автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Формообразование отверстий под резьбу вращающимся пуансоном в тонколистовых заготовках

На правах рукописи

005017705

Шаламов Павел Викторович

ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ОТВЕРСТИЙ ПОД РЕЗЬБУ ВРАЩАЮЩИМСЯ ПУАНСОНОМ В ТОНКОЛИСТОВЫХ ЗАГОТОВКАХ

Специальность 05.02.07 - «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 С [..¿а. ¿0; 1

Челябинск - 2012

005017705

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) на кафедре «Технология машиностроения»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Гузеев Виктор Иванович.

Официальные оппоненты: Мазснп Петр Германович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ), кафедра «Станки и инструмент» профессор.

Истомин Виктор Михайлович,

кандидат технических наук, АОЗТ «СКВ - инструмент» г. Златоуст директор

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова»

Защита диссертации состоится 24 мая 2012 г., в 12—, на заседании диссертационного совета Д212.298.06 при Южно-Уральском государственном университете по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. Ленина 76, ауд. 201а главного корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮжноУральского государственного университета.

Автореферат разослан 23 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность. В машиностроении широко применяются изделия из тонколистовых заготовок толщиной менее 2,0 мм (кожухи, кузова, крышки, ёмкости, задвижки и др.), которые предусматривают резьбовое крепление к ним различных комплектующих деталей. Одной из проблем работоспособности резьбового соединения является обеспечение длины свинчивания. Для увеличения длины свинчивания применяется гибка листов, приварка втулок, предварительная пробивка отверстий и другие методы. Однако существующие способы не обладают достаточной технологичностью, а также увеличивают расход вспомогательных материалов и трудоёмкость.

Наиболее рациональным является способ формообразования отверстий с отбортовками в листовых заготовках методом пластического деформирования вращающимся пуансоном с нагревом заготовки за счёт сил трения. В России развитию данного способа посвящены работы А.И. Прагера, Б.Я. Газизова, В.В. Хоменко, О.В. Золотова и др. За рубежом разработкой и внедрением способа в производство занимаются фирмы Англии, Голландии. Германии, Китая и др. Данный способ позволяет исключить применение дополнительных элементов для увеличения длины свинчивания и обладает широкими технологическими возможностями. Реализация процесса осуществляется на станках, имеющих кинематическую подачу, что не позволяет производить плавное регулирование осевого усилия. Исследования проводились применительно к заготовкам толщиной более 2,0 мм. Для заготовок толщиной менее 2,0 мм в отечественной и зарубежной литературе отсутствуют сведения о режимных параметрах операции и геометрических размерах формируемых отбортовок, определяющих длину свинчивания и прочность резьбового соединения на срез. Поэтому разработка процесса формообразования отверстий с отбортовками в листовых заготовках толщиной менее 2,0 мм является актуальной научно-технической проблемой.

На основании анализа литературы сформулированы цель и задачи исследования.

Цель работы. Определение параметров процесса формообразования отверстий с отбортовками в тонколистовых заготовках толщиной 0,8-2.0 мм вращающимся пуансоном, обеспечивающего необходимую длину свинчивания и прочность резьбового соединения.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Определить технологические параметры существенно влияющие на формообразование и размеры отверстий.

2. Провести численное моделирование механизма формообразования отверстий.

3. Установить взаимосвязь геометрических параметров отверстия с длиной свинчивания и прочностью резьбового соединения на срез.

4. Разработать методику но использованию способа формообразования отверстий в производстве.

Научная новизна

1. Разработана математическая модель взаимосвязей входных и выходных параметров процесса.

2. Установлено, что при формообразовании отверстий вращающимся пуансоном в заготовках толщиной менее 2 мм осевая сила определяет температуру и время протекания процесса и не влияет на геометрические параметры от-бортовок.

3. Разработана методика аналитического определения коэффициента трения между инструментом и заготовкой в условиях формообразования отверстия пластическим деформированием вращающимся пуансоном.

4. На основе моделирования, с применением программного комплекса А^УБ, и экспериментальных данных показано послойное течение металла, приводящее к упрочнению материала заготовки в отверстии.

Практическая ценность

1. Получена расчётная зависимость для определения эффективной длины свинчивания с учётом шага резьбы и формы наружной поверхности отборто-вок.

2. Разработана методика выбора параметров операции формообразования отверстий с отбортовками под резьбу в тонколистовых заготовках толщиной 0,8-2,0 мм вращающимся пуансоном с применением вертикально-сверлильных станков и перемещением пуансона при заданной нагрузке.

3. Проведена модернизация вертикально-сверлильного станка, позволяющая производить обработку отверстия в тонколистовых заготовках с заданной осевой силой (Патент на полезную модель №2011150567 Приоритет 12.12.2011 г.).

Внедрение результатов работы. Методика формообразования отверстий с отбортовками в тонколистовых заготовках вращающимся пуансоном принята к использованию на ООО «ЧТЗ-УралТрак» г. Челябинск.

Апробация. Основные положения работы докладывались на научно-технических конференциях ЮУрГУ (2006-2011 гг.) в рамках выставки «Машиностроение, металлообработка, сварка, инструмент» (г. Челябинск 2007 г.). Выступление на объединённом семинаре кафедр «Технология машиностроения» и «Станки и инструмент» ЮУрГУ 2012 г.

Публикации по теме. По теме работы опубликовано 11 печатных работ в виде научных статей, в том числе 3 по списку высшей аттестационной комиссии, и получен 1 патент на полезную модель №2011150567.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 76 рисунков, 22 таблицы, 75 наименований литературных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показано место работы в машиностроении, основные проблемы, требующие решения и определена актуальность работы.

В первой главе на основании анализа отечественной и зарубежной литературы рассмотрено современное состояние вопроса о методах увеличения длины свинчивания и прочности резьбового соединении на срез при формообразовании отверстий с отбортовками под резьбу в тонколистовых заготовках толщиной 0,8 - 2,0 мм. В связи с этим сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе определены основные технологические параметры операции формообразования отверстий с отбортовками и установлены их взаимосвязи. Для определения основных параметров процесса (осевой силы, температуры, времени протекания процесса) и геометрических размеров образуемых отбортовок отверстий была разработана экспериментальная установка на базе вертикально-сверлильного станка с рычажной системой, обеспечивающей осевое перемещение инструмента под заданной нагрузкой (рис. 1) и плавное регулирование осевой силы в широком диапазоне. Образцы заготовок изготавливались из стали 08 кп толщиной 0,8 - 2,0 мм, в качестве инструмента был выбран пуансон с углом заточки 20°, изготовленный из твёрдого сплава ВК6.

Рис. 1. Экспериментальная установка: 1 - вертикально-сверлильный станок;

2 - патрон; 3 - пуансон; 4 - индикатор часового типа; 5 - динамометр механический;

6 - заготовка (пластина); 7 - цифровой фотоаппарат; 8 - рычаг для установки груза;

9 - милливольтметр МПП-254; 10-хромель-апюмелевая термопара; 11 - груз

По характеру образования отверстия и изменению осевой силы установлены 4 стадии протекания процесса (рис. 2). На первой стадии происходит нагрев заготовки за счёт сил трения, внедрение пуансона в заготовку, пластическое течение металла в верхнюю и нижнюю части заготовки с началом образования отбортовок отверстия. На второй стадии процесса происходит колебание осевой силы вследствие разрушения нижней плоскости заготовки. На третьей стадии осевая сила несколько снижается, что связано с изменением момента рычажной системы. На четвёртой стадии, в момент выхода конуса пуансона из

сформированного отверстия, осевая сила снижается до нуля. В заготовках меньшей толщины (рис. 3), количество стадий уменьшается в связи с сокращением времени протекания процесса второй и третий стадий. Подобное формообразование отбортовок наблюдается при использовании пуансонов других диаметров.

Измерение температуры производилось искусственной термопарой в точке на расстоянии радиуса получаемого отверстия.

I п

111 IV

Рис. 2. Стадии формообразования отверстия : а - изменение осевой силы Рос и температуры Т °С в точке измерения, во время процесса б - 1-И-1И-1\/ - стадии процесса. (Диаметр пуансона с1= 5 мм; толщина заготовки 6=2,0 мм)

0.5 1 1.5 Осевая сила Н

2.5 3.5 4 4.5 Температура, °С

1 1 Осевая сипа, Н

3 4

Температура. °С

а б

Рис. 3. Изменение осевой силы Рос и температуры Т °С в точке измерения во время

процесса t: I. II. III. IV-стадии протекания процесса; а - диаметр пуансона d=5 мм; толщина заготовки 5=1,5 мм; б - диаметр пуансона d=5 мм; толщина заготовки 5=0,8 мм

На рис. 4 представлены размеры и фотографии внешнего вида отверстий с отбортовками. Видно, что в заготовке толщиной 0,8 мм верхняя отбортовка не образуется, а весь деформируемый металл идёт на образование только нижней отбортовки. Установлено, что профиль наружных поверхностей отбортовок представляет параболу, а общая их форма - усечённый параболоид.

а I-—| г

Рис. 4. Отверстия с отбортовками, полученные в результате экспериментов: а - геометрические параметры (5 - толщина заготовки, мм; К - радиус отверстия, мм; И и Ьн - высота нижней и верхней отбортовок, мм; йо- высота нижней отбортовки отверстия до разрыва поверхности, мм; Д - толщина основания отбортовки, мм;

I и Г - точки измерения температур;----расчётная парабола);

б, в, г - внешний вид отверстий с отбортовками образованных пуансоном диаметром 5 мм в заготовках толщиной 2,0; 1,5 и 0,8 мм соответственно

В табл. 1 представлены экспериментальные результаты полученных параметров отбортовок и температура формообразования в зависимости от осевой силы и толщины заготовки.

Таблица 1

Влияние осевой силы и толщины заготовки на

технологические параметры отверстий с отбортовками

Исходные данные Экспериментальные результаты

О, мм Рос, Н Т, °С с Ь, мм Д, мм Ьь мм

2 440 577 3,8 2,6 1,0 1,3

350 610 8,0 2,7 1,0 1,1

180 620 14,7 2,7 1,1 1,1

1,5 320 400 3,5 2,5 0,9 1,0

200 410 7,0 2,4 1,0 1,0

125 450 11,0 2,5 1,0 1,0

0,8 170 300 4,5 2,5 0,8 -

100 340 6,8 2,7 0,8 -

80 340 9,1 2,7 0,7 -

Приведённые результаты свидетельствуют и том, что осевая сила, температура и время протекания процесса взаимосвязаны и, практически, не влияют на геометрические параметры отбортовок. При изменении частоты вращения пуансона геометрические размеры отбортовок также не изменяются. Данное положение может служить основой для управления процессом.

Для оценки механической мощности, требующейся на обеспечение процесса, необходимо знать коэффициент трения. Методика определения коэффициента трения заключается в следующем. Используя схемы (рис. 5 и рис. 6) можно определить тепловую мощность сил трения qTp, в зависимости от коэффициента трения £

= Р„ЯП&с Чтр 45зша где п - частота вращения пуансона, мин"1 .

А-А

Рис. 5. Расчетная схема для определения мощности сил трения: Рос - осевая сила, Н; Руд - удельное давление, Н/м2; гс - средний радиус рабочего

поперечного сечения инструмента, пропускающего тепловой поток, м; (ЗБ - элементарная площадка, м ; с!Р„ - сила нормального давления на элементарной площадке, Н/м2; со - угловая скорость, рад/с; а - половина угла конуса инструмента, град; скр-угол, определяющий элементарную площадку, град; Ртр - сила трения на элементарной площадке, Н; г - радиус вращения элементарной площадки, м

Рис. 6. Расчётная схема для определения пло1-4ади элементарной площадки с13

Принимая во внимание, что при малой толщине заготовки температура на ее верхней и нижней поверхностях практически одинакова, и учитывая симметричность пуансона, последний можно принять за линейный источник теплоты, расположенный на его оси. Зная конечную температуру процесса, тепловая мощность qлжт, определяется по известному уравнению расчёта тепловой мощности линейного источника теплоты:

4лХбАТ

4гХ

где X - коэффициент теплопроводности Вт/см К; АТ - приращение температуры, °С; Е1 - интегральная показательная функция; К. - радиус отверстия, мм; а - коэффициент температуропроводности см~/с; I - время, с.

Приравнивая qTp и с],1ИТ> получаем расчетную зависимость для определения коэффициента трения:

1805таААТ

о 2 • (3)

Р пгЕ1(-—)

В табл. 2 приведены расчётные данные тепловой мощности и коэффициента трения. Видно, что с уменьшением температуры, коэффициент трения уменьшается. Подобная зависимость коэффициента трения от температуры наблюдается в процессах обработки металлов давлением.

Таблица 2

8, мм Т, °С Рос, Н Ч, Вт Коэффициент трения, Г

2 577 440 228 0,5

610 350 174 0,5

620 180 140 0,75

1.5 400 320 150 0,46

410 200 103 0,49

450 125 80 0,56

0,8 300 170 52 0,3

340 100 45 0,4

340 80 37 0,32

Определение механической мощности, затрачиваемой на процесс, производилось по известному уравнению:

N^,^¡11 аК27т. (4)

Результаты расчётов показали, что требуемая механическая мощность изменяется в пределах от 2,09 до 20,93 Вт в зависимости от параметров операции.

Для определения взаимосвязей основных параметров операции (Т, г, Ъ, Ъо, А и 111) , был реализован полный факторный эксперимент. Уравнения в кодированных переменных имеют вид:

Т = 397,25 + 32,75х, + 151 х2- 65,25х3 + 23х,х2 + 9,5х2х3- 22,25х,х3 + 51х,х2х3; 1 = 6,35 -2,35х|-3,32х3 + 2,55х|хг+ 1,42х2х3 + 2,2х,хз—2,25х1х2х3; Ь = 2,688;

Ь0= 1,881 + 0,569х2; А = 0,8;

И1 = 0,706+ 0,469х2 - 0,194х3,

где X) - диаметр пуансона (3,4...5,0 мм); х2 - толщина заготовки (0,8...2,0 мм); х3 - удельное давление (75... 100 МПа).

Комплекс полученных уравнений составляет математическую модель взаимосвязей входных и выходных параметров операции. Полученная модель проверялась на адекватность с помощью Р - критерия. Проверка показала, что модель адекватно описывает эксперименты и её можно использовать для оценки влияния взаимосвязи входных и выходных параметров операции.

В третьей главе исследован механизм формообразования отверстий с отбортовками. С учётом того, что отбортовки имеют вид усечённых параболоидов, а весь металл отверстия идёт на образование отбортовок, можно определить высоту верхней и нижней отбортовок отверстия в зависимости от доли металла Ь, участвующей в образовании нижней отбортовки. Получены уравнения для определения высоты верхней ^ и нижней И отбортовки:

Ь = 2№'8 ■ (5)

(2Я + Д)Д

2(1-^5 1 (2Я + Д)Д

Однако данные уравнения не описывают сам механизм формообразования отбортовок. Для его исследования производилось численное моделирование процесса с применением программного комплекса АКБУБ. На рис. 7 представлена расчётная конечно-элементная модель формообразования отверстия с отбортовками до и после разрушения нижней поверхности заготовки и фотография микроструктуры зоны деформирования. По изгибам конечно-элементной сетки можно определить область образования отбортовок и зону послойного течения металла. Конечно-элементная модель процесса для заготовки толщиной 0,8 мм (рис. 8) показывает, что в начальной стадии протекания процесса деформация материала заготовки аналогична деформации материала заготовки толщиной 2,0 мм, а после разрушения нижней кромки заготовки процесс отличается тем, что присутствует изгиб части заготовки, не имеющей контакта с поверхностью пуансона. При этом верхняя отбортовка не образуется.

а) б) в)

Рис. 7. Расчётная конечно-элементная модель формообразования отверстия с отбортовками в заготовке толщиной 2,0 мм пуансоном диаметром 5 мм: а - в момент разрыва нижней поверхности заготовки; б - в конечной стадии процесса; в - фотография микроструктуры зоны деформации;1 - пуансон; 2 - заготовка; 3 -зона послойного течения металла; 4 - зона объёмных деформаций металла; 5 - условная линия раздела течения металла в верхнюю и нижнюю части заготовки

б)

Рис. 8. Расчётная конечно-элементная модель стадий формообразования отверстия с отбортовкой в заготовке толщиной 0,8 мм пуансоном диаметром 5 мм: а - в момент разрыва нижней поверхности заготовки; б - в конечной стадии процесса 1 _ пуансон; 2 - заготовка; 3 - зона послойного течения металла; 4 - зона объёмных деформаций металла; 5 - условная линия раздела течения металла в верхнюю и

нижнюю части заготовки

В четвёртой главе рассматриваются модели взаимосвязей геометрических параметров отбортовок с длиной свинчивания и прочностью резьбового соединения на срез. Длина свинчивания определяется эффективной высотой отбортовки, зависящей от шага резьбы и толщины основания отбортовки (рис. 9), и толщиной заготовки:

(0,866Р)2

где Р - шаг резьбы.

ЬСВ=Ь[1-

У

А"

-] + 8,

(7)

1 Х=Нр 1/

А

-е- СП г- у у=ах2

г

V V > / у

0 Л А . X

Рис. 9. Схема расчета эффективной высоты нижней отбортовки отверстия: х = Нр - высота метрической резьбы; ЬЭф - эффективная высота, определяющая

длину свинчивания, мм; а - коэффициент параболы (а = —)

Зная длину свинчивания можно определить силу, вызывающую срез витков резьбы по известной формуле:

Fcp=KdL„KrKMxcp, (8)

где d - внутренний диаметр резьбы гайки; Кг - коэффициент полноты резьбы, характеризующий длину контакта (перекрытие) витков резьбы болта и гайки; Км - коэффициент, учитывающий неравномерность деформирования витков по высоте гайки при наличии пластической деформации; тср — предел прочности на срез.

В табл. 3 приведены результаты расчётов силы, вызывающей срез витков резьбы и экспериментальные данные по замерам прочности резьбового соединения на срез, проведённые на прессе Tinius Olsen H100KU при скорости на-гружения 1,5 мм/мин. Там же приведены геометрические размеры отбортовок и режимные параметры процесса.

Таблица 3

Влияние геометрических размеров отбортовок отверстий на расчётную и фак-

тическую прочность резьбы на срез.

5, мм Рос,Н т, °с h, мм Л, мм hi, мм LCB, мм Кол-во витков FP,H F<j>, Н

2,0 440 540 2,5 0,9 1,0 3,7 4,7 5780 9400

1,5 220 400 2,4 0,8 0,8 2,3 2,9 4330 6300

1,0 150 350 2,4 0,7 - М 1,4 1880 2270

0,8 120 300 2,4 0,7 - 0,9 1,1 1600 2210

Примечание: диаметр пуансона <1=^,2 мм, материал пуансона ВК6, резьба М5х0,8, материал заготовки 08 кп, материал болта СтЗ, тср=200 МПа. Кг=0,8 Км=0,75

Из табл. 3 следует, что фактическая прочность резьбового соединения больше расчётной, что связано с упрочнением материала заготовки в зоне формообразования отверстия. Для проверки данного предположения были проведены эксперименты по определению прочности резьбового соединения на срез в заготовках толщиной 2,0 мм с отверстиями, образованными различными методами. В одном случае отверстие под резьбу было образовано вращающимся пуансоном с последующим срезом верхней и нижней отбортовок, а в другом было образовано сверлом. Результаты проведения экспериментов приведены на графиках (рис. 10). Из графиков видно, что сила, вызывающая срез витков резьбы в отверстии, образованным вращающимся пуансоном, составляет 6100 Н, а в отверстии образованным сверлением — 4110 Н, что подтверждает предположение о упрочнении металла при деформации. На рис. 11 приведены результаты измерения микротвёрдости поверхности заготовок толщиной 2,0 мм и 0,8 мм. Замеры производились в точках через каждые 0,5 мм от края отверстия.

а) б)

Рис. 10. Диаграмма разрушения резьбового соединения М5х0,8 в образце толщиной 2,0 мм, отверстие в котором образовано: а - вращающимся пуансоном с последующим срезом отбортовок; б - сверлением

1 з 5 7 9 II 13 № ТОЧКЕ 13 5 7 9 № точки

а) б)

Рис. 11. Микротвёрдость металла образца при удалении от поверхности деформирования: а - толщина заготовки 2,0 мм, диаметр пуансона 4,2 мм; б - толщина заготовки 0,8 мм, диаметр пуансона 4,2 мм

Видно, что в зоне деформации, прилегающей к внутренней поверхности отверстия, происходит упрочнение металла. Зона упрочнения отверстия в заготовке толщиной 2,0 мм составляет 1,5 мм, а отверстия, образованного в заготовке толщиной 0,8 мм - 1,0 мм. Следовательно, резьба в отверстиях находится в зоне упрочнения, что объясняет более высокие значения нагрузки разрушения витков резьбы в проведённых экспериментах, по сравнению с расчётными значениями.

В пятой главе приводятся рекомендации по применению оборудования, инструмента, выбору параметров операции. На основании проведённых иссле-

дований предлагается применять в производстве вертикально-сверлильные станки с рычажной системой, обеспечивающие свободное перемещение пуансона при заданной нагрузке. В качестве инструмента предлагается применять пуансоны трёх типов с углом конуса 20°, как определено во 2-й главе (рис. 12). Материал пуансона - твёрдый сплав ВК6.

а) б) в)

Рис. 12. Применяемые пуансоны: а — с конической рабочей поверхностью; б - с пояском для деформирования верхней отбортовки; в - с пояском имеющим

режущие зубья;

1 - хвостовик; 2 - рабочая часть; 3 - деформирующая часть; 4 - деформирующая

часть с зубьями

Для подтверждения практической возможности применения данного метода в стационарных и монтажных условиях была оценена точность получаемых отверстий. Экспериментальным путём установлено, что в получаемых отверстиях можно изготавливать резьбовые соединения, соответствующие 7-8 , степени точности.

Для разработки операции формообразования отверстий с отбортовками необходимы данные об осевой силе, времени процесса, а также о высоте и толщине основания стенки нижней отбортовки, приведённые на рис. 13-17. Общий вид резьбового соединения в заготовке с отверстием, образованным вращающимся пуансоном, представлен на рис. 18.

500

100 50 0

0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

Толщина заготовки, мм ~~~ Осевая сила при пуансоне (1=4,2 Осевая сила при пуансоне ¿=5 ■^Осеывая сила при пуансоне (1=3,4 Рис. 13. Зависимость осевой силы от толщины заготовки

О о

и «и ГГ __

с

о;

•и

т

08 1 12 14 Хб Х8 2

Толщина заготовки, мм

Е^емн грелега-ия гршраа гр* г\енсо-ес1=42

— грсгега-ия фшраэ грм г\енсгне

^^.■пгрсчеганря фшраатсиг>енсгн5с1=34

Рис. 14. Зависимость времени протекания процесса от толщины заготовки и диаметра пуансона

3

со

О

0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

Толщина заготовки, мм —Толщина стснки нижней отбортовки у основания Д, мм Высота нижней отбортовки Ь, мм

Рис. 15. Зависимость толщины и высоты нижней отбортовки от толщины заготовки при пуансоне с!=5 мм

3

« Е.2,5

Н ¡к

51 2

25 :__

£ 5 о,5 ^ г

со „

0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

Толщина заготовки, мм -"-Толщина стенки нижней отбортовки у основания А, мм Высота нижней отбортовки Ь, мм

Рис. 16. Зависимость толщины и высоты нижней отбортовки от толщины заготовки при пуансоне 6=4,2 мм

0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

Толщина заготовки, мм ^"Толщина стенки нижней отбортовки у основания А, мм ^""Высота нижней отбортовки Ь, мм

Рис. 17. Зависимость толщины и высоты нижней отбортовки от толщины заготовки при пуансоне с!=3,4 мм

Рис.18. Внешний вид резьбового соединения в тонколистовой заготовке толщиной 5=2,0 мм, диаметр отверстия с!=5,0 мм

Методика назначения параметров операции и расчёта прочности резьбового соединения:

1. Диаметр пуансона выбирается в зависимости от номинального диаметра резьбы по методике, принятой для выбора свёрл.

2. По графикам (см. рис. 13), в зависимости от толщины заготовки и диаметра пуансона, выбирается осевая сила для процесса формообразования отверстия с отбортовками.

3. В зависимости от толщины заготовки и диаметра пуансона определяется время процесса (см. рис. 14).

4. По графикам (см. рис. 15-17) определяется высота И и толщина основания А нижней отбортовки отверстия, в зависимости от толщины заготовки и диаметра пуансона.

5. По известным значениям Ь и А определяется длина свинчивания (формула (7)) с учётом выбранного типа резьбы.

6. Рассчитывается предельная прочность резьбового соединения на срез по формуле (8) с учётом выбранной резьбы, длины свинчивания и коэффициентов, входящих в формулу. В случае равенства толщины основания отбортовки и высоты профиля резьбы выбирается резьба с меньшим шагом.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработанная математическая модель взаимосвязей основных технологических параметров операции показывает, что геометрические параметры отбор-товок отверстия не зависят от режимных параметров процесса (осевая сила и частота вращения), а определяются толщиной заготовки и диаметром инструмента.

2. Разработана методика аналитического определения коэффициента трения между инструментом и заготовкой. Установлен диапазон его изменения (1=0,3...0,75), определяемый режимными параметрами процесса (осевой силой Рос и частотой вращения пуансона п), и геометрическими параметрами инструмента, что в свою очередь позволяет определить механическую мощность, затрачиваемую на процесс, который может быть реализован, как в производственных, так и в монтажных условиях.

3. На основе программного комплекса АЫ8У8 смоделирован процесс формообразования отверстий с отбортовками. Показано, что образование верхней и нижней отбортовки происходит за счёт течения металла в зависимости от толщины заготовки. При толщине заготовки 0,8 мм верхняя отбортовка не образуется.

4. Экспериментально установлено, что фактическая прочность резьбового соединения больше расчётной, что связано с упрочнением материала заготовки в зоне формообразования отверстия. Коэффициент упрочнения для проведённых исследований составил от 1,2 - 1,63 в зависимости от входных параметров операции.

5. Проведена модернизация вертикально-сверлильного станка, позволяющая производить обработку отверстия в тонколистовых заготовках с заданной осевой силой (Патент на полезную модель №2011150567. Приоритет 12.12.2011 г.).

6. Разработана методика выбора параметров операции формообразования отверстий с отбортовками под резьбу в тонколистовых заготовках толщиной 0,8-2,0 мм вращающимся пуансоном с применением вертикально-сверлильных станков со свободным рычажным перемещением пуансона при заданных нагрузках. Методика формообразования отверстий с отбортовками в тонколистовых заготовках вращающимся пуансоном внедрена на ООО «ЧТЗ-УралТрак» г. Челябинск.

СПИСОК ПЕЧАТНЫХ ТРУДОВ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гузссв, В.И. Определение параметров отбортовки и длины свинчивания при изготовлении отверстий вращающимся пуансоном в тонколистовом металле I В.И. Гузеев, П.В. Шалимов, С.Е. Радийчук // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2010. - №2. - С. 25-29.

2. Шаламов, П.В. Формирование отверстий вращающимся пуансоном в листовой заготовке / П.В. Шаламов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». - 2011. - Вып. 18. - №31 (248). - С. 81-84.

3. Гузеев, В.И. Прочность резьбового соединения на срез в отверстиях с отбортовками, образованных вращающимся пуансоном в тонколистовых заготовках / В.И. Гузеев, П.В. Шаламов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». -2012. - Вып. 19. - №12 (271). - С. 209-213.

4. Гузеев, В.И. Определение геометрических размеров отбортовки, полученной методом термического сверления в тонколистовом металле / В.И. Гузеев, П.В. Шаламов, Э.Е. Шульц // Прогрессивные технологии в машиностроении: сб. науч. тр. - Челябинск: Издательский цент ЮУрГУ, 2006. - С. 175-178.

5. Гузеев, В.И. Повышение прочности резьбовых соединений в тонколистовом металле / В.И. Гузеев, П.В. Шаламов // Машиностроение, металлообработка, сварка, инструмент: сборник докладов секции «Прогрессивные технологии металлообработки». - Челябинск: Издательский цент ЮУрГУ, 2007. -С. 6-7.

6. Гузеев, В.И. Методика проведения экспериментов при изготовлении отверстий с отбортовкой, для нарезания резьбы в тонколистовом металле /

B.И. Гузеев, П.В. Шаламов, С.Е. Радийчук // Прогрессивные технологии в машиностроении: сб. науч. тр. - Челябинск: Издательский цент ЮУрГУ, 2008. -

C. 199-201.

7. Шаламов, П.В. Влияние режимов изготовления отбортовки вращающимся пуансоном в тонколистовом металле на её геометрические параметры / П.В. Шаламов // Прогрессивные технологии в машиностроении: сб. науч. тр. -Челябинск: Издательский цент ЮУрГУ, 2009. - С. 93-97.

8. Шаламов, П.В. Способы увеличения длины свинчивания при изготовлении резьбовых соединений / П.В. Шаламов // Прогрессивные технологии в машиностроении: сб. науч. тр. - Челябинск: Издательский цент ЮУрГУ, 2010. -С. 100-103.

9. Шаламов, П.В. Расчёт формы отверстия с отбортовкой, изготовленной вращающимся пуансоном, с применением программного комплекса ANSYS. / П.В. Шаламов, В.А. Юшков // Прогрессивные технологии в машиностроении: сб. науч. тр. - Челябинск: Издательский цент ЮУрГУ, 2011. - С. 56-61.

10. Худяков. A.C. Определение коэффициента трения при формообразовании отверстий с отбортовкой в тонколистовых заготовках вращающимся пуансоном / A.C. Худяков, П.В. Шаламов // Прогрессивные технологии в машиностроении: сб. науч. тр. - Челябинск: Издательский цент ЮУрГУ, 2011. -С. 61-66.

11. Установка для формообразования отверстий с отбортовками в тонколистовых заготовках. Патент на полезную модель №2011150567 Приоритет 12.12.2011 г. / В.И. Гузеев, П.В. Шаламов // ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ).

/С?

Шаламов Павел Викторович

ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ОТВЕРСТИЙ ПОД РЕЗЬБУ ВРАЩАЮЩИМСЯ ПУАНСОНОМ В ТОНКОЛИСТОВЫХ ЗАГОТОВКАХ

Специальность 05.02.07 - «Технология и оборудование механической н физико-технической обработки»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Издательский центр Южно-Уральского государственного университета

Подписано в печать 16.04.2012. Формат 60x84 1/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 0,93. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 89/215.

Отпечатано в типографии Издательского центра ЮУрГУ. 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.

61 12-5/3067

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет)

На правах рукописи

Шаламов Павел Викторович

ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ОТВЕРСТИЙ ПОД РЕЗЬБУ ВРАЩАЮЩИМСЯ ПУАНСОНОМ В ТОНКОЛИСТОВЫХ

ЗАГОТОВКАХ

05.02.07 - «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки»

Диссертация

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор В.И. Гузеев

Челябинск - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................. 4

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ......... 6

1.1. Формообразование отверстий в тонколистовых заготовках......... 6

1.2. Формообразование отверстий с отбортовками вращающимся

14

пуансоном..............................................................................

Цель и задачи исследования...................................................... 22

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ОТВЕРСТИЙ С ОТБОРТОВКАМИ ВРАЩАЮЩИМСЯ ПУАНСОНОМ В ТОНКОЛИСТОВЫХ ЗАГОТОВКАХ..................... 24

2.1. Методика определения параметров процесса........................... 24

2.2. Технологические параметры процесса формообразования отверстий с отбортовками.......................................................... 29

2.3. Методика определения тепловой мощности источника теплоты, коэффициента трения и затрачиваемой механической мощности на

40

процесс..................................................................................

2.4. Экспериментальное математическое моделирование

взаимосвязей параметров операции............................................... 49

2.4.1 Выбор математической модели, независимых переменных и

результаты эксперимента............................................................

2.4.2 Определение коэффициентов регрессии, их значений и

54

адекватности модели.................................................................

Выводы............................................................................... 62

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ОТВЕРСТИЙ С

ОТБОРТОВКАМИ ВРАЩАЮЩИМСЯ ПУАНСОНОМ..................... 63

3.1. Взаимосвязь между геометрическими размерами отбортовок отверстий...............................................................................

3.2. Использование программного комплекса АШУ8..................... 66

3.3. Исходные данные для моделирования формообразования отверстий с отбортовками........................................................... 69

3.4. Моделирование формообразования отверстий с отбортовками..... 73

Выводы................................................................................ 95

4. ПРОЧНОСТЬ РЕЗЬБОВОГО СОЕДИНЕНИЯ НА СРЕЗ.................. 96

4.1. Длина свинчивания и прочность резьбового соединения на срез... 96

4.2. Сравнение расчётного и экспериментального значения прочности резьбового соединения на срез и исследование микротвёрдости материала заготовки в зоне нарезания резьбы.................................. 99

Выводы................................................................................ Ю9

5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ОТВЕРСТИЙ С ОТБОРТОВКАМИ ВРАЩАЮЩИМСЯ ПУАНСОНОМ ДЛЯ НАРЕЗАНИЯ РЕЗЬБЫ В ТОНКОЛИСТОВЫХ

ЗАГОТОВКАХ................................................................................................................................................110

5.1. Оборудование и инструмент................................................................110

5.2. Точность размеров отверстий сформированных вращающимся пуансоном в листовых заготовках..................................................................................................114

5.3. Определение параметров операции формообразования

119

отверстии..........................................................................................................

1

Выводы...............................................................................

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ............................................. 126

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................ I28

ЛИТЕРАТУРА......................................................................... 129

ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................................... 136

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в России определены пять приоритетных направлений экономики: энергоэффективность и ресурсосбережение, ядерные технологии, космические технологии, технологии в области медицины, а также стратегические компьютерные технологии и программное обеспечение. К машиностроению относится направление энергоэффективности и ресурсосбережения, так как продукция машиностроения широко используется во всех отраслях экономики. Поэтому любые работы по экономии энерго и ресурсозатрат являются актуальными.

В машиностроении достаточно широко применяются изделия из листовых заготовок (кожухи, кузова, крышки, ёмкости, задвижки и др.), которые предусматривают резьбовое крепление к ним различных комплектующих деталей. Формообразование отверстий под резьбу в таких заготовках имеет ряд сложностей. Основной проблемой является обеспечение прочности резьбовых соединений. Параметрами, определяющими прочность резьбового соединения, являются диаметр и шаг резьбы, соотношение механических характеристик материала болта и гайки, длина свинчивания. При недостаточной длине свинчивания происходит разрушение резьбового соединения. Для увеличения длины свинчивания в тонколистовых заготовках применяется гибка листов, приварка втулок, предварительная пробивка отверстий и другие методы. Однако существующие способы не обладают достаточной технологичностью. Применительно к тонколистовым заготовкам наиболее рационально применение способа формообразования отверстий методом пластического деформирования. Это позволяет исключить применение дополнительных элементов для увеличения длины свинчивания.

Известны способы [36, 71 и др.] формообразования отверстий с отбортовками для нарезания резьбы в листовых заготовках вращающимся пуансоном. Способы связаны с локальным нагревом заготовок за счёт сил

трения и последующего пластического деформирования металла. В зарубежной практике эти способы нашли применение [70-75]. Однако эти опубликованные в отечественной литературе материалы зарубежных фирм носят в основном рекламный характер. Способ формообразования отверстий с отбортовками в тонколистовых заготовках вращающимся пуансоном не нашёл должного применения в отечественной практике, что можно объяснить недостаточным количеством проведённых исследований. Вследствие этого отсутствуют методики, которые позволяли бы разрабатывать технологию формообразования отверстий с отбортовками в тонколистовых заготовках вращающимся пуансоном. Особенно актуальна эта проблема для отверстий, получаемых в тонколистовых заготовках толщиной 2,0 мм и менее, где длина свинчивания существенно влияет на прочность резьбового соединения.

В настоящей работе с применением разработанных математических моделей и экспериментальных результатов исследований, в том числе с использованием программного комплекса АШУБ, исследован механизм формообразования отверстий с отбортовками, а также влияние режимов процесса на их геометрические размеры и длину свинчивания, обеспечивающие получение надёжного резьбового соединения в тонколистовых заготовках толщиной 2,0-0,8 мм. Предложена методика разработки технологии формообразования отверстий с отбортовками в тонколистовых заготовках вращающимся пуансоном и спроектирована производственная установка для их изготовления. Установка защищена патентом на полезную модель. Разработанная технология успешно прошла апробацию на производстве.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ Для решения любой задачи необходимо изучить степень её решения другими исследователями. Это позволяет выявить основные проблемы и сформировать цель и задачи исследования.

1.1. Формообразование отверстий в тонколистовых заготовках

Одной из основных проблем формообразования отверстий в тонколистовых заготовках является получение необходимой длины свинчивания резьбового соединения. Основными геометрическими характеристиками, влияющими на прочность резьбового соединения на срез, являются диаметр резьбы <1, ее шаг Р и длина свинчивания резьбы Ьсв. Результаты испытаний резьбовых соединений при осевых растягивающих нагрузках показали, что при недостаточной длине свинчивания гайки происходит поломка соединения, вследствие разрушения резьбы [25, 36]. Поэтому для повышения несущей способности резьбы увеличивается длина свинчивания. Но увеличение высоты гайки, сверх необходимой, приводит к увеличению расходов на материал, так как прочность резьбовых соединений ограничивается также несущей способностью стержня болта [45, 14]. Необходимая высота гайки зависит от диаметра и шага резьбы, соотношения механических характеристик материалов резьбовых деталей, а также типа соединения, влияющего на характер распределения нагрузки между витками.

Одной из важных оценок нагруженных резьбовых соединений является распределение нагрузки между витками резьбы [24]. Задача о распределении нагрузки между витками резьбы впервые была решена профессором Жуковским Н.Е. в 1902 г. Распределение нагрузки между витками резьбы, по мнению Жуковского, для гайки с десятью витками показано на рис. 1.1. Из рисунка видно, что нагрузка между витками распределена крайне неравномерно. На первый от опорного торца гайки, наиболее нагруженный виток, приходится около 1/3 общей нагрузки (34%), на пятый - 6% от общей

нагрузки, а на последний десятый - менее 1% обшей нагрузки. Деформации в резьбе, связанные с погрешностью профиля, контактные деформации и местные пластические деформации несколько снижают нагрузку на первый виток резьбы до 1/5 - 1/4 от общей нагрузки [45].

Номера

Рис. 1.1. Распределение нагрузки между витками резьбы [25]

Особо остро встаёт вопрос о прочности крепёжного соединения при монтаже узлов и деталей из тонколистовых заготовок толщиной до 2,0 мм, так как малая толщина листа не позволяет нарезать необходимое количество витков резьбы для обеспечения прочности резьбового соединения.

Одновременно, учитывая характер распределения нагрузки по виткам резьбового соединения, можно предположить, что если изготовить в отверстии тонколистовой заготовки 3-4 витка резьбы, на которые приходится более 70% нагрузки, то резьбовое соединение будет обеспечивать достаточную конструктивную прочность. Это можно осуществить различными способами. В основном для получения отверстий в тонколистовых заготовках используются методы пластического деформирования: штамповка в закрытых штампах, пробивка, механическое воздействие специальным инструментом.

Для повышения прочности резьбового соединения в тонколистовых заготовках применяются различные способы повышения длины свинчивания [1, 8, 10, 33, 47, 57 и др.]. Все существующие способы можно разделить на две

группы:

- с использованием основного материала заготовки;

- с присоединением к заготовке дополнительных элементов.

1. Увеличение длины свинчивания за счет гибки листа [14]. Гибка листа (рис. 1.2) позволяет увеличить длину свинчивания в два и более раза, но обладает рядом недостатков: повышенный расход материала, наличие линии сопряжения листов и малая производительность из-за необходимости дополнительной операции гибки листа. Кроме того, этот способ имеет узкую область применения, так как не всегда имеется возможность сделать загиб

листа.

2. Увеличение длины свинчивания за счёт приваривания втулки. Приваривание втулки (рис. 1.3) [14] также позволяет увеличить длину свинчивания в два и более раза, однако этот способ связан с относительно сложной подготовкой - необходимо оборудование и технологическая оснастка для изготовления и приваривания втулки. Из-за этого способ обладает малой производительностью, кроме того, не всегда есть возможность приваривать

втулку (из-за нехватки места).

3. Увеличение длины свинчивания за счёт получения отверстия с отбортовкой (рис. 1.4). Увеличение длины свинчивания возможно за счёт

получения отверстия с отбортовкой, при этом материал из зоны отверстия расходуется на образование буртика.

Рис. 1.2. Увеличение длины свинчивания при помощи гибки листа:

1 - заготовка; 2 - накладка [14]

Рис. 1.3. Увеличение длины свинчивания при помощи приваривания втулки: 1 - втулка; 2 - сварной шов 3- заготовка [14]

Рис. 1.4. Увеличение длины свинчивания за счёт получения отверстия с отбортовкой: 1 - заготовка; 2 - борт; 3- пуансон [14]

4. Отбортовка с предварительной пробивкой отверстия [47] (рис. 1.5). Данный способ является одним из наиболее распространённых методов получения резьбовых поверхностей в отверстиях заготовок, изготовленных из листового металла, а также широко применяется для изготовления цилиндрических баков, патрубков, крышек с отверстиями и т.д. Процесс изготовления обычной отбортовки заключается в двухосном растяжении участка заготовки вблизи кромки предварительно вырубленного отверстия поступательным движением перемещения пуансона. Борт образуется за счёт утоныпения деформированного участка заготовки. Более тонкой получается кромка борта. Однако данный способ несовершенен, так как не обеспечивает желаемых прочностных качеств резьбового отверстия. Этим способом невозможно получать достаточную высоту отверстия под резьбу из-за недостатка материала в зоне штампуемого отверстия. Цилиндрическая часть отверстия (рис. 1.5) получается недостаточной для нарезания прочной резьбы с соответствующим числом витков.

' / / / / / / / /

/ / /' / / / 7 / < / / / / / / / -

' / У / / / / /

! / / / !// / /

/ / / / ' / / /

/ / /

Рис. 1.5. Отбортовка с предварительной пробивкой отверстия:

1- заготовка, 2- борт [47] 5. Холодная объёмная штамповка в закрытых штампах (рис. 1.6). По мнению ЯЗ. Валеева [8], холодная объемная штамповка в закрытых штампах является наиболее совершенным способом образования отверстий под резьбу в листовом материале с экономической и качественной точки зрения. При данном способе предварительное отверстие не пробивается (не сверлится), следовательно, материал из зоны отверстия в отход не идет, а полностью расходуется на образование борта. Выдавливаемый пуансоном материал перераспределяется в кольцеобразной полости, в глухой матрице, высота отверстия получается достаточной для нарезания резьбы с необходимым количеством витков. Остающаяся на дне отверстия пленка пробивается метчиком при нарезании резьбы. Недостатками этого способа являются необходимость предварительной подготовки производства (изготовление штампа), необходимое прессовое оборудование и оснастка. Кроме того, этим способом невозможно увеличение длины свинчивания в замкнутом профиле.

к\ \ Ч \ \

/ч X 'ч \ Ч \ ч Ч ч

\ ч X \ К Ч Ч Ч X Ч У\ Ч \ Ч х

Ч Ч X Ч 4

//Л

/ / /

\

ч

\

ч

>-

/

/

\ \ ч *ч

Ч 4х \ ч 4

\

У—

-Х-

/ ч

X—

. . . \\ \ Ч.

I чХЧч 4 •

\ ч

- 4 л

\ ,*х>

ч \

х

ч

ч

Рис. 1.6. Холодная объемная штамповка в закрытых штампах: 1 - пуансон; 2 - штамп; 3 - заготовка; 4 - пластина [8]

6. Отбортовка без предварительной пробивки отверстия (рис. 1.7). Данный способ предложен в работе [57] как альтернатива процессу отбортовки с предварительной пробивкой отверстия с целью повышения производительности и качества. Сущность способа заключается в том, что заготовка 3 укладывается на формовочную матрицу 2. При ходе подвижных частей вниз заготовка прижимается к матрице 3 специальным съемником. Пуансон 1, по достижении своей нижней частью поверхности заготовки, начинает формировать углубление. Во избежание преждевременного разрыва металла в зоне формовки и обеспечения более равномерной толщины борта, рабочая часть пуансона выполняется в виде конуса с углом при вершине 5560°. Вершина скруглена радиусом 0,5 мм. Такая геометрия пуансона, по мнению автора, в значительной степени обеспечивает перераспределение металла и позволяет производить формовку достаточной глубины. При дальнейшем движении пуансона излишки металла срезаются пуансоном об острую кромку обрезной матрицы 4. Данный способ характеризуется высокими показателями качества отбортованных отверстий. Недостатки способа: необходима предварительная подготовка производства, прессовое оборудование и штамповочная оснастка.

Рис. 1.7. Отбортовка без предварительной пробивки отверстия: 1 - пуансон; 2 - заготовка; 3 - формовочная матрица; 4 - обрезная матрица [57]

Все вышеперечисленные способы увеличения длины свинчивания недостаточно технологичны, требуют применения сложного оборудования и технологической оснастки, что влечет за собой дополнительные затраты времени и средств. Также ни один из представленных способов не пригоден для формирования отверстия в замкнутом объёме и в труднодоступных местах. Решением данной проблемы может стать способ увеличения длины свинчивания в отверстиях под резьбу в тонколистовых заготовках за счёт пластического деформирования листовой заготовки вращающимся пуансоном.

1.2. Формообразование отверстий с отбортовками вращающимся

пуансоном

Впервые идею об использовании тепла, выделяющегося в результате трения металлов для формообразования отверстий с отбортовками, сформулировал в 30-х годах XX века голландский инженер Жан Клод Де Вальер. Несмотря на то, что ему удалось разработать инструмент для формообразования отверстия с отбортовками, �