автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Отрезка коротких точных заготовок в штампах с осевым сжатием

На правах рукописи

МАРКИН НИКОЛАЙ ИВАНОВИЧ ( £ {Л .и,

ОТРЕЗКА КОРОТКИХ ТОЧНЫХ ЗАГОТОВОК В ШТАМПАХ С ОСЕВЫМ СЖАТИЕМ

05.03.05 — Технологии и машины обработки давлением

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

00345727Э

Орел, 2008 г.

003457279

Работа ВЕ.толнена в ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Радченко Сергей Юрьевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Яковлев Сергей Сергеевич.

кандидат технических наук, доцент, Егоров Борис Александрович

Ведущая организация: ЗАО "Орловский машиностроительный завод'

Защита состоится "25"декабря 2008 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.182.03 при ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет» по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, д. 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет».

Автореферат разослан "25"декабря 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

М.И. Борзенков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в различных отраслях промышленности широко используются полые осесимметричные детали, изготавливаемые традиционными способами обратного выдавливания, прессования, закрытой штамповки. В качестве заготовок используются точные короткие заготовки цилиндрической формы. К таким заготовкам предъявляют повышенные требования в отношении точности объема, а неправильная геометрическая форма заготовки может вызвать неравномерное нагружение рабочих частей штампа и привести к преждевременному износу и даже поломке пуансона и матрицы. Помимо геометрической точности для заготовок, предназначенных для холодного выдавливания, важно состояние поверхности среза, оцениваемое наличием на ней дефектов и шероховатостью.

Основными способами получения точных короток заготовок являются отрезка пилами от прутка, отрезка на токарных станках, вырубка заготовок из листа и отрезка пластическим сдвигом в штампах. Отрезка пилами и отрезка на токарных станках процессы с большим отходом металла, т.к. толщина отрезного инструмента одного порядка с толщиной отрезаемой заготовки. Вырубка заготовок из листа сопряжена с наличием больших отходов металла, так как технология вырубки требует наличия технологических перемычек между вырубаемыми заготовками, кроме того, даже оптимальное расположение вырубаемых заготовок на листе не позволяет задействовать всю площадь и, как следствие, остаются не используемые участки листа между заготовками (до 25%-30% металла ). Отрезка на сортовых ножницах приводит к искажению геометрии заготовок и образованию дефектов в зоне реза. Поэтому отрезка в штампах с осевым сжатием является более производительным и экономичным способом получения точных коротких заготовок цилиндрической формы.

На сегодняшний день вопросы, связанные с определением напряженно-деформированного состояния металла с учетом локализации очага пластической деформации в процессе отрезки в состоянии всестороннего сжатия, недостаточно изучены. Отсутствие научно-обоснованной методики расчета и выбора конструк-торско-технологических параметров обработки затрудняет более широкое использование отрезки в штампах в производственных условиях. Недостаточно технологических диаграмм для расширения номенклатуры выпускаемых изделий, а для их получения необходимо иметь отработанную схем)' моделирования отрезки. В настоящее время моделирование задач отрезки пластическим сдвигом в пакетах для моделирования технологичесшк процессов связанных с пластической деформацией метала мало освещено.

Таким образом, отрезка коротких точных заготовок в штампах с осевым сжатием с формированием заданных характеристик качества заготовок является актуальной темой исследования.

Цель работы: повышение эффективности отрезки точных короткое заготовок в штампах с осевым сжатием с заданными характеристиками качества.

Для достижения сформулированной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать методику эксперимента, оснастку и провести экспериментальные исследования процесса отрезки в штампах с осевым сжатием.

2. Определить зависимость параметров геометрической точности от силы осевого сжатия; провести анализ динамики изменения осевой силы.

3. Определить зависимости геометрических параметров торцевых дефектов от силы осевого сжатия и линейных размеров заготовок.

4. Разработать математическую модель отрезки с осевым сжатием с учетом разрушения металла в зоне реза и выполнить моделирование отрезки с осевым сжатием, с определением особенностей напряженно-деформированного состояния металла в очаге пластической деформации.

5. Разработать научно-обоснованную методику проектирования технологических процессов отрезки в штампах с осевым сжатием, разработанную на основе экспериментальны;; и теоретических исследований, позволяющую обеспечивать требуемое качество заготовок при минимальных энергетических затратах.

Методы исследования:

В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Все исследования проводились по единой методике, что дало возможность получения сопоставимых результатов.

Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния и характера пластического течения металла заготовки при отрезке в состоянии всестороннего сжатия производилось на основе численного решения задачи по определению параметров напряжения в зоне реза при изменении длины заготовки с использованием ППП "ОеГопп", реализующего анализ упруго-пластической модели на основе общих уравнений пластического течения Прандтля-Рейса. Экспериментальные исследования проводились на специально сконструированной оснастке в лабораториях ОрелГТУ с применением общепринятых методов планирования эксперимента и статистической обработки результатов экспериментов.

Научная новизна:

1. Проведены экспериментальные исследования отрезки коротких точных заготовок в штампе с осевым сжатием, позволившие установить:

- зависимость параметров геометрической точности от силы осевого сжатия;

- зависимости геометрических параметров торцевых дефектов от силы осевого сжатия и линейных размеров заготовок.

- зависимости геометрических параметров торцевых дефектов от диаметра заготовок.

2. Разработана трехмерная математическая модель отрезки коротких точных заготовок с осевым сжатием, построенная на основе численного решения задачи методом конечно-элементного моделирования на основе общих уравнений пластического течения, решение которых позволило установить особенности напряженного состояния материала в очаге деформации, а именно:

- объяснить причины увеличения размеров торцевых дефектов при увеличении длины отрезаемой заготовки;

- определить влияние диаметра отрезаемой заготовки на параметры геометрической точности и геометрические параметры торцевых дефектов;

Достоверность результатов, полученных в ходе экспериментальных исследований, была обеспечена применением научно обоснованной методики планирования эксперимента и обработки полученных данных, поверенного лабораторного оборудования и контрольно-измерительных приборов. Достоверность результатов теоретических расчетов достигается обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи математического моделирования, а также применением современных математических методов и средств вычислительной техники.

Достоверность результатов теоретических исследований, подтверждена качественным и количественным согласованием результатов с данными эксперимента, при погрешности в пределах 10%, проведенного в широком диапазоне технологических режимов отрезки коротких точных заготовок в штампе с осевым сжатием.

Автор защищает

1. Экспериментально выявленные зависимости влияния технологически параметров процесса отрезки на формирование характеристик качества изготовляемых изделий.

2. Математическую модель отрезки точных коротких заготовок в штампах с осевым сжатием и результаты ее численного решения с определением напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации.

3. Научно-обоснованную методику проектирования технологических процессов отрезки точных коротких заготовок в штампах с осевым сжатием, разработанную на основе экспериментальных и теоретических исследований и позволяющую обеспечивать требуемое качество заготовок при минимальных энергетических затратах.

Практическая ценность работы и реализация результатов

1. Разработана научно-обоснованная методика проектирования технологических процессов отрезки в штампах с осевым сжатием для стали 20 и стали 45;

2. Результаты работы внедрены в учебный процесс и используются:

- при чтении лекций, проведении лабораторных и практических занятий по дисциплинам "Теория обработки металлов давлением", "Специальные виды штамповки" для студентов направления подготовки бакалавров 551800 "Технологические машины и оборудование" и специальности 120400 "Машины и технология обработки металлов давлением"; а та1же при подготовке магистерских диссертаций, исследовательских.курсовых и дипломных проектов и выпускных квалификационных работ бакалавров.

Апробация работы. По содержанию диссертации был выполнен ряд докладов и сообщений, в том числе:

- на УГ0И Международной научно-практической интернет-конференции "Энерго- и ресурсосбережение XXI век", март-июнь 2008, ОрелГТУ;

- на научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников, ежегодно устраиваемых в Орловском государственном техническом университете в период 2001-2008 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 печатных работ, среди которых 4 работы в центральных научных рецензируемых изданиях, входящих в "Перечень периодических научных и научно-технических изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук"; 2 тезиса докладов на международных и всероссийских научно-технических конференциях.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка используемых источников, включающего 74 наименования работ отечественных и зарубежных авторов, изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и фотографий, 4 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, положения, выносимые автором на защиту, научная новизна, методы исследования, обоснована достоверность полученных результатов, определена практическая ценность- и реализация работы, приводятся данные об апробации работы, публикациях, структуре и объеме диссертации.

Цпс.,МПо

1200

Рис. 1 - Отрезка с осевым сжатием: 1 - заготовка; 2 - неподвижный нож; 3 - подвизкный нож; 4 - упор осевого сжатия с силой Рос; 5 - радиальный зажим с силой К; Р - сила отрезки; С> - реакция опор

В первом разделе рассмотрены технологические процессы разделения проката на заготовки и детально рассмотрена отрезка проката в штампе, проведен ее критический анализ. На основании анализа существующих способов и технологий получения заготовок с длиной меньше диаметра установлено, что

ОА ца и м Рис. 2 - Зависимость удельной сил осевого сжатия от относительной длин заготовки при закрытой отрезке для м териалов: Сталей 45 (1), 15 (2); Д16Т (3 меди М3(4)

наиболее эффективными является отрезка с осевым сжатием заготовки, представленной на рисунке 1.

Работы по исследованию отрезки по закрытой схеме проводились в Московском Станкостроительном институте, а также за рубежом. Было установлено, что для получения качественного среза величина удельной силы сжатия Чос=(2—5)стт. Установлено, что величина яос зависит от механических характеристик материала и относительной длины отрезаемой заготовки. С уменьшением относительной длины удельная сила осевого сжатия резко возрастает (рис.2).

Эффективное использование отрезки в состоянии всестороннего сжатия в штампах с осевым сжатием заготовки невозможно без детального анализа дефектов, возникающих при отрезке заготовки, их зависимости от силы осевого сжатия и геометрических соотношений.

Были рассмотрены результаты моделирования закрытой отрезки коротких заготовок, выполненные ранее и установлено, что моделирование выполнялось без использования критериев разрушения, а факт разрушения отслеживался по косвенным признакам.

Во втором разделе разработана методика экспериментальных исследований отрезки точных коротких заготовок, предусматривающая варьирование степени отделения заготовки от прутка при различных значениях силы осевого сжатия. Запись значений силы в функции перемещения инструмента осуществлялась с помощью РС-контроллера, собирающего информацию с тензодатчиков через широкополосный усилитель. При числе повторений каждого эксперимента в 5-6 раз погрешность измерений составила 8%. Схема отрезки представлена на рисунке 3. Сила Рпресса передается через хвостовик 5 на коромысло 1, которое распределяет её между подвижньш корпусом 3 с ножом 3.1 (через пяту 3.2) и упором 4. Изменяя положение хвостовика 5, мы изменяем величину силы на упоре 4. Упор 4, двигаясь в направляющих создает давление на заготовку 6, которая оказывается в состоянии всестороннего сжатия. Подробнее с работой штампа можно ознакомится по патенту. Информацию о силах, возникающих на упоре 4 и хвостовике 5, получаем с тензодатчиков 7, наклеенных на поверхности инструмента.

/////////777////////

Рис. 3 — Схема экспериментальной оснастки. 1-коромысло; 2-некподвижный нож; 3-ползун; 3.1-подвижный нож; 3.2-пята; 4-упор; 5-хвостовик; 6-загоговка; 7-тензорезисторы.

Ранее в работах установлено, что основными параметрами влияющими на геометрическую точность заготовок и качество торцевой поверхности являются осевое сжатие и длина отрезаемой заготовки. Для их оценки введены обор ,

значения X и П. (Л = -—--отношения величины силы осевого сжатия Рос к вели-

I

чине силы отрезки без осевого сжатия в момент скола Рск: £2 = — - отношение

длины отрезаемой заготовки 1 к ее диаметру ф. Для материалов сталь 20, сталь 45 при разных значениях ), и П получили группу экспериментальных образцов с дифференцированной степенью смещения отрезаемой заготовки (Рис. 4).

Рис. 4 - Выборка экспериментальных заготовок: 1.а-1.Ь- сталь 20, X. =1,0; 2.а-2.Ь-сталь 20, X. =1,5; 3-сталь 45, X =1,0: 4-сталь 45. ). =2: 5.а-5.Ь- медь М2, А. =1.0;

Для оценки влияние степени сжатия А. на качество зоны реза, торцевые дефекты заготовки классифицированы на шесть зон, которые при изменении силы сжатия имеют характерные зависимости изменения своих геометрических размеров. Выделенные на торцах отдельные зоны характеризуются шириной зоны дефектов 1 и глубиной дефектов Ь (Рис 5,1=0,3). При различных значениях силы упора геометрия зон значительно изменяется вплоть до вырождения отдельных зон. Первая зона А -зона начального сдвига, располагается перед первым вырывом. Вторая зона В - зона неглубоких вырывов. Третья зона С - зона большого

Рис. 5 - Торец и шлиф заготовки с нанесенными зонами дефектов.

вырыва, располагается после зоны А и имеет характерный глубокий вырыв. Для различных значений X сильно отличается по величине. Четвертая зона I) — зона многочисленных неглубоких вырывов. Пятая зона Е - зона основного сдвига. Для всех значений X имеет одинаковое качество, но различна по величине. Шестая зона Б - зона скола, характерна для всех значений Л., но имеет различное значение Ь (глубины вырова).

По результатам исследования зон дефектов построены номограммы для стали 20 и стали 45, позволяющие установить геометрические параметры дефектов торца заготовок при заданных силах сжатия (Рис.6).

ЛгРаг/Ргк

Рис.6. Номограмма определения величины дефектов торца заготовки при изменен™ коэффициента Я для стали 45 , где 1ч - глубина дефекта; 1 — ширина дефекта; Б- сдвиг заготовки.

Для возможности использования полненных номограмм для заготовок диаметром более 8 мм установлено значение масштабного коэффициента. Для этого были исследованы дефекты на заготовках диаметром 8мм, 10мм, 12мм, при различных значениях осевого сжатия и на заготовках диаметром 30мм полученных резкой в штампах по полуоткрытой схеме на заводе ОС ПАЗ для стали 20 и стали 45. В результате определена зависимость масштабного коэффициента дефектов от диаметра заготовок, представленная на рисунке 7.

Методами математической статистики экспериментальные данные были аппроксимированы экспоненциальной функцией вида:

К = 0,78 * еЗМ (1)

Величина достоверности проведенной аппроксимации имеет размер: Я2 = 0,99 (2)

К

2

175

1.5

125

0,006 0.0!

К=0,775'е Й2=0.999

32й ;

/

/

/

й п

ом

ас2

0.025

0.03

Рис.7. Зависимость коэффициента масштаба тооиевых дефектов к от диаметоа заготовки с1.

(3)

(4)

(5)

(6)

Было выполнено исследование влияние осевого сжатия на величину основного дефекта торца для заготовок различных диаметров. Произведена аппроксимация полиномом второй степени полученных экспериментальных данных для заготовок диаметром <1=8мм, и определена зависимость осевого сжатия и величины основного дефекта торца в виде: Л = 1,36 -1,3/1- о,9И2 - сталь20

Величина достоверности проведенной аппроксимации имеет размер: Д2 = 0,99

Л = 2 - 1,73/г - И2 - сталь45

Величина достоверности проведенной аппроксимации имеет размер: Л2 =0,99

Полученные зависимости представлены на рисунке 8 (для стали 45) Используя коэффициента масштаба торцевых дефектов к были построены кривые зависимости степени осевого сжатия от размера торцевых дефектов Ь дня различных диаметров заготовок ё для стали 20 и стали 45, соответственно (пример для стали 45 рис. 8).

Номограмма и зависимости для стали 20 приведены в диссертации. Установлено влияние погрешности диаметра заготовки на качество зоны. При диаметрах прутка на 3-5% меньших диаметра отрезного ножа изменяется характер течения метагша при его всестороннем сжатии, и требуется повышение сжатия для достижения качественного среза. Получены зависимости силы сжатия, необходимой для получения качественного среза, для различных значений отклонений диаметра прутка от диаметра ножа, т. е. при различных допусках на диаметр прутка (Рис.9).

~т-т

Рис.8. Зависимость степени осевого сжатия от размера торцевых дефектов Ь при различных диаметрах заготовок для стали 45.

17 11 12

---ЗагояюЁка ¿=7,7мп/ОшиЯ

- ЗагатоЬса й=8мн (СтаяАВ)

Рис. 9. Зависимость силы сжатия от диаметра с! и длины 1 заготовки для получения среза

Установлено влияние степени сжатия Я на параллельность торцов отрезаемой заготовки. Для

характеристики параллельности введен угол взаимного наклона торцов заготовь а1, а также угол параллельности двух касательных к поверхности цилин-

А=Рос/Рск

Аа2, град

10 12 74

дра заготовки в плоскости продольного сечения заготовки а'2, характеризующей боковое смятие при отрезке. Получены зависимости параметров а1 и а2 от степени осевого сжатия заготовки (Рис. 10).Установлены предельные значения сжатия, при которых достигается наибольшая степень точности заготовок.

Установлено влияние длины отрезаемой заготовки на качество зоны реза. Ниже приведены шлифы экспериментальных образцов из стали 45, полученных

2 'ЧшР^ 1/си 73

г \ \ V 21 1 /

<У\ ц

/ А / / (

16 1в Аа1 град

Рис. 10. Изменение углов параллельности торцов заготовок а1 и углов стенок цилиндра а2 при изменении степени сжатия при отрезке для стали 45.

при Я=0,3 (рис 11). На рисунках обозначены зоны дефектов с указанием их абсолютных размеров h (в миллиметрах) и расстояние от края заготовки до центра главного дефекта S1(e миллиметрах). Получена общая зависимость изменения величины максимального дефекта h от длины отрезаемой заготовки L для различных сил осевого сжатия заготов-с ки (рис. 12). Экспери-

ментально выявлено снижение качества с увеличение длины заготовок при одинаковой силе сжатия. Дальнейший анализ требует расчета параметров внутреннего напряженно-деформированного состояния. Полученные данные отличаются от ранних исследований, в которых изучались заготовки диаметром более 20мм. Различие может быть связано с несовпадением зависимостей дефекта h при разных длинах отрезаемой заготовки L для разных диаметров образцов.

В третьем разделе разработана математическая модель отрезки точных коротких заготовок, и на её основе выполнено конечно-элементное моделирование в пакете DEFORM. Модель использует уравнения сплошной среды, заложенные в пакете DEFORM. В программе DEFORM-3D реализуется несколько групп моделей. Для моделирования процесса отрезки была выбрана изотропная упругопластическая

Рис. 11. Шлифы образцов полученных при 1=0,3: а) П=1; b) Q=0,7; с) Q=0,3

модель с упрочнением при неизменных упругих свойствах и малых упругих: деформациях. Определяющее уравнение представляет собой уравнение течения Прандтля-Рейсса.

При моделировании конечно-элементным методом заготовка разбивается на конечны элементы (рис 13). Для получения точного результата необходимо использовать сетку с наибольшим количеством элементов, при этом скорость расчета существенно уменьшится. Для получения качественного результата необходимо, чтобы вы-

I, №

в

3

Рис. 12. Зависимость величины дефекта, h от длины заготовки L.

поднялось условие сходимости. Это возможно, если размер конечного элемента в 2 раза меньше зазора между ножами, при этом густота сетки краев заготовки не влияет на точность расчета. Поэтому в расчете была использована сетка с

дифференцированной по длине густотой элементов при максимальной густоте в зоне отрезки и минимальной на свободном конце.

Для оценки достоверности моделирования отрезки осевым сжатием заготовки использовались методы математической статистики оценки значимости отклонений значений двух кривых, одна из которых получена путем! расчета в пакете DEFORM, другая получена экспериментальным путем. Через средние значения по методу наименьших квадратов проводилась экспериментальная кривая, а в обе стороны от теоретической кривой откладывалась граница по 5% от номинального значения и строился доверительный интервал (Рис.14). Для оценки среднего значения измеряемых параметров исполь-Рис. 13. Пример отрезки заготовки зовалась функция распределения Гаусса от прутка с нанесенной сеткой. вида:

(х-а ?

f(x) = —==ехР ^ (7)

<Тл/2я

где а - измеряемая величина (теоретическая); х - измеренная величина (экспериментальная); с - дисперсия значений х.

Рис. 14 - Диаграмма сравнения зависимостей силы отрезки Рот от силы прижима Рос, полученных экспериментально и рассчитанных в Deform для стали 45.

В результате проведенной оценю! достоверности результатов аналитического расчета была установлена адекватность моделирования отрезки с осевым сжатием заготовки на установившейся стадии реальному процессу.

Установлены границы возможностей полученной модели. Получены графики определения погрешностей расчета, оцениваемых критерием A=f(7.) (Рис 15).

В качестве критерия разрушения принят критерий Normalized Cock-crofit&Latham, рекомендованный разработчиками пакета для задач пробивки и отрезки. Рекомендовано и значение критерия:

\~ds = 0.5 J а

(8)

, где

О" - интенсивность напряжения

д."-тензор максимальных нормальных напряжений

£ - интенсивность деформаций

интенсивность напряжения определяется по формуле:

a-^Vi". ~°V)2 -ег3)2+((Тз -о-,)2 ,

где

0], а2, О} - главные нормальные напряжения, интенсивность деформаций определяется по формуле:

_ /Г__;___

e = -^^2)2 + (s2-e3)2+(e3-sl)2

, где

(9)

(10)

С), е2, £з - главные нормальные деформации.

тензор максимальных нормальных напряжений определяется по формуле: 'ах 0 О

сг =

0

(П)

0 сг2 0 0 <т3_

Установлено влияние длины отрезаемой заготовки на величину напряжений в /']■, Д кн таль 15 сталь 45 зоне сдвига. По результатам моделирования построены графики зависимостей напряжений в зоне сдвига от длины отрезаемой заготовки при различных значениях силы сжатия для стали 45 ( Рис. 16). Моделирование процесса позволило расширить границы технологических диаграмм определения напряжений. Эксперименты проводились только для прутков с диаметром с!=8,10,12мм и длин отрезаемой части 1=10мм. Рис. 15 - Графики расхождение между Диаграммы, полученные при

экспециментальными и оасчетными данными.

моделировании, предназначены для прутков с диаметром от 14 до 30мм. Зная длину заготовки, можно определить глубину основного дефекта и получить значение коэффициента Лет. Пример по выбору параметров на диаграммах проведен штриховой линией. Ао= от- Сер, где

стт - напряжение сжатия на торцевой поверхности заготовки контактирующей с упором;

оср - напряжение сжатия в плоскости отрезки.

Рис. 16 — Диаграмма определений глубины главного дефекта Ь, и снижение напряжения сжатия Да в зоне реза при изменении длины отрезаемой заготовки, при разных степенях сжатия X, сталь 45. <1=14мм.

В четвертом разделе изложена методика проектирования технологических процессов отрезки в штампах с регулированием силы осевого сжатия, разработанная на основе экспериментальных и теоретических исследований при заданных параметрах качества. Порядок определения параметров отрезки, состоит из нескольких действий.

Для определения параметров отрезки в штампах с осевым сжатием необходима информация о диаметре требуемой заготовки — <11 мм, длине заготовки -11 мм, допустимой величине дефектов на торцевой поверхности - Ь мкм, допустимых значениях геометрической точности заготовки, на основании которых определяем углы а.1, а2.

Для заданной стали используя диаграмму 17.1, построенную для заготовок длиной 5мм, определяется необходимая степень сжатия Х.1, обеспечивающая для заготовки диаметром с!1 качественную поверхность с параметром основного дефекта Ы. Выбор параметров обозначен штриховой линией.

Используя диаграмму 17.11, вносятся корректировки степени сжатия, учитывающие изменения размеров дефектов при изменении длины заготовки, т. е. для заготовки имеющей длину И. Если для длины 11 и степени сжатия XI, дефект Ы не соответствует заданной величине, выбирается большая величина сжатия, например величина Х2, при которой дефект Ъ2 соответствует допустимой величине. Также по этой диаграмме определяется величина уменьшения напряжения в зоне реза.

По диаграмме 17.111 определяются размеры отклонений геометрии заготовок для выбранного сжатия и сравниваются с допустимыми. Если есть превышение тогда увеличивается сжатие.

Затем определяется значение масштабного коэффициента К по диаграмме на основании диаметра необходимой заготовки и по диаграмме 17.IV определяется наличие дефектов превышающих по размерам основной дефект при выбранном осевом сжатии.

Пример использования предложенной методики.

Пусть необходимо отрезать заготовку из стали 45 диаметром (I = 25мм и высотой / = 15дш. С допустимой глубиной дефектов торца И не более

Ъ = 0.2мм и допуском на не параллельность торцов не более а\ = 3°

На диаграмме 17.1, построенную для заготовок длиной 5мм (для стали 20), определим необходимую степень сжатия Д=1,84, обеспечивающею для. заготовки диаметром <1=25 качественную поверхность с параметром основного дефекта Ы=200мкм.

Используя диаграмму 17.11, для степени сжатия Х=1,84 построим пунктиром эквидистанты и из точки на оси длины 1=15мм опустим на построенные линии вертикальные прямые. Из точек пересечения проведем пунктиром горизонтальные прямые на ось величины дефекта Ь, и ось изменения напряжений в зоне отрезки До. Дефект Ь=200мкм, что соответствует требуемой точности.

По диаграмме 17.Ш определим размеры отклонений геометрии заготовок.

Определим отношение Ш=15/25=0,6. Построим эквидистанту для 1ЛН).,б.

По номограмме 17.IV определим наличие дефектов размер, которых больше основного дефекта/Построим эквидистанту при Х=1,84. Размер скола в зоне Р 180мкм, т.е. менее размера основного дефекта.

Таким образом, отрезка с осевым сжатие при Х=1,84 обеспечит требуемое качество поверхности заготовки с глубиной дефектов торца А не более Л = 0.2л1и и требуемое качество геометрии- заготовки допуском на не параллельность торцов не более а1 = 3°

,\-Рас/Рск

2

т я/

1,5

0.5

/

ч ь?^-

—НвУЦмь

- \\ -4-

4 ё-ЗОмм -

N \

ё=8гт 1 \ Г ч

¡¡'12мн Л \ \ Ч-7У»?/7«м XXI

I -г- \ \ V V-

200 250 М 500

750

Аа. МПа 300

210.

180. ¿а 17а= 12Г0^3

М0.5

1250 тоники 0.9

I

V

[¡'25^30

Шс/Рск

Сталь 45

Л ккм

Рис. 17 -Технологические диаграммы, для стали 45 с нанесенными примерами выбора степени осевого сжатия, обеспечивающей заданное качество заготовки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное научное и практическое значение, заключающаяся в повышении эффективности отрезки точных коротких заготовок в штампах с осевым сжатием с заданными характеристиками качества при высокой производительности.

В процессе теоретических и экспериментальны:1: исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Установлено на основании анализа существующих способов и технологий получения заготовок с длиной меньше диаметра, что наиболее эффективным способом отрезки является отрезка с осевым сжатием заготовки.

2. Разработана методика эксперимента и проведены экспериментальные исследования процесса отрезки в штампах с осевым сжатием, позволившие установить следующее:

- осевое сжатие с значением параметра Х=2 (для стали 45) и Х.=1,6 (для стали 20) обеспечивает параллельность торцов, характеризуемую коэффициентом 61, отрезаемой заготовки и отсутствие утяжины, характеризуемой коэффициентом 62;

- отрезка в штампах с осевым сжатием сопровождается образование шести зон торцевых дефектов, характеризуемых шириной зоны 1, и глубиной зон Ь. Параметры любой из зон при различных значениях силы осевого сжатия можно узнать, используя номограмму зависимости дефектов торца заготовки от силы осевого сжатия. С достижением осевого сжатия дефекты зон В, Д и С уменьшаются, а при значениях параметра Х=2 (для стали 45) и >*=1,6 (для стали 20) имеют одинаковые размеры. Размер дефектов зоны скола Е увеличивается: с увеличением осевого сжатия.

- с увеличение диаметра <1 отрезаемой заготовки основной дефект торца возрастает по экспоненте. Для характеристики зависимости размера диаметра заготовки и размера основного торцового дефекта введен коэффициент масштаба к = 0.78* еш

- для прутков с погрешностью размера диаметра 0.2-0.3% напряжения возрастают пропорционально усилию упора, и при А>1,3 металл находится в пластичном состоянии, доказательством является факт вытекания металла в зазор между ножами толщиной 0,1мм с образованием заусенца. При диаметрах прутка на 3-5% меньших диаметра отрезного ножа изменяется характер течения металла и состояния всестороннего сжатия не возникает, и требуется повышение сжатия для достижения качественного среза.

- напряжения в зоне реза зависят от длины заготовки 1. С увеличением длины глубина дефектов заготовок увеличивалась при одной и той же степени сжатия. Особенно заметно это при небольшом сжатии, характеризуемом 1=0.5.

3. Разработана математическая модель процесса отрезки в штампах с осевым сжатием, на основании аналитического решения которой определено напряженно-деформированное состояние металла в очаге пластической деформации и получены диаграммы определения искажения геометрии заготовок для различ-

ных диаметров d. Анализ выполненного моделирования процесса отрезки точных коротких заготовок в пакете DEFORM показал, что:

- отклонение расчетных параметров находится в пределах допустимой погрешности равной 10% при 0<Х<2, а при Х>2 отклонение превышает 10%.

- с увеличением длины отрезаемой заготовки напряжение в зоне реза снижается, а при длинах более 30мм напряжение снижается в два раза; .

4. Предложена научно-обоснованная методика выбора рациональных технологических параметров отрезки в штампах с осевым сжатием, разработанная на основе экспериментальных и теоретических исследований, позволяющая обеспечивать требуемое качество заготовок при минимальных энергети-чеасих затратах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩХ ПУБЛИКАЦИЯХ

В центральных научных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Маркин, Н.И. Исследование процесса отрезки точных коротких заготовок / Н.И. Маркин, С.Ю. Радченко, A.B. Филина И Заготовительные производства в машиностроении. — М.: Машиностроение, 2003. - № 3. - С. 45-48.

2 Маркин, Н.И. Оценка параметров качества точных коротких заготовок по виду и распределению изолиний напряжений в заготовке при отрезке / Н.И. Маркин, С.Ю. Радченко, A.B. Филина // Известия Тульского государственного университета. Серия: Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. - Вып 2. -Тула: ТулГУ, 2001. - С. 86-92.

3. Маркин, Н.И. Исследование процесса отрезки точных коротких заготовок с применением пакета прикладных программ и анализ полученных результатов / Н.И. Маркин, С.Ю. Радченко, A.B. Филина // Известия Тульского государственного университета. Серия: Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. - Вып 1. -Тула: ТулГУ, 2002. - С.182-186

4. Маркин, Н.И. Исследование геометрии дефектов заготовок при отрезке в штампах в состоянии всестороннего сжатия / Н.И. Маркин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Серия: Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. - Вып 3. - Тула: ТулГУ, 2008 г. С.26-31

Другие публикации:

5. Маркин, Н.И. Исследование геометрии дефектов заготовок при отрезке в штампах в состоянии всестороннего сжатия / Н.И. Маркин, С.Ю. Радченко // Энерго- и ресурсосбережение XXI век: материалы VI'0" Международной научно-практической интернет-конференции (март-июнь 2008). — Орел: ОрелГТУ, Орел: Издательский дом «Орлик», 2008. - С. 128-131

Подписано в печать 20.11.2008. Формат бумаги 60X84 1/16. Офсетная печать. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ №23/1015

Отпечатано на полиграфической базе Орловского государственного технического университета Адрес: 302020, г.Орел, Наугорское шоссе, 29

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ РАЗДЕЛЕНИЯ ПРОКАТА НА КОРОТКИЕ ЗАГОТОВКИ

1.1 Основные технологические процессы разделения проката на заготовки

1.2 Общие понятия о разрезке проката в штампе

1.3 Способы и схемы резки

1.4 Закрытая отрезка коротких заготовок

1.5 Моделирование закрытой отрезки коротких заготовок

1.6 Выводы и постановка задачи исследования

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОТРЕЗКИ

2.1 Экспериментальная оснастка

2.2 Методика экспериментальных исследований

2.2.1 Методика получения заготовок с неполным отделением от прутка.

2.2.2 Диаграмм зависимости силы отрезки от перемещения ножа.

2.3 Влияние степени сжатия X на качество зоны реза

2.4 Влияние диаметра заготовки на величину дефектов торца

2.5 Влияние погрешности диаметра заготовки на качество зоны реза.

2.6 Влияние длины отрезаемой заготовки на качество зоны реза

2.7 Влияние степени сжатия X на параллельности торцов.

2.8 Выводы по разделу

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОТРЕЗКИ

3.1 Методика теоретического исследования.

3.1.1 Геометрия модели и технологические параметры процесса.

3.1.2 Свойства заготовки.

3.1.3 Граничные условия.

3.2. Влияние силы сжатия на силу отрезки и оценка достоверности теоретических данных

3.3. Влияние степени сжатия А, на параллельности торцов и оценка достоверности теоретических данных

3.4 Влияние длины отрезаемой заготовки на величину напряжений в зоне сдвига.

3.5 Выводы по разделу

4. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОТРЕЗКИ В ШТАМПАХ

С ОСЕВЫМ СЖАТИЕМ

4.1 Порядок определения параметров отрезки.

4.2 Пример определение параметров отрезки точной короткой заготовки.

Актуальность. В настоящее время в различных отраслях промышленности широко используются полые осесимметричные детали, изготавливаемые традиционными способами обратного выдавливания, прессования, закрытой штамповки. В качестве заготовок используются точные короткие заготовки цилиндрической формы. К таким заготовкам, предъявляют повышенные требования в отношении точности объема, отклонение которого должно быть не более ±1%, а неправильная геометрическая форма заготовки может вызвать неравномерное нагружение рабочих частей штампа и привести к преждевременному изнашиванию и даже поломке пуансона и матрицы. Особенно опасна большая косина торцов. Основными способами получения точных коротких заготовок являются отрезка пилами от прутка, отрезка на токарных станках, вырубание заготовок из листа и отрезка пластическим сдвигом в штампах. Отрезка пилами и отрезка на токарных станках низкопроизводительные процессы, поэтому они не нашли широкого распространения в массовом производстве. Вырубание заготовок из листа сопряжено с наличием больших отходов металла. Технология вырубки требует наличия технологических перемычек между вырубаемыми заготовками, кроме того, даже оптимальное расположение вырубаемых заготовок на листе не позволяет задействовать всю площадь и как следствие, получаются не используемые участки листа между заготовками. В отход идет до 25%-30% металла. Геометрические параметры заготовок полученных вырубкой из листа зависят от точности заявленной толщины листа и параллельности поверхностей листа. Поэтому отрезка пластическим сдвигом в штампах является более производительным и экономичным способом получения точных коротких заготовок цилиндрической формы.

Важным компонентом качества заготовки, предназначенной для холодного выдавливания, является состояние поверхности среза, оцениваемое шероховатостью и наличием на ней дефектов. Высокие требование к качеству поверхности и точности размеров предъявляют к 4 заготовкам для обратного выдавливания деталей. Как правило, на поверхности заготовок для выдавливания не допускаются дефекты. Даже участки шероховатости поверхности на торцах заготовок могут при холодном выдавливании проявляться в виде дефектов на поверхности деталей. Отрезка в состоянии всестороннего сжатия обеспечивает выравнивание не только торцов, но и боковой поверхности.

На сегодняшний день вопросы, связанные с определением напряженно-деформированного состояния металла с учетом локализации очага пластической деформации в процессе отрезки в состоянии всестороннего сжатия, недостаточно изучены. При этом отсутствие научно-обоснованной методики расчета и выбора конструкторско-технологических параметров и критических режимов обработки затрудняет более широкое использование отрезки в производственных условиях. Недостаточно технологических диаграмм для расширения номенклатуры выпускаемых изделий, а для их получения необходимо иметь отработанную схему моделирования отрезки. В настоящее время моделирование задач отрезки пластическим сдвигом в пакетах для моделирования технологических процессов связанных с пластической деформацией метала мало освещено.

Таким образом, отрезка коротких точных заготовок в штампах с осевым сжатием с формированием заданных характеристик качества заготовок является актуальной темой исследования.

Цель работы: повышение эффективности отрезки точных коротких заготовок в штампах с осевым сжатием с заданными характеристиками качества.

Методы исследования:

В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Все исследования проводились по единой методике, что дало возможность получения сопоставимых результатов.

Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния и характера пластического течения металла заготовки при отрезке в состоянии всестороннего сжатия производилось на основе численного решения задачи по определению параметров напряжения в зоне реза при изменении длины заготовки с использованием ППП «Deform», реализующего анализ упруго-пластической модели на основе общих уравнений пластического течения Прандтля-Рейса. Экспериментальные исследования проводились на специально сконструированной оснастке в лабораториях ОрелГТУ с применением общепринятых методов планирования эксперимента и статистической обработки результатов экспериментов.

Научная новизна:

1. Проведены экспериментальные исследования отрезки коротких точных заготовок в штампе с осевым сжатием, позволившие установить: зависимость параметров геометрической точности от силы осевого сжатия; зависимости геометрических параметров торцевых дефектов от силы осевого сжатия и линейных размеров заготовок. зависимости геометрических параметров торцевых дефектов от диаметра заготовок.

2. Разработана трехмерная математическая модель отрезки коротких точных заготовок с осевым сжатием, построенная на основе численного решения задачи методом конечно-элементного моделирования на основе общих уравнений пластического течения, решение которых позволило установить особенности напряженного состояния материала в очаге деформации, а именно: объяснить причины увеличения размеров торцевых дефектов при увеличении длины отрезаемой заготовки; определить влияние диаметра отрезаемой заготовки на параметры геометрической точности и геометрические параметры торцевых дефектов;

Достоверность результатов, полученных в ходе экспериментальных исследований, была обеспечена применением научно обоснованной методики планирования эксперимента и обработки полученных данных, поверенного лабораторного оборудования и контрольно-измерительных приборов. Достоверность результатов теоретических расчетов достигается обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи математического моделирования, а также применением современных математических методов и средств вычислительной техники.

Достоверность результатов теоретических исследований, подтверждена качественным и количественным согласованием результатов с данными эксперимента, при погрешности в пределах 10%, проведенного в широком диапазоне технологических режимов отрезки коротких точных заготовок в штампе с осевым сжатием.

Автор защищает

1. Экспериментально выявленные зависимости влияния технологических параметров процесса отрезки на формирование характеристик качества изготовляемых изделий.

2. Математическую модель отрезки точных коротких заготовок в штампах с осевым сжатием и результаты ее численного решения с определением напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации.

3. Научно-обоснованную методику проектирования технологических процессов отрезки точных коротких заготовок в штампах с осевым сжатием, разработанную на основе экспериментальных и теоретических исследований и позволяющую обеспечивать требуемое качество заготовок при минимальных энергетических затратах.

Практическая ценность работы и реализация результатов

1. Разработана научно-обоснованная методика проектирования технологических процессов отрезки в штампах с осевым сжатием для стали 20 и стали 45;

2. Результаты работы внедрены в учебный процесс и используются: при чтении лекций, проведении лабораторных и практических занятий по дисциплинам «Теория обработки металлов давлением», «Специальные виды штамповки» для студентов направления подготовки бакалавров 551800 «Технологические машины и оборудование» и специальности 120400 «Машины и технология обработки металлов давлением»; а также при подготовке магистерских диссертаций, исследовательских курсовых и дипломных проектов и выпускных квалификационных работ бакалавров.

Апробация работы. По содержанию диссертации был выполнен ряд докладов и сообщений, в том числе: на УГ011 Международной научно-практической интернет-конференции "Энерго- и ресурсосбережение XXI век", март-июнь 2008, ОрелГТУ; на научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников, ежегодно устраиваемых в Орловском государственном техническом университете в период 2001—2008 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 6 печатных работ, среди которых 5 работы в центральных научных рецензируемых изданиях, входящих в «Перечень периодических научных и научно-технических изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук»; 1 тезис докладов на всероссийской научно-технической конференции.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка используемых источников, включающего 74 наименования работ отечественных и зарубежных авторов, изложена на 110 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и фотографий, 4 таблицы.

3.5 Выводы по главе 4

1. Разработана математическая модель отрезки точных коротких заготовок для стальных изделий. Выполнено моделирование процесса отрезки точных коротких заготовок в пакете DEFORM. Модель использует уравнения сплошной среды, заложенные в пакете DEFORM.

2. Разработана методика определения точности моделирования технологических параметров отрезки пластическим сдвигом. Основывается методика на методах математической статистики оценки значимости отклонений значений двух кривых, одна получена путем расчета в пакете DEFORM и другая получена экспериментальным путем. Для оценки среднего значения измеряемых параметров использовалась функция распределения Гаусса. В результате проведенной оценки достоверности результатов аналитического расчета была установлена адекватность моделирования технологических параметров отрезки в состоянии всестороннего сжатия на установившейся стадии реальному процессу.

Установлены границы возможностей полученной модели. Получены графики определения погрешностей расчета. При моделировании силовых параметров отрезки установлено, что дефекты поверхности сдвига моделируются не адекватно реальному процессу. Это связано с тем, что при моделировании разрушения моделируется не образование трещины, а производится удаление элемента, в котором значение критерия разрушения достигло критического значения.

2. Установлено влияние степени сжатия X на параллельность торцов отрезаемой заготовки и дана оценка достоверности теоретического расчета. Внесены дополнения к экспериментальным значениям. На основании расчетных данных построены графики для стали 20 и стали 45.

3. Установлено влияние длины отрезаемой заготовки на величину напряжений в зоне сдвига. По результатам моделирования построены графики зависимостей напряжений в зоне сдвига от длины отрезаемой заготовки при различных значениях усилия сжатия для стали 20 и стали 45. Моделирование процесса позволило расширить границы технологических диаграмм определения напряжений. Эксперименты проводились только для прутков с диаметром (1=10мм, и длин отрезаемой части 1=10мм. Диаграммы полученные при моделировании предназначены для прутков с диаметром до 20мм.

РАЗДЕЛ 4. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОТРЕЗКИ В ШТАМПАХ

С ОСЕВЫМ СЖАТИЕМ

Одной из целей работы является разработка методики проектирования технологических процессов отрезки в штампах с регулированием силы сжатия, на основе экспериментальных и теоретических исследований при заданных параметрах качества.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований были получены технологические диаграммы и даны технические рекомендации для проектирования технологических процессов отрезки в штампах точных коротких заготовок, а именно:

- построены номограммы и получены функциональные зависимости геометрических параметров дефектов торца заготовок от осевого сжатия;

- получены функциональные зависимости геометрических параметров, характеризующих форму заготовок от осевого сжатия для различных значений диаметра прутка;

- построены номограммы и получены функциональные зависимости геометрических параметров дефектов торца заготовок от длины отрезаемой заготовки.

К отрезаемым заготовкам предъявляются повышенные требования в отношении геометрической точности и в отношении состояния поверхности среза, оцениваемое наличием на нем дефектов и шероховатостей. Качество этих показателей определяется возможностями оборудования и оснастки, и требованиям к состоянию поверхности деталей получаемых холодной объемной штамповкой и выдавливанием из отрезанных заготовок. Таким образом, перед проектированием процесса отрезки в штампе с осевым сжатием необходимо иметь допуски на отклонения геометрической формы заготовки и на допустимые размеры дефектов и шероховатости на торцевой поверхности. На основании предъявленных требований к допустимому

96 размеру основного дефекта осуществляется выбор значения осевого сжатия на основании диаграмм рис 4.7 , либо диаграмм рис 4.8-4.13. Как было рассмотрено в предыдущих главах, на размер дефектов оказывает влияние не только осевое сжатие, но длина отрезаемой заготовки. Поэтому выбранное значение осевого сжатия корректируется с учетом длины отрезаемой заготовки. Далее определяется степень точности геометрии заготовки обеспечиваемая выбранным усилием сжатия на основании диаграмм 4.6 , и осуществляется проверка всех дефектов торца на превышение нормы по номограмме 2.17, 2.18 с использованием масштабного коэффициента, определенного по 2.19 для используемого диаметра заготовки.

4.1 Порядок определения параметров отрезки.

Перед началом определения параметров отрезки в штампах с осевым сжатием получаем информацию о диаметре требуемой заготовки - <11 мм, длине заготовки — 11 мм, допустимой величине дефектов на торцевой поверхности - Ь мкм, допустимых значениях геометрической точности заготовки, на основании которых определяем углы а1, а2.

Для заданной стали выберем диаграмму 4.1 построенную для заготовок длиной 5мм, определим необходимую степень сжатия Х\, обеспечивающею для заготовки диаметром <11 качественную поверхность с параметром основного дефекта Ь1. Выбор параметров обозначен штриховой линией.

По диаграмме 4.2 определим размеры отклонений геометрии заготовок.

Используя диаграмму 4.3, внесем корректировки степени сжатия, учитывающие изменения размеров дефектов при изменении длины заготовки, т. е. для заготовки имеющей длину 11. Если для длины 11 и степени сжатия XI, дефект Ь1 не соответствует заданной величине, выбираем величину Х2, при которой дефект Ъ2 соответствует требуемому. Также можно узнать по диаграмме величину уменьшения напряжения в зоне реза.

Шс/Рск

Рис.4.1. Пример выбора степень сжатия АД по зависимость степени осевого сжатия от размера торцевых дефектов Ъ.

1=29-30 А=Рос/Рск ¿/727/ь 4-5 углов а1 и а2 от сжатия X. 98

Да М1а

Рис. 4.3. Пример корректировки степени сжатия, учитывающей длину заготовки по диаграмме зависимости напряжения сжатия в зоне реза и глубины основного вырова Ь от длины заготовки 1 для стали.

Далее определим значение масштабного коэффициента К по диаграмме

2.19 на основании диаметра необходимой заготовки.

99

Согласно номограмме зависимости геометрических параметров дефектов торца заготовок от осевого сжатия определим для выбранного коэффициента осевого сжатия значения величин всех дефектов торца. Иногда они могут оказаться больше дефекта основного вырыва. Номограмма построена для заготовок диаметром 8мм. На рис. 4.4 представлена методика использования номограммы. Для выбранного значения X проводим эквидистанту к ближайшей имеющейся экспериментальной кривой (пунктирная кривая). Определим глубину Ь и длину 1 основного вырыва. Для этого от точки пересечения нарисованной кривой и границы зоны большого вырыва С проведем перпендикулярно оси X прямую до пересечения с линией границ основного варыва и из точки контакта опустим перпендикуляр на ось Ь. Полученное значение Н1 есть искомое значение глубины вырыва. Величина Ы определит ширину зоны основного вырыва. По аналогичной методике определим параметры дефекта зоны Б, соответственно ее глубину Н2 и ширину Ь2. Если глубина дефекта, какой либо зоны превысит выбранную глубину основного дефекта Ы при Х2, то степень сжатия необходимо уточнить.

4.2 Пример определение параметров отрезки точной короткой заготовки.

Пусть необходимо отрезать заготовку из стали 45 диаметром <Л = 25 мм и высотой / = 15лш. С допустимой глубиной дефектов торца 1а не более к = 0.2мм и допуском на не параллельность торцов а\ = 3°

На диаграмме 4.1 построенную для заготовок длиной 5мм ( для стали 20), определим необходимую степень сжатия А,=1,84, обеспечивающею для заготовки диаметром (1=25 качественную поверхность с параметром основного дефекта Ы=200мкм.

Используя диаграмму 4.2, для степени сжатия А,=1,84 построим пунктиром эквидистанты и из точки на оси длины 1=15мм опустим на

100 построенные линии вертикальные прямые. Из точек пересечения проведем пунктиром горизонтальные прямые на ось величины дефекта Ь, и ось изменения напряжений в зоне отрезки Да. Дефект 1г=200мкм, что соответствует требуемой точности.

По диаграмме 4.3 определим размеры отклонений геометрии заготовок.

Определим отношение 1/с1=15/25=0,6. Построим эквидистанту для 1Л1=0,6.

По номограмме 4.4 определим наличие дефектов размер, которых больше основного дефекта. Построим эквидистанту при Х,=1,84. Размер скола в зоне Б 180мкм, т.е. менее размера основного дефекта.

Л=Рос/Рск 2

Рис.4.4. Пример использования номограммы определения величины дефектов торца заготовки при изменении коэффициента X;

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное научное и практическое значение, заключающаяся в повышении эффективности отрезки точных коротких заготовок в штампах с осевым сжатием с заданными характеристиками качества при высокой производительности.

В процессе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Установлено на основании анализа существующих способов и технологий получения заготовок с длиной меньше диаметра, что наиболее эффективным способом отрезки является отрезка с осевым сжатием заготовки.

2. Разработана методика эксперимента и проведены экспериментальные исследования процесса отрезки в штампах с осевым сжатием, позволившие установить следующее:

- осевое сжатие с значением параметра Х=2 (для стали 45) и А,=1,6 (для стали 20) обеспечивает параллельность торцов, характеризуемую коэффициентом а1, отрезаемой заготовки и отсутствие утяжины, характеризуемой коэффициентом &2;

- отрезка в штампах с осевым сжатием сопровождается образование шести зон торцевых дефектов, характеризуемых шириной зоны 1, и глубиной зон Ь. Параметры любой из зон при различных значениях силы осевого сжатия можно узнать, используя номограмму зависимости дефектов торца заготовки от силы осевого сжатия. С достижением осевого сжатия дефекты зон В, Д и С уменьшаются, а при значениях параметра Х=2 (для стали 45) и Х=\,6 (для стали 20) имеют одинаковые размеры. Размер дефектов зоны скола Б увеличивается с увеличением осевого сжатия.

- с увеличение диаметра (1 отрезаемой заготовки основной дефект торца возрастает по экспоненте. Для характеристики зависимости размера диаметра заготовки и размера основного торцового дефекта введен коэффициент масштаба к = 0.78*е32£/

- для прутков с погрешностью размера диаметра 0.2-0.3% напряжения возрастают пропорционально усилию упора, и при А>1,3 металл находится в пластичном состоянии, доказательством является факт вытекания металла в зазор между ножами толщиной 0,1мм с образованием заусенца. При диаметрах прутка на 3-5% меньших диаметра отрезного ножа изменяется характер течения металла и состояния всестороннего сжатия не возникает, и требуется повышение сжатия для достижения качественного среза.

- напряжения в зоне реза зависят от длины заготовки 1. С увеличением длины глубина дефектов заготовок увеличивалась при одной и той же степени сжатия. Особенно заметно это при небольшом сжатии, характеризуемом АЮ.5.

3. Разработана математическая модель процесса отрезки в штампах с осевым сжатием, на основании аналитического решения которой определено напряженно-деформированное состояние металла в очаге пластической деформации и получены диаграммы определения искажения геометрии заготовок для различных диаметров d. Анализ выполненного моделирования процесса отрезки точных коротких заготовок в пакете DEFORM показал, что:

- отклонение расчетных параметров находится в пределах допустимой погрешности равной 10% при 0<Х<2, а при А>2 отклонение превышает 10%.

- с увеличением длины отрезаемой заготовки напряжение в зоне реза снижается, а при длинах более 30мм напряжение снижается в два раза;

4. Предложена научно-обоснованная методика выбора рациональных технологических параметров отрезки в штампах с осевым сжатием, разработанная на основе экспериментальных и теоретических исследований, позволяющая обеспечивать требуемое качество заготовок при минимальных энергетических затратах.

1. Соловцов С.С., Безотходная резка сортового проката в штампах — М.: Машиностроение, 1985. 176 е., ил.

2. Антонов В.П. Совершенствование резки сортового проката при автоматизации точной штамповки. В кн.: Современная объемная и листовая штамповка, технология и инструмент. Материалы семинара. М.: МДНТП, 1965, С. 65-70.

3. Круглова Е.Д. О геометрической точности заготовок отрезаемых от сортового проката в штампах с втулочными ножами — Кузнечно-штамповочное производство. 1973г, №3, с.15-17.

4. Кислый П. Е., Бондаренко С. В. Технологические параметры процесса точной резки прутков сдвигом с дифференцированным зажимом. — Кузнечно-штамповочное производство, 1968, №3, с.16-19.

5. Мещерин В.Т., Соловцев С.С., Тимонин А.И., Параметры точной реки сортового проката в штампа при высоких скоростях деформации. — Автомобильная промышленность, 1973, №7 с.27-29.

6. Мещерин В.Т., Соловцев С.С., Тимонин А.И., Влияние высоких скоростей резки на качество заготовок, отрезаемых от сортового проката. -Кузнечно-штамповочное производство. 1972г, №8, с.22-25.

7. Михаленко Ф.П., Антонов Ю.В., Распределение контактных напряжений при резке материала в штампе. — Вестник машиностроения, 1975. №6, с. 79-82.

8. Резка сортового проката на мерные заготовки. Обзор/С. Бондаренко С. В., Кислый П. Е., В. Ф. Коваленко, A.A. Коноплин, М.: НИИмаш, 1968, 78 с.

9. Самсонов В.А., Никитаев М.Н., Неполная закрытая резка стального проката, Кузнечно-штамповочное производство. 1982г, №7, с.15-16.

10. Соловцов С.С., Совершенствование резки прутков на заготовки. -Кузнечно-штамповочное производство. 1980г, №9, с.3-7.

11. Соловцов С.С., Отрезка в штампах точных заготовок от сортового проката, М.: НИИмаш, 1980, 52 с.

12. Соловцев С.С., Тимонин А.И., Положительное влияние высокой скорости на качество коротких заготовок отрезаемых от прутка. Кузнечно-штамповочное производство. 1977г, №3, с.25-27.

13. Humel P., Strandell Р. Werzeung und Spanzeung heim Hochgeschwindigkeitstrennen von Rundprofilstangen «Maschinenmerkt»? 1977, 83.N.73, S. 1357-1359.

14. Neubauer A., Brodmann H. Vajo P. Kotras P. Untersuchung der Formabwendungen beim Zertailen mit hohen Schneidgeschwindigkeiten

15. А. c. 1719164 СССР. Штамп для резки пруткового материала Текст. / В.А. Голенков, С.Ю. Радченко, Ю.П. Лукъянчиков (СССР).- Опубл. 15.03.92, Бюл. №10.-3 с.:ил.

16. Охрименко Я.М. Технология кузнечно-штамповочного производства. Учебник для вузов. Изд. 2-е. М., Машиностроение, 1976 г.

17. Соловцов С.С. Безотходная разрезка сортового проката в штампах. М.: Машиностроение, 1985. - 176 с.

18. Романовский В. П. Справочник по холодной штамповке. JL: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1979. - 520 с.

19. Аркулис Г. Э., Дорогобид В. Г. Теория пластичности. -М.: Машиностроение, 1987. 352 с.

20. Ковка и объемная штамповка: Справочник: В 2 т. / Под ред. М. В. Сторожева. 2-е изд., перерараб. - М.: Машиностроение, 1968. Т. 2. - 448 е. Теория обработки металлов давлением / Под ред. И. Я. Тарновского. - М.: Металлургиздат, 1963. - 672 с.

21. Гольденблат И. И., Копнов В. А. Критерии прочности и пластичности конструкционных материалов. М.: Высшая школа, 1977. - 295 с.

22. Маркин Н.И., Радченко С.Ю., Филина A.B. Исследование процесса отрезки точных коротких заготовок. Журнал "Заготовительные производства в машиностроении", № 3, 2003 г., Москва.

23. Маркин Н.И., Радченко С.Ю. Исследование достоверности моделирования в пакете DEFORM при отрезке точных коротких заготовок// Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением, часть 2. Сборник научных трудов. — Тула: ТулГУ, 2008 г.

24. Маркин Н.И. Исследование геометрии дефектов заготовок при отрезке в штампах в состоянии всестороннего сжатия// Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением, часть 3. Сборник научных трудов. Тула: ТулГУ, 2008 г.

25. Зубцов М.Е. Листовая штамповка Л.: Машиностроение, 1980. - 432е., ил.

26. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением М.: Машиностроение, 1977. - 278 е., ил.

27. Попов О.В. Изготовление цельноштампованных тонкостенных деталей переменного сечения М.: Машиностроение, 1974. - 402 е., ил.

28. Головлев В.Д. Расчеты процессов листовой штамповки М.: Машиностроение, 1974. - 135 е., ил.

29. Томленов А.Д. Теория пластического деформирования металлов-М.: Металлургия, 1972. 408 е., ил.

30. Олыпа A.M. Листовая штамповка на многопозиционных автоматах М.: Машиностроение, 1980. - 144 е., ил.

31. Шевелев В.В., Яковлев С.П. Анизотропия листовых материалов и ее влияние на вытяжку М.: Машиностроение, 1972. - 135 е., ил.

32. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки М.: Машиностроение, 1968. - 238 е., ил.

33. Валиев С.А. Комбинированная глубокая вытяжка листовых материалов М.: Машиностроение, 1973. - 176 е., ил.

34. Охрименко Я.М. Технология кузнечно-штамповочного производства М.: Машиностроение, 1976. - 560 е., ил.

35. Охрименко Я.М., Тюрин В.А. Теория процессов ковки М.: Высшая школа, 1977. - 295 е., ил.

36. Семенов Е.И. Ковка и объемная штамповка М.: Высшая школа, 1972. - 352 е., ил.

37. Ковка и объемная штамповка: Справочник в 2-х т. / Под ред. М.В. Сторожева М.: Машиностроение, 1968. - 2 т., ил.

38. Брюханов A.M. Ковка и объемная штамповка М.: Машиностроение, 1975. - 480 е., ил.

39. Ковка и штамповка: Справочник в 4-х т. / Под ред. Е.И. Семенова -М.: Машиностроение, 1987. 592 е., ил.

40. Зарубин B.C., Овчинников А.Г. Механика процессов ковки и штамповки МГТУ. 1992. - 64 с.

41. Мансуров A.M. Технология горячей штамповки М.: Машиностроение, 1971. - 415 е., ил.

42. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке Д.: Машиностроение, 1979. - 520 е., ил.

43. Холодная объемная штамповка: Справочник / Под ред. Г.А. Навроцкого М.: Машиностроение, 1973. - 496 е., ил.

44. Теория ковки и штамповки: Учеб. пособие / Под ред. Е.П. Унксова, А.Г. Овчинникова М.: Машиностроение, 1992. - 720 е., ил.

45. Прогрессивные технологические процессы холодной штамповки: Уч. пособие / Под ред. А.Г. Овчинникова М.: Машиностроение, 1985. - 184 е., ил.

46. Фаворский В.Е. Холодная штамповка выдавливанием М.: Машиностроение, 1966. - с.

47. Навроцкий Г.А. Кузнечно-штамповочные автоматы М.: Машиностроение, 1965. - е., ил.

48. Овчинников А.Г. Основы теории штамповки выдавливанием на прессах М.: Машиностроение, 1983. - 200 е., ил.

49. Дмитриев A.M. Перспективные формоизменяющие операции и оборудование для производства осесимметричных деталей из железных порошков //Вестник МГТУ.: Машиностроение, 1991. № 1. - С. 60-71.

50. Барк Дж., Вейс В. Порошковая металлургия материалов специального назначения М.: Металлургия, 1972. - 335 е., ил.

51. Дмитриев A.M. Производство деталей из железных порошков // Вестник МГТУ.: Машиностроение, 1993. № 4. - С. 33-40.

52. Грановский С.П. Новые процессы и станы для прокатки изделий в винтовых калибрах М.: Металлургия, 1980. - 116 с., ил.

53. Юдин Л.Г., Яковлев С.П. Ротационная вытяжка цилиндрических оболочек М.: Машиностроение, 1984. - 128 е., ил.

54. Малоотходная ресурсосберегающая технология штамповки / Под ред. В.А. Андрейченко, Л.Г. Юдина, С.П. Яковлева Кишинев, "Universitas", 1993, 238 с., ил.

55. Schräder H. Rotation deforming of bars and pipes // Metall. 1983. 1 37.- P. 4-5.

56. Уик Ч. Бесстружковые методы обработки металлов: Пер. с англ. -М.: Мир, 1965.-494 с.

57. Королев В.Н. Изготовление тонкостенных деталей малого диаметра из пластичных и малопластичных материалов // Кузнечно-штамповочное производство. 1966. - № 5. - С. 20-23.

58. Шнейдер Ю.Г. Холодная бесштамповая обработка металлов давлением. JI.: Машиностроение, 1967. 352 с.

59. A.c. СССР № 1486276, кл. В23 D23/00. Штамп для резки пруткового материала / Голенков В.А., Радченко С.Ю., Лукьянчиков Ю.П. и др. (СССР).- № 4288467/31-27; Заявлено 27.07.87; Опубл. 15.06.89, Бюл. № 22.

60. Голенков В. А., Кондратов В. И., Зыкова 3. П. Математическое моделирование процессов обработки материалов давлением: Учеб. пособие. -М.: Машиностроение, 1994. 272 с.

61. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. -М.: "Наука", 1980, Лейпциг: "Тойбнер", 1979.

62. Спиридонов A.A. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов М.: Машиностроение, 1981. - 184 е., ил.

63. Теория обработки металлов давлением / Под ред. И.Я. Тарновского- М.: Машиностроение, 1963. 672 е., ил.

64. Левитас В.И. Большие упругопластические деформации металлов. -М.: Машиностроение, 1989. 85 с.

65. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика — М.: Высшая школа, 1972, — 368 е., ил.

66. Голего Н.Л. Технологические мероприятия по борьбе с износом в машинах М.: Машиностроение, 1961, 196 с.

67. Кроха В.А. Упрочнение металлов при холодной пластической деформации: Справочник. -М.: Машиностроение, 1980. 157 е., ил.

68. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1986г.

69. Евтихиев H.H. Измерение электрических и неэлектрических величин. М.: Энергоатомиздат, 1990.

70. ГОСТ 19904-90 Межгосударственный стандарт прокат листовой холоднокатаный. М.: ИПК Издательство стандартов, 1999