автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Совершенствование технологии и оборудования для изготовления просечно-вытяжной сетки

«¡1" ■ ^ «р-

I

' ^ ' у] , 5 / **•

ОРЛОВСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ГУКОВ ЭДУАРД АНАТОЛЬЕВИЧ

УДК 621.961.2:504.064.43

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОСЕЧНО-ВЫТЯЖНОЙ СЕТКИ

!

Специальность 05.03.05 'Процессы и машины обработки давлением"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Орел - 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................5

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СЕТОК..........................................................9

1.1. Виды металлических сеток и их назначение. Технологические процессы получения просечно-вытяжных сеток..................................9

1.2. Анализ оборудования для изготовления

просечно-вытяжной сетки............................................................17

1.3. Выводы по разделу и постановка задачи исследования...................21

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПРОСЕЧКИ-ВЫТЯЖКИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОЛОСЫ С РАЗЛИЧНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ...............24

2.1. Условия эксперимента............................................................24

2.2. Методика исследования влияния геометрических параметров инструмента на качество изделий и

силу просечки-вытяжки...............................................................28

2.3. Методика обработки экспериментальных данных.........................30

2.4. Методика математического планирования эксперимента, статистической обработки результатов и оценки погрешности...............31

2.5. Просечка-вытяжка инструментом с различными

параметрами режущей и формующей части.......................................35

2.6. Выводы по разделу...............................................................44

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПРОСЕЧКИ-ВЫТЯЖКИ И АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.........................................................................46

3.1. Постановка задачи теоретического исследования..........................47

3.2. Описание работы пакета прикладных программ "ШТАМП".............49

3.3 Теоретическая база ППП "ШТАМП"...........................................50

3.4 Состав пакета.......................................................................46

3.5 Подготовка входных данных....................................................46

3.6 Расчетная схема....................................................................48

3.7. Граничные условия...............................................................49

3.8. Исходные данные для моделирования........................................61

3.9. Интерпретация результатов расчета............................................61

3.10. Выводы по разделу...............................................................70

4. РАЗРАБОТКА НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ

ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОСЕЧНО-ВЫТЯЖНОЙ СЕТКИ..................72

4.1. Исходные данные.................................................................72

4.2. Разработка новой технологии изготовления

просечно-вытяжной сетки.............................................................72

4.3. Разработка нового высокопроизводительного оборудования

для изготовления просечно-вытяжной сетки.....................................73

4.4. Разработка инструмента..........................................................85

4.5. Расчет механизма регулировки матрицы относительно ролика-пуансона........................................................................88

4.6. Выводы по разделу.................................................................93

5. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПРОСЕЧКИ-ВЫТЯЖКИ

НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ....................................95

5.1. Особенности просечки-вытяжки роликом-пуансоном....................95

5.2. Экспериментальные исследования влияния относительного положения ролика-пуансона и матрицы на процесс

просечки-вытяжки и подачу заготовки.............................................96

5.3. Исследования влияния геометрии ролика-пуансона на

процесс просечки-вытяжки и качество изделий..................................98

5.4 Основные конструкторские и технологические рекомендации по проектированию нового высокопроизводительного

опытно-промышленного оборудования..........................................101

5.5 Основные направления дальнейшего совершенствования технологии изготовления изделий типа

"просечно-вытяжная сетка".........................................................107

5.6. Выводы по разделу...............................................................108

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ..................................................110

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..............................113

Приложение А...........................................................................123

Приложение Б...........................................................................124

Приложение В...........................................................................125

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время во многих отраслях производства широко применяются различные по способу изготовления металлические сетки и изделия из них, отвечающие специальным техническим и эксплуатационным требованиям. К такому классу изделий относятся, например, металлические сетки, применяемые в качестве несущего элемента в воздушных и масляных фильтрах двигателей внутреннего сгорания, и потребность в таких изделиях постоянно возрастает.

В соответствии с назначением данные сетки должны обладать достаточными, с одной стороны, прочностью и жесткостью, а с другой - хорошей способностью пропуска масляного или воздушного потока. Этим требованиям удовлетворяют сетки, получаемые методом пробивки (перфорации) или просечки-вытяжки из полосового материала, причем себестоимость просечно-вытяжных сеток существенно ниже за счет большего коэффициента использования металла. Однако существующие технологии, разработанные на основе исследований, не учитывающих характерных особенностей напряженно-деформированного состояния материала в зоне деформации, вызванных осуществлением одновременно трех операций -резки, гибки и растяжения, не позволяют изготавливать просечно-вытяжные сетки, наиболее полно соответствующие предъявляемым требованиям, а промышленное оборудование обладает низкой производительностью. Поэтому, проведение более глубоких теоретических и экспериментальных исследований процесса просечки-вытяжки и разработка на базе результатов исследований технологии и высокопроизводительного оборудования, позволяющих получать просечно-вытяжные сетки, наиболее полно соответствующие предъявляемым требованиям, является актуальной научно-технической задачей.

Работа выполнялась в соответствии с государственной научно-технической программой «Высокие технологии высшей школы» (утверждена приказом Минвуза РФ№ 486 от 20.03.96 «Об утверждении перечня минвузовских научно-технических программ на 1996 г.»), проектом «Технология производства просечно-вытяжной сетки», вошедшим в единый заказ-наряд ГКВО РФ в 1994 г., проектом «Исследование процесса просечки-вытяжки и разработка технологии производства просечно-вытяжной сетки специального назначения», вошедшим в единый заказ-наряд ГКВО РФ в 1997 г.

Целью работы является разработка эффективной технологии изготовления просечно-вытяжных сеток, наиболее полно соответствующих требованиям высокой прочности и жесткости при максимальной площади ячеек, и нового высокопроизводительного оборудования для ее реализации.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи исследования:

-разработать методику и провести теоретические и экспериментальные исследования просечки-вытяжки металлической полосы для определения влияния механических свойств обрабатываемого материала и технологических параметров инструмента на процесс просечки-вытяжки;

-исследовать математическую модель процесса просечки-вытяжки с учетом характерных особенностей напряженно-деформированного состояния материала в очаге деформации при одновременном выполнении операций резки, гибки и растяжения;

-установить основные технологические и конструктивные параметры просечно-вытяжных сеток, влияющие на прочность, жесткость и функциональные характеристики изделий;

-на основании анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований разработать новую технологию изготовления про-

сечно-вытяжных сеток с требуемыми технологическими параметрами и провести ее экспериментальное опробование;

-разработать и исследовать конструктивную схему, и определить основные технологические параметры высокопроизводительного оборудования для производства просечно-вытяжных сеток.

Научная и техническая новизна работы заключается в следующих основных положениях:

1. Впервые проведено численное моделирование процесса просечки-вытяжки, учитывающее характерные особенности напряженно-деформированного состояния материала в очаге деформации при одновременном выполнении операций резки, гибки и растяжения, выявлены особенности пластического течения металла, установлен определяющий технологический параметр (угол между режущими кромками формообразующего инструмента), влияющий на расположение и характер очага деформации и зоны максимальных остаточных деформаций на различных стадиях процесса;

2 Определены технологические и конструктивные параметры инструмента (ролика-пуансона и матрицы) и исследовано их влияние на процесс формообразования ячеек просечно-вытяжных сеток;

3. В ходе экспериментальных исследований установлен эффект самоподачи заготовки на позицию обработки при просечке-вытяжке, проявляющийся при определенном взаимном расположении инструмента;

4. Установлены основные технологические параметры просечно-вытяжных сеток, влияющие на прочность, жесткость и конструктивные характеристики изделий;

5. Разработана новая технология изготовления просечно-вытяжных сеток с требуемыми технологическими параметрами и проведено ее экспериментальное опробование;

6. Разработана конструктивная схема и основные технологические параметры высокопроизводительного оборудования для производства ПВС, выдано техническое задание на его проектирование.

Новизна технических решений подтверждена 4 патентами Российской федерации.

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СЕТОК

1.1. Виды металлических сеток и их назначение. Технологические процессы получения просечно-вытяжных сеток

Изделия типа металлическая сетка достаточно широко применяются во многих отраслях промышленности, как правило, для просеивания, фильтрации, в качестве декоративных ограждающих элементов, смотровых окон в сельскохозяйственных машинах, станках, бытовой технике, вентиляционных нишах, а также для ограждения, изготовления тары, арматуры штукатурки, крепи при проходческих работах в шахтах, армирования и, в частности, в автомобилестроении для изготовления радиаторных решеток, решеток аккумуляторов /1-3/, несущих элементов воздушных и масляных фильтров двигателей внутреннего сгорания /4/.

Номенклатура выпускаемых изделий типа "металлическая сетка" разнообразна и включает сетку проволочную тканую, сетку стальную плетеную, перфорированную, рифленую сетку /5/. Наибольшее распространение получили сетки стальные плетеные одинарные по ГОСТ 5336-80, сетки проволочные тканые с квадратными ячейками по ГОСТ 6613-86 и сетки проволочные тканые фильтровые по ГОСТ 3187-76. Технология их изготовления высокопроизводительна и достаточно давно известна. Однако, когда к металлическим сеткам предъявляются дополнительные требования по прочности и жесткости при максимальной площади ячеек, как например, в воздушных и масляных фильтрах двигателей внутреннего сгорания, использование данных типов невозможно, а это существенно усложняет технологию изготовления сеток и затрудняет процесс сборки готовых изделий.

В настоящее время быстро растет производство сварных сеток, обладающих относительно высокими прочностью и жесткостью, сварные сетки стали успешно применять взамен крученых, плетеных, а также тканых в тех случаях, когда требуется сетка с ячейками большого размера и из тонкой проволоки. Процесс сварки выполняют на специальных сварочных машинах. На определенное число продольных проволок накладывают одну или несколько поперечных, в точке пересечения проволоки сжимают электродами, через которые пропускают ток. После того, как проволоки в месте контакта разогреваются до температуры плавления, ток отключают и под действием усилия сжатия электродов (проковка) происходит сварка проволок. Наличие операции сварки значительно снижает производительность изготовления изделий.

В воздушных и масляных фильтрах двигателей внутреннего сгорания в качестве несущего элемента нередко используют перфорированные сетки (рис. 1.1) /4/, изготавливаемые методами пробивки из полосового материала на прессовом оборудовании в штампах-перфораторах. Однако наряду с высокими прочностью и жесткостью перфорированные сетки обладают пониженной способностью пропуска масляного или воздушного

а!

Ш«.. ■-■ ¿^ -■■■-..-¿а*.

СТО

Рисунок 1.1 - Перфорированная сетка, применяемая в качестве несущего элемента в воздушных фильтрах двигателей внутреннего сгорания.

потока, или, другими словами, малой полезной площадью ячеек из-за большой величины перемычек между ними, что ухудшает эксплуатационные свойства фильтров и приводит к уменьшению срока службы фильтрующего элемента. Кроме того, коэффициент использования металла при таком способе составляет не более 60 процентов, что делает актуальной задачу применения более экономичного вида сеток.

В соответствии с назначением данные сетки должны обладать, с одной стороны, достаточными прочностью и жесткостью, а с другой — хорошей способностью пропуска масляного или воздушного потока. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяет металлическая сетка /6/, получаемая из полосы просечкой-вытяжкой (рис. 1.2).

Рисунок 1.2 - Просечно-вытяжная сетка.

Наиболее распространенными и эффективными способами получения просечно-вытяжной сетки являются способы, в которых присутствуют операции просечки с растяжением с целью получения гофров /7-16/. По применяемой технологии такие технологические процессы можно квалифицировать на три категории.

К первой категории относятся способы производства просечно-вытяжной сетки, при которых изготовление сетки производится путем просечки полосового материала с одновременным вытягиванием отделяемых участков, осуществляемые в специализированных просечно-вытяжных прессах или штампах /7-10/. Такая технология известна достаточно давно, но ее широкое применение сдерживается низкой производительностью процесса из-за несовершенства оборудования, так как при таком способе изготовления за один рабочий ход ползуна пресса происходит просечка-вытяжка одного ряда ячеек, что является существенным недостатком, так как производительность ограничивается производительностью пресса. Кроме того, для формирования последовательно расположенных и смещенных относительно друг друга на половину ширины ячейки рядов ячеек сетки необходимо осуществлять возвратно-поступательное перемещение инструмента или заготовки в направлении, перпендикулярном направлению действия технологической силы, что также является фактором, ограничивающим производительность. Штампы и прессы сложны в наладке и переналадке, требуют специализированных высокоточных устройств подачи обрабатываемого материала, их применение связано с высокими энергозатратами и, таким образом, подобная технология эффективна при крупносерийном или массовом производстве одного типоразмера изделий.

Ко второй категории можно отнести способы производства просечно-вытяжной сетки /11-13/, включающие операции просечки полосового материала перпендикулярно оси его подачи с последующим растяжением в продольном направлении (рис. 1.3). Это, как правило, достаточно высокопроизводительные технологии, однако, в связи с анизотропией пластических свойств заготовки в разных направлениях вследствие той или иной текстуры /14/, полученной при прокатке и отжиге, а также в связи с тем, что растягиваемый участок включает несколько рядов просечек, растя -

Рисунок 1.3 - Схема способа производства просечно-вытяжной сетки, включающего просечку полосового материала перпендикулярно оси его подачи и последующее растяжение в продольном направлении: 1-заготовка; 2-ролик с режущими выступами для образования просечек; 3, 4-растягивающие ролики.

жение носит неравномерный характер. Соответственно получаемое изделие имеет различную ширину в поперечном направлении, а составляющие изделие ячейки получаются неодинаковой формы, что ограничивает область применения таких изделий.

К третьей категории относятся процессы /15-17/, в которых просечки полосового материала выполняются параллельно оси подачи с последующим растяжением в поперечном направлении, в связи с чем такие технологии невозможно реализовать в непрерывном цикле и, таким образом, производительность изготовления изделий снижается (рис. 1.4). Кроме того, как и при выше изложенном способе производство включает в себя, по крайней мере, две независимые операции, то есть его реализация требует сложного в наладке оборудования, а образование просечек невозможно без искажения формы полосы или без образования отходов из-за определенной толщины просекающего инструмента, к тому же при растяжении возможно встречное скр�