Разработка технологического процесса изготовления детали «Кольцо»

Иванова Екатерина Алексеевна – студент кафедры Высокоэнергетических устройств автоматических систем Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.Устинова.

Аннотация: В данной статье разработана технология изготовления детали «Кольцо». Проведена оценка технологичности конструкции детали. Предложена конструкция штампа совмещенного действия для вырубки, вытяжки, пробивки и обрезки, выбрано прессовое оборудование.

Ключевые слова: Технологический процесс, сила деформирования, штамп.

Целью работы является разработка оптимального технологического процесса изготовления детали «Кольцо». Данную деталь получают холодной листовой штамповкой, которая является одним из наиболее прогрессивных технологических методов производства.

Деталь «Кольцо» (рисунок 1) Деталь «Кольцо» с габаритными размерами 23*7 мм и с толщиной стенки 0,8 мм представляет собой полую осесимметричную коническую деталь. Радиус скругления R1.7. Предельные отклонения по H12 (h12). Шероховатость по всей поверхности .

Рисунок 1. Эскиз детали «Кольцо».

«Кольцо» изготавливается из Стали 15 ГОСТ 1050-2013 – конструкционной качественной углеродистой стали. Данная марка стали популярна в промышленности, поскольку идет на производство винтов, болтов и прочих деталей. Прошедшая соответствующую термическую обработку Сталь 15 наделяется высокой поверхностной твердостью, что позволяет получать из нее износостойкие гайки, рычаги, кулачки и другие элементы узлов и механизмов. Сталь 15 наделена относительно высокой твердостью: НВ 10^-1 = 149 МПа. При этом материал может без ограничений подвергаться сварке, не склонен к отпускной хрупкости и образованию флокенов. Химический состав в % и механические свойства представлены в таблице 1 и таблице 2 соответственно [1].

Таблица 1. Химический состав в % Стали 15.

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu	As	Fe
0,12-0,19	0,17-0,37	0,35-0,65	до 0,25	до 0,04	до 0,035	до 0,25	до 0,25	до 0,08	~98

Таблица 2. Механические свойства Стали 15.

σ0,2, МПа	σВ, МПа	σiy, МПа	σip, МПа	εiy	εip	Ψy	Ψp
300	378	445	895	0,157	1,092	0,145	0,665

Для изготовления рассматриваемой детали предложен следующий технологический маршрут: отрезка полосы на гильотинных ножницах, вырубка кружка, вытяжка детали конической формы из плоской заготовки, пробивка отверстия и обрезка по высоте в штампе совмещенного действия.

Совмещенная штамповка имеет следующие преимущества:

• деталь изготавливается за один ход пресса на одной позиции штамповки без перемещения заготовки;
• конструкция штампа исключает возможность смещения внешнего контура штампуемой детали относительно внутреннего, равно как изгиб детали в процессе штамповки;
• позволяет получить деталь более высокой точности.

При проектировании деталей, получаемых листовой штамповкой, необходимо учитывать технологичность конструкции изделия (ТКИ) и обеспечивать рациональный раскрой.

Под технологичностью детали следует понимать такое сочетание основных элементов ее конструкции, которое обеспечивает наиболее простое и экономичное изготовление детали при соблюдении технических и эксплуатационных требований к ней.

Показатели ТКИ [4] для операций вырубки, вытяжки и пробивки представлены в таблицах 3, 4, 5 соответственно.

Таблица 3. Показатели ТКИ для операции «Вырубка».

Номер группы показателей ТКИ	Наименование группы показателей ТКИ	Вид показателя ТКИ	Показатели ТКИ	Уровень технологичности
1	Расход материала	Масса детали, кг	0,005	Высокий
		Цена материала, руб/кг	35	Высокий
		КИМ, %	62	Средний
2	Штампуемость материала	Сопротивление срезу, МПа	302,4	Средний
		Временное сопротивление, МПа	378	Средний
3	Сложность формы	Общая форма детали	Осесимметричная	Высокий
		Габаритные размеры, мм	30,4; 0,8	Высокий
		Относительная толщина для вырубки	0,026	Высокий
		Допускаемые отклонения на размеры	H12 (h12)	Средний

Таблица 4. Показатели ТКИ для операции «Вытяжка».

Номер группы показателей ТКИ	Наименование группы показателей ТКИ	Вид показателя ТКИ	Показатели ТКИ	Уровень технологичности
1	Расход материала	КИМ, %	100	Высокий
2	Штампуемость материала	Предел текучести, МПа	225	Средний
		Временное сопротивление, МПа	378	Средний
		Сопротивление срезу, МПа	302,4	Средний
		Способность к деформационному упрочнению	1,68	Низкий
		Предельная устойчивая деформация	0,157	Средний
3	Сложность формы	Общая форма детали	Осесимметричная	Высокий
		Общее количество конструктивных элементов в детали	2	Средний
		Габаритные размеры, мм	23,6; 8,05	Высокий

Таблица 5. Показатели ТКИ для операции «Пробивка».

Номер группы показателей ТКИ	Наименование группы показателей ТКИ	Вид показателя ТКИ	Показатели ТКИ	Уровень технологичности
1	Расход материала	Масса детали, кг	0,003	Высокий
		Цена материала, руб/кг	35	Высокий
		КИМ, %	88	Высокий
2	Штампуемость материала	Сопротивление срезу, МПа	302	Средний
3	Сложность формы	Общая форма детали	Осесимметричная	Высокий
		Габаритные размеры, мм	26; 8	Высокий
		Относительная толщина для пробивки	0,08	Высокий
		Допускаемые отклонения	H12 (h12)	Средний

В соответствии с рассмотренными показателями технологичности конструкции детали, а именно расход материала, штампуемость материала и сложность формы, деталь является высокотехнологичной.

Значение толщины полуфабриката, полученного вытяжкой, приближенно равно толщине исходной заготовки S₀. Следовательно, размеры заготовки определяем из условия равенства объемов детали после вытяжки без утонения и исходной заготовки в виде кружка. Диаметр исходной заготовки:

Проведя анализ по сортаменту производимых размеров листа [2], был выбран Лист г/к . Расшифровывается как листовой горячекатаный прокат повышенной точности (А), нормальной плоскостности (ПН), с обрезной кромкой (О), размерами 0,8х500х1000 (толщина, ширина, длина), группы прочности К330В, повышенной отделки поверхности (III) из Стали марки 15.

Выбран прямой однорядный раскрой с перемычками, так как данный вид раскроя подходит под выбранный технологический маршрут изготовления детали. Согласно справочной литературе (табл. 2.3, [3]): a = 1,2 мм, b = 0,8 мм, где а – перемычка между контуром детали и краем заготовки, b – перемычка между контурами соседних деталей. Номинальная ширина полосы B_п = 32,8 мм. По ГОСТ 2283-79 ширина полосы принята В_п = 34 мм.

Расчитанные технологические усилия для операций технологического процесса представлены в таблице 6.

Таблица 6. Технологические усилия.

Проведен расчет исполнительных размеров рабочего инструмента для каждой штамповочной операции. Результаты расчета представлены в таблице 7.

Таблица 7. Исполнительные размеры рабочего инструмента.

По результатам рассчитанных параметров в качестве оборудования выбран пресс КД2118, технические характеристики которого представлены в таблице 8.

Механический быстроходный пресс КД2118 усилием 63 кН (6,3 тс) предназначен для выполнения вырубки, гибки, неглубокой вытяжки, пробивки и других различных операций холодной штамповки. Кривошипный пресс КД2118 может работать как в непрерывном режиме, так и на одиночных ходах.

Таблица 8. Технические характеристики пресса КД2118. [3]

Номинальное усилие пресса, кН	63
Число ходов в минуту	200
Регулируемый ход ползуна, мм	5…50
Расстояние между столом и ползуном в его нижнем положении при наибольшем ходе, мм	150
Напряжение сети, В	380
Мощность электродвигателя, кВт	0,75
Частота тока, Гц	50
Габаритные размеры, мм	990*820*1850
Масса, кг, не более	650
Толщина подштамповой плиты, мм	40
Технологическая работа, кДж	0,056
Диапазон регулировки закрытой высоты, мм	40
Размеры стола в плане: слева направо, мм спереди назад, мм	360 280
Размеры отверстия в подштамповой плите: в верхней части, мм в нижней части, мм	120 60
Размеры ползуна: слева направо, мм спереди назад, мм	170 145
Размеры центрального отверстия в ползуне для крепления верхней части штампа, мм	32
Расстояние между стойками в свету, мм	140

Предложена конструкция штампа совмещенного действия для вырубки, вытяжки, пробивки и обрезки.

Штамп совмещенного действия (Приложение В) с осевым расположением направляющих колонок (13) и втулок (14), которые закреплены в верхней (4) и нижней (20) плитах штампа. При ходе подвижной части штампа вниз вырубка заготовки осуществляются матрицей (11) и пуансоном (5), закрпленным пуансонодержателем (2). Для предохранения верхней плиты от деформации установлена подкладная плитка (3). Матрица для вырубки крепится к нижней плите винтами (16) и штифтами (12). Вытяжка конической детали осуществляется пуансон-матрицей (10) и матрицей (8), усилие на которую передается через толкатели (18) и (19). Пробивка отверстия осуществляется пуансоном (6) и пуансон-матрицей (10). Обрезка детали по высоте осуществляется ножом (5). Для снятия отхода с пуансонов служат, подпружиненные буфером (7), съемники (9) и (15). Для центровой установки и крепления штампа к ползуну пресса служит хвостовик (1).

Конструктивная схема штампа представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема штампа совмещенного действия для вырубки, вытяжки, пробивки и обрезки: 1 – хвостовик, 2 – пуансонодержатель, 3 – подкладная плита, 4 – верхняя плита, 5 – пуансон для вырубки и нож обрезки, 6 – пуансон для пробивки, 7 – буфер, 8 – матрица для вытяжки, 9 – выталкиватель, 10 – пуансон-матрица (пуансон для вытяжки, матрица для пробивки), 11 – матрица для вырубки, 12 – штифт, 13 – направляющие колонки, 14 – направляющие втулки, 15 – съемник, 16 – винты, 17, 18, 19 – толкатели, 20 – нижняя плита, 21 – буферное устройство.

Список литературы

1. ГОСТ 1050 – 2013. Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей. М.: Стандартинформ, 2014. 32 с.
2. ГОСТ 19903–2015. Прокат листовой горячекатанный. Сортамент. М.: Стандартинформ, 2016. 11 с.
3. Ильин Л.Н., Семенов И.Е. Технология листовой штамповки. М.: Дрофа, 2009. 475 с.
4. Нестеров Н.И., Киреев О.Л. Технология листовой штамповки: методические указания к выполнению курсового проекта. Под ред. Г.А. Данилина. СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 2015. 61 с.