автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Исследование напряженно-деформированного состояния металла в штампах со сложным движением ножей и совершенствование технологии отрезки П-образных профилей

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Л'' )

Сердюк Алексей Иванович /

/! УДК 621.961.001

О

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА В ШТАМПАХ СО СЛОЖНЫМ ДВИЖЕНИЕМ НОЖЕЙ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОТРЕЗКИ П-ОБРАЗНЫХ ПРОФИЛЕЙ

Специальность: 05.03.05 — Процессы и машины обработки давлением

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Донецк 2004

Диссертацией является рукопись

Работа выполнена в Приазовском государственном техническом университете (ПГТУ Министерства образования и науки Украины, г. Мариуполь

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор

Капланов Василии Ильич,

зав. кафедрой «Обработка металлов давлением»,

ПГТУ

док юр технический наук, профессор

Роганов Лев Леонидович,

Донбасская государственная машиностроительная

академия (г. Краматорск), зав. кафедрой «Основы

конструирования механизмов и машин»

кандидат технических наук, доцент

Смирнов Евгений Николаевич,

Донецкий национальный технический университет

(г. Донецк), зам. зав. кафедрой «Обработка металлов

давлением»

Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», кафедра «Обработка металлов давлением» Министерства образования и науки Украины, г. Киев.

Защита состоится " 27" \ШЯ_2004 г. в 12.00 часов на заседании специализирован ног

ученого совета Д 11.052.01 в Донецком национальном техническом университете (83000, г. До нецк, ул. Артема, 58), I учебный корпус, БАЗ.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Донецкого национального технического универ ситета (83000, г. Донецк, ул. Артема, 58,2 учебный корпус).

Автореферат разослан "20" апреля__2004 г.

Ученый секретарь специализированного совета Д.11.052.01, доктор технических наук, профессор Й^*-"""'' 6.И. Алимов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

На современном этапе развития машиностроения проблема экономичного использования энергоресурсов и металла при его переработке предъявляет все возрастающие требования к технологии разделения исходных материалов на заготовки. Уровень качества отрезанных заготовок диктуется технологией последующей обработки. То есть, без разработки процесса получения качественных заготовок невозможна разработка эффективной технологии производства деталей.

Актуальность темы. Для разделения сортового проката исполыуют большое количество различных способов, которые неравноценны по своим технико-экономическим показателям. При этом в серийном и крупносерийном производстве наиболее рациональными являются безотходные способы разделения, осуществляемые в штампах на прессах.

Данный технологический процесс хорошо изучен и классифицирован, а технологические возможности позволяют использовать его как для отрезки сортовых профилей простой формы, так и сортовых фасонных профилей. Однако следует отметить, что в технической литературе отсутствуют или фрагментарно освещены сведения о механизме деформирования, границах очага деформации и характере напряженно-деформированного состояния при отрезке фасонных профилей. Отсутствуют рекомендации по выбору схем разделения, а используемые технологические процессы отрезки фасонных профилей не позволяют производить заготовки высокого качества.

Повышение качества поверхностей разделения разрезаемого профиля особенно актуально при производстве готовых изделий, где отрезка является основной технологической операцией. Примером может служить клемма раздельного рельсового скрепления железнодорожного пути.

В странах СНГ ежегодно производят несколько миллиардов заготовок из профильного проката. Это свидетельствует об очевидной актуальности работ, направленных на совершенствование существующих и разработку новых технологий отрезки фасонных профилей.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертация выполнена в Приазовском государственном техническом университете. В соответствии с договором № 52/5639 от 01.01.1999 г. между ПГТУ и ОАО «МК «Азовсталь» выполнена НИР "Разработка, изготовление и освоение оснастки и технологии для производства клеммы раздельного рельсового скрепления железнодорожного пути по ГОСТ 22343-90", в которой автор принимал участие в качестве ответственного исполнителя.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является повышение качества П-образных профилей на основе совершенствования технологии отрезки и разработки конструкции штампа со сложным движением ножей.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- на основе анализа известных механических схем и способов установлены пути совершенствования технологии отрезки в штампач П-образных профилей;

- исследовано напряженно-деформированное состояние металла в очаге деформации пр| отрезке П-образных профилей в штампах;

- известные механические схемы отрезки дополнены двумя сложными вращательно-поступательными движениями, обеспечивающие качественную отрезку П-образных профилей;

- впервые разработан и теоретически обоснован метод определения направления отрезк! при поступательном движении ножа фасонных угловых и П-образных профилен с учетом напря женно-деформированного состояния металла в очаге деформации и геометрических характеристш фасонных профилей,

- разработана конструкция штампа, с учетом напряженно-деформированного состояния ме талла в очаге деформации, обеспечивающая качественную отрезку П-образного профиля за счет применения сложного вращательно-поступательного движения,

- внедрены в производство основные результаты диссертационной работы и разработаннш технологическая оснастка.

Объект исследования. Технология отрезки в штампах.

Предмет исследований. Отрезка П-образных профилей при сложном движении ножа.

Методы исследования. В основу теоретических исследований были положены методы тео рии пластичности и обработки металлов давлением, включающие методы математического моделирования напряженно-деформированного состояния очага деформации с использованием лини) скольжения. Экспериментальные исследования выполнены с использованием физического моде' лирования и промышленных испытаний с непосредственным созданием силового нагружения обеспечивающего моделирование процесса при сложном движении ножа. Обработка и обобщенш результатов экспериментальных исследований основаны на стандартных методах теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна полученных результатов заключается в том, что:

- разработана классификация движений подвижного ножа применительно к схеме неполно стью закрытой отрезки, отличающаяся от известных тем, что позволяет выбрать движение, обеспечивающее качественную отрезку П-образных профилей с учетом напряженно-деформированного состояния металла в очаге разделения;

- впервые разработан и теоретически обоснован метод определения направления отрезю при поступательном движении ножа фасонных угловых и П-образных профилей с учетом напря женно-деформированного состояния металла в очаге деформации и геометрических характериетт фасонных профилей,

- разработана математическая модель для определения энергосиловых и геометрические параметров процесса на первом этапе разделения, отличающаяся от известных тем, что уравнение равновесия составлено с учетом сил трения, действующих на контактных поверхностях очага де-

'Ормаини.

- разработаны и теоретически обоснованы две схемы сложного вращателыю-оступателыюго движения ножа, обеспечивающие высококачественную отрежу 11-образных про-илей в штампах, отличающиеся от известных тем что, вращательное движение осуществляется е по всему периметру профиля, а на периферийных участках, при этом вращательное движение ожно осуществлять как одновременно с поступательным, так и отдельно-

Практическое значение полученных результатов заключается в следующем:

]. На основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований впервые показа-з возможность высококачественной отрезки П-образных профилей в штампах.

2. Создан комплекс программного обеспечения, предназначенный для расчета технологи-:ских параметров процесса отрезки П-образных профилей при сложном вращательно-эступательном движении ножа.

3. Предложенные в диссертации технологические решения при отрезке П-образных профи-:й предназначены для разработки технологии отрезки в штампах профилей сложной геометриче-:ой формы, в том числе гнутых профилей, сортовых фасонных, листовых гофрированных и спе-1ального назначения.

4. Результаты диссертационной работы использованы в процессе освоения новой техноло-IH производства клеммы раздельного рельсового скрепления железнодорожного пути по ГОСТ !343-90 на ОАО «МК «Азовсталь». В результате внедрения технологии и разработанной штам-)вой оснастки достигнуто: - повышение средней геометрической точности и качества поверхно-и отрезанных заготовок на 15%; - снижение производственных расходов на 30%.

Фактический годовой экономический эффект при производстве 60 т составил: 39 088 грн. элевое участие автора 27 361 грн.

Личный вклад соискателя. Автор принимал непосредственное участие в анализе способов резки, систематизации и выборе наиболее перспективных, обеспечивающих высококачествен-то отрезку П-образных профилей. Разработал алгоритм расчета параметров процесса отрезки и юграммное обеспечение для его моделирования и анализа. Разработал оригинальную штампо-ю оснастку. Непосредственно сопоставил и проанализировал результаты компьютерного моде-ровання и экспериментальных данных.

Апробация результатов диссертации. Научные и практические результаты диссертацион-й работы докладывались и обсуждались на V-X Региональных научно-технических конферен-:ях (г. Мариуполь, 1998-2003 г.г.); Всеукраинской научно-технической конференции «Перспек-вные технологии и оборудование обработки давлением в машиностроении и металлургии» (г. >аматорск, 1999-2001 г.г.); на Международной научно-техннческой конференции «Усовершенст-ванпе процессов и оборудования производства и обработки металлопродукции для метачлургнн

и машиностроения» (г. г. Краматорск-Славянск, 2000 г.)

Публикации. Материалы диссертации изложены в девяти печатных работах, из которых чс тыре опубликованы в специализированных изданиях ВАК. четыре - в сборниках тезисов доклада научных конференций, один - патент Украины.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разде лов, выводов, списка использованных источников из 105 наименований и четырех приложен»! общим объемом 156 страниц. Объем основного текста 138 страниц. Общее количество иллюстра ций - 43 (из которых 11 - расположены на отдельных страницах), 18 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, связь работы с научными программами планами и темами. Поставлены цель и задачи исследования. Раскрыта научная новизна получен ных результатов и практическая ценность, а также общие сведения о публикациях и апробацт работы.

В первом разделе проанализировано современное состояние разработок, направленных н усовершенствование технологии безотходной отрезки профилей в штампах, выполнен анализ тех нической литературы и патентной документации. Показано, что в технической литературе отсут ствуют или отражены фрагментарно сведения о механизме деформирования, границах очага де формации и характере напряженно-деформированного состояния при отрезке фасонных профи лей, в частности П-образных.

Значительный вклад в развитие и совершенствование безотходной технологии отрезки штампах был сделан такими учеными как Мещерин В Т., Соловцов С.С., Тимощенко В.А., Ковг ленко В.Ф., Самсонов В.А., Роганов Л.Л., Исаев A.B. и другими.

Систематизация их работ позволила установить пути совершенствования технологии безо! ходной отрезки. Впервые выполнен анализ известных механических схем применительно к Г образным профилям, определены факторы, которые оказывают значительное влияние на геоме1 рическую точность и качество поверхности разделения, в том числе:

- ограничение поворота в вертикальной плоскости отрезаемой части и полосы; предварительное нанесение концентратора напряжений; направление движения режущего инструмента;

предварительное деформационное упрочнение в плоскости разделения.

Объяснено влияние выбора перемещения подвижного ножа на геометрическую точность качество поверхности разделения. Выполненный анализ позволил разработать классификашн движений подвижного ножа с учетом этих факторов (см. табл. 1).

Таблица I.

Классификация движений подвижного ножа, применяемых для отрезки по схеме неполностью закрытой отрезки

Л» п/п Движение Создание активного поперечного зажима Управление формообразованием Использование движения для отрезки П-образных профилей

Поступательные движения

1 Г Нет Нет Да

_ Нет Нет Да

3 Нет Да Да

Реверсивные движения

1 11 Нет Да Да

2 Нет Да Да

3 Нет Да Да

Вращательные движения

! О Да Да Нет

2 О 1 № Да Нет

3 с 9 Да Да Нет

Сложные движения

1 Нет Да Нет

2 х Нет Да Да

3 У Нет Да Да

4 о Нет Да Да

Рассмотренные вопросы позволили определить задачи исследования в соответствии с целью работы.

Во втором разделе рассмотрены технологические параметры отрезки П-образных профилей и особенности процесса при сложном движении ножа. Впервые разработан метод определения направления перемещения подвижного ножа, при котором значение абсолютного осевого зазора гос (см- Рис- 2) обеспечивает одинаковые условия деформирования на различных участках профиля. Так, для профиля П-образного сечения (см. рис. 1), абсолютный осевой зазор гж Рис. 1 Схема отрезки поступательно движу- будет 0братНо пропорционален размерам полок щимся ножом профиля П-образного сечения. 8 ншравлснш движеиия ножа. При вертикаль-

ном перемещении ножа наибольший размер сечения в направлении движения ножа представлен отрезком MN. При малом значении угла у такое направление неприемлемо, так как высота боко вых полок существенно превышает толщину центральной полки 5,. Если нож движется под углои к центральной полке, то размер сечения для левой полки определяется отрезком QN, централь ной - отрезком DB, правой - отрезком BF, а в правой угловой зоне этот размер переменный. Наи большее его значение соответствует отрезку DF. Оптимальное направление перемещения нож определим из условия минимальной длины отрезка DF.

sma, cos(a,+y) S\ cos"(a, +y )cosa.

При движении ножа под углом угла а,, выбранном по критерию минимума отрезка DF. про тяженность сечения по центральной полке S¡ и боковой S, может отличаться, что приведет к ис кажению формы попере'шого сечения. Поэтому оптимальным будет такое направление, которо обеспечит равенство отрезков DB и BF:

S, 5,

—— --=-■ (2)

sina, cos(a,+y)

Для выбора оптимального направления движения подвижного ножа по двум критериям сс ставлен алгоритм и разработана программа для расчета на ЭВМ.

Для определения энергосиловых параметров процесса отрезки необходимо сечение профил разбить на участки. Силы и моменты, действующие на каждом участке, определять независимо с других участков. Зная толщилу элементов фасонного профиля определять контактные силы и н; пряжения, рассматривая сечение профиля как сечение полосы. Суммируя силовые параметры и всех участках, получим значение необходимых параметров процесса отрезки.

П-образный профиль, представленный на рис. .1, разбиваем на 4 участка: 2 боковые полки, также левую и правую части горизонтальной полки, так как на последних направление сил, дсйс вующих на подвижный нож, противоположно

Для определения контактных сил и напряжений, необходимых в энергосиловых расчета процесса отрезки, использован метод линий скольжения при следующих допущениях:

- деформация при пластическом деформировании плоская, т.е. будем считать, что линейш деформация в направлении линии отрезки равна 0;

- материал в рассматриваемый момент однородный по всему сечению, соответственно rip> дел текучести стг и сопротивление срезу k=aT/J3 - одинаковые во всех точках сечения;

- с увеличением глубины внедрения ножа в металл значения ar и к увеличиваются и rif заданной глубине, внедрения могут быть определены, если известен закон упрочнения разрезаем! го металла.

Силы, действующие на контактных поверхностях (рис. 2) определим методом линий сколъ-кения при условии, что коэффициенты трения на контактных поверхностях заданы Для этого вы-юлнено построение сетки линий скольжения в пластической области (рис. 3).

Рис. 2 Схема разделения полосы без ограничения подвижности разделяемых частей.

1 Р- 1Р'

А 1 т '' с

V1 \ ^ /

Рис. 3 Статически допустимая сетка линий скольжения на первом этапе отрезки.

Сила, действующая со стороны единичной длины полосы на нож, на первом этапе отрезки шределяется как:

\~1

соэср

де р,

Рн =Р1+11 = М1 <^1 + ^1-4ц,- +2(0,75и -й,)- 2ф

2ц, (1+-71-4^+2(°.75л-6.)-2(р)

БШф

(3)

БШф

вертикальная составляющая силы на единичной

, 2А- ц, А „ ,

дине полосы на границе АС; /, =т,/, =-— - сила трения на контактной поверхности АВ; к-

СОБф

дастическая постоянная металла; И - глубина внедрения ножа; ц,- коэффициент трения на кон-актной поверхности АС; р., - коэффициент трения на контактной поверхности АВ; б, - угол, под оторым линии семейства Р пересекают границу АВ; ф - угол поворота полосы.

Для определения утла поворота используем уравнение суммы моментов на единичной длине олосы относительно центра О;

-М'. + О + Г,

СОвф

+ Р:

(5-2А)

СОБф

= 0,

(4)

БШф

сила трения на контактной поверхности АС;

к(1 + ^+4^ + 2(0,25л -8,)+ 2р)л

р, ---вертикальная составляющая силы на единичной длине

совр

полосы на границе АВ.

Первая стадия отрезки заканчивается тогда, когда пластическая деформация достигает це] тра очага деформации (точка О).

В момент перехода от первой стадии ко второй размеры очага деформации будут фиксиря ваны и известны (/,, I,, ц,, ц,, гА, г,„ ). Поэтому должны быть одинаковы нормальные контактнь напряжения, определенные по сетке линий скольжения для первой стадии (см. рис 3), и по сет! линий скольжения для второй стадии, представленной на рис. 4.

Рис. 4 Сетка линий скольжения на второй стадии отрезки: а) направление сил трения на первой I второй стадиях одинаковы; б) направление сил трения изменится на противоположное.

Для определения нормальных контактных напряжений на второй стадии используем систем трех уравнений:

Рд = PIVF. + Pxat + P°xnr + P"XA-F- + PXCA + Rx

Py. = Pia: + Pm, + Pwr + P"., ■/ + Ry (5;

\mc = mco + mco + mor + >"ot ■ + mx + mz где px - горизонтальная составляющая силы, действующей со стороны пластичных зон I, 1 и нил

;го ножа, на жесткую зону III на единичной длине полосы.

г - вертикальная составляющая равнодействующей силы на границе CEOF'A'B' на единичной шне полосы;

г - момент сил, действующих на границе жесткой зоны III на единичной длине полосы относи-льно центра очага деформации О.

Для определения компонентов уравнений (5) строим сетку линий скольжения, крайние ли-ш которой проходят через точку О, а начальными линиями являются дуги окружности LE с цен-юм в точке С (линия а) и LF с центром в точке А (линия (5) Построение сетки линий скольжения .шолняем с использованием ЭВМ. При этом величину угла поворота линий между двумя смеж-.1МИ точками Лв принимаем одной и той же для всех участков и определяем в процессе решения дачи таким образом, чтобы расхождение между положением точки (от, л) и центром очага де-зрмации в точке О, принятой за начало координат, не превосходило заданного значения. Коор-таты всех узловых точек и значение параметра- 0 определяем по выраже-=0п.„-('-У)Д9 .

Если направление сил трения на первой и второй стадиях не изменится (см. рис. 4а), то на-льпая точка параметра 9„0 определяется как: 0П(, = — (л/2 — S,).

Если направление сил трения на второй стадии изменится на противоположное (см рис. 46), начальная точка параметра 0О 0 определится как: 9„ „ = -8,.

Используя систему трех уравнений (5) определим среднее напряжение ст в точке О, силу j., длину очага деформации /,, коэффициент трения ц, на контактной поверхности АС.

Сила, действующая на верхний нож на единичной длине полосы на втором этапе отрезки.

р„ = (|сг - 2к{т + /¡)Д01 ■+ ку]\ - 4ц,2 ) ■ /, +- 2к ц,/,. (6)

Сила, определенная по выражению (6), не должна превышать верхнюю оценку силы при за-нном значении 1Л. Такую оценку можем получить, если осуществляется простой пластический виг перемычки. Сила, действующая на верхний нож на единичной длине полосы при пластиче-ом сдвиге, определяется по формуле:

р, =2£(7/, + 2ц,/:). (7)

Если ри > р,, то пластическая деформация в приконтактной зоне невозможна и текущее знание силы определяется по выражению (7) Процесс отрезки заканчивается тогда, когда глубина едрения ножа достигает значения, соответствующего отрыву отрезаемой части от полосы.

Разработана программа (рис. 5) для моделирования процесса отрезки полосы на характерных max по предложенным теоретическим зависимостям. В табл. 2 приведен расчет контактного

давления на границе АС при различных коэффициентах трения без ограничения подвижности отрезаемой части и полосы.

Таблица 2

Контактное давление на границе АС при различных коэффициентах трения на границе АС и АВ

при условии ц, = ц,, гог = 0,5 мм (переход от первой стадии ко второй обозначен: I —> II)

К Контактное давление ри , единицах к, при коэффициентах ц, =

/ с> 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35

0,01 5,69 6,98 8,41 9,95 11,41 1-> II 11,61

0,02 7,81 9,07 10,43 11,95 1 -»11 12,07 12,41

0,03 9,46 10,73 12,06 12,78 12,83 13,17

0,04 10,90 12,16 12,89I -> II 13,07 13,43 13,89

0,05 12,16 13,21 I -»II 13,65 13,95 14,48 14,60

0,06 13,31 13,68 14,11 14,38 14,90 14,95

0,07 14,05 I ->И 14,41 14,60 14,70 15,22 15,21

0,08 14,39 14,79 15,12 15,35 15,36 15,40

0,09 15,37 15,30 15,36 15,56 15,81 15,97

В третьем разделе предложены два сложных движения, обеспечивающие качественную от->езку П-образных профилен (табл. 3) Первое движение осуществляется в два этапа. На первом тапе выполняется поворот ножа вокруг продольной оси на определенный угол а , а на втором юж совершает поступательное движение в вертикальной плоскости (движение №1, табл. 3). Вто-юе движение выполняется таким образом, что вращательное вокруг оси и поступательное верти-:альное движения осуществляются одновременно (движение №2, табл. 3).

Таблица 3

Дополненная классификация сложных движений ножей

№ п/п Движение Создание активного поперечного зажима Управление формообразованием Использование движения для отрезки П-образних профилей

1 а Да Да Да

2 Да Да Да

Рис. 7 Зависимость контактного давления от относительной глубины внедрения ножей, без ограничения подвижности разделяемых частей: 1,2- расчетные кривые; 3, 4, 5 - экспериментальные

кривые; 6 - пластический сдвиг.

Проверка предложенных теоретических зависимостей по определению энергосиловых пара-етров и улучшению геометрических характеристик при отрезке П-образных профилей при слож-ом движении ножа выполнялась на специально разработанной штамповой оснастке. Построен-ые экспериментальные и теоретические зависимости (рис. 7) наглядно свидетельствуют о пра-ильном теоретическом анализе напряженно-деформированного состояния металла в очаге де-ормации. Отклонение сравниваемых величин не превышает 12,5 % при усредненном значении

коэффициента трения в условиях компьютерного моделирования. В табл. 4 приведены результат замеров геометрических характеристик. Разделение выполнялось по схеме неполностью закрытой отрезки с пассивным поперечным зажимом при различных значениях предварительного поворота отрезаемой части на первом этапе.

Таблица 4

Экспериментальные значения параметров, характеризующих геометрическую точность

отрезанных заготовок, полученных на лабораторной установке

Параметры характеризующие точность отрезанных заготовок Предварительный поворот полосы на угол а , град., г „с =0,2 мм

0 5 7 11

Утяжина продольная - Ь, мм 11 8 7,6 9

Утяжина поперечная - /, мм 2,5 2,0 1,8 1,9

Вмятина продольная - п , мм 14 9,0 9,0 9,0

Вмятина поперечная - к , мм 2,0 1,5 1,4 1,5

Угол скоса торца - ф , град 1,55 1,15 1,12 1,13

В четвертом разделе представлены результаты промышленного внедрения технологического процесса отрезки клеммы по одной из предложенных механических схем при сложном движении ножа.

Промышленные испытания разработанной штамповой оснастки проводили в цехе рельсовых скреплений ОАО «МК «Азовсталь». Разработанная и изготовленная штамповая оснастка устанавливалась на пресс модели КВ2534 силой 2,5 МН. Конструкция штампа предусматривала возможность отрезки по 4 вариантам. Вариант - угол предварительного поворота 0°. Вариант Х>2 - угол предварительного поворота 15°. Варнант №3 - угол предварительного поворота 0°, донная часть полосы расположена под углом 45° к горизонту. Варнант №4 - угол предварительного поворота 0°, короткая полка вверх.

Результаты замеров девяти показателей геометрической точности отрезанных клемм (см. табл. 5) и внешний вид их поперечных сечений (см. рис 8) убедительно свидетельствуют о том, что применение сложного вращательно-поступательного движения изменяет напряженно-деформированное состояние в очаге деформации и улучшает геометрические характеристики отрезанных клемм.

Введение нового показателя качества с!п обусловлено тем, что большинство геометрических дефектов образуется в результате поворота заготовки в вертпкатьноп плоскости в процессе отрезки, а при сложном вращательно-поступательном движении заготовка может поворачиваться как в вертикальной, так и в осевой плоскостях, вызывая деформацию элементов профиля.

Минимальная депланация (см. табл. 5) наблюдается у клеммы, отрезанной по варианту №3. Это обусловлено тем, что при разделении П-образного профиля оптимальным направлением поступательного движения является движение, при котором протяженность сечений отдельных элементов профиля равны или минимальны - для клеммы 39 - 45° к горизонту (определено на основании разработанной методики).

Таблица 5

Значения показателей, характеризующих геометрическую точность отрезанных клемм

на разработанной штамповой оснастке

Величины, характеризующие точность отрезанных клемм ГОСТ 2234390 Варианты отрезки клеммы Изменение величин по отношению к варианту №1, %

1 2 3 4 2 3 | 4

Утяжина продольная - Ь, мм 15,0 16,0 0 8,0 0 -100 -50 | -100

Утяжина поперечная - /, мм 3,0 5,5 0 ! 2,0 0 -100 -64 -100

Вмятина продольная - п, мм 15,0 16,0 14,0 | 13,0 15,0 -13 -19 -6

Вмятина поперечная - к, мм 3,0 1,5 1,0 1,0 1,0 -33 -33 -33

Глубина волны на торце - §, мм 4,0 5,0 2,0 1 2,0 1,5 -60 -60 -70

Угол скоса торца - (р , град. 3,7 2,5 1,43 ] 2,5 1,43 -43 0 -43

Депланация дна - (1, мм - 2,2 4,0 0,5 2,5 +82 -77 +14

Депланация высокой полки - г/,, мм - 3,5 3,5 1,2 3,5 0 -66 0

Депланация низкой полки - И,, мм - 3,0 1,5 1,0 2,5 -50 -67 -17

ВЫВОДЫ

Для разделения фасонного профильного проката на металлургических и машиностроительных предприятиях используют различные способы отрезки Обеспечить геометрическую точность, высокое качество поверхности разделения при минимальной себестоимости позволяет группа способов отрезки сдвигом, осуществляемая в штампах на прессах. Однако, как показал анализ технической литературы, область применения этой технологии ограничена возможностью разделения

сортового проката простой формы (круг, квадрат, полоса, шестигранник) Попытки использовать эту технологию прп разделении сортовых фасонных профилей, в частности П-образных, приводят к тому, что отрезаемые заготовки не отвечают требованиям нормативно-технической документации.

1. Впервые выполнена классификация движений подвижного ножа штампов, в основу, которой положен принцип создания в плоскости разделения условий, обеспечивающих высокое качество поверхности разделения. Доказано, что эти условия могут создаваться поступательным и вращательным движениями, а также их комбинациями за счет изменения напряженно-деформированного состояния в очаге деформации.

2. Впервые предложен и теоретически обоснован метод определения оптимального направления отрезки при поступательном движении ножа фасонных профилей, имеющих полки различной толщины. Установлено, что отрезка фасонных профилей должна выполняться не перпендикулярно к одной из полок, а под некоторым к ней углом а,. При одинаковой толщине полок углового профиля и угле их раскрытия у = 90", угол а, = 45", для П-образного профиля и угле раскрытия его полок у =90-ПО" а, =39-45°.

3. Исследовано напряженно-деформированное состояние металла в очаге пластической деформации при отрезке П-образных профилей. Установлено влияние контактного трения на глубину распространения пластической деформации на первом этапе разделения. Уменьшение коэффициента трения до значения = ц, =0,1 приводит к увеличению глубины распространения деформации до А = 0,095.

4. Исследован характер течения металла на этапе пластического сдвига для двух случаев: поворот отрезаемой части и полосы ничем не ограничен; поворот отрезаемой части ограничен опорой. Установлено, что на угол поворота отрезаемой части и величину контактного давления на границе инструмент - заготовка оказывает влияние относительный осевой зазор: при этом с увеличением относительного осевого зазора контактное давление уменьшается, а угол разворота полосы увеличивается. Использование опоры в качестве ограничителя разворота отрезаемой части целесообразно только тогда, когда расстояние от плоскости разделения до опоры минимально и не превышает 0,55 . Увеличение указанного значения приводит к увеличению контактного давления на границе инструмент - заготовка. При этом увеличивается область пластической деформации и, как следствие, ухудшается геометрическая точность и качество поверхности разделения.

5. Впервые объяснено и экспериментально подтверждено положительное влияние сложного вращательно-поступательного движения подвижного ножа на геометрическую точность и качество поверхности разделения при отрезке П-образных профилей. Установлено, что при отрезке П-образного профиля при сложном движении ножа геометрическая точность каждой из шести ха-

яктеристик отрезанных образцов увеличивается на 13 - 63%.

6. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования явились основой разработки конструкции штамповой оснастки для производства клеммы раздельного рельсового скреп-ения ГОСТ 22343-90 с учетом напряженно-деформированного состояния в очаге деформации при ложном вращательно-поступательном движении ножей. Конструкция защищена патентом Ук-аины № 36004А ог 16.04.2001. Фактический годовой экономический эффект составил 39 088 грн. (олевое участие автора 27 361 грн. Ожидаемый головой экономический эффект составил 644 928 грн.

7. Разработанные в диссертации технологические и конструктивные решения при отрезке 1асонных профилей П-образного сечения предназначены для разработки технологии отрезки в пампах профилей сложной геометрической формы, в том числе пгутых профилей, сортовых фа-оппых, листовых гофрированных и специального назначения.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Капланов В.И., Диамантопуло К.К., Сердюк А.И. Анализ механических схем и способов азделения открытых профилей на заготовки // Biciihk Приазовського державного техничного унь ерситсту: Зб.наук.пр. - Mapiyno„n>, 1999. - Вип. 8. - С 83-85.

2. Диамантопуло К.К., Левандовская И.В., Сердюк А И. О резке полосы параллельными ножами // Удоскоиаления npoaeciB та обладнання обробки метал1В тиском у машинобудувашп та ме-riyprii: Зб.наук.пр. - Краматорськ: ДДМА, 2000. - С. 129-131.

3. Диамаптопуло К.К., Левандовская И.В., Сердюк А.И. О разрезке проката в штампе при южном движении ножа // Удосконалення npoueciB та обладнання обробки мета.™ тиском у ма-[инобудувашп та металурпг Зб.наук.пр. - Краматорськ - Слов'янськ: ДДМА, 2000. - С. 279-282.

4. Сердюк А.И. Оптимизация технологии отрезки заготовок от полосы П-образного сечения Удосконалення процесш та обладнання обробки метал(в тиском у машинобудуванш та металур-I: Зб.наук.пр. - Краматорськ: ДДМА, 2001. - С. 87-90.

5. Сердюк А.И. Аналитическое определение оптимального направления перемещения ножей ри безотходном разделении открытых профилей // Тез доклад. IX региональн. науч.-техн. конф. Мариуполь, 25-27 апреля 2002 г.) - Мариуполь, 2002. - Т. 1. - С. 62-63.

6. Сердюк А.И. Оптимизация технологии разделения открытых профилей на заготовки // Тез. эклад. IX региональн. науч.-техн. конф. (Мариуполь, 25-27 апреля 2002 г.) - Мариуполь, 2002.'-,1,-С. 64.

7. Сердюк А.И., Хасхачих О.Н. Пути повышения качества поверхности среза при безотх-1ной отрезке открытых профилей в штампах // Тез. доклад. X региональн. науч.-техн. конф (Ма-1уполь, 21-22 апреля 2003 г.) - Мариуполь;2002. - Т. II. - С. 83-84.

8. Сердюк А.И Классификация сложных движений при разделительных операциях в и тачпах // Тез. доклад. X региокальн. науч.-техн. конф. (Мариуполь, 21-22 апреля 2003 г.) - N ариуполь, 2002. - ТII. - С. 85.

9. Пат. 36004 А Украша, MKI B23D23/00. Штамп для подшу профшыюго прокату / К К. Дй мантопуло, Е.В. Гр1маш, В.М. Бардусов, АЛ. Сердюк. - № 99095194; Заявл, 21.09.1999, Опуб. 16 04.2001, Бюл.№3.

В приведенных работах автору принадлежит следующее:

[1] - с([юрмулировал требования, предъявляемые к механическим схемам для обеспечен! высококачественной отрезки П-образных профилей в штампах; [2] - разработал математическу модель для определения энергосиловых и геометрических параметров процесса на первом эта! разделения, отличающаяся от известных тем, что уравнение равновесия составлено с учетом ci трения, действующих на контактных поверхностях очага деформации; [3] - выполнил построен! статически допустимых сеток линий скольжения на втором этапе разделения. Составил уравнеш равновесия, позволяющее определить длину очага пластической деформации; [4] - теоретичем обосновал схемы сложного вращательно-поступательного движения ножа, обеспечивающие выс кокачественную отрезку П-образных профилей в штампах; [5] - разработал и теоретически обо повал метод определения направления отрезки при поступательном движении ножа П-образнь профилей с учетом напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации и гс метрических характеристик профиля. Выполнил расчет направления отрезки для П- образно профиля с углом раскрытия полок у =0-20° и соотношением толщины полки к толщине стен: S, /S-, = 0,1 — 1; [6] - провел стендовые испытания разработанной штамповой оснастки; [7] - пр анализировал результаты внедрения штампа для изготовления клеммы по ГОСТ 22343-90 в це рельсовых скреплений ОАО «МК «Азовсталь»; [8] - разработал классификацию движений пс вижного ножа для разделения П-образных профилей с учетом создания в процессе отрезки активного поперечного зажима; [9] - предложил выполнить толкатель, взаимодействующий с и жом е возможностью перемещения вдоль своей оси, а толкатель, взаимодействующий через рыч с подв1гжным ножом, выполнить длиннее толкателя подвижного ползуна на величину определ;

мую из соотношения: А/ = 2/(Jl - cos: (а /2), где Д/ - разница длин двух толкателей; R - ради дуги, который описывет точка контакта толкателя и рычага из центра поворота подвижного ноя а - угол предварительного поворота разделяемого профиля.

АНОТАЦЫ

Сердюк O.I. "Досл1дження напружено-деформованого стану металу в штампах 3i складн: рухом нож1в i удосконалення технолог!! вщр1зування П-подШних профшв" - рукопис.

Дисертащя на здобуття вченого ступеня кандидата техтчних наук 3i спешальносп 05.03.05. "Процеси i машинн обробки тиском'" Донецький нашональнпй техшчннй ушверситет. Донецьк 2004.

Дисертащя присвячена виршенню актуального завдання удосконалення технологи безвыходного роздилення в штампах з метою пщвищення геометрично! точности i якосгп поверхн1 розд|-лення при вицмзанш П-под1бних профЫв. На основ! виконаного аналпу мехашчних схем розд1-лення i внконано! класпфшаци pyxin рухомого ножа стосовно до фасонних профшв видьтеш фак-тори, як! мають вплнв на геометричну точшсть i яюсть поверхш розпод1лу. В робот1 показано, що для ЯК1СНОГО р1зання проф1л!В, як1 мають складну форму поперечного перерезу, потр|'бний склад-ний рух рухомого ножа. Розроблеш в дисертацп технолопчш i конструктивш р1шення при Bupi-затп профЫв П-под1бного nepepi3y можуть бути основою для розробки технологи р1зання в штампах профЫв складноУ геометричноУ форми, в тому члсш гнутих профшв, сортових, листових, гофрованих i спещального призначення, як1 мають р)'зну форму поперечного nepepi3y.

Ключов1 слова: вщрпний штамп, вщр1зання зсуво.м, П-под1бний пpoфiль, складний рух, ви-6ip напрямку В1др1зання.

АННОТАЦИЯ

Сердюк А.И. «Исследование напряженно-деформированного состояния металла в штампах со сложным движением ножей и совершенствование технологии отрезки П-образных профилей» -рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 «Процессы и машины обработки давлением». Донецкий национальный технический университет, Донецк 2004.

Диссертация посвящена решению актуальной задачи совершенствования технологии безотходного разделения в штампах с целью повышения геометрической точности и качества поверх-нгости разделения при отрезке П-образных профилей. На основе выполненного анатиза механиче-:ких схем разделения и выполненной классификации движений подвижного ножа применительно кП-образным профилям выделены факторы, оказывающие влияние на геометрическую точность и качество поверхности разделения. В работе показано, что для качественной отрезки профилей, имеющих сложную форму поперечного сечения, требуется сложное движение подвижного ножа.

Впервые разработан и теоретически обоснован метод определения направления отрезки при тоступательном движении ножа угловых и П-образных профилей с учетом напряженно-зеформированного состояния металла в очаге деформации и геометрических характеристик дан-чых профилей. В случае одинаковой толщины отдельных элементов П-образного профиля и угле чежду смежными полками у = 90" оптимальное направление отрезки по предложенной методике

составляет с полками угол а, = 45".

Разработана математическая модель для определения энергосиловых и геометрических параметров процесса на первом этапе разделения, отличающаяся тем, что уравнение равновесия составлено с учетом сил трения, действующих на контактных поверхностях очага деформации. Подтверждены результаты известных исследований, согласно которым при значениях коэффициентов контактного трения в диапазоне от 0,25 до 0,30 глубина распространения деформации на первом этапе находится в пределах А = 0,01-0,035. Установлено влияние контактного трения на глубину распространения пластической деформации на первом этапе разделения. Уменьшение коэффициента трения до значения р, = ц, = 0,1 приводит к увеличению глубины распространения деформации И = 0,095 Разработан комплекс программного обеспечения, позволяющий определять технологические параметры процесса разделения фасонных профилей и моделировать процесс разделения на характерных этапах методом линий скольжения.

Исследовано напряженно-деформированное состояние очага деформации на этапе пластического сдвига для двух случаев: поворот отрезаемой части и полосы ничем не ограничен; поворот отрезаемой части ограничен опорой. Установлено, что на угол поворота отрезаемой части и величину контактного давления на границе инструмент - заготовка оказывает влияние относительный осевой зазор: при этом с увеличением относительного осевого зазора контактное давление уменьшается, а угол разворота полосы увеличивается. Использование опоры в качестве ограничителя разворота отрезаемой части целесообразно только тогда, когда расстояние от плоскости разделения до опоры минимально и не превышает 0,55. Увеличение указанного значения приводит к увеличению контактного давления на границе инструмент - заготовка. При этом увеличивается область пластической деформации и, как следствие, ухудшается геометрическая точность и качество поверхности разделения.

На основе теоретического анализа напряженно-деформированного состояния при отрезке составного элемента открытого профиля - полосы при различных условиях разработаны две схемы сложного вращательно-поступательного движения подвижного ножа, обеспечивающие повышение геометрической точности и улучшение качества поверхности разделения фасонных профилей.

Экспериментально установлено, что при отрезке П-образного профиля при сложном движении ножа геометрическая точность каждой из шести характеристик отрезанных образцов увеличивается на 13 - 60%.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования явились основой разработки конструкции штамповой оснастки для производства клеммы раздельного рельсового скрепления по ГОСТ 22343-90 с учетом напряженно-деформированного состояния в очаге деформации при сложном вращательно-поступательном движении ножей.

Разработанные в диссертации технологические и конструктивные решения при отрезке открытых профилей П-образного сечения могут быть основой для разработки технологии отрезки в штампах профилей сложной формы, в том числе гнутых профилей, сортовых, листовых гофрированных и специального назначения, имеющих разнообразную форму поперечного сечения.

Ключевые слова: отрезной штамп, отрезка сдвигом, П-образный профиль, сложное движение, выбор направления отрезки.

THE SUMMARY

Serdjuk A.I. "The exploration is intense of the deformed condition of metal in dies with complex movement of knifes and perfecting of technology cuts of П-shaped structures"- manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Candidate of Technical Sciences on a speciality 05.03.05 "Processes and machines of processing by pressure». Donetsk National Technical University, Donetsk 2004.

The dissertation is devoted to the decision of an actual problem of perfection of technology of without waste division in stamps with the purpose of increase of geometrical accuracy and quality of a surface of division at a piece of П-shaped structures. On the basis of the executed analysis of mechanical circuits of division and the executed classification of movements of a mobile knife with reference to open structures the factors influencing geometrical accuracy and quality of a surface of division are allocated. In work it is shown, that for qualitative are sharp the structures having the complex form of cross-section section, complex movement of a mobile knife is required. The technological in dissertation technological and constructive decisions at a piece of open structures of П-shaped section can be a basis for development of technology pieces in stamps of structures of the complex geometrical form, including the bent structures, high-quality structures, sheet goffered and the special purpose, having the various form of cross-section section.

Key words: a detachable stamp, a piece the shift, an П-shaped structures, complex movement, a choice of a direction pieces.