Удосконалення технології вирубання-пробивання листових заготовок з самозбудженням автоколивань в статичному режимі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Східноукраїнський національний університет

імені Володимира Даля

УДК 621.983.3.001.1

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ВИРУБАННЯ-ПРОБИВАННЯ ЛИСТОВИХ ЗАГОТОВОК З САМОЗБУДЖЕННЯМ АВТОКОЛИВАНЬ В СТАТИЧНОМУ РЕЖИМІ

Спеціальність 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Марцинюк Олег Богданович

Луганськ - 2009



Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Кременчуцькому державному політехнічному університеті ім. Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки України, м. Кременчук.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Драгобецкий Володимир В'ячеславович, завідувач кафедри «Технологія машинобудування» Кременчуцького державного політехнічного університету ім. Михайла Остроградського (м. Кременчук).

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Фролов Євгеній Андрійович, професор кафедри «Матеріали технологія виготовлення виробів транспортного призначення», Українська державна академія залізничного транспорту Міністерства освіти науки України (м. Харків);

кандидат технічних наук, доцент Явтушенко Олександр Вікторович, доцент кафедри «Обробка металів тиском», Запорізький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України (м. Запоріжжя).

Захист відбудеться 4 червня 2009р. об 11.00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д29.051.02 Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (Україна, 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (Україна, 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а).

Автореферат розісланий 4 травня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д29.051.02, д.т.н., проф. Ю.І. Гутько



АНОТАЦІЯ

Марцинюк О.Б. Удосконалення технології вирубання-пробивання листових заготовок з самозбудженням автоколивань в статичному режимі. - Рукопис. заготовка штампування метал деформація

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.03.05 «Процеси і машини обробки тиском». - Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2009.

Дисертація присвячена підвищенню техніко-економічних показників розділових процесів листового штампування, методу вибору способів обробки листового матеріалу, розробці теорії розрахунку процесу розділення листового металу для визначення роботи деформації і руйнування на етапах деформації вигину, стискування, утягування, продавлювання і руйнування, рішенню задачі деформації заготовки при розділенні в умовах вібродії на заготовку.

Розроблені і уточнені аналітичні залежності для визначення роботи деформації на етапах деформації пружно-пластичності заготівки при розділенні матеріалу.

Вирішено завдання визначення енергосилових параметрів процесу пробивання (вирубання) в умовах вібродії на частотах, близьких до резонансних, і вібропластичному ефекті, з врахуванням динамічної спадковості.

Ключові слова: листова заготовка, пуансон, робота пластичної деформації, витрати енергії.



АННОТАЦИЯ

Марцинюк О.Б. Совершенствование технологии пробивки-вырубки листовых заготовок с самовозбуждением автоколебаний в статическом режиме. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 «Процессы и машины обработки давлением». - Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, 2009.

Диссертация посвящена повышению технико-экономических показателей разделительных процессов листовой штамповки, методике выбора способов обработки листового материала, разработке теории расчета процесса разделения листового металла для определения работы деформирования и разрушения на этапах деформации изгиба, сжатия, утяжки, продавливания и разрушения, решению задачи деформации заготовки при резке в условиях вибровоздействия на заготовку.

Получила дальнейшее развитие и разработана общая теория для разделительных операций листовой и объемной штамповки, учитывающая качественную картину деформирования материала заготовки и его разрушения, а также позволяющая повысить точность расчетов.

Разработаны и уточнены аналитические зависимости для определения работы деформирования на этапах упруго-пластической деформации заготовки при разделении материала.

Решена задача определения энергосиловых параметров процесса пробивки (вырубки) в условиях вибровоздействия на частотах, близких к резонансным, и вибропластическому эффекту, с учетом динамической наследственности.

Результаты экспериментальных исследований эффективности вибровоздействий и измерения деформирующих усилий электротензометрическим способом обрабатывались методами математической статистики. Были подтверждены нормальность распределения экспериментальных данных и отсутствие грубых ошибок при измерении усилия пробивки (вырубки). Воспроизводимость экспериментов подтверждена критериями Кохрена Кр<Кm; для усилий пробивки Кр = 0,58<Кm=0,72; для работы деформации при пробивке Кр= 0,68< Кm=0,71.

Результаты диссертационной работы в виде методов расчета затрат энергии, усилий пробивки и конструкций пуансонов с возбудителями колебаний и формирующие динамическую наследственность в обрабатываемом материале заготовки, приняты к использованию на ОАО «Кредмаш» и ОАО «Кременчугский колесный завод» и внедрены в учебный процесс на кафедре технология машиностроения Кременчугского государственного политехнического университета имени Михаила Остроградского по специальности «Оборудование для обработки металлов давлением».

Ключевые слова: листовая заготовка, пуансон, работа пластической деформации, затраты энергии.



SUMMARY

Martsyniuk O.B. Perfection of technology of punching and blanking of sheet stock by self-excited oscillations in the static mode. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on speciality 05.03.05 «Processes and machines of plastic working» - East-Ukraine Vladimir Dal National University, Lugansk, 2009.

The dissertation is devoted to the increase of technical-economic indexes of cutting processes of sheet stamping, methods of choice of sheet metal working methods, development of the theory of calculation of the process of cutting sheet-metal for determination of work of deformation and destruction on the stages of deformation of bend, compression, draw in, punching and destruction, solution of the task of deformation of the stock at cutting under the conditions of vibroaffecting the stock.

Analytical dependences for determination of work of deformation on the stages of elastoplastic deformation of the stock at cutting of the material are developed and specified.

The task of determination of energypower parameters of punching (blanking) under the conditions of vibroinfluence on frequencies, near to resonance, and to the vibroplastic effect, taking into account dynamic heredity is solved.

Keywords: sheet stock, punch, work of plastic deformation, energy consumption.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Основною тенденцією в металообробній галузі промисловості є застосування таких процесів і конструкцій машин, які дозволяють істотно скоротити витрати сировини, енергії і трудовитрати на одиницю продукції. В даний час найгостріше стоїть питання про конкурентоспроможність продукції машинобудування України на світовому і вітчизняному ринках. Враховуючи застарілий парк машинобудівного устаткування України, а також необхідність зниження собівартості продукції, що випускається, питання розробки енергозберігаючих технологій і застосування ефективного методу вибору того чи іншого способу виробництва металевих виробів стають усе більш актуальними.

Актуальність теми. Робота, що витрачається на процес механічного розділення металу, включає: роботу, що витрачається на пластичну деформацію шару, що зрізається; роботу на пружну деформацію; на тертя і диспергування - утворення нових поверхонь. Основна робота при розділенні металів витрачається на роботу пластичної деформації.

Зниження роботи пластичної деформації при розділових операціях може бути досягнуте і при використанні явищ, характерних для формотворних операцій обробки тиском. Перш за все, - це використання вібропластичного ефекту і регулювання процесу відділення матеріалу.

Вирубні і пробивні штампи, а також комбіновані штампи, в яких різання є однією з виконуваних ними операцій, складає найчисленнішу групу штампів і при цьому, найбільш трудомістку. Їхня частина в загальній кількості штампів (залежно від характеру виробництва і продукції, що випускається) коливається від 70 до 90%. При цьому, зважаючи на відомі обмеження, пов'язані із застосуванням твердосплавних штампів, на долю сталевих штампів в різних галузях промисловості припадає 90-95% і вище. Одним з ефективних способів підвищення продуктивності і зниження навантаження на повзунові преса є застосування багатоступінчастого інструменту (головним чином, пуансонів). В цьому випадку загальне зусилля для розділення матеріалу (пробивання) розподіляється по рівнях. Перше навантаження виникає від найбільш довгих пуансонів, потім - від інших. За наявності великої кількості пробивних отворів, ймовірно, існує оптимальне співвідношення між довжинами пуансонів, що забезпечує мінімальне значення зусилля на повзунові преса, а отже, і мінімальний знос інструменту, штампу і преса. Враховуючи, що при цьому знижується витрата електроенергії, рішення такої задачі сприяє значним економічним вигодам.

Одним із напрямків вибору методики оцінки сфери застосування тих або інших методів розділення металу, з метою найбільш оптимального використання енергоресурсів, є необхідність дотримування певного алгоритму рішення даної задачі.

Подальша розробка загальної теорії і комплексне вдосконалення розділових процесів, штампів і устаткування сприятимуть підвищенню їх техніко-економічної ефективності і розширенню використання у виробництві замість менш продуктивних і менш економічних способів металообробки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилася згідно з напрямами наукових шкіл Кременчуцького державного політехнічного університету ім. Михайла Остроградського в межах виконання науково-технічних програм:

а) програми ДКНТ України «Розробка високоефективних технологій обробки тиском...», завдання 4.2.2.63;

б) програми Міносвіти і науки України «Розроблення технологічних процесів і обладнання для імпульсного штампування листових деталей складної конфігурації», наказ № 231 від 28.11.91р.;

в) Закону України про пріоритетні напрями науки і техніки в Україні, ст.7 п.6 «Новітні технології в енергетиці, промисловості, агропромисловому комплексі», п.7 «Нові матеріали і речовини»;

г) внутрішньо вузівських науково-дослідних робіт, виконаних в Кременчуцькому державному політехнічному університеті ім. Михайла Остроградського (роботи № 0199V004071, 0103V004071, 0109V003098). Автор брав участь в цих роботах.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення техніко-економічних показників розділових процесів листового штампування, доповнення загальної теорії розділення листового металу і встановлення механізму активного управління руйнуванням матеріалу, що розділяється, на етапі пружно-пластичної деформації.

Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовані і поставлені такі задачі:

- отримати аналітичні залежності для розрахунку роботи розділення матеріалу на стадіях деформації етапу пружно-пластичності;

- уточнити аналітичну залежність для визначення роботи розділення на стадіях деформації стискування і пружно-пластичного етапу розділення;

- отримати аналітичні залежності для розрахунку роботи деформації на стадії утягування і продавлювання;

- уточнити механіку розділових процесів для вдосконалення єдиної теорії;

- виявити умови і способи активного управління пластичним зрушенням матеріалу, що розділяється, без руйнування;

- уточнити механізм і взаємозв'язок етапів розділових процесів;

- проаналізувати і дати оцінку ефективності чинників, що інтенсифікують процес розділення матеріалів;

- на основі експериментальних даних оцінити ефективність способів і умов активного управління процесом розділення металу;

- дати оцінку міри достовірності теоретичних рішень на основі експериментальних досліджень;

- результати роботи у вигляді аналітичних залежностей для розрахунку роботи і зусиль розділення матеріалу і програмних засобів передати для використання на виробництві і впровадити в учбовий процес за фахом 8.090206 «Устаткування для обробки металів тиском».

Об'єкт дослідження. Розділові операції листового штампування.

Предмет дослідження. Конструктивні елементи робочих частин штампу і особливості конструкції пуансонів, а також їх вплив на енергосилові параметри процесу вирубування-пробивання, резерви підвищення ефективності і продуктивності процесів виготовлення деталей за допомоги обробки тиском (штампування).

Методи дослідження. Теоретичні і експериментальні дослідження, виконані в роботі, засновані на законах механіки суцільних середовищ, теорії пластичності, математичному моделюванні, плануванні експерименту, статистичних методах обробки даних. Експериментальні дослідження проводилися прямими і непрямими методами, при цьому, використовувалося спеціально розроблене оснащення із залученням стандартної вимірювальної і реєструючої апаратури.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукову новизну дисертаційної роботи складають такі основні результати:

- вперше отримані аналітичні залежності для розрахунку роботи розділення металу на стадіях деформації утягування і продавлювання при розділенні матеріалу;

- вперше надано якісний опис механіки розділення матеріалу заготовки при пробиванні (вирубуванні);

- уточнена аналітична залежність на стадії деформації стискування при пробиванні (вирубуванні) матеріалу заготовки;

- вперше поставлена і вирішена задача нелінійного програмування для визначення різниці довжин багатоступінчастих пуансонів при груповому пробиванні отворів.

Практичне значення отриманих результатів. Практичну цінність дисертаційної роботи мають такі її результати:

- програмні засоби для розрахунку енергосилових параметрів процесів пробивання (вирубування);

- метод визначення раціональної області використання термічних і механічних способів різання;

- рекомендації для визначення різниці довжин ступінчастих пуансонів при груповому пробиванні отворів;

- вібронавантаження заготовки при розділових операціях;

- рекомендації з конструювання штампів і конструкції пробивних пуансонів. Перераховані аналітичні залежності, програмні засоби, способи пробивання (вирубування), конструкції пробивних пуансонів знижують трудомісткість інженерної праці, підвищують точність результатів розрахунку і вибір обґрунтованих технічних рішень.

Результати дисертаційної роботи у вигляді методів розрахунку витрат енергії, зусиль пробивання і конструкцій пуансонів із збудниками коливань, і такими, що формують динамічну спадковість в оброблюваному матеріалі заготовки, прийняті до використання у ВАТ «Кредмаш» і ВАТ «Кременчуцький колісний завод», а також впроваджені в учбовий процес на кафедрі «Технологія машинобудування» Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського за фахом «Устаткування для обробки металів тиском».

Особистий внесок здобувача. Постановка мети і задач досліджень; проведення теоретичних і експериментальних досліджень в області оптимізації вибору методів обробки листового прокату і зменшення енерговитрат для операцій пробивання-вирубання; розробка і впровадження нової конструкції пуансона, нової конструкції матриці для пробивних штампів. При проведенні досліджень, результати яких опубліковані в співавторстві, автором дисертації розроблені основні теоретичні положення з оптимізації процесів штампування, основні наукові результати отримані автором самостійно. Автор брав безпосередню участь в організації і проведенні експериментів і впровадженні розробок у виробництво.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на щорічних Регіональних науково-технічних конференціях молодих учених і фахівців «Проблеми створення нових машин і технологій» (Кременчук, 2005р.-2008р.); на Міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми створення нових машин і технологій» (Кременчук 2004р.); на Міжнародній науково-технічній конференції, присвяченій 100-річчю з дня народження С.З. Юдовіча «Машини і пластична деформація металів» (м. Запоріжжя, 2007р.); на Міжнародній науково-технічній конференції «Сучасний стан використання імпульсних джерел енергії в промисловості» (м. Харків, 2007р.).

Публікації. Результати теоретичних, експериментальних досліджень, технічні і технологічні рішення, методики розрахунку, опубліковані в 10 наукових статтях в спеціалізованих згідно з переліком ВАК України виданнях і в 3-х тезах доповідей. За результатами роботи отримано патент на корисну модель конструкції пробивного пуансона з керном (Патент №29624).

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з введення, 5 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи - 150 сторінок, у тому числі 133 сторінки основного тексту, 51 малюнок і 10 таблиць на 49 сторінках, список використаних джерел з 91 найменування і додатка на 9 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У введенні обґрунтована актуальність теми, показаний зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами, сформульовані мета і задачі дисертації, також дана характеристика об'єкту і предмету досліджень, вибрані напрями і методи досліджень. Викладена наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, відображені особистий вклад здобувача, публікації автора, а також апробація роботи і промислове використання результатів роботи.

У першому розділі подано аналітичний огляд стану теорії і практики розділових операцій листового прокату з точки зору енерговитрат і сфер застосування. Розглянуті різні прогресивні схеми чистового пробивання і вирубання листових заготовок, описаних як в зарубіжній, так і вітчизняній літературі; вивчені конструкції і принцип дії штампів для чистового вирубання і пробивання, що діють від пресів потрійної дії фірми F.Muller (Німеччина), штампів для чистового вирубання (пробивання) з кільцевими ребрами. Приведена детальна класифікація способів різання листового матеріалу, виконаний огляд устаткування та інструменту, який застосовується для розділових операцій листових заготовок.

Виявлено, що одним з перспективних завдань вдосконалення розділових процесів, у тому числі, пробивання-вирубання, є розробка і дослідження нових ефективних схем чистового вирубання і пробивання, які забезпечують зниження втрат металу і витрат на устаткування, інструмент і технологічне оснащення. Також слід відзначити велику різноманітність методів і способів розділових операцій листового матеріалу і відсутність на цей час досить надійного методу оцінки сфери застосування тих або інших способів розділення металу з метою найбільш оптимального використання енергії.

Далі було проведено порівняння енергетичних параметрів процесів термічного і механічного різання листових заготовок. У цьому розділі проводилася оцінка витрат енергії на виконання чистових розділових операцій, абстрагуючись від вартості конкретного виду енергії. Приведені формульні залежності для розрахунку енерговитрат в процесах різання, в яких видалення матеріалу із зони контакту з інструментом або джерелом розігрівання здійснюється шляхом випаровування, в процесах, заснованих на використанні тепла згорання частини металу в струмені окислювача і для механічних методів різання.

В результаті розрахунку виявлено, що робота, яка витрачається при механічному розділенні металу, на 25-80% менша, ніж при термічних методах різання; з точки зору витрат енергії - найбільш прийнятна.

В результаті аналізу науково-технічної інформації встановлено, що на цей час розроблені основи загальної теорії розділових процесів на базі використання аналітичних і чисельних методів та узагальнення результатів експериментальних досліджень; отримані обґрунтовані дані про напружений-деформований стан і силові параметри розділових процесів, запропоновані класифікації способів і схем різання, виявлений вплив температурно-швидкісного чинника на форму і розміри зони пластичної деформації, на якість відрізуваних заготовок. Метою цього дослідження є створення методики (розрахункового апарату), за допомогою якого можна визначати енергію, витрачену на пластичну деформацію і руйнування листового металу в штампах.

Нові можливості вдосконалення розділових процесів листового штампування на основі розвитку загальної теорії розділових процесів відкривають використання умов активного управління пластичним формозміненням заготовки, що розрізається, шляхом інтенсифікації процесу руйнування і створення в оброблюваному матеріалі динамічної спадковості.

У другому розділі був виконаний вибір і обґрунтування напряму і методів досліджень. Фізична суть, механізм і механіка розділових процесів (відрізання, просічення, пробивання, вирубання та ін.) однакові. Тому вивчення цих процесів бажано вести на основі єдиної теорії, що встановлює закономірності і взаємозв'язок пластичного етапу і етапу руйнування.

На основі теоретичних досліджень, спрямованих на розвиток загальної теорії розділових процесів, вирішуються завдання подальшого вдосконалення розділових процесів.

При визначенні силових і енергетичних параметрів процесу розділення виникає необхідність розрахунку напружено-деформованого стану заготовки і роботи деформації на кожному етапі розділення.

Знаходження поля напруги в розділових операціях листового штампування з врахуванням впливу зміни товщини заготовки і сил тертя може бути визначене методом чисельної інтеграції. Проте, такі рішення вельми трудомісткі і не дають можливості отримати загальне замкнуте рішення. При використанні певних допущень можуть бути отримані замкнуті рішення, що дозволяють встановити поле напруги і визначити роботу деформації з врахуванням зміни товщини вирубуваної заготовки (відходу) в процесі різання. Рішення, знайдені з використанням теорії течії, є досить складними, і значення напруги в зоні деформацій доводиться визначати чисельною інтеграцією. Тому в цьому дослідженні рішення шукається за деформаційною теорією з використанням таких рішень і апроксимацій:

- про постійність співвідношень між напругою для даного елементу в процесі деформації, при нестаціонарній зоні деформації;

- про усереднювання напруги, що діє на даний елемент в процесі його переміщення в стаціонарній зоні деформації.

На додаток до цього слід відзначити необхідність використання напівемпіричного способу для визначення граничних умов поблизу лінії різа. Ширина контактної зони на стадії формування зони деформації визначається з рішення задачі про впровадження в півпростір пуансона, що має плоский торець.

Процеси пластичного формозмінення характеризуються складністю явищ, які залежать від геометричних і силових чинників, структурних особливостей, температури і таке інше. Тому оптимальне проведення експерименту неможливе без використання достовірних і перевірених методів, вживаних безпосередньо для вимірів і досліджень в області ОМТ. Деформації, що виникають на поверхнях деталей під дією різних силових чинників (розтягування, стискування, вигинання і кручення), прийнято вимірювати за допомогою тензорезисторів або (та) месдоз.

Отже, за метод експериментальних досліджень і вимірів був обраний метод електротензометрії, який отримав поширення в процесах ОМТ для вимірювання повного зусилля деформації, питомого тиску металу на інструмент і т.і., а також метод вимірювання зусиль за допомоги месдоз - пристроїв, що дозволяють визначати силу через величину деформації пружного елементу.

У третьому розділі були розроблені алгоритм і морфологічна модель для вибору та прогнозування оптимальних меж застосування різних способів різання листового матеріалу, проведені кількісний аналіз процесу різання металу в штампах і опис процесу пробивання-вирубування з врахуванням збудження автоколивань в оброблюваній заготовці.

Мета використання методу морфологічного аналізу в прогнозуванні - це систематизація, аналіз і огляд усіх можливих методів вирішення багатопланових проблем.

Вживання методу морфологічного аналізу в технологічному прогнозуванні полягає в наступному: проблему розділяють на незалежні частини, і для кожної з них знаходять максимальне число рішень або підходів. Як підстави ділення С2 виступають найбільш важливі аспекти, які характеризують проблему (об'єкт дослідження), потім для кожного К-го аспекту проблеми визначаються можливі варіанти рішення .

Сукупність аспектів проблеми і способів її рішення постає у вигляді системи матриць, яку називаються «морфологічною множиною»:

;

(1)

Далі визначаємо, які з цих рішень можна здійснити насправді. Всі здійснені рішення, перед вибором найбільш ефективного, вивчаються і аналізуються. У ряді випадків це призводить до визначення принципово нових рішень всієї проблеми в цілому. Проводиться оцінка всіх рішень, що залишилися, і з них вибирається найбільш прийнятне в кожній конкретній ситуації.

Аналіз цієї моделі показує, що є 52158148514 різних варіантів способів різання. Частина з них - нездійсненна.

При виборі оптимальних меж застосування різних способів обробки листового матеріалу необхідно дотримуватися певного алгоритму рішення даної задачі.

Згідно із запропонованою методикою параметри аналізують спочатку окремо, в порядку і відповідності з алгоритмом вибору оптимальних меж, а потім в сукупності для висновків про доцільність вживання того або іншого способу різання. Вихідним документом для вибору оптимальних кордонів різання листових деталей є технологічний класифікатор, детально представлений у записці дисертаційної роботи. Класифікація необхідна ще і тому, що в умовах технічної революції, що розвивається, сучасне машинобудування характеризується швидким зростанням масштабів виробництва і продуктивності праці при все більш суворій оптимізації вживаних конструктивних і технологічних рішень.

Комплексне вдосконалення процесів і устатку вання для розділових операцій листового і об'ємного штампування нерозривно пов'язане з розвитком загальної теорії розділових процесів і встановленням способів і умов активного управління пластичним формозміненням заготовки, що розрізається, а також формоутворенням поверхні розділу на етапах руйнування і пластичному етапі.

Механізми деформації при розділенні листового металу в штампах глибоко і детально описані в роботі В.І.Залесського. Якісна картина деформації листа при розділенні включає деформації: викривлення (вигин), стискування, утягування, продавлювання, руйнування. Кількісна відмінність процесів полягає в співвідношенні видів деформації.

У даному дослідженні створена методика (розрахунковий апарат) за допомогою якого можна визначати енергію, витрачену на пластичну деформацію і руйнування листового металу в штампах.

Енергетичні витрати в розділових операціях листового штампування для кожного з 5-ти етапів деформації (мал.2), для об'ємів матеріалу в яких має місце руйнування, визначатимуться формулою:

(2)

де - робота зовнішніх сил;

- етапи розділової операції;

- об'єм матеріалу, що деформується;

- інтенсивність напруги і деформацій;

- робота руйнування;

- етапи операцій, в яких має місце руйнування.

Роботи руйнування при операціях листового штампування приблизно можна обчислити по залежності:

(3)

де - щільність поверхневої енергії;

- робота пластичної деформації при утворенні одиниці поверхні;

- площа поверхні, яка утворена в результаті руйнування.

На початковій стадії розділення заготовка при натисканні на неї пуансоном частково згинається під ним і частково за його межами. Вигин відбувається внаслідок виникнення згинаючого моменту, від дії зусилля пуансона і сили реакції з боку матриці (I етап). Додаткове викривлення заготовки (II етап) в тому ж напрямі також відбувається, починаючи з моменту появи деформацій стискування і утягування.

Робота деформації на I етапі розраховується за однією з методик, викладених в роботі Огородникова В.А., і складе:

(4)

де - робота деформації;

- прогин;

- розподілене навантаження на одиницю площини;

- радіус отвору, що пробивається (вирубується).

На II^му етапі визначаємо роботу деформації з врахуванням появи деформацій стискування:

(5)

где - периметр пуансона;

- ширина контактного контуру;

- коефіцієнт, залежний від форми пуансона.

III етап - деформація утягування. Ця деформація пов'язана з місцевою деформацією листової заготовки, тобто, з локальною втратою стійкості. З досить високою точністю роботу деформації утягування можна визначити за залежністю:

(6)



де - напруга і деформація матеріалу заготовки в момент виникнення шийки ;

- локальний об'єм матеріалу.

IV етап - деформація продавлювання. Робота деформації складе:

(7)

На етапі продавлювання утворюється чиста блискуча поверхня відділення, яка називається блискучим поясочком. Тобто, відбувається руйнування (порушення суцільності матеріалу) і до роботи деформації слід додати роботу руйнування (3) на площі блискучого поясочка.

V етап - деформація руйнування. Процес вирубування (пробивання) завершується деформацією руйнування. Поверхня руйнування утворюється в результаті зустрічних випереджаючих тріщин, спрямованих на ріжучі кромки пуансона в товщу металу, що розрізається.

Робота руйнування приблизно обчислюється за формулою (3).

Таким чином, представлені залежності для кількісного визначення роботи зовнішніх сил для пробивання (вирубання) круглих отворів (деталей) для пластичних матеріалів. Для визначення роботи деформації при розділенніі деталей (отворів) складного контуру одержання аналітичних залежностей досить складне. Тому в цьому випадку для визначення робіт пластичної деформації і руйнування необхідно користуватися методами В.А.Огородникова, заснованими на методі твердості і використанні діаграм граничної пластичності.

Робота, що витрачається на процес механічного розділення металу, включає: роботу, що витрачається на пластичну деформацію шару, що зрізається; роботу, на пружну деформацію; на тертя і диспергування - утворення нових поверхонь. Основна робота при розділенні металів витрачається на роботу пластичної деформації.

Зниження роботи пластичної деформації при розділових операціях може бути досягнуте при використанні вібропластичного ефекту і регулювання процесу відділення матеріалу. Резонансний вібропластичний ефект пов'язаний з хвилеподібною природою пластичної течії. Згідно з дослідженнями А.Ф.Йофе, зрушення відбуваються періодично і стрибкоподібно. На макрорівні це виражається в переривистій текучості (ефект Портвена - Ле Шателье).

Коливання, що зрушують, мають власну частоту:

(8)

де G - модуль зрушення, Па;

- коефіцієнт динамічної в'язкості (внутрішнього тертя), Па•с.

Знаючи власну частоту, можна, впливаючи на об'єм, що деформується, зовнішнім навантаженням з тією ж або близькою частотою, викликати резонанс пластичної течії. Заздалегідь надавши заготовці кінетичної енергії (в даному випадку, керном пуансона) яка потім переходить в енергію вигину заготовки, при контакті з робочою поверхнею пуансона, або при створенні імпульсної розрядки в порожнині матриці. Початок вигину здійснюється з певною кутовою швидкістю , а деформація поширюється від периферії до центру заготовки. В результаті заготовка не встигає через свою інерційність розпочати деформуватися під дією імпульсу q (рух деформації повинен початися з нескінченно великим прискоренням завдяки дуже малій величині ), оскільки виходить розрив у прискореннях (так званий «м'який удар»). Імпульс q накладає на тонколистову заготовку осесиметричний момент імпульсу, що вигинає заготовку. Момент імпульсу врівноважується зміною моменту кількості руху:



(9)

де _B - кутова швидкість;

- товщина;

- питома вага заготовки;

R - радіус заготовки;

r - радіус поточного шару.

В результаті на заготовку накладається вимушена частота вигинаючих коливань. Збіг по модулю в перетині r^* будь-якого шару швидкостей і _c спричинить виникнення в останньому режимі автоколивань. У перетині r^* утворюється рухомий шарнір пружно-пластичності певної амплітуди, що забезпечує впорядковану деформацію.

Дехто розглядає залишкову напругу в тілі виробу після його деформації як деяку кількість енергії в конкретному об'ємі.

Ця енергія витрачається на роботу процесів, пов'язаних з післяопераційним викривленням. При узгодженні зовнішньої дії з деформаційною поведінкою матеріалу, останній виявляється у стані, енергетично стабільнішому, ніж в разі дії навантаження, характер накладення якого довільний, або не відповідає деформаційним процесам усередині матеріалу. Стабільність енергетичного (напруженого) стану в матеріалі визначає малу міру післяопераційного викривлення.

При деформації з частотою, яка лежить в межах смуги синхронізації, по відношенню до частоти періодичних елементарних зрушень пластичної течії, міра післяопераційного викривлення виявилася мінімальною; на один - два порядки меншою, ніж в попередніх випадках. Також виявлено, що при використанні резонансних явищ в процесах формозмінення або розділення листових заготовок відбувається значне скорочення деформуючих зусиль, і як наслідок - зниження роботи пластичної деформації.

У четвертому розділі подано експериментальні дослідження. Експериментальні дослідження були проведені двома способами: вимірювання зусиль пробивання на лабораторному штамп - приладі за допомоги кулькової месдози і вимірювання зусиль пробивання пуансоном електротензометричним способом.

Лабораторний штамп - прилад складається з верх ньої плити - 1, наконечника з кулькою - 2, підставки - 4, пуансона - 5, направляючої пуансона - 6, матриці - 8, великого поршня преса - 9 і підстави преса - 10, також в лабораторний стенд входять: еталонна плитка месдози - 3 і смуга (заготовка) - 7.

В даному випадку для збудження коливань в заготівці замість ручного приводу використовувалася гідропульсаторна установка з частотою вібрації до 112 Гц з одиничним ходом поршня 0,16мм.

В ході експериментів пробивалися отвори діаметрами від Ш9 - Ш25мм у смугах металу. Далі здійснювалося вимірювання діаметру відбитку кулькової месдози на еталонній плитці месдози без збудження коливань (ручний режим), і вимірювання діаметру відбитку кулькової месдози із збудженням коливань (гідропульса торна установка).

В результаті експериментів було досягнуто зменшення зусиль пробивання в 1,36- 1,52 рази. Зазор між пуансоном і матрицею прийнятий за оптимальний.

Вимірювання зусиль пробивання пуансоном електротензометричним способом проводився на заготовках з матеріалу Ст3 по ГОСТ19903-74. У заготовках завтовшки = 3,9мм проводилося пробивання отворів діаметрами Ш12,5мм, Ш 25мм и Ш 50мм. Виміри проводилися на пресі моделі А6432А з номінальним зусиллям 160 т.с., ходом повзуна 50мм. В якості тензоперетворювачів використовувалися стандартні датчики КФ5Р5-5-100-В-12 з опором 99,4-99,8 Ом. Щоб зафіксувати стискування (розтягування) пуансона і тим самим зробити виміри зусиль, необхідних для пробивання тих або інших отворів, проводився вимір змін опору робочих датчиків (Др1, Др2), які наклеювалися на протилежних сторонах поверхні круглого стрижня (пуансона). Джерело постійного струму підключалося до датчика через додатковий баластний опір. Складові елементи вимірювальної схеми: 1 - осцилограф Tektronix TDS1002; 2 - тензо підсилювач "ТОПАЗ-3"; 3 - прилад для дослідження переміщення пуансона; Др1, Др2 - робочі датчики; Дк - компенсаційні датчики; R - додатковий баластний опір. Сигнал, що з'являється на датчику внаслідок деформації пуансона (стискування, розтягу вання), посилювався тензопідсилювачем «ТОПАЗ-3» з частотою пропускання від 0 до 700Гц і реєструвався осцилографом Tektronix TDS1002. Дослідження переміщення пуансона в нижній частині ходу повзуна на довжині 20мм вимірювалося спеціально виготовленим приладом - датчиком шляху конструкції автора, що забезпечує точність вимірювання більш ніж 0,1мм. Для визначення тензочутливості датчиків проводили їх таріровку, яка детально описана Чиченевим Н.А., Кудріним А.Б. («Методи дослідження процесів обробки металів тиском»). Дослідження силового режиму операцій холодного штампування проводилося з викорис танням стандартного інструменту (пуансона) і з використанням інструменту (пуансона) запропонованої геометрії (конструкції автора, Патент №29624) та пуансона з керном у вигляді парасольки (конструкції автора). В результаті проведення експериментів було отримано близько 200 осцилограм. У п'ятому розділі наведено опис практичного використання результатів досліджень. На основі аналізу теоретичних і експерименталь них досліджень було отримано патент на корисну модель пуансона з керном і канав ками. Відомі пуансони круглі з поясоч ком, посилені з керном (ГОСТ 16624-71), недоліком цих пуансонів є низька стійкість та істотні зусилля пробивання. В основу корисної моделі пуансона (Патент №29624) покладено зниження зусиль пробивання і підвищення стійкості пуансона шляхом виконання в поверхневому шарі керна послідовно розташованих канавок; ширина такої канавки дорівнює ширині виступу і складає: (10) де - швидкість руху пуансона; - власна частота коливань заготовки. (11) де - товщина; - діаметр; - модуль пружності і щільність. Пробивний пуансон складається з державки, стрижня, керна з канавками і ріжучими кромками. Робота пробивного пуансона здійснюється таким чином: керн, проникаючи в заготовку, пробиває в ній отвір вигинає заготовку в процесі потрапляння матеріалу заготовки в канавку керна, остання пружинить і повертається у вихідне положення. У заготовці виникають автоколивання. При проникненні ріжучих кромок в заготовку, в перших зароджуються тріщини, які розвиваються в товщину заготовки. Автоколивання заготовки інтенсифікують процес руйнування при пробиванні (вирубуванні).

Деформуючий інструмент, запропонованої конструкції (з канавками) був застосований при груповому пробиванні (багатопуансонній вирубці) отворів сит грохота Ш12,5мм, Ш25мм Ш50мм, (товщина листа д = 3,9мм, розміри листа в середньому 1200Ч900мм) на пресі моделі А6432А, завод ВАТ «Кредмаш».

Також були дані рекомендації щодо зміни конструкцій розділових штампів у ВАТ «Кредмаш» і визначення різниці довжин багатоступінчастих пуансонів при груповому пробиванні отворів. Це дозволило зменшити на 15-20% трудові і матеріальні витрати на виготовлення і відновлення штампів, скоротити терміни переоснащення штампувального виробництва, ліквідувати травматизм, підвищити в 1,2-1,5 разів продуктивність. А застосування деформуючого інструменту дозволило зменшити витрати енергії штампування на 15-22% і, відповідно, знизити собівартість продукції.



ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розроблені теорія розрахунку процесу розділення листового металу і запропоновані аналітичні залежності для визначення роботи деформації і руйнування на етапах деформації вигину, стискування, утягування, продавлювання і руйнування, вирішене завдання деформації заготовки при розділенні в умовах вібродії на неї.

1. З аналізу літературних джерел встановлено, що відомі методи розрахунку процесу розділення металу не враховують механізм і якісну картину деформації заготовки при розділенні. Існуючі на сьогодні рекомендовані загальні теорії розрахунку розділових процесів не виходять за рамки загальної теорії руйнування матеріалу при утворенні тріщин і застосовні лише на завершальному етапі розділення.

2. В результаті оцінки енергетичних витрат і морфологічного аналізу існуючих методів інтенсифікації процесу розділення металу встановлено, що найбільше зниження деформуючих зусиль досягається в умовах вібровантаження на власних частотах заготовки і вібропластичного ефекту.

3. Отримала подальший розвиток загальна теорія для розділових операцій листового і об'ємного штампування, яка враховує якісну картину деформації матеріалу заготовки і його руйнування, а також дозволяє підвищити точність розрахунків.

4. Розроблені і уточнені аналітичні залежності для визначення роботи деформації на етапах деформації пружно-пластичності заготовки при розділенні матеріалу.

5. Вирішене завдання визначення енергосилових параметрів процесу пробивання (вирубування) в умовах вібродії на частотах, близьких до резонансних, вібропластичному ефекті, з врахуванням динамічної спадковості.

6. Результати експериментальних досліджень ефективності вібродії і виміру деформуючих зусиль електротензометричним способом оброблялися методами математичної статистики. Були підтверджені нормальність розподілу експериментальних даних і відсутність грубих помилок при вимірюванні зусилля пробивання (вирубування). Відтворюваність експериментів підтверджена критеріями Кохрена Кр<Кm; для зусиль пробивання Кр=0,58<Кm=0,72; для роботи деформації при пробиванні Кр=0,68<Кm=0,71. Адекватність математичного опису експериментальним даним підтверджена критеріями Фішера, погрішності розраховані по дисперсії адекватності і перебувають в межах: для зусиль пробивання д = ±12,08 %, для роботи деформації д = ±7,8% при довірчій вірогідності 0,95.

7. Результати дисертаційної роботи у вигляді методів розрахунку витрат енергії, зусиль пробивання і конструкцій пуансонів із збудниками коливань і що формують динамічну спадковість в оброблюваному матеріалі заготовки, прийняті до використання на ВАТ «Кредмаш» і ВАТ «Кременчуцький колісний завод» і впроваджені в учбовий процес на кафедрі технологія машинобудування Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського за фахом «Устаткування для обробки металів тиском».



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Марцинюк О.Б. Виброобработка деформирующим инструментом при разделительных операциях листовой штамповки. / О.Б. Марцинюк, В.В. Драгобецкий, А.Г. Маркевич //Вісник КДПУ імені Михайла Остроградського, Випуск №1(54), частина 1, Кременчук, 2009. - С. 42-45.

2. Драгобецкий В.В. Сопоставление энергетических параметров процессов термической и механической резки листовых заготовок. / В.В. Драгобецкий, О.Б. Марцинюк //Вісник КДПУ, Випуск 1(30), Кременчук, 2005. - С.64-66.

3. Драгобецкий В.В. Совершенствование процессов вырубки-пробивки путем возбуждения автоколебаний в обрабатываемой заготовке. / В.В. Драгобецкий, О.Б. Марцинюк, О.В. Луговая //Вісник КДПУ, Випуск 5 (34), Кременчук, 2005.-С.35 - 36.

4. Драгобецкий В.В. Количественный анализ процесса резки листового металла в штампах. / В.В. Драгобецкий, О.Б. Марцинюк, Е.А. Наумова, Д.Л. Пирогов //Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля, науковий журнал, №6(124), частина 1, Луганськ, 2008. - С.85-88.

5. Драгобецкий В.В. Новые методы снижения работы пластической деформации в операциях пробивки и вырубки. / В.В. Драгобецкий, О.Б. Марцинюк //Вісник КДПУ, Випуск 1(30), Кременчук, 2005. - С.67-69.

6. Драгобецкий В.В. Резонансные явления в процессах формоизменения листовых заготовок. / В.В. Драгобецкий, О.Б. Марцинюк, О.В. Троцко, С.В. Костыренко //Вісник КДПУ, Випуск 6(41), частина 2, Кременчук, 2006. - С.25-26.

7. Драгобецкий В.В. Использование принципа универсальности при разработке оборудования и технологической оснастки для вибрационной металлообработки. / В.В. Драгобецкий, В.Е. Загирняк, О.Б. Марцинюк, Д.В. Савелов //Вісник КДПУ імені Михайла Остроградського, Випуск 5(52), частина 2, Кременчук, 2008. - С.48-49.

8. Марцинюк О.Б. Моделирование процесса лазерной резки тонколистовых заготовок. / О.Б. Марцинюк, В.В. Драгобецкий, Д.Л. Пирогов, Е.Н. Карпович, Е.В. Чемерис //Вісник КДПУ імені Михайла Остроградського, Випуск 2(49), частина 1, Кременчук, 2008. - С.61-66.

9. Марцинюк О.Б. Совершенствование конструкций разделительных штампов на ОАО «Кредмаш». / О.Б. Марцинюк //Вісник КДПУ імені Михайла Остроградського, Випуск 6(47), частина 2, Кременчук, 2007. - С.61-66.

10. Драгобецкий В.В. Интенсификация процессов листовой штамповки с использованием технологического эффекта многослойности. / В.В. Драгобецкий, Р.Г. Пузир, О.Б. Марцинюк //Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні, збірник наукових праць, Луганськ, 2008. - С.71-75.

11. Пат.29624 Україна, МПК(2006) B26F 1/00. Пробивний пуансон з керном. / Драгобецький В.В, Троцко О.В., Пирогов Д.Л., Марцинюк О.Б.; заявник і патентовласник Кременчуцький державний політехнічний університет імені Михайла Остроградського, - № u200707371; заявл. 02.07.07; опубл. 25.01.08, Бюл.№2.

Размещено на Allbest.ru