Отрезка коротких точных заготовок в штампах с осевым сжатием

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 сжатиязависимости 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 заготовкиопределить 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 551 800 «Технологические машины и оборудование» и специальности 120 400 «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 «Энергои ресурсосбережение XXI век», март-июнь 2008, ОрелГТУна 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 20 мм.

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 5 мм, 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.

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 8 мм. 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 5 мм (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 0,1 мм 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 30 мм 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.