Математический анализ формообразования полости полупустотелой заклепки
с целью принятия окончательного решения по инструментальной оснастке

   УДК 621.88:658:589
   О.Г. ЛУКША, А.В. НАПАЛКОВ

   Большой спрос и эффективность применения клепанных соединений обуславливает массовое производство разнообразных видов и форм заклепок в том числе и полупустотелых.
   Полупустотелая заклепка может быть изготовлена по одному из двух исполнений. Одно исполнение предусматривает образование полости путем удаления части металла, второе – холодное пластическое формообразование.
   Эффективное массовое производство полупустотелой заклепки методами холодного пластического формообразования на сегодняшний день остается актуальной задачей повышения стойкости холодновысадочного формообразующего инструмента.
   В настоящей работе проведен математический анализ влияния геометрических размеров рабочих частей выталкивателя и матрицы на процесс формообразование полупустотелой заклепки второго исполнения с размерами 4x10 из латуни Л63.
   Методы расчета характеристик напряженно-деформированного состояния традиционно базируется на основных положениях теории пластичности. Математическая постановка краевой задачи теории пластичности формулируется следующим образом. Для предварительно выбранного количества и геометрии переходов штамповки конкретной детали (заготовки) из заданного материала требуется определить для каждого перехода штамповки и любой стадии его выполнения 18 неизвестных функций координат: шесть компонент тензора напряжений, шесть компонент тензора деформаций, три компонента вектора перемещения, интенсивность напряжений, накопленную интенсивность деформаций, степень использования ресурса пластичности металла. Решение указанной задачи, записанной в форме системы дифференциальных уравнений для конкретной технологической операции обработки металлов давлением, можно вести известными методами, в том числе точными и приближенными. В последние годы при решении различных инженерных задач широкое распространение получил метод конечных элементов.
   Согласно технологическому процессу высадка полупустотелой заклепки второго исполнения с размерами 4x10 из латуни Л63 осуществляется в два этапа деформирования.
   На первом наборном этапе образование головки заклепки совмещается с незначительной раздачей опорного торца заготовки. В зависимости от первоначальной установки выталкивателя на расстоянии 8,2; 8,7; 9,2 мм. от зеркала матрицы в момент достижения высоты головки заклепки требуемого чертежного размера максимальный диаметр опорного торца заготовки, будет соответственно 4,340; 4,158; 4,560 мм.
   На втором этапе – подвижным выталкивателем осуществляется проталкивание заготовки, полученной на первом этапе, через канал матрицы. Характерной особенностью этапа является «расклинивание» заготовки конусообразной частью выталкивателя на начальных стадиях выталкивания. Заготовка, в этот период, не проталкивается через канал матрицы, а происходит активная деформация части заготовки со стороны выталкивателя. В этот период наблюдается наибольшая нагрузка на часть участка матрицы, сопряженной с цилиндрическим каналом. При достижении торца выталкивателя цилиндрического канала начинается интенсивный процесс проталкивания заготовки, совмещенный с процессом формообразования полости.
   Глубина полости полупустотелой заклепки, образующейся выдавливанием металла в зазор между выталкивателем и матрицей, напрямую зависит от первоначальной установки выталкивателя. При установке выталкивателя на расстоянии 8,2 мм конечная глубина полости после проталкивания - 0,412 мм. При 8,7 - 4,136 мм, при 9,2 - 5,667 мм, при этом требуемая глубина полости 4 ^+1,2 мм.
   Распределение нормальных контактных напряжений на рабочих частях выталкивателя и матрицы, возникающих в процессе поэтапного проталкивания заготовки, представлены на рис. 1.

       
                                 a)                                                               б)

       
                                 в)                                                                г)

       
                                  д)                                                                е)

   Рис. 1. Распеределение нормальных контактных напряжений на рабочих частях выталкивателя и матрицы, возникающих на:

   а), б) начальном этапе проталкивания заготовки,
   в), г) промежуточном этапе проталкивания заготовки,
   д), е) конечном этапе выталкивания полупустотелой заклепки;

   а), в), д) – традиционная форма выталкивателя,
   б), г), е) – экспериментальная форма выталкивателя.

   При этом, на этапе формообразования, показанном на рис.1 в),г), возникает наибольшая нагрузка, воспринимаемая торцем выталкивателя. В случае традиционной формы, рис. 1 в), наибольшая нагрузка воспринимаемая выталкивателем на всем протяжении пластического формообразования - 265,02 кГс (41,65 % от допустимой по пределу прочности), экспериментальной формы, рис. 1 г), - 59,76 кГс (9,39 % от допустимой по пределу прочности) и 86,78 %, 19,57 % соответственно от допустимой нагрузки по переделу текучести инструментального материала Р6М5. Поэтому, отклонение формы выталкивателя от чертежных размеров, при традиционной форме выталкивателя, способно привести к превышению допустимой нагрузки как по пределу текучести так и по переделу прочности инструментального материала, что приведет к продольному изгибу и последующему сколу рабочего элемента выталкивателя в переходе с конусной части на стержень.
   Активная часть выталкивателя, участок пластического трения инструмента и деформируемой заготовки, на протяжении всего процесса проталкивания ограничена не более чем на 1/4…1/3 конической части выталкивателя от рабочего торца. Активная часть матрицы ограничена 1/3 частью поверхности, исполненной по радиусу, сопряженной с цилиндрическим каналом, рис. 1 а),б), в), г).

   Выводы
   При установке выталкивателя на растоянии 8,7 мм от зеркала матрицы глубина полости полупустотелой заклепки второго исполнения 4x10 из латуни Л63 соответствует требуемым чертежным размерам.
   Изменение формы рабочей части выталкивателя на полусферическую поверхность приводит к снижению (в 2,667 раза) контактные напряжения на контактной поверхности выталкивателя. Изменение формы рабочей части выталкивателя обеспечит повышение стойкости и надежности рабочего инструмента, рис. 1 г).
   Рабочие части пуансона и матрицы - участки пластического трения инструмента и деформируемой заготовки требуют повышенной точности и чистоты изготовления. Неточность при изготовлении выталкивателя на участке перехода конической части к цилиндрической способствует возникновению неравномерной нагрузки, что способствует продольному изгибу и разрушению. Наибольшая вероятность разрушения возможна на стадии «расклинивания» заготовки при ее проталкивании выталкивателем через канал матрицы, рис. 1 в), г).





   Список литературы

   1. ГОСТ 12642-80. Заклепки полупустотелые с плоской головкой
   2. Писаренко Г.С., Можаровский Н.С. Уравнения и краевые задачи теории пластичности и ползучести. Справочное пособие. - Киев: Наук. думка, 1981. - 494 с. с ил.
   3. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. - М.: Металлургия, 1986. - 688 с. с ил.
   4. Зенкевич О.К. Метод конечных элементов в технике. - М.: Мир, 1975. - 541 с.
   5. Галлагер Р.Метод конечных элементов. - М.: Мир, 1984. - 428 с.
   6. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов: Пер. с англ. - М.: Мир, - 1979.