автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Исследование поперечных сил в оборудовании и технологических процессах обработки металлов давлением

На правах рукописи УДК 621.979.06+ 621.7

КУЗНЕЦОВ Сергей Викторович

Исследование поперечных сил в оборудовании и технологических процессах обработки металлов давлением

Специальность 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород 2004

Работа выполнена на кафедре «Машиностроительные технологические комплексы и обработка металлов давлением» Нижегородского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор О.С. Кошелев

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор В. А. Скудное кандидат технических наук доцент П.М. Королев

Ведущая организация: ОАО «Горьковский автомобильный завод»

Защита состоится «£$"» июМЯ 2004 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.165.09 в Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, ГСП-41, г. Н. Новгород, ул. К. Минина, 24, НГТУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета

Автореферат разослан 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение точности заготовок, получаемых методами обработки металлов давлением, снижение трудоемкости, повышение надежности кузнечно-прессового оборудования (КПО) и штамповой оснастки, и, как следствие, снижение себестоимости изготовления детали - одна из основных задач технологии машиностроения. При выполнении операций обработки металлов давлением на любом из существующих видов оборудования кроме сил, действующих вдоль оси деформирования, отмечено возникновение поперечных (действующих в плоскости разъема штампа и перпендикулярных оси деформирования) сил. Их появление в основном отрицательно сказывается на прессовом оборудовании и штамповой оснастке: повышенный износ элементов привода и направляющих ползуна, увеличение вероятности поломки элементов пресса и штампа, смещение верхней и нижней частей поковки, ударные нагрузки, шум, вибрации, ухудшение качества и точности изготовления получаемых изделий. В данной работе поперечные силы в рабочей зоне машины и являются основным объектом исследовании. Важность работы заключается в возможности увеличения надежности КПО и штамповой оснастки за счет определения и учета (в настоящее время не проводится) величины поперечных сил в рабочей зоне машины при различных процессах штамповки, а также в уточнении существующих способов расчета и моделирования элементов оборудования и оснастки с помощью предлагаемых способов.

Целью диссертационной работы является определение величины и направления поперечных сил, выявление совокупности причин их возникновения, степени воздействия на КПО и штамповую оснастку. Поскольку работа в этом плане является одной из первых, особенностей выполнения оборудования и штамповой оснастки мы не учитывали, т.е. работа строилась по принципу: если в рабочей зоне машины произойдут такие-то процессы, то возникнут такие-то силы.

Научная новизна работы заключается в том, что в результате теоретических и экспериментальных исследований получены зависимости, позволяющие найти изменение поперечных сил как от совокупности параметров (геометрические размеры детали и заготовки, неравномерность течения в гравюре штампа и прогрева материала и т.п.), определяемых условиями технологического процесса изготовления изделия; так и особенностями поведения и состоянием КПО (перекосы рабочих частей), влияющими на рабочую зону.

Методы и средства исследований. Работа выполнена на основе положений теории обработки металлов давлением и методик расчета элементов деталей машин. Экспериментальные исследования производились с применением современных средств измерения силовых параметров с последующей компьютерной обработкой исследуемых величин.

Практическая значимость. В результате проведенных исследований разработаны научно обоснованные методы решения прямой задачи - определение поперечных сил в системе «заготовка - инструмент - рабочие элементы оборудования» при выполнении типовых технологических процессов листовой и объемной штамповки. При известных значениях поперечных сил предложены методы решения обратной задачи - определение сил в элементах этой системы и методика моделирования поведения системы.

Реализация предлагаемых разработок позволяет более рационально с точки зрения выбора материалов и размеров деталей проектировать и эксплуатировать оборудование и оснастку.

Материалы диссертации могут быть использованы в организациях, связанных с производством и эксплуатацией кузнечно-штамповой оснастки и оборудования, научных и учебных организациях.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 7 научно-технических конференциях по совершенствованию процессов и оборудования кузнечно-штамповочного производства.

Публикации. Результаты работы опубликованы в девяти статьях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня литературных источников, включающего 59 наименований, и 13 приложений. Диссертация содержит 188 страниц машинописного текста, 56 рисунков, 18 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы необходимость и цель работы, определена научная новизна исследований.

В первой главе дан обзор и анализ основных литературных источников, затрагивающих вопросы, связанные с проблемами определения поперечных сил, а также зависящих от них параметров. В свое время эти проблемы исследовали А.Н. Банкетов, В.И. Власов, Э.Р. Гольник, Ю.А Дибнер, В.А. Евстра-тов, Л.И. Живов, Е.Н. Ланской, А.Г.Овчинников, Е.А Попов, М.В.Сторожев и другие авторы.

В результате анализа литературных источников установлено:

1) отсутствие единой методики определения поперечных сил;

2) при выполнении операций обработки металлов давлением возникает поперечная сила, величина и направление действия которой полностью не исследованы; .

3) возникновение поперечной силы связано с наличием двух основных факторов: а) перекосом ползуна пресса вследствие эксцентрично приложенной нагрузки. Перекос ползуна пресса зависит от величины нагрузки и эксцентриситета ее приложения, величины зазоров и жесткости подвижных соединений (особенно направляющих ползуна и штампа), вида выполняемой технологиче-

ской операции; б) особенностями выполнения конкретной технологической операции;

4) все изменения конструкций элементов КПО и штамповой оснастки производятся в основном без учета воздействия и количественной оценки поперечных сил, хотя эти силы могут существенно влиять на работу узлов оборудования. Если же при конструировании штампов и прессового оборудования учитывается наличие поперечных сил, то соответствующие расчеты не проводятся из-за отсутствия методик определения сил;

5) возможно негативное и положительное (например, ужесточение направления ползуна) влияние поперечных сил на отдельные элементы КПО, штамповую оснастку, качество получаемой продукции.

Постановка задач исследований. Анализ литературных источников показал, что горизонтальные силы в прессовом оборудовании играют в основном негативную роль. С ними борются пассивным путем, т.е. пытаются ликвидировать последствия проявления этих сил, не исследуя причин их появления, реже пытаются полезно использовать эти силы (см., например, работы О.С. Кошеле-ва). Несмотря на имеющиеся в этой области работы, остались не в полной мере решенными вопросы разработки методик определения поперечных сил. На основании сказанного основными задачами исследований нами были приняты:

- изучение условий возникновения поперечных сил при внецентренном нагружении ползуна пресса;

- изучение особенностей поведения (перекосы, смещения в направляю -щих) ползуна пресса под действием этих сил;

- разработка методик определения величины и направления поперечных

сил;

- выяснение зависимости сил от выполняемой технологической операции (геометрические размеры детали, неравномерность ее прогрева, течение обрабатываемого материала в гравюре штампа).

- экспериментальная проверка теоретических разработок и методик расчета;

- моделирование поведения оборудования и оснастки с учетом наличия поперечных сил.

Во второй главе проведен анализ сил в элементах КПО и штамповой оснастки, возникающих при выполнении технологических операций с учетом наличия поперечных сил и внецентренного нагружения ползуна пресса. Силы, действующие в системе и изменяющиеся в процессе технологической операции, приводят к сложной траектории движения ползуна пресса. Положение ползуна совместно с закрепленной на нем верхней плитой штампа при его движении зависит от кинематических параметров, конструкции, размеров и точности технологического оборудования и штамповой оснастки; места приложения и величины технологической нагрузки.

При анализе поведения системы в ходе выполнения технологической операции мы посчитали целесообразным рассматривать три стадии перемещения элементов: 1) выборка зазоров в направляющих штампового блока; 2) упругая деформация направляющих штампового блока; 3) равновесие системы, выбравшей упругие деформации в направляющих штампового блока и направляющих пресса. Эта стадия рассматривалась как основная, поскольку именно при ней производится заключительный процесс деформации заготовки и именно она определяет точность последней.

Выяснено, что главными факторами, влияющими на последовательность и длительность стадий, являются: 1) величина зазоров в направляющих штам-пового блока и ползуна пресса; 2) поперечные силы и перекосы ползуна пресса.

Задача по определению поведения единой системы «заготовка - инструмент - оборудование» и отысканию действующих в ней сил нами решалась путем моделирования на основе метода конечных элементов (МКЭ) с применением соответствующего программного обеспечения.

В общем случае рассматриваемая система является статически неопределимой. Для проведения расчетов она разбивалась на подсистемы (проводилась декомпозиция). При разбиении единой системы на подсистемы граничные условия выбирались различными. Их выбор зависит от характеристик самого процесса и способов дальнейшего расчета, в частности удобства использования вычислительной техники. Методика (алгоритм) определения поведения системы с использованием конечно-элементного моделирования представляет следующее: 1. Определение и анализ геометрических размеров штампа (длина, ширина, высота, расположение гравюры, расположение колонок и зазоры в них), геометрии ползуна пресса и его направляющих (длина, ширина, высота, зазоры между ними). 2. Определение несовпадения теоретического центра давления штампа с центром давления пресса (эксцентриситета приложения нагрузки). 3. Определение точек контакта ползуна с направляющими при «раскрытом» штампе, при начале и завершении технологической операции (определение «переброса» ползуна). 4. Определение непараллельности плоскостей ползуна и стола пресса. 5. Разбиение (декомпозиция) единой системы «заготовка -инструмент - рабочие элементы оборудования» на подсистемы, основанное на структурном подходе1, с целью устранения статической неопределимости с заданием граничных условий (силовая нагрузка и заделки). Система разбивалась на три подсистемы: а. «матрица - пуансон»; б. «штамповый блок»; в. «ползун пресса». На основе этого предложена расчетная схема для определения поведения единой системы. 6. Математическое моделирование последовательно каждой из подсистем, основанное на МКЭ с использованием САПР COSMOS/2M.

Гольник Э Р, Дибнер Ю-А- Экспертное планирование декомпозиции кривошипных прессов и постановка локальных конструкторско-технологических задач // Кузнечно-штамповочное производство Обработка материалов давлением- 2001- №1- с 40-44-

Моделирование включает в себя: а) создание конечно-элементной модели с помощью графического препроцессора GEOSTAR с использованием графических примитивов; б) определение типа применяемого конечного элемента (на основе решаемой задачи и материалов изделий); в) определение характеристик конечных элементов (размеры, площадь поперечного сечения); г) определение элементных групп (для составных деталей) и параметров применяемых материалов (модуль упругости, коэффициент Пуассона); д) генерация конечно-элементной сетки; е) приложение нагрузок к модели; ж) контроль правильности построения модели; з) выполнение расчета конечно-элементной модели с помощью модуля MODSTAR; и) просмотр результатов расчетов (напряжений, деформаций, перемещений элементов модели) в цифровой или графико-цифровой форме. 7. Анализ поведения системы. Определение точностных и силовых характеристик проводимой технологической операции, воздействие на инструмент и оборудование.

В третьей главе проведено теоретическое определение поперечных сил для типовых операций объемной и листовой штамповки.

Для операций объемной штамповки были установлены зависимости поперечных сил: от различного по времени вхождения в контакт с гравюрой штампа деформируемого материала (неодновременного появления и различного по величине препятствия течению металла по периметру штампуемого изделия), условий прогрева образца перед выполнением операции, формы заготовки и заусенца, величины контактного трения на поверхности заготовка - инструмент, перекоса деформирующего инструмента.

С целью определения сил произвольно выделялся элементарный участок dFKHa поверхности AB контакта (рис. 1). Считалось, что на такой поверхности присутствуют распределенные нормальные и касательные напряжения.

Рис. 1. Схема определения нормальных и касательных напряжений для нахождения деформирующих сил для рассматриваемой контактной поверхности.

Для произвольно выделенного участка можно записать: dPB= Оц • dFK • cosa + тк • dFK • sina = Он • dFe + Тк • dFr dPp = aH • dFK • sina + тк • dFK • cosa = Сн • dFr + Тк • dFe,

где - dFp и dFB - площади проекций элементарного участка заготовки на плоскости, перпендикулярную и совпадающую с направлением движения инструмента, dPp и dPe - проекции элементарных усилий, действующих по выделенной поверхности контакта, на плоскости, перпендикулярную и совпадающую с направлением движения инструмента, a - угол между направлением нормального напряжения Он и направлением движения инструмента.

Решение задачи, связанной с определением поперечных сил, а также различного по времени вхождения в контакт с гравюрой штампа деформируемого материала, условий прогрева образца перед выполнением операции, формы заготовки и заусенца потребовало выявления нормального напряжения ах, действующего со стороны препятствия. Препятствие в момент начала контакта приводит к смене схемы деформируемого состояния (см. рис. 2), а именно объемное деформированное состояние на поверхности переходит в плоское. Для такого состояния справедливы выражения1

Txr ~ Tzr

<TX+°Z.

Определение численных значений напряжений проводилось с учетом методики, предложенной М.В. Сторожевым и Е.А. Поповым1. Предполагалось, что процессы, протекающие на торцах заготовки и в зоне контакта с препятствием, носят схожий характер, поэтому определение Ххг проводилось по указанной методике, применяемой в расчетах на торцах заготовки. На основании этого полагалось, что при касательном напряжении Тк на контактной поверхности Тк ¿0,7-к напряжения определяются соотношением Ох - Стг = ± Стэ и точное значение Стх определено быть не может. При 0,7-к < Тк ^ к: в\ — Ог =

а)

Рис. 2. Схемы напряженно-деформированного состояния образца: а) при его осадке; б) при касании образцом препятствия.

Сторожсв М В , Попов Е А Теория обработки металлов давлением М, Машиностроение, 1977

Определение напряжений на основании соответствия напряженного и деформированного состояний заготовки проводилось по методике, заимствованной из указанной выше работы М.В. Сторожева и Е.А. Попова. Это позволило найти напряжение Ох без нахождения касательных напряжений на поверхности заготовки. При этом вводились следующие допущения: а) относительные сдвиги у отсутствуют и направления удлинений совпадают с главными-осями деформаций; б) направления напряжений совпадают с главными осями нормальных напряжений.

В результате было получено, что искомое напряжение находится в диапазоне -<т$.'3<ах^0. Для рассмотренной схемы в предельном случае СГг= . Таким образом, максимально возможное значение напряжения

в зоне контакта заготовки с препятствием

В результате, нами была предложена последовательность расчета поперечных сил для заготовки произвольной пространственной формы. 1. Криволинейная контактирующая поверхность штампа и заготовки в рассматриваемый момент времени разделялась на совокупность элементарных поверхностей (плоскость, цилиндр, сфера и т.д.), причем шаг разбиения зависел только от сложности рассматриваемой формы. 2. Для каждой выделенной элементарной поверхности производилось определение ее положения относительно базовой плоскости. 3. Для каждой выделенной элементарной поверхности производилось определение площадки контакта. 4. Для каждой выделенной элементарной поверхности производилось определение нормальных напряжений. 5. Для каждой выделенной элементарной поверхности производилось определение касательных напряжений. 6. Определялось значение элементарной поперечной силы для каждой выделенной поверхности. 7. Определялось результирующее значение поперечной силы путем векторного сложения соответствующих элементарных сил, действующих во всех выделенных участках заготовки.

Полученные результаты подвергались экспериментальной проверке и только после этого выражения рекомендовались к практическому использованию.

Для операций листовой штамповки определение поперечных сил, возникающих при выполнении технологической операции, также проводилось с использованием метода М.В. Сторожева и Е.А. Попова.

На основании рис. 3 были определены основные уравнения равновесия выделенного элемента:

а)при проецировании на нормаль к поверхности (см. рис. 3) аН'{г-2а1>{г^а/2)-2ав{2-(^/2) = 0 (1)

б) при проецировании на касательную к поверхности заготовки в мериДИОНальном сечении (см рис

арП + с!(стр Г,) - стрЬ - 2 ств Ъ • (сЮ / 2) - ц а„ & = 0 (2)

На основе уравнений (1) - (2) рассматривались различные варианты определения горизонтальных сил. В качестве наиболее приемлемого с точки зрения дальнейшего использования, принимаем:

dFTi = s • dy • dp • [(стр - а9) + dap• pjdp ] (3)

где dFyj - поверхностная сила трения, действующая в выделенном i-ом элементарном участке, 3 - переменный коэффициент, являющийся функцией главных нормальных напряжений, s - толщина заготовки, dy - угол, р - параметр, определяющий положение выделенного элемента заготовки относительно оси симметрии.

Рис. 3. Схема для определения элементарной силы трения на поверхности исходной заготовки

Величина поперечной силы, действующей в выделенном сегменте, в конечном счете, определялась по зависимости:

(4)

'. (5)

где г» и Г2 - соответственно, внутренний и наружный радиусы рассматриваемого сегмента относительно оси Симметрии заготовки; и - начальное и конечное значения угла, в пределах которого рассматривается выделенный сегмент, С - постоянная интегрирования.

Общее уравнение для определения поперечных сил в приближенном виде, полученное с использованием неравенства <ТР Cs -1 С$ f < CTs , представленного в работе М.В. Сторожева и Е.А. Попова, может рассматриваться как случай с предельными по величине поперечными силами. Оно имеет вид: FTi = (cts ±p-cs-lnp).s-p-y + C (6)

Были получены общие уравнения определения исследуемых сил для операций листовой штамповки (вытяжка цилиндрической заготовки для первого и последующих переходов, гибка, вырубка-пробивка, вытяжка с утонением стенки, отбортовка, обжим) на основе точного (5) вида, установлены способы нахождения входящих в формулу величин из условия связи напряжений и деформаций рассматриваемого элемента.

В результате, нами была предложена последовательность расчета поперечных сил для операций листовой штамповки. 1. Определялась ось симметрии заготовки. 2. Поверхность заготовки разбивалась на участки (сегменты), ограниченные радиусами Г] и Гг и углом в диапазоне от yi до "¡fe. 3 . Для каждого из. выделенных сегментов экспериментально определялись значения величин s, p, у; на основе справочных данных as.. 4. Находились величины деформаций 8Р, бе, Бгдля каждого рассматриваемого участка заготовки: а) экспериментально (например, при помощи метода координатных сеток), б) расчетными способами (например, на ocho™ ^^."¿"у*411151® значения деформаций подставлялись в уравнение ^g-^s'-—6. Полученное значение напряжения

Sz +2'£р

подставлялось в уравнение пластичности csp- Оа = ± P-CTs г откуда находилось Ср. 7» На основе уравнения (5) в зависимости от рассматриваемой технологической операции, условий ее проведения и граничных условий, определялась постоянная интегрирования С. 8. На основе полученного уравнения устанавливалась величина поперечной силы в пределах выделенного сектора. 9. Аналогично определялись поперечные силы во всех выделенных секторах заготовки. 10. Находилось результирующее значение поперечной силы путем векторного сложения сил, действующих в каждом выделенном сегменте, по всей поверхности заготовки.

Далее была разработана методика определения исследуемых сил вследствие перекоса ползуна пресса (см. рис. 4, 5) и установлены основные причины возникновения перекоса.

При этом мы исходили из того, что если принять (см. рис. 4) Г2'3'4' -плоскость стола пресса, Г'2"3"4" - плоскость рабочей поверхности ползуна пресса при отсутствии нагрузки, 1234 - плоскость рабочей поверхности ползуна пресса при наличии нагрузки, Pi - Р4 - силы, возникающие в точках подвески ползуна при выполнении технологической операции, Д1| - ДЦ - абсолютное изменение координат по соответствующим точкам, Pir и Рцг „- проекции поперечной составляющей на плоскости Г133' и 2'244', Рг- суммарная поперечная со-

ставляющая силы технологической операции, Рв - вертикальная составляющая силы технологической операции, Р5- суммарная (полная) сила технологической операции; Д( - Д^ - разность координД^по соответствующим .точкам (1-3 и 24), - углы поворота плоскости ползуна пресса относительно плоскости стола, то положение плоскости ползуна можно определить по двум пересекающимся прямым (диагоналям поверхности ползуна пресса).

Рв

Г 2'

. Рис. 4. Определение горизонтальной силы вследствие изменения пространственного положения (перекоса) ползуна пресса

Для этого находились координаты точек 1,2,3,4 относительно плоскости стола пресса Г, 2', 3', 4'. После чего определялись углы наклона диагоналей в перекошенном состоянии к нормальному их положению (см. рис. 5) по выражениям $ша1 - Д]/1|.з 81П<Х2= ДЦ/Ь-4 (7)

где 1,1, = Ь-4 = л/а1 +Ьг - длина диагонали между рассматриваемыми точками; а, Ь - расстояние между рассматриваемыми точками;

Г 3' 4' 2'

Рис. 5. Определение проекций результирующей силы на диагонали

Затем из соотношений

18а, = Р,г/Рв 18а2=Р,,г/Рв (8)

определялись значения поперечных сил.

Суммарное значение поперечной составляющей силы Рг определялось путем векторного сложения проекций РГ| и РГц на диагонали.

В процессе работы найдено отношение поперечной (исследуемой) силы к вертикальной составляющей силы технологической операции:

у? = ^[агсзт^-])2 + («Дапзш^Ч • соз[| - 2 •

Ьыли предложены расчетные и экспериментальные спосооы определения-параметров, входящих в формулы (7) - (9) и рекомендации по их вычислению.

В четвертой главе приведены основные результаты экспериментальных исследований поперечных сил для различных технологических операций.

Экспериментальные исследования поперечных сил проводились:

I. Для изучения особенностей их появления в зависимости типа операции при:

1.1. Вытяжке стальных заготовок цилиндрическими пуансонами со срезанной на торце частью рабочей поверхности.

1.2. Осадке заготовок из различных металлов (свинец С1, латунь Л62, дуралюмин Д16А-Т) при наличии бокового препятствия течению материала.

1.3. Осадке заготовок (свинец С1) с ограниченными возможностями вытекания материала в боковом направлении.

1.4. Штамповке образцов в разъемных матрицах.

В процессе этих исследований разработаны способы измерения, созданы и экспериментально опробованы устройства для определения поперечных сил для каждого из перечисленных случаев. Спроектировано, изготовлено и опробовано измерительное устройство для одновременного определения поперечных сил, возникающих от технологической операции и перекоса ползуна пресса (см. рис. 6). Принцип действия измерительного устройства основан на разрыве жесткой связи между верхней плитой штампа и ползуном пресса с возможностью измерения перекоса ползуна 1 путем определения расстояния между неподвижными устройствами фиксации датчиков малых перемещений 14 и ползуном. Для передачи нагрузок, действующих в плоскости разъема штампа, вводятся четыре силоизмерительных стержня 3 и четыре вспомогательных держателя 9. Силоизмерительные стержни расположены в плоскости разъема штампа под углом 90° друг относительно друга. На силоизмерительных стержнях расположены тензодатчики 12. Вспомогательные держатели жестко зафиксированы на опорной плите 13, которая, в свою очередь, жестко крепится к ползуну пресса 1, например, посредством хвостовика 2. Верхняя половина штампа крепится к держателю основному 10 либо непосредственно при помощи специального узла крепления 8, либо через промежуточную плиту 11. Определение по-

перечных, сил производится по величинам деформаций силоизмерительных стержней с тензодатчиками при помощи регистрирующей аппаратуры (осциллограф или аналого-цифровой преобразователь с выводом на ЭВМ).

Рис. 6. Схема измерительного устройства для одновременного определения поперечных сил, возникающих от технологической операции и перекоса ползуна пресса и расположение датчиков относительно ползуна пресса.

На рис. 6 обозначено: 1- ползун пресса; 2 - узел крепления; 3 - стержни силоизмерительные; 4 - датчики малых перемещений; 5 - верхняя половина штампа; 6 - нижняя половина штампа; 7 - стол пресса; 8 - узел (устройства) крепления промежуточной плиты к измерительной схеме; 9 - держатель вспомогательный; 10 - держатель основной; 11- плита промежуточная; 12 - тензо-датчики; 13 - плита опорная; 14 - устройства фиксации датчиков малых перемещений.

2. Для изучения влияния на поперечные силы прессового оборудования на примере операций вырубки симметричных заготовок (сталь 08кп) и при осадке заготовок (свинец С1) с варьированием эксцентриситета приложения нагрузки и зазоров-в направляющих ползуна. Для эксперимента использовался пресс модели А840 усилием 160 кН. Величина зазора в направляющих изменя-

лась в пределах от 0.05 до 0.35 мм, при рекомендуемых для данного пресса в 0.1 мм.

3. Для определения поведения системы «заготовка - инструмент - рабочие элементы оборудования» при выполнении технологических операций (на примере определения смещения ползуна пресса, возникающего при проведении пробивки и вытяжке пуансонами со срезанной на торце частью рабочей поверхности), для чего было создано специальное измерительное устройство, позволяющая фиксировать смещения ползуна пресса (см. рис. 7). Шесть датчиков перемещений (по три на плоскость; обозначены точками с соответствующими номерами) жестко закреплялись с помощью кронштейнов на столе пресса. По величине деформации соответствующей тройки датчиков проводилось определение отклонения плоскостей от исходного положения (начало рабочего хода) с последующим выводом на регистрирующую аппаратуру.

Рис. 7. Схема для определения положения в пространстве ползуна пресса

Параллельно с этим проводилось моделирование поведение единой системы на основе МКЭ путем создания конечно-элементной моде, а элементов штампового блока, основанного на положениях главы 2. Отдельные этапы моделирования представлены на рис. 8.

Проведенные экспериментальные исследования позволили доказать возможность применения предлагаемых методик определения поперечных сил. Сравнение результатов экспериментальных и теоретических разработок показало, что теоретические исследования в достаточной мере (с погрешностью ~ 10 -5-28%) подтверждаются.

■1 - мряси гпмт^ т " шлрвашиощи« «тулки, - ктрпляощнс колом«

РИС. 8. Элементы моделирования на основе МКЭ: конечно-элементная модель подсистемы штампового блока и изменение положения элементов штампа на стадии упругого изгиба направляющих колонок: схема и шкала перемещений.

1. Подтвержден факт возникновения поперечных сил при выполнении технологической операции. Величина поперечных сил может достигать ~ 20 - 100% от силы деформирования.

2. Установлены и исследованы основные причины появления поперечных сил в зависимости:

- от особенностей выполнения технологической операции (геометрические размеры детали, неравномерность ее прогрева, течение обрабатываемого материала в гравюре штампа);

- от состояния прессового оборудования (величина перекоса ползуна пресса, неточность наладки штампов, несоосность пуансона и матрицы, неравномерность зазора между ними по периметру, особенности установки образца и т д ). Указанные параметры могут увеличивать значение поперечной силы до ~ 20%.

3. Предложена уточненная методика проведения расчетов и моделирования на основе МКЭ поведения единой системы «заготовка - инструмент - оборудование».

Предложен способ декомпозиции единой системы «заготовка - инструмент -оборудование», основанный на структурном анализе, а также рассмотрение инструмента как системы, включающей в себя другие подсистемы.

4. Предложены аналитические зависимости для определения поперечных сил при различных технологических операциях ОМД

5. Разработаны методики для определения поперечных сил в зависимости от выполняемых технологических операций и особенностей технологического оборудования.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

6. Подтвержден факт отрицательного влияния поперечных сил на прессовое оборудование и штамповую оснастку.

Вследствие этого поперечные силы должны учитываться при проектировании и эксплуатации оборудования и штамповой оснастки. В случае их большого значения необходимо проводить конструкторско-технологические мероприятия, направленные на уменьшение, ликвидацию или полезное (как это делается, например, при выполнении рабочих механизмов прессов с дезаксиалом) использование этих сил.

7. С целью оценки точности штамповки необходимо определять смещение ползуна пресса. Это можно делать на основе предлагаемой методики расчетным путем или проведением моделирования.

8. Для уменьшения вредного действия перекоса ползуна пресса рекомендуется ' особое внимание уделять известным способам обеспечения параллельности рабочих плоскостей ползуна и стола пресса, а именно

- применять: специальные устройства, обеспечивающие параллельность, ползуны с развитыми направляющими, направляющие штампового блока с беззазорным соединением,

- максимально повышать жесткость направляющих ползуна и штампового блока, станины пресса в поперечном направлении,

- стремиться снижать величину эксцентриситета приложения нагрузки от технологической операции.

9. Применение представленных методик и проведение расчетов по ним позволит:

- для операций листовой штамповки: повысить качество деталей, улучшить условия работы матриц, пуансонов, направляющих узлов штампа, обеспечить стабильность зазора,

- для операций объемной штамповки: снизить габариты штамповых блоков, их направляющих узлов, и, соответственно, металлоемкость,

- для технологического оборудования и штамповой оснастки получать уточненные значения силовых взаимодействий и перемещений в их элементах.

10. Предложенный новый способ определения исследуемых сил может быть использован на стадии проектирования оборудования и оснастки в качестве уточняющего к существующим; полезен для предприятий и организаций, связанных с обработкой металлов давлением.

11. Экспериментальные исследования подтвердили правомерность выдвинутых предложений и достоверность разработанной методики и алгоритмов расчетов. Точность сопоставления теоретических и экспериментальных данных составила от 10 до 28%.

Основные результаты опубликованы в следующихработах: 1. Кузнецов СВ., Кошелев О.С. Определение горизонтальных сил, возникающих при вырубке симметричных деталей // Технологические процессы и

оборудование машино- и приборостроения: Сб. науч. трудов - Н. Новгород: НГТУ, 1997.-С. 89-93.

2. Кузнецов СВ. Определение горизонтальных сил, возникающих при выполнении операций обработки металлов давлением // Доклады научно-технической конференции по совершенствованию процессов и оборудования кузнечно-штамповочного производства: Сб. статей, Н. Новгород, 27-28 мая 1997 г. - Н. Новгород, НГТУ, 1997 г. - С.66-68.

3. Кошелев О.С., Кузнецов СВ. Методика определения горизонтальных сил, возникающих при штамповке // Кузнечно-штамповочное производство, 1997, №4, С 21-23.

4. Кузнецов СВ. Методика определения горизонтальных (поперечных) сил, возникающих при выполнении операций листовой штамповки // Технология машиностроения. Новые исследования и разработки студентов, аспирантов и преподавателей: Материалы научно-технической конференции студентов и аспирантов. - Н. Новгород, 1999, С 97 - 100.

5. Кузнецов СВ. Возможное влияние горизонтальных (поперечных) сил на качество, стойкость применяемого инструмента и точность деталей, получаемых листовой штамповкой // Технология машиностроения. Новые исследования и разработки студентов, аспирантов и преподавателей: Материалы научно-технической конференции студентов и аспирантов. - Н. Новгород, 1999, С. 89-96.

6. Кузнецов СВ. Исследование распределения сил в элементах штампо-вой оснастки и прессового оборудования при выполнении операций листовой штамповки // Будущее технической науки Нижегородского региона: Тезисы докладов регионального молодежного научно-технического форума.-Н.Новгород, 2002, С 207-208.

7. Галкин В.В., Кузнецов СВ., Горячев А.М. Оценка влияния конструкции штампа на точность получаемых деталей при вырубке-пробивке // Кузнеч-но-штамповочное производство. Обработка материалов давлением, 2003, № 2, С. 36-40.

8. Галкин В.В., Кузнецов СВ., Пудов А.С Применение в учебном процессе методов расчета кузнечно-штамповочного оборудования и штамповой оснастки с использованием конечно-элементного моделирования // Информационные технологии в учебном процессе: Материалы Всероссийской научно-методической конференции.- Н.Новгород, 2003, С. 188-190.

9. Кузнецов СВ. О необходимости учета поперечных сил, возникающих при выполнении технологических процессов ОМД, в расчетах и моделировании поведения элементов прессового оборудования и штамповой оснастки // Будущее технической науки Нижегородского региона: Тезисы докладов регионального молодежного научно-технического форума.- Н.Новгород, 2003, С. 95-96.

Подписано в печать 23.04.04. Формат 60 х 84 '/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 281.

Нижегородский государственный технический университет. Типография НГТУ. 603600, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

Р-97 20