§ 22. Формовка колесной заготовки

Ф ормовка колесной заготовки является наиболее сложной из штамповочных операций, осуществляемых в прессо-прокатном отделении. Сложность этой операции определяется необходимо­стью получения окончательных размеров ступицы и диска в фи­гурных штампах. Штампы формовочного пресса образуют две кольцевых конических полости, расположенных концентрично у центра и по периферии штампов (рис. 58).

Рис. 58. Штампы формовочного пресса:

а-центральная полость, образованная штампами;

б-периферийная концентрическая полость

В результате обжатия диска в штампах формовочного пресса получается заготовка сложной конфигурации, напоминающая по форме колесо. При этом заполнением центральной конической полости образуется ступица, а наружной полости — обод.

Одним из основных факторов, влияющих на заполнение по­лости металлом, является ее форма. Вследствие наличия уклона в штампах, формовочном кольце и оправке, форма полости в нижнем и верхнем штампах получается различной. Поэтому заполнение различных частей как центральной, так и наружной полости происходит не с одинаковой интенсивностью. Если в ниж­ней части центральной полости уклон боковых стенок штампа и оправки имеет различное направление, то в верхней части цен­тральной полости боковые стенки штампа и оправка наклонены в одну сторону. В периферийной полости — наоборот: в верхней ее части уклон боковых стенок штампа и формовочного кольца различен по направлениям, а в нижней части — совпадает.

Рис.59. Распределение сил давления на поверхностях

деформирующего инструмента формовочного пресса

Рассмотрим более подробно действие боковых стенок штам­пов на металл с точки зрения условий проникновения металла в полости. На схеме рис. 59 сплошными стрелками показаны уси­лия, действующие на металл в различных частях полостей, пунк­тирными стрелками — направление истечения металла при штам­повке. Из схемы видно, что силы давления стенок штампа, оправ­ки и формовочного кольца на одних участках способствуют, а на других противодействуют заполнению полости металлом. Дей­ствительно, в нижней части центральной полости составляющие сил давления, направленные вдоль оси движения штампов, про­тиводействуют проникновению металла в полость. Аналогичным образом действуют силы давления и в верхней части наружной полости. В верхней части центральной полости и в нижней части наружной действие сил давления соответственно на оправке и формовочном кольце совпадает с направлением движения метал­ла и, следовательно, способствует наилучшему заполнению по­лости, в то время как на боковых стенках штампов силы давле­ния противодействуют продвижению металла.

Таким образом, влияние формы полости сказывается в том, что верхняя часть центральной полости и нижняя часть наружной будут заполняться интенсивней, чем центральная полость в нижнем штампе и верхняя часть наружной полости, где истечение металла замедляется действием боковых стенок.

Как и силы давления стенок штампов на металл, силы трения, возникающие между стенками штампов, оправкой и формовоч­ным кольцом, с одной стороны, и металлом, с другой, различно влияют на заполнение полостей.

Рис. 60. Распределение сил трения на поверхностях

деформирующего инструмента формовочного пресса

На схеме рис. 60 сплошными стрелками показано направление действия сил трения на металл. При этом в основу положено условное представление о движении штампов навстречу один дру­гому. Это представление соответствует действительности, так как при штамповке происходит смещение заготовки относительно нижнего штампа. Условное направление движения штампов по­казано на рис. 60 пунктирными стрелками. Заметим также, что скорость движения штампов превосходит скорость истечения ме­талла в полости. Действительно, для наружной полости скорость движения формовочного кольца соответствует скорости движе­ния верхнего штампа, в то время как вытесняемый давящими по­верхностями металл распределяется как, в верхнюю, так и в ниж­нюю полости. При этом следует учесть, что кольцевая поверх­ность наружной полости превосходит или в крайнем случае рав­на по площади кольцевой поверхности той части диска, которая является резервуаром, откуда металл течет в наружную полость. Следовательно, повышение уровня металла в верхней и нижней части наружной полости меньше хода штампа или, что то же, — формовочного кольца.

Силы трения, действующие со стороны оправки на металл как в начальный, так и в конечный момент штамповки, направлены вдоль оправки, к ее верхнему концу. Это объясняется тем, что в начальный момент штамповки осаживаемая заготовка увели­чивается в диаметре, причем истечения металла в ступицу не происходит, так как сопротивление истечению в ступицу значи­тельно превосходит сопротивление истечению в обод; следова­тельно, силы трения препятствуют передвижению осаживаемой заготовки и направлены вверх. В конечный момент штамповки верхняя часть центральной полости заполняется раньше, чем нижняя, — вследствие влияния формы полости. При этом опу­скающимся верхним штампом металл смещается относительно оправки книзу, а силы трения на оправке, противодействуя это­му движению, направлены вверх.

Таким образом, силы трения, как и силы давления, способ­ствуют наилучшему заполнению верхней части центральной по­лости и нижней части наружной полости, противодействуя исте­чению металла в нижнюю часть центральной и в верхнюю часть наружной полостей.

Для подтверждения правильности выводов о действии сил давления стенок штампа и сил трения, было исследовано истече­ние металла при штамповке колесной заготовки.

На рис. 61 дано зафиксированное положение стержней и шпи­лек после формовки колесной заготовки. Следует учесть, что для формовочного пресса исходным положением стержней и шпилек (отверстий) является их положение после осаживания и про­шивки (см. рис. 51—53).

Отметим некоторые особенности отформованной колесной, за­готовки. Верхняя часть обода имеет куполообразную вершину, сдвинутую к внутренней стороне обода. Наружная поверхность обода наклонена к вертикали под углом, соответствующим углу наклона формовочного кольца. На рис. 61, 62 и 63 можно видеть хорошее оформление нижней части обода и незаполнение верхней. Указанное явление не обязательно сопровождает процесс фор­мовки колесной заготовки. В случае хорошо подобранных по весу заготовок и при наличии соответствующего формовочного кольца имеется возможность получения достаточно хорошо офор­мленной верхней части колесной заготовки. Однако заполнение верхней части наружной кольцевой полости затруднено, что под­тверждает выводы о влиянии формы полости и сил трения, раз­вивающихся при формовке заготовки.

Несимметричное распределение металла в верхней и нижней частях обода определяется воздействием формовочного кольца на боковую поверхность диска. Металл увлекается формовочным кольцом и смещается вниз. Расположение шпилек (отверстий) в нижней части обода мало отличается от расположения их на периферии диска (см. рис. 51—53).

Иной характер имеет деформация в верхней части перифе­рийной полости. Сопротивление истечению в этой части полости максимально, поэтому заполнение ее происходит в последний момент осаживания. Под влиянием сил трения на формовочном кольце и боковой поверхности штампа металл образует куполо­образную вершину. Шпильки (отверстия), находящиеся в верх­ней части обода, изгибаются сообразно течению металла при за­полнении верхней части полости, т. е. параллельно очертанию куполообразной боковой стороны обода. Характерный изгиб шпи­лек (отверстий) хорошо виден на рис. 61 и 62.

Следует отметить, что степень деформации отдельных частей колесной заготовки различна. Металл, образующий обод, претер­певает наименьшую деформацию — в отличие от ступицы и, особенно, диска. Это подтверждается характером деформации стержней в центральной полости и в диске заготовки. Последний претерпел значительную деформацию. Его центральная часть вы­тянулась в направлении к ободу, доходя до места пересечения диска с ободом. В некоторых случаях (см. рис. 62) средняя часть стержня (отверстия) доходит лишь несколько далее середины диска. Различие в степени деформации стержней (отверстий) определяется степенью деформации диска при формовке колес­ной заготовки. При большем осаживании на формовочном прессе получается более тонкий диск и, естественно, каждый элемент испытывает максимальное растяжение в радиальном направле­нии. Большая толщина диска определяет меньшее удлинение его центральных слоев.

Изгиб стержня в ступице в сторону, противоположную изгибу при осаживании заготовки, свидетельствует об истечении метал­ла и в ступицу. Можно предположить, что в диске колесной заго­товки существует нейтральный слой, в обе стороны от которого происходит истечение металла к ободу и в ступицу. Положение нейтрального слоя меняется в процессе деформации. Происходит это вследствие того, что осаженная заготовка, диаметр которой обычно несколько меньше внутреннего диаметра формовочного кольца, легко вначале уширяется к периферии, в то время как при истечении в ступицу металл встречает значительное сопро­тивление со стороны как оправки, так и стенок штампов, наклонен­ных к вертикали.

При этом слой, от которого происходит истечение металла в обод, расположен непосредственно у ступицы. После соприкосновения заготовки с боковой поверхностью формовочного кольца на­чинается истечение металла в периферийную полость. Сопротив­ление истечению к периферии сильно возрастает, и слой, разде­ляющий области истечения в обод и ступицу, смещается в сто­рону обода.

Утонение центральной части стержня, заделанного в ступицу, и значительное его удлинение свидетельствуют об истечении ме­талла вверх и вниз от центрального слоя (см. рис. 61). Утонение стержня тем меньше, чем больше расстояние рассматриваемого сечения от центрального слоя ступицы. Характерный поворот кон­ца стержни кверху в нижней части центральной полости подтвер­ждает влияние силы трения на оправке, увлекающей металл за собой при отопительном движении вверх. Аналогичная дефор­мация отверстия показана на рис. 62. В верхней части полости изогнутый при прошивке книзу конец стержня несколько выпрям­лен благодаря воздействию относительного перемещения оправки кверху. Таким образом, верхняя часть центральной полости за­полняется более интенсивно вследствие влияния сил трения. На приведенных рисунках видно хорошее заполнение углов верхней центральной полости (и даже истечение металла в зазор между оправкой и центральным отверстием в верхнем штампе) и недо­статочно хорошее заполнение углов в центральной полости ниж­него штампа.

Рис. 61. Расположение стержней и шпилек после формовки

колесной заготовки

Рис. 62. Расположение отверстий после формовки колесной

заготовки

Рис. 63. Расположение стержней и шпилек после формовки

колесной заготовки

Рис. 64. Механические схемы деформации при

формовке колесной заготовки

В практике изготовления цельнокатаных колес наблюдались также нередко случаи незаполнения нижней полости ступицы, несмотря на работу формовочного пресса с верхним давлением.

Под давящими плоскостями создается напряженное состояние по схеме всестороннего неравномерного сжатия. Схему главных деформаций определяют осадка, радиальное и тангенциальное удлинение. Схема напряженного состояния остается неизменной для всех областей формующейся колесной заготовки — ступицы, диска и обода. Схема же главных деформаций меняется. Так, для ступицы и обода характерно осевое удлинение при радиальном и тангенциальном сжатии. Механические схемы деформации даны на рис. 64.