом оснащення. У блок встановлюють і закріплюють змінні рівчакові вставанки (робочі елементи оснащення), в яких зроблені порожнини (рівчаки штампа), де здійснюють необхідну формозміну штампованки.

Рекомендації з проектування блоків та вставанок детально описані у довідниках, наприклад [т.2]. У сучасному виробництві використовують блоки двох типів: для круглих вставанок і для призматичних (рис. 10.20).

 

Рис.10.20. Блок для круглих (а) та для призматичних

вставанок (б). Для обох блоків показаний план низу

Конструкцію блоків (іноді їх неправильно називають пакетами) можна уніфікувати, а конструкцію робочих вставанок можна оптимізувати.

Уніфікувати блоки бажано з точки зору спрощення організації праці та зменшення витрат коштовної інструментальної сталі на вставанки. Оскільки для пресів 16…40 МН маса блоку складає 8,5…16,5 тонн, то встановлювати та знімати блок – це дуже трудомістка операція, яка значно ускладнює організацію виробництва, бо зміна блоку потребує багато сил і часу. Крім того, використання блоків для циліндричних вставанок не дозволяє регулювати положення вставанок і обумовлює перевитрати коштовної інструментальної сталі. У цих блоках посадкове місце для вставанки чистового рівчака фіксоване і має максимальний для даного преса діаметр. Тому усі рівчакові вставанки для цих блоків мають максимальні розміри, незважаючи на те, який саме діаметр вставанки необхідний для конкретної штампованки за розрахунками.

У ковальсько-штампувальному виробництві розповсюджені деталі як вісесиметричні (наприклад, фланці, колеса, втулки тощо), так і з подовженою віссю (плішки, гонки, важелі тощо). Штампування кожного з цих класів деталей можна виконувати у різних блоках: для циліндричних вставанок (рис.) та призматичних вставанок (рис.). Якщо ж використовувати блоки другого типу (під призматичні вставанки), то можна використати додаткові перехідні призматичні вставанки з дешевої машинобудівної сталі (наприклад, 40Х, 38ХС, 45), в яких є циліндричні посадкові отвори з нормалізованими діаметрами (від D^max до D_min), в яких рівчакова вставанка може надійно фіксуватись.

 

Оптимізацію конструкцій штампів для КГШП можна вести у двох напрямках.

По-перше, треба оптимізувати штамп за критерієм мінімуму вартості комплекту рівчакових вставанок, які закріплені за даним пресом та блоком, який у цей прес встановлений. Тут треба зауважити, що на кожен прес (КГШП) встановлюють блок, до якого проектують і виготовляють рівчакові вставанки. На жаль, процедуру оптимізації показати у цьому посібнику неможливо через те, що у кожному цеху своя специфічна номенклатура штампованок. Тут наведено лише узагальнені результати оптимізації у різних ковальсько-штампувальних цехах колишнього СРСР.

По-друге, треба оптимізувати конструкцію штампа за мінімумом браку (тут треба звертати увагу лише на конструкцію штампа, а не на технологію). Мається на увазі такий брак, як зміщення в площині з’єднання рівчакових вставанок. Звичайно, кількість такого виду браку може бути обумовленою і конструкцією, і технологією виготовлення вставанок, але за умов точного виготовлення перехідних призматичних вставанок кількість браку по зміщенню залежить виключно від конструкції та точності виготовлення блоку штампа. Детальні відомості про конструкцію та виготовлення блоку для КГШП наведені в роботі автора [?].

Слід зазначити, що процедура оптимізації в даному випадку також досить складна. Це пов’язане з тим, що математична модель виготовлення блоку визначається ланцюжками допусків на виготовлення багатьох елементів блока (допусками на отвори в напрямних колонках і втулках, проміжками між втулками та колонками, допусками на механічне оброблення кількох посадкових поверхонь тощо), які мають статистичний характер. Тому математична модель виявляється дуже складною і має інтерес виключно для технологів з механічного оброблення. Критерій оптимізації – мінімум відхилення в напрямках осей х та у опорних поверхонь блока, які визначають точність базування верхніх рівчакових вставанок відносно нижніх.

Незважаючи на те, що процедура оптимізації у підручнику не показана, допитливий читач може проаналізувати згадану статтю автора [?] і пересвідчитись у тому, що запропонована конструкція і технологія виготовлення блока забезпечує не тільки підвищену якість продукції, стійкість рівчакових вставанок, економію коштовної штампової сталі, але й зручність роботи налагоджувальника штампів.

10.6.3. Оптимізація конструкцій штампів ГКМ

Штампи горизонтально-кувальних машин (ГКМ) – це також багатокомпонентні штампи: вони складаються з двох змінних блоків (лівого рухомого та правого нерухомого), в яких закріплені рівчакові вставанки, а також постійного пуансонотримача, в якому розміщуються змінний комплект пуансонів.

Пуансонотримач є універсальним елементом оснащення. Рівчакові вставанки, та пуансони – робочими елементами оснащення. В них зроблені порожнини (рівчаки штампа), де здійснюють необхідну формозміну штампованки. Рекомендації по проектуванню штампів ГКМ детально описані у довідниках, наприклад [т.2].

Оптимізацію конструкцій штампів ГКМ можна вести у двох напрямках.

10.6.4. Оптимізація конструкцій штампів

для видавлювання

Теорія руйнування загартованих сталевих деталей ще не розвинена настільки, щоб отримати математичну модель руйнування пуансонів на підставі теоретичних підходів. Тому зараз математичні моделі будують на основі «чорного ящика».

На вході до «чорного ящика» діють: комплекс конструктивних чинників К₁, комплекс експлуатаційних чинників К₂, комплекс технологічних чинників К₃, які показані в таблиці 10.9. Тут наведені чинники, які можуть контролюватись і досліджуватись. Крім них можуть діяти випадкові чинники К_х, про дію яких ми не знаємо і керувати якими ми не можемо.

На виході чорного ящика отримуємо довговічність пуансона (кількість циклів навантаження до руйнування).

Математичну модель довговічності пуансона можна розглядати як імовірнісну (стохастичну) залежність числа циклів навантаження до руйнування інструмента від основних конструктивних, технологічних та експлуатаційних чинників, а також випадкових чинників К_х

N_р = η (К₁, К₂, К₃, К_х). (7)

Таблицю треба переглянути!!! Таблиця 2

Класифікація чинників, які визначають

довговічність інструмента для штампування

Група чинників	Найменування чинників
1.Конструктивні К1	1.1. Матеріал інструмента та його твердість 1.2. Форма і розміри елементів інструмента 1.3. Шорсткість робочих елементів інструмента 1.3. Попередні (збірні) напруження
2. Технологічні К2	2.1. Структура та механічні властивості матеріалу, який штампується 2.2. Залишкові напруження 2.3. Шорсткість поверхні
3. Експлуатаційні К3	3.1. Рівень навантаження і схема напруженого стану 3.2. Режим навантаження 3.3. Температура
4. Випадкові Кх	4.1. Пов’язані з технологічною дисципліною штампувальника 4.2. Пов’язані з технологічною дисципліною працівників штампо-інструментального цеху

Щоб зменшити число чинників у комплексах К₁, К₂, К₃, можна скористатись результатами аналізу механізму утворення тріщини. Тому для подальшого розгляду з комплексу К₁ приймаємо до уваги лише твердість пуансона Н та висоту калібрувального пояска пуансона l_к. Чинники D_п/d_р та R_п/d_р , які визначають концентрацію напружень в галтелі пуансона, не варіюватимемо, а їхні значення візьмемо такими, що забезпечують мінімальні коефіцієнти концентрації напружень у галтелі (які забезпечують максимальну стійкість): D_п/d_р = 1,02; R_п/d_р = 0,35. Крім того, не вважатимемо за чинник, який дуже впливає на стійкість інструмента, шорсткість, оскільки вона в процесі штампування встановлюється як рівноважна.

З комплексу К₂ приймаємо до уваги лише рівень навантажень: зусилля деформації F_д та зусилля витягання пуансона з видавленої деталі F_зв (зусилля зворотного ходу). Дослідженнями [Стац] встановлено, що для певної штампованки зусилля F_д та F_зв визначається висотою калібрувального пояска пуансона l_к.

Технологічні чинники (комплекс К₃) при розробленні математичної моделі довговічності можна враховувати наступним способом. Отримувати залежність (7) для кількох варіантів термічного оброблення інструмента, що забезпечують різні структури інструментальної сталі за умов певної твердості.

Випадкові чинники (комплекс К_х) враховувати неможливо через їхню невизначеність.

Таким чином, стохастичну залежність (7) можна представити у значно спрощеному вигляді

N_р = η (H, l_к). (8)

Далі треба будувати цю залежність для кожного конкретного виду інструмента. Для цього треба використати факторний аналіз, прийнявши модель другого порядку

N_р= C₀₀ +C₁₁H +C₁₂H² +C₂₁l_к + C₂₂ l_к² +С₃₃H l_к , (9)

де C_ij – коефіцієнти, які визначають для кожного конкретного інструмента у кожному конкретному цеху на підставі спеціально поставлених експериментальних досліджень.

Для їхнього визначення треба провести мінімум 9 експериментів у відповідності з таблицею 3.

Щоб підвищити вірогідність моделі, на кожну точку факторного експерименту треба провести кілька дослідів і вирахувати середнє значення. Для отримання математичної моделі довговічності пуансона для штампування чашки велосипеда (Харківський велозавод) провели по три досліди на точку.

Отримали такі данні (табл. 4). По цих даних підтвердили гіпотезу про однорідність дисперсій, відтворюваність результатів, визначили коефіцієнти регресії, за критерієм Стьюдента встановили їхні значимості, за критерієм Фішера виконали перевірку адекватності моделі. На підставі розрахунків встановили, що коефіцієнт С₃₃ виявився незначущим.

Таблиця 3.

Центральний ортогональний план другого порядку (k = 2)

Дослід	№№	х0	х1	х2	х12- 2/3	х22- 2/3	х1 х2	yi
План 2к		+1 +1	-1 +1 -1	-1 -1 +1	1/3 1/3 1/3 1/3	1/3 1/3 1/3 1/3	+1 -1 -1 +1	y1 y2 y3 y4
Зіркові точки		+1 +1	-1 +1	-1 +	1/3 1/3 -2/3 - 2/3	- 2/3 - 2/3 1/3 1/3		y5 y6 y7 y8
Нульова точка		+			- 2/3	- 2/3		y9

Після виконання розрахунків та переходу від кодованих змінних до натуральних отримали математичну мо- дель довговічності пуансона для холодного штампування чашки велосипеда в такому вигляді

N_р= – 6,175·10⁶ + 2,097·10⁵H –1,793·103H² +

+3,066·10⁴l_к –3,066·10³l_к². (10)

Аналіз цієї стохастичної залежності показав, що поверхня відгуку представляє собою еліптичний параболоїд. Вираз (9) можна представити у вигляді полінома другого ступеня відносно l_к (врахувавши, що C₃₃ →0)

C₂₂ l_к² + C₂₁ l_к + (C₀ + C₁₁H+ C₁₂H² – N_р) = 0, (11)

то можна стверджувати, що певним значенням H та N_р відповідає два значення l_к, які розташовані симетрично відносно лінії l_к* = – C₂₁/2C₂₂. А це означає, що поверхня відгуку має площину симетрії з координатою l_к = l_к*. Аналогічним чином встановлюємо, що поверхня відгуку має і другу площину симетрії з координатою H = H*.

Геометричне місце точок, координати яких задовольняють функції (11) за умов фіксованого значення довговічності N_р, – це еліпс із центром у точці l_к*, H*. Його можна назвати лінією постійного рівня довговічності і трактувати як проекцію на координатну площу l_к – H лінії перетину поверхні відгуку (11) площиною N_р = соnst.

 

Таблиця 10.4.

Експериментальні значення довговічності пуансонів

для штампування чашки велосипеда В1500603

(деталь – сталь 15Х, пуансон – Х12М)

Дослід	№№	Значення yi, по дослідах, тис. циклів	Середнє значення yi, тис.
yi1	yi2	yi3
План 2к		6,04 11,38 12,62 12,07	15,77 6,91 6,92 12,70	0,52 - 12,30 12,39	9,00 9,15 10,61 12,39
Зіркові точки		5,95 23,27 16,10 4,56	8,20 - 17,16 20,92	5,36 21,08 10,17 14,17	6,50 22,18 14,48 13,22
Нульова точка		25,40	32,06	-	28,73

Очевидно, що сукупність ліній постійного рівня L_і в координатній системі l_к – H дає чітке уявлення про довговічність пуансона в залежності від прийнятих основних чинників l_к та H. Домовимось називати таку геометричну інтерпретацію функції (11) діаграмою довговічності пуансона (рис. 34).

Тут біля еліпсів цифрами показана стійкість пуансона у тисячах циклів навантаження.

Отримана залежність має досить переконливе обґрунтування. Із збільшенням твердості межа текучості σ_0,2 збільшується, а тріщиностійкість К_1с зменшується. Тому при низькій твердості тріщина в галтелі утворюється після перших же циклів навантаження, але розповсюджується відносно повільно. Якщо ж твердість висока, то утворення тріщини у галтелі утруднюється, але швидкість її розповсюдження збільшується. За деяких проміжних значеннях твердості швидкість утворення й розповсюдження виявляються такими, що сумарне число циклів навантаження до руйнування N_р виходить максимальним.

Рис. 34. Діаграма довговічності пуансона

Розмір калібрувального пояска пуансона l_к впливає на довговічність тому, що від l_к залежить зусилля витягання пуансона з видавленої деталі (зусилля зворотного ходу F_зв), а також навантаження на калібрувальний поясок Т_к.

При великих розмірах l_к значення F_зв велике. Це означає, що початкова тріщина збільшується швидко. Зменшення l_к спочатку зменшує F_зв, оскільки зменшується площа тертя, але далі сильно зростає через обтікання голівки пуансона металом деформованої заготованки на початковій нестаціонарній стадії штампування, а через це й до збільшення F_зв. Тому і малі l_к також призводять до швидкого збільшення тріщини. Отже, максимальну довговічність пуансони мають при певному значенні l_к, яка відповідає певному значенню F_зв.

Аналіз поверхонь руйнування пуансонів зі сталі Х12М, загартованих на різну твердість, які мали різні розміри l_к, показав, що, незалежно від значення l_к, із збільшенням твердості зона утоми скорочується, а зона доламування збільшується. Це свідчить про зменшення К_1с із збільшенням твердості Н. Незалежно від твердості Н зона утоми виявляється тим більшою, чим менше l_к відрізняється від оптимального значення l_к*.

Таким чином, максимальна довговічність пуансона для штампування чашки велосипеда може бути отримана в тому разі, коли Н = (58,5 ± 0,5) HRC та l_к = (4,5 ± 0,5) мм. За цих умов маємо максимальну довговічність пуансона N_р^max= 25 300циклів.

Отже, математична модель руйнування пуансонів для холодного штампування – це стохастична залежність, для визначення якої треба у конкретних виробничих умовах на реальному інструменті провести дослідження, визначити коефіцієнти C_ij, побудувати діаграму довговічності, а тоді за її допомогою визначити оптимальні параметри Н та l_к, які забезпечують максимальну довговічність.

Так само треба вчинити, якщо необхідно оптимізувати параметри матриці. Проте слід зазначити, що зараз методи розрахунків матриць розвинуті настільки, що їхнє руйнування у виробничих умовах практично виключене.