Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Удосконалення технології виробництва плоских листових заготовок з фасками під зварювання



Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Накладні підсилюючі елементи конструкцій транспортних засобів займають значний обсяг серед зварних з'єднань. Їх виробництво пов'язано з використанням розділових операцій листового штампування. Залежно від товщини зварюваного металу здійснюють різну підготовку фасок, регламентовану стандартами. Оброблення скосів і зняття фасок перед зварюванням робляться для того, щоб отримати шов, який має не менше 80% міцності цілої деталі.

Прогресивним способом обробки фаски є холодний спосіб: зняття фаски за допомогою кромкооброблювального обладнання, що дозволяє сформувати чисту (без оксидної плівки) фаску, витримати всі геометричні параметри: кути, величини притуплення на всій довжині конструкції відповідно до нормативів. Зрізання фаски механічним способом проводиться на стругальних, фрезерних, згинальних, кромкосколювальних верстатах.

Прискорення зростання продуктивності праці на підприємстві можливо за рахунок використання розділових операцій листового штампування для обробки фасок в спеціальних штампах - пресах. Але застосування листоштампувальних операцій дає позитивний економічний ефект тільки при значній стійкості штампового інструменту. Одним зі способів значного підвищення стійкості проти зношування, тривалого збереження високої чистоти поверхні, здатності витримувати ударні навантаження на робочі частини штампів є оснащення їх вставками із твердих сплавів. Для правильного проектування штампового оснащення необхідно мати чітке уявлення про механіку процесу відрізки і навантаженнях, які діють на робочий інструмент, а також про напруження, що виникають у ньому при відрізанні. Необхідно враховувати специфічні вимоги до конструкції відрізного штампа, що випливають із фізико-механічних властивостей твердих сплавів та умов навантаження при відрізанні фасок.

Це значні зусилля, що діють на пуансон і матрицю, та умови контактного навантаження характерні для існуючих розділових операцій листового штампування. І якщо теорія і практика відрізання перпендикулярно поверхні заготовки розвинуто в повній мірі, то процес відрізання фасок потребує глибокого дослідження.

У зв'язку з вищевикладеним удосконалення технології виробництва плоских листових заготовок із фасками під зварювання є актуальним науково-практичним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження виконувалися на підставі держбюджетних, госпдоговір них та пошукових тем внутрішньо-вузівського фінансування: держбюджетної науково-дослідної роботи №29Д/13 «Створення ефективних технологій з оптимізацією параметрів технологічного оснащення для формоутворення виробів з шаруватих та дискретних композиційних матеріалів» (№ д/р 0113U002173); госпдоговірних робіт «Розробка конструкції пробивного штампу» (№187/10 - «ТМаш-КСЗ», 2013 р.); «Розробка організаційно-технічних заходів з удосконалення технології, технологічного оснащення та обладнання для імпульсної обробки тонколистових заготовок» (№5867/15-Д (ОКБ), 2015 р.). Автор брав участь як виконавець.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є підвищення ефективності процесу відрізання листових заготовок при обробці фасок під зварювання на основі методів аналітичного та чисельного моделювання з урахуванням контактної деформації ріжучих фасок пуансона та матриці та умов забезпечення їх стійкості, а також створення на цій основі технології та штампового оснащення.

Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовані та вирішені наступні задачі:

- виконати аналіз теоретичних досліджень та технологій розділових операцій листового штампування для визначення напрямків розвитку технології отримання фасок під зварювання;

- розробити розрахункову та удосконалити чисельну моделі розрахунку технологічних процесів відрізання, у тому числі фасок листових заготовок під зварювання, на основі використання методів віртуальних швидкостей та кінцевих елементів;

- теоретично та експериментально визначити закономірності впливу параметрів технологічних процесів відрізання фасок під зварювання на напружено-деформований стан осередку деформації заготовки при відрізанні та силові навантаження робочих елементів штампу;

– провести теоретичні дослідження по визначенню напружено-деформованого стану та силових параметрів розділових операцій листового штампування при обробці фасок під зварювання з визначенням впливу дотичних напружень на величину головних напружень;

– визначити кінематично можливі поля швидкостей та швидкості деформацій для розрахунку напружень, діючих у зоні розділення, для розрахунку тиску притискання та радіальних переміщень нижнього торця матриці;

– встановити вплив технологічних та експлуатаційних параметрів процесу відрізання фасок під зварювання на пружні деформації робочих елементів штампу з визначенням рівня обробки поверхонь відрізного пуансона та матриці;

- оцінка ефективності застосування твердосплавних штампів при відрізанні з урахуванням витрат, пов'язаних з установкою штампів і наладкою обладнання; оцінка ступеня достовірності теоретичних рішень і результату чисельного моделювання на основі експериментальних досліджень та математико-статистичної обробки даних, отриманих дослідницьким шляхом;

- упровадження до виробництва методів розрахунку напружено-деформованого стану в осередку деформації та зусилля, які діють на елементи штампів, а також розробка конструкторської документації та програмних засобів.

Об'єкт дослідження - розділові операції листового штампування.

Предмет дослідження - закономірності та методи розрахунку силових і кінематичних параметрів процесу відрізання, напружено-деформованого стану робочих елементів штампового оснащення та технологічні схеми обробки фасок під зварювання.

Методи дослідження: роботу виконано на базі фундаментальних положень механіки суцільних середовищ, механіки руйнування твердих тіл, теорії міцності і пластичності. Залучено сучасні методи комп'ютерного моделювання процесів формоутворення за допомогою програми «LS-DYNA». Для статистичної обробки експериментальних даних використані відомі методи обробки вибірок спостережень, адекватність отриманих результатів перевірена за статистичними критеріями Стьюдента та ін., вбудованими в пакет програми «Statgraphics Centurion». Достовірність теоретичних посилок, розробок, конструкцій, інструментів та технологій підтверджена експериментами, виконаними в лабораторних і виробничих умовах.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- отримано подальшого розвитку метод вирішення задачі пластичної течії в зоні деформації при відрізанні штампами на основі використання загальних рівнянь механіки пластично деформованого суцільного середовища з визначенням поля швидкостей течії металу та деформацій у кожній точці об'єму, що деформується;

- отримано подальшого розвитку розв'язання задачі визначення напружень в будь-якій точці об'єму осередку деформації при відрізанні в штампах при підготовці кромки листа під зварювання, що дозволило знайти закон розподілу нормальних напружень не тільки по торцевій контактній поверхні робочого інструменту, але й по боковій контактній поверхні;

- удосконалено чисельну модель визначення напружено-деформованого стану, що виникають у ріжучій частині інструменту при відрізанні в умовах несиметричного навантаження з розширення можливостей побудови епюр еквівалентних напружень, що надало можливість визначити навантаження на ріжучі кромки;

- отримані залежності зміни головних напружень, що виникають на ріжучих кромках інструменту від зусилля різання, що дозволило визначити необхідні значення натягу при запресуванні твердосплавних відрізних матриць у сталеві обойми;

- вперше отримало вирішення завдання розрахунку напружено-деформованого стану в осередку деформації при плоско-паралельному русі відрізного пуансона з визначенням зусиль на робочі елементи штампа;

- удосконалено та експериментально підтверджено метод розрахунку необхідного значення натягу при запресуванні твердосплавних відрізних матриць у сталеві обойми, що враховує системи сил, діючих на матрицю при відрізанні, з подальшим встановленням величини поправкового коефіцієнта для теоретично-експериментальних значень радіальних переміщень нижнього торця матриці;

– уперше встановлено вплив дотичних напружень в осередку деформації на величину розтягуючих головних напружень, а, отже, і необхідність обробки бокової поверхні відрізних пуансонів і торцевих поверхонь матриць до чистоти квалітетів 7-9. При цьому бокові поверхні матриць і торцевих відрізних пуансонів необхідно залишати необробленими.

Практична цінність роботи:

- запропоновано технологію підготовки контактних поверхонь сталевих відрізних матриць і пуансонів. Удосконалено працездатність твердосплавних матриць у відрізних штампах при підготовці фасок під зварювання;

- удосконалено методику розрахунку необхідної величини натягу при запресовуванні твердосплавних відрізних матриць у сталеві обойми, виходячи із системи сил, діючих на матрицю при відрізанні;

- встановлено величину поправкового коефіцієнта для теоретичних значень радіальних переміщень нижнього торця матриці;

- удосконалено методику розрахунку нормальних напружень не тільки по торцевій контактній поверхні робочого інструменту, але і по боковій контактній поверхні;

- розроблено методику перевірочного розрахунку твердосплавних матриць у відрізних штампах при підготовці фасок під зварювання.

Результати роботи впроваджені у вигляді технології процесу відрізання листового металу при обробці фасок під зварювання, а також у вигляді рекомендацій та розрахункових методик розрахунку напружень по контактним поверхням - на підприємствах ПАТ «Крюківський вагонобудівний завод» та ТОВ «АВМ-Ампер» (м. Кременчук) та у вигляді у вигляді методик досліджень і програмних продуктів упроваджені в навчальний процес при вивченні дисциплін «Технологія холодної штамповки» та «Нові та високоефективні технології в машинобудуванні» для спеціальності 8.05050201 «Технології машинобудування», впроваджених у навчальний процес Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційного дослідження отримані автором самостійно. Збір статистичних даних виконувався автором сумісно із фахівцями Національного аерокосмічного університету імені Н.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» та кафедри технології машинобудування Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського. У наукових працях, опублікованих у співавторстві, автору належать: виконання експериментального дослідження полів швидкостей в зоні деформації при відрізанні металу при кромкоутворенні листової заготовки під зварювання [1]; розглянуті питання впливу величини зазорів на розміри зон деформації при виробництві плоских листових заготовок із фасками під зварювання [4]; проведені дослідження технологічних особливостей процесу при варіюванні швидкостей відрізання холодного металу [3, 11]; визначено оптимальну геометрію пуансона і матриці з точки зору мінімальної роботи, зусилля деформації, найбільшої стійкості і кращої якості отримуваних заготовок [5, 8]; визначені величини натягу при бандажуванні твердосплавних відрізних матриць [2, 9]; запропоновано методику розрахунку необхідної величини натягу за величиною максимального радіального переміщення точок серединної поверхні матриці, що спричинене системою сил в процесі відрізання [2, 7]; визначені нормальні і дотичні напруження, що діють на різальні кромки відрізних штампів, отримані рівняння для визначення похідних постійних навантажень [6, 11]; визначені напрямки течії металу [10].

Апробація результатів дисертації. Результати робіт доповідалися на різних міжнародних, всеукраїнських та галузевих науково-технічних конференціях: «Високі технології в машинобудуванні» (23 - 24 жовтня 2014 р., м. Полтава), «Ресурсозбереження та енергоефективність процесів і обладнання обробки тиском в машинобудуванні та металургії» (19 - 21 листопада 2014 р., м. Харків), «Ресурсозбереження та енергоефективність процесів і обладнання обробки тиском в машинобудуванні та металургії» (18 - 20 листопада 2015 р., м. Харків), «Високі технології в машинобудуванні» (27 - 28 жовтня 2015 р., м. Полтава).

Публікації. За результатами дисертаційних досліджень опубліковано одну монографію, 8 наукових праць, які занесених до міжнародних наукометричних баз даних Scopus, «Index Copernicus»; Ulrich's Periodicals Directory; DRIVER; Bielefeld Academic Search Engine (BASE); WorldCat; Electronic Journals Lidrary; DOAJ; EBSCO; ResearchBib; Аmerican Chemical Society; CrossRef та ін.), дві тези доповідей. Отримано 1 пріоритетну довідку на патент України на корисну модель (u 2016 01776 від 25.02.2016 р.).

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків. Повний обсяг дисертації становить 152 сторінки, в тому числі 46 рисунків 5 таблиць за текстом, список використаних джерел із 162 найменувань на 13 сторінках.



Основний зміст роботи

технологічний відрізання твердосплавний штамп

У вступі викладена актуальність теми дисертації, мета й основні завдання дослідження, наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, зв'язок із планами науково-дослідних робіт, визначено особистий внесок здобувача в опублікованих працях, приведена інформація про апробацію і публікацію результатів дисертації.

У першому розділі проведено аналіз існуючих на підприємствах способів підвищення продуктивності процесу обробки фасок листових деталей під зварювання. Подано аналітичний огляд сучасних методів розрахунку процесів відрізання фасок листових заготовок під зварювання та силових параметрів розділових операцій листового штампування.

Перспективною технологією обробки фасок під зварювання є обробка із застосуванням штампового оснащення і пресового устаткування.

Визначено, що у технологічних процесах листового штампування суттєву питому вагу займають розділові операції. Із перелічених схем розділових операцій для розглянутої в роботі технології кромкоутворення застосована схема відрізки (рис. 1) - повне відділення частини заготовки по незамкнутому контуру шляхом зсуву.

Рис. 1. Розділова операція відрізання



Основною складністю для реалізації технології обробки фасок із застосуванням спеціальних штампів і пресового обладнання є завдання підвищення стійкості штампового інструменту та забезпечення високої чистоти поверхні, що відрізається. Одним із шляхів вирішення цього завдання є виготовлення штампів із матеріалів більш міцних і зносостійких, ніж кращі сорти інструментальних та штампових сталей, а також використання більш ефективної схеми відрізання та характеру руху ріжучих фасок.

На даний час такими матеріалами є тверді сплави на основі карбідів вольфраму і титану, а також сплави на основі більш твердих і високоміцних матеріалів.

Рис. 2. Схема відрізання в штампі

Більшість твердосплавних відрізних штампів виходить з ладу внаслідок крихкого руйнування - сколювання різальних фасок матриць і пуансонів.

Деформації листового металу при виконанні розділових операцій найбільш повно досліджені Б.В. Губарєвим, В.Г. Кононенком, Е.А. Поповим, В.І. Стеблюком та ін.

На практиці знайшла застосування схема відрізки (рис. 2) зі складною конфігурацією ножа.

Складність процесу відрізання обумовлює незадовільну поверхню одержуваної кромки. Крім того, геометрія одержуваної кромки змінюється в процесі зносу інструменту (ножа пуансона). При цьому стійкість пуансона штампа не перевищує 12000 різів, а технологічні можливості обмежені кутом нахилу кромки під зварювання (фаски) 22-25°. Нахил торцевої поверхні матриці не сприяє підвищенню стійкості через додаткові витрати на згинання відрізуваного металу.

Значний внесок в аналіз і обґрунтування надійних технологічних процесів розділення матеріалів, холодного штампування і в їх інтенсифікацію зробили Алєксєєв Ю.М., Драгобецький В.В., Зайцев В.Є., Кухар В.В., Губкін С.І., Унксов В.П., Сторожев М.В., Піхтовніков Р.В., Шофман Л.А., Попов Е.А., Норіцина І.А., Ісаченкова Е.А., Огороднікова В.А., Кононенка В.Є., Саленко О.Ф., Стеблюк В.І., Тарасов О.Ф. та ін.

При дослідженні процесу відрізання прокату з отриманням рівного зрізу Норіцин І.А. і Кислий П.К. застосовували основи теорії пластичного кручення. За своєю сутністю всі ці дослідження стосувалися механіки процесу різання, визначенню зусилля і роботи відрізання у розділових операціях листового штампування і зовсім не відображали зусиль, що діють на робочий інструмент (пуансон і матрицю). Перший аналіз сил, діючих на інструмент при різанні, наведений у роботі Звороно Б.П., в якій проведені дослідження з визначення сил тертя металу, що вирізається об стінки матриці і надається величина розпираючого зусилля. Значний внесок у теорію розрахунку зусиль, що діють на елементи конструкції штампів (плити, колони, пуансоноутримувач та ін.) зроблено В.А. Євстратовим та його учнями.

Бічний тиск на ріжучі кромки штампа обумовлюють утворення значних сил тертя між матеріалом, що штампують, і ріжучими елементами штампа. На значну величину сил тертя при різанні, а також при знятті штампувального матеріалу з пуансона указує факт утворення та виділення значної кількості тепла.

Також вельми важким є визначення величини необхідного зазору. Спроб чисто теоретичного вирішення цього завдання немає, і воно встановлюється на підставі експериментальних даних. Згідно з дослідженнями є два оптимальних зазори залежно від того, чи надається головне значення чистоті поверхні відрізуваних деталей або можливо меншій витраті зусиль, або роботи, що визначає стійкість штампів.

Широкий розвиток методів обробки металів тиском призвів до вдосконалення матеріалів для робочих частин штампів. Цементовані і високовуглецеві сталі замінені високолегованими спеціальними сталями. Значне підвищення стійкості штампів стало можливим завдяки розробці металокерамічних та твердих сплавів, що мають у своєму складі надзвичайно тверді і зносостійкі карбіди вольфраму, титану та інших елементів. Найбільшого поширення при оснащенні штампів набули тверді сплави вольфрамової групи. Завдяки високій зносостійкості твердих сплавів, стійкість твердосплавних відрізних штампів визначається не величиною стирання робочих розмірів матриць і пуансонів, а викришуванням різальних фасок.

За відсутності принципової різниці в механіці процесу відрізання твердосплавним інструментом від сталевого при роботі сталевого пуансона в парі із твердосплавною матрицею стійкість його набагато вища, ніж при роботі зі сталевою матрицею. Це пояснюється тим, що інтенсивність зносу притупленої кромки сталевого пуансона при роботі в парі з гострою кромкою твердосплавної матриці значно менше інтенсивності зносу при роботі з притупленою кромкою сталевої матриці.

У результаті аналізу були цілі і задачі дослідження, пов'язані з визначенням напружено-деформованого стану осередку деформації при відрізанні, характеру розподілу нормальних напружень по ширині паска зминання та напруженого стану ріжучої частини твердосплавних пуансонів і матриць при відрізанні листового металу.

У другому розділі виконано вибір і обґрунтування напрямків та методів дослідження.

Для аналізу процесу розділу металу використані найбільш загальні рівняння механіки суцільних середовищ, що включають рівняння руху, фізичного закону, нерозривності, умови пластичності та співпадіння направляючого тензора напружень із направляючим тензором швидкостей деформації. Використання цих рівнянь можливе при введені коефіцієнта жорсткості. Для отримання якісних характеристик процесу різання достатньо скористатися приблизним аналізом процесу розділу матеріалу з урахуванням принципу Сен-Венана про локальність ефекту самоврівноваження зовнішніх навантажень. Прогнозування параметрів процесу та його перебіг у часі найбільш повно уявляється з використанням чисельних методів моделювання.

Експериментальні дослідження запропоновано виконувати з використанням методу координатної сітки та методу виміру розподілу твердості. Ці методи дають можливість визначити деформований, а за ним - напружений стан деформованої заготовки. Переваги цих методів є в простоті їх реалізації та використаної апаратури та інструменту.

Вибір методу різки скошених фасок відбувався з урахуванням застосування термічних та механічних методів. Аналіз літературних джерел, в яких показано зіставлення енергетичних параметрів процесів термічної та механічної різки та встановлено, що витрачена робота при механічному розділі металу на 25-80% є меншою ніж при термічних методах різки. Тому з точки зору витрат енергії механічні методи різки є більш привабливими. При різці скошених фасок під зварювання застосовують схему різки за якої заготовка встановлюється під кутом скосу кромки, а ніж (пуансон) переміщується вертикально. Рекомендовано не перевищувати кут зрізу більше 20-25°. Відсутність інших схем різки під іншим кутом змушувало підприємства використовувати цю схему різки для кутів зрізу 45°. При цьому стійкість штампу не перевищувала 12000 різів заготовок із вуглецевих та низьколегованих сталей товщиною 6·10^-3 м (три зміни безперервної роботи). Суттєво підвищити стійкість штампу вдалося при використанні схем різки, за якою заготовка встановлюється горизонтально, ніж (пуансон) рухається під кутом скосу фасок. На рис. 3 показана конструкція штампу з поступальним рухом пуансона.

Рис. 3. Схема відрізання в штампі

Тривалість експлуатації та надійність штампів такої конструкції стало передумовою використання розробленого штампу (рис. 4) для видалення грату після зварювання з елементами, виготовленими з високоміцних матеріалів, наприклад твердих сплавів.

1, 2 - верхня та нижня плита відповідно; 3 - пуансонотримач; 4, 5, 10, 12 - пружини, 6 - притискач, 7 - заготовка; 8 - відрізний пуансон; 9 - вісь; 11 - матриця

Рис. 4. Схема розробленого штампу

Застосування розробленого штампу дозволили підвищити техніко-економічні показники процесу виготовлення фасок під зварювання.

У третьому розділі була розв'язана задача пластичної течії в зоні деформації при відрізанні штампами на основі використання загальних рівнянь механіки суцільних середовищ, для цього було розглянуто дві схеми кромкоутворення в штампах: 1) із несиметричним навантаженням, за такої схеми (рис. 5) у матрицю встановлюється ніж. Необхідна конфігурація кромки забезпечується геометрією ножа і матриці. Для забезпечення якості різу листова заготовка притискається до матриці за допомогою спеціального притиску, що є частиною конструкції штампового оснащення.

Рис. 5. Кромкоутворення за схемою з несиметричним навантаженням

Рис. 6. Кромкоутворення за схемою з симетричним навантаженням



2) Із симетричним навантаженням схема (рис. 6) передбачає одночасне виготовлення двох фасок на двох листових заготовках. За цієї схеми можна використовувати матрицю, як бандаж, задля забезпечення комфортних умов роботи ножів.

Також у роботі розглянута інша схема кромкоутворення. Силові параметри штампування при цьому процесі вищі, але вищими є й стійкість штампового оснащення та якість одержуваних деталей.

Основні проблеми розрахунку, пов'язані з моделюванням відрізання матеріалу при кромкоутворенні під зварювання - проблеми розрахунку напружень і деформацій в осередку деформації. Розподіл напружень і деформацій в осередку деформації при відрізанні характеризується значною нерівномірністю як в напрямку, перпендикулярному серединної поверхні, так і вздовж поверхні, що створює складнощі при виконанні завдання, і кінцеві рішення можуть бути отримані лише при значних припущеннях.

У результаті експериментальних досліджень було визначено характер залежності швидкостей течії частинок пластично-деформованого металу від координат в умовах плоско-деформованого стану:

(1)

де V_x, V_y - компоненти швидкості деформації; U_o - швидкість переміщення робочого інструмента ; - швидкість переміщення робочого інструмента перпендикулярно поверхні заготовки, б - кут скосу кромки; V₀ - максимальна величина складової вектора швидкості; b - ширина зони деформації при відрізанні; h - товщина відрізуваного матеріалу.

На підставі даних експериментальних досліджень швидкостей переміщення частинок металу в зоні деформації методом координатної сітки складову поля швидкостей V_y можна прийняти у вигляді:

При розв'язанні задачі пластичної течії металу при відрізанні поле швидкостей можна спростити, без суттєвої похибки:

(2)

Схема відрізання при встановленому русі пуансона та під кутом наведені відповідно на рис. 7 і 8. Остаточне поле напружень:

(3)

де у_xx, у_xy, у_xz - складові нормальних напружень; ф_xy - складова дотичних напружень; у₀ - середнє значення напружень течії металу в зоні деформації.



Рис. 7. Схема відрізання при встановленому русі пуансона

Рис. 8. Схема відрізання при русі пуансона під кутом

Рис. 9. Епюра нормальних напружень, діючих по контактних поверхнях: «+» - розтягуючі напруження; «-» - стискаючі напруження

Нормальні напруження, що діють по контактних поверхнях, визначені за виразами (3) і показані на рис. 9.

Визначивши напруження на ріжучих кромках матриць і пуансонів, можна розрахувати їх на міцність. На нинішній час практичні розрахунки по допустимому напруженню у_екв в складному напруженому стані здійснюються, як правило, на основі виразу:

, (7)

де у₁, у₁ - головні напруження; K - відношення межі міцності при розтягуванні до межі міцності при стисненні:

, (8)

де у_b, у_-b - межі міцності при розтягуванні та стисканні відповідно.

Так як для твердих сплавів , то умова незруйнованості в даній точці при плоскому напруженому стані зводиться до нерівності

(9)

Умова (9) безпосередньо застосовується при безперервній дії навантаження. При відрізанні має місце циклічне навантаження і може статися втомне руйнування. Отже умови незруйнованості для цього випадку також можна виразити нерівностями (9) з тією лише відмінністю, що замість значень меж міцності повинні бути підставлені значення меж витривалості.

Головні напруження в заданій точці ріжучої частини матриці або пуансона знаходяться за залежностями енергетичної теорії міцності.

Величини головних напружень, що діють по торцевій та боковій гранях робочого інструменту, для двох випадків навантаження наведено на рис. 10 («мінус» відповідає стискаючим напруженням, «плюс» - розтягуючим).

а) 

б)

Рис. 10. Графіки зміни величини головних напружень у₂ і у₃ залежно від r:а - на торцевій контактній поверхні (по поясочку зминання); б - на бічній контактній поверхні; - - для випадку напрямку течії вирізуваного металу до зазору; - - для випадку напрямку течії вирізуваного металу від зазору

При відрізці на матрицю діє система сил, що викликає в ній тангенціальні розтяжні та радіальні стискаючі напруги. Поява розтяжних напружень особливо небезпечно для твердосплавних матриць, так як тверді сплави погано працюють на розтяг.

Для штампів, робочі деталі яких виготовлені із твердих сплавів, необхідною вимогою є майже повна відсутність в них розтяжних напружень. Це досягається, в тому числі, і бандажуванням твердосплавних деталей.

У розрахунках приймалося (враховано зміцнення):



де у_s0 - дійсний опір деформації; у_s - межа плинності.

При розрахунку необхідної величини натягу при запресуванні твердосплавних відрізних матриць у сталеві обойми необхідно виходити із системи сил, що діють на матрицю в процесі відрізання.

Отримані результати показали, що необхідна для безпечної роботи твердосплавних відрізних матриць величина натягу при запресовуванні їх у сталеві обойми менше рекомендованої РТМ 112-63. Можна застосовувати посадки з невеликим натягом. Запресування можна робити без попереднього підігріву обойми.

Так як при запресовуванні твердосплавних матриць по циліндричній контактній поверхні відбувається зрізання нерівностей і гребінців або, навіть, зняття стружки, рекомендується посадкову (контактну) поверхню робити конусною з одностороннім кутом 1°…1°30'. Переваги матриць з конічною посадковою поверхнею підтверджуються досвідом застосування таких штампів на машинобудівних підприємствах.

Величина тиску, що чиниться застряглим відрізаним металом на внутрішню стінку матриці, залежить від величини радіальних переміщень ріжучої кромки в процесі відрізання. Для зниження дії розпираючих сил, створених застряглим відрізаним металом, провал матриці необхідно робити конічним. Ухил повинен бути в межах 5' + 30'.

Таким чином розв'язана задача пластичної течії в зоні деформації при відрізанні штампами на основі використання загальних рівнянь механіки суцільних середовищ, розв'язана задача визначення напружень в будь-якій точці об'єму осередку деформації, удосконалено модель визначення напружень у в ріжучій частині інструменту при відрізанні та експериментально підтверджено метод розрахунку натягу при запресуванні твердосплавних матриць у сталеві обойми. Розрахункова величина натягу для зразків товщиною 3 та 5 мм складає 52 та 58 мкм, а величина натягу допустима відповідно 130 - 160 мкм.

У подальшому проведено дослідження процесів відрізання металу при кромкоутворенні листової заготовки під зварювання.

Четвертий розділ присвячено експериментальній перевірці аналітичних розрахунків і результатів комп'ютерного моделювання. При теоретичному дослідженні процесу різання вихідним параметром слугувало поле швидкостей течії частинок металу в зоні деформації. Основною метою експериментального дослідження була перевірка вірності припущення про характер залежності швидкості руху частинок металу, що вирізається від координат, а також визначення дійсних розмірів осередку пластичної деформації.

При експериментальних дослідженнях використовувалося кілька методів - метод координатної сітки (рис. 11) і метод виміру розподілу твердості.

Рис. 11. Нанесена координатна сітка та її спотворення при відрізанні

Експериментальні дослідження з визначення характеру розподілу нормальних напружень по ширині пояску зминання проводилися на сталевих зразках товщиною 7,5 мм (рис. 12).

Внаслідок вищезазначеного отримано характер розподілу нормальних тисків по ширині паска зминання (рис. 13), що узгоджується з теоретичними та експериментальними роботами інших авторів.

Теоретично розраховані переміщення точок деформованої зони при відрізанні накладалися на спотворення координатної сітки розрізаного зразка. Порівняння деформованих зон, обумовлених теоретичними полями швидкостей, зі спотворенням координатної сітки при відрізанні, отримані експериментально, показано на рис. 14.

Рис. 12. Тарирувальні сталеві зразки

Рис. 13. Характер розподілу нормальних тисків по ширині паска зминання, вирізаного сталевого зразка товщиною h = 7,5 мм

Як видно з рис. 14, деформована зона при відрізанні порівняно точно описується теоретичними полями швидкостей. Експериментальні дослідження показують, що складова поля швидкостей V_y є функціональною залежністю координат вищого порядку, але точно встановити цю залежність виявилось неможливим.

Якісне порівняння епюри нормальних напружень, що діють по поясочку зминання, із характером розподілу тиску по поясочку зминання, отриманого експериментально, приведено на рис. 15.

а) б)

Рис. 14. Схема деформованої зони при відрізанні: а) деформована зона, обумовлена теоретичним полем швидкостей (1), б) деформована зона, обумовлена спрощеним полем швидкостей (2); «-» - деформована зона, отримана експериментально по спотворенню координатної сітки; «- -» - деформована зона, обумовлена теоретичним полем швидкостей

Рис. 15. Теоретична «-» і експериментальна «- -» епюри нормальних напружень, що діють по торцевій контактній поверхні (поясочку зминання)



Досить близький характер теоретичної та експериментальної епюр нормальних тисків указує на достовірність даних отриманих теоретичним шляхом. Експериментальне дослідження поля швидкостей в зоні деформації при відрізанні показало, що теоретичне поле швидкостей досить вірно відображає рух частинок металу в зоні деформації при відрізанні.

Аналіз спотворення координатної сітки при відрізанні металу показує, що ширина паска зминання, тобто зони пластичної деформації на контактній торцевої поверхні, дорівнює половині товщини вирізаного металу або близька до цієї величини.

Змоделюємо процес відрізання, для визначення зміни еквівалентних напружень та їх значення в процесі відрізання. Розглянемо розподіл еквівалентних напружень при моделюванні процесу відрізання за допомогою програми «LS - DYNA», рис. 16, 17.

Оскільки при моделюванні, на рис. 16 в можна помітити жолоблення та нерівності поверхні кромки, для запобігання цього змодельовано процес з притиском заготовки10% від навантаження відрізання, рис. 17.

Проведені експериментальні дослідження дозволили визначити поле швидкостей, яке досить вірно описує рух часток металу в зоні деформації при відрізанні.

Отримано розміри зони пластичної деформації. Проведена експериментальна якісна і кількісна перевірка теоретичних формул, що характеризують напружений стан металу в зоні деформації при відрізанні.

Проведено експериментальне визначення напрямку течії металу по торцевій контактній поверхні при відрізанні.

Проведена експериментальна перевірка методики визначення величини радіального переміщення точок серединної поверхні матриці при відрізці дозволила ввести поправочний коефіцієнт при визначенні радіальних переміщень нижнього торця матриці.

Підтверджена можливість визначення величини необхідного натягу при бандажуванні твердосплавної відрізної матриці, виходячи із системи сил, що діють на матрицю в процесі відрізання.

Експериментальні дослідження показують достатню для практичних розрахунків вірність прийнятих розрахункових схем навантажень, що діють на робочий інструмент при відрізанні.

Проведені дослідження технологічних особливостей процесу при варіюванні швидкостей відрізання холодного металу дозволяють зробити висновок, що застосування високих швидкостей деформування призводить до якісно нових явищ: зменшення потрібної роботи деформування зі зростанням швидкості деформування, що впливає на потужність приводу машини, а також велика точність і якість отриманих заготовок, які не мають макро- і мікротріщин по торцях, як це спостерігається при відрізанні на звичайних пресах.

 

а б

 

в

а - 0,012 с (дотик інструменту); б - 0,019 с; в - 0,025 с

Рис. 16. Графік зміни еквівалентних (по Мізесу) напружень у_экв за часом t на ріжучій кромці пуансона при несиметричній схемі відрізання

Рис. 17. Графік зміни еквівалентних (по Мізесу) напружень у_экв за часом t на ріжучій кромці пуансона при несиметричній схемі відрізання з притиском заготовки 10% від навантаження відрізання

Дослідження дозволили визначити оптимальну геометрію пуансона і матриці з точки зору мінімальної роботи, зусилля деформування, найбільшої стійкості і кращої якості одержаних заготовок.

Дослідження процесу кромкоутворення холодного металу на пресах показали, що новий технологічний процес має беззаперечні переваги перед фрезеруванням, характеризується хорошим зрізом і точністю заготовок, високою продуктивністю при достатній стійкості ножів і може бути рекомендований для впровадження до промисловості.

У п'ятому розділі розглянуті питання практичного застосування (рис. 18) та економічної ефективності нового технологічного процесу, а також результати впровадження до виробництва результатів дослідження.

Виконані дослідження дають можливість визначати напруження у ріжучій частині робочого інструменту (ножів, матриць, пуансонів). Величина цих напружень така, що застосування твердих сплавів для цих видів інструменту в багатьох випадках можливо і доцільно.



Рис. 18. Зображення виготовлених деталей на залізничних вагонах

Знання напружень й умов роботи твердосплавних деталей розділових штампів допомагає при розрахунку і розробці конструкції штампа. При правильному виготовленні та експлуатації твердосплавного штампа забезпечується значно більша стійкість, ніж для сталевих штампів.

Аналізуючи собівартість одного різу металу при різних способах здійснення, видно, що при кромкоутворенні листового металу за новою технологією собівартість значно менше при більших програмах випуску виробів. Розрахунок собівартості одного погонного метру різу кромки листа при фрезуванні на кромкорізі та спеціалізованому штампі складає відповідно 2,35 і 0,77 грн.

Застосування твердосплавної оснастки в умовах масового виробництва завжди дає великий економічний ефект, але тільки у випадку, якщо інструмент працює без поломок і викришування ріжучих фасок, що можливо при виконанні буртів, суворо рекомендованих за розміром і виконанням ухилів на робочій частині пуансону.

Попередній розрахунок твердосплавних деталей на міцність показав, що якщо при кромкоутворенні на сталевих листах стійкість штампів з інструментальної сталі У8 становить близько 10…15 тис. деталей між переточуваннями, то твердосплавних - до 400…500 тис. од. Розрахунок економічної ефективності застосування штампової оснастки з твердосплавними пуансоном-матрицею показав, що річна економія від витрат, пов'язаних з установкою штампів та наладкою обладнання складає 1360,6 тис. грн. На основі теоретичних досліджень та математичного моделювання процесів різання при обробці фасок під зварювання було розроблено конструкторську документацію, виготовлено та запущено в експлуатацію нову конструкцію штампу (рис. 4) зі скошеними кромками під зварювання. Це дозволило знизити витрати на виготовлення та відновлення штампів у сотні разів, скоротити строк переоснащення штампового виробництва, ліквідувати травматизм. Застосування схеми з горизонтальним положенням заготовки дозволило скоротити витрати енергії штамповки та знизити вартість продукції.

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій вперше розв'язана задача пластичної течії в зоні деформації при відрізанні штампами на основі використання загальних рівнянь механіки суцільних середовищ, розв'язана задача визначення напружень в будь-якій точці об'єму осередку деформації, удосконалено модель визначення напружень у в ріжучій частині інструменту при відрізанні та експериментально підтверджено метод розрахунку натягу при запресуванні твердосплавних матриць у сталеві обойми та розраховані величини натягу. Дослідження процесу кромкоутворення холодного металу на пресах показали, що новий технологічний процес має беззаперечні переваги перед фрезеруванням, характеризується хорошим зрізом і точністю заготовок, високою продуктивністю при достатній стійкості ножів і може бути рекомендований для впровадження до промисловості.



Висновки

1. Аналіз літературних джерел та досвіду експлуатації штампового оснащення показав, що стан теорії та практики отримання скошених фасок під зварювання методами листового штампування не задовольняє вимогам промисловості із-за недостатнього забезпечення необхідними методами розрахунку параметрів відрізання та силових навантажень на робочі елементи штампів та теоретично і експериментально обґрунтованою моделлю відрізання фасок під зварювання, які базуються на реалізації умов, що забезпечують високу стійкість елементів штампів, що не дозволяє реалізовувати високі техніко - економічні показники за стійкістю інструменту та якісні показники по зрізу, затяжці та вигину заготовки. Уперше на основі узагальнених результатів аналізу наукових публікацій та виробничого досвіду розроблена теоретично і експериментально обґрунтована концепція процесу відрізання фасок, яка базується на реалізації умов, що забезпечують високу стійкість штампів.

2. Результати аналітичних та експериментальних досліджень реалізовані у вигляді математичної моделі процесу, що дозволяє прогнозувати кінематику та динаміку взаємодії елементів технологічного оснащення з матеріалом заготовки та встановити вихідні значення діючих навантажень на інструмент. Це дозволило вдосконалити модель чисельного розрахунку процесу відрізання у штампах при підготовці фасок під зварювання. Проведені експериментальні дослідження по відрізанню листових заготовок з фасками під зварювання підтвердили результати розрахунків по зусиллю відрізання та деформованому стані в осередку навантаження. Адекватність математичного моделювання при довірчій ймовірності 0,95 межі помилок, розрахованій за дисперсією адекватності, складає ± 14,8 для силових параметрів і ± 8,2 для кінематичних.

4. На основі розв'язання задачі пластичної течії металу в осередку деформації з використанням загальних рівнянь механіки суцільних середовищ визначені напруження в будь-якій точці різа при відрізанні скошених фасок під зварювання, характер розподілу нормальних напружень по торцевій та боковій контактним поверхням. При цьому доведено, що сума нормальних напружень, що діють на бокову контактну поверхню, складають 0,4 - 0,425 від суми напружень, що діють на торцеву поверхню. Встановлені залежності зусилля відрізання від головних напружень, виникаючих на ріжучих кромках інструменту та межі зусиль навантаження інструменту.

5. Уперше аналітично визначено поля швидкостей та швидкості деформацій в осередку деформації при відрізанні, необхідне значення тиску притиску, що дорівнює 10% від зусилля відрізання, який запобігає прослизанню відрізаного металу та отриманню рівного зрізу та вигин заготовки, коефіцієнт тертя дорівнює 0,24. Удосконалений та експериментально підтверджений метод розрахунку, який враховує сукупність зусиль навантаження матриці при відрізанні. Аналітично визначено значення радіальних переміщень нижнього торця матриці та встановлено значення конусності в межах 1° - 1°30ґ посадкової поверхні матриці.

6. Уперше встановлено вплив дотичних напружень в осередку деформації на величину розтягуючих головних напружень, а, отже, і необхідність обробки бокової поверхні відрізних пуансонів і торцевих поверхонь матриць до чистоти квалітетів 7-9. При цьому бокові поверхні матриць і торцевих відрізних пуансонів необхідно залишати необробленими.

7. Аналіз технологічної собівартості одного різу металу показав, що виготовлення розділових штампів середньої складності економічно вигідний при чисельності різів більше 100 тис. разів. При цьому в порівнянні з плазмою або пламеною різкою практично усунені безповоротні витрати металу. У порівнянні з фрезеруванням на кромкорізі технологічна собівартість одного різу у спеціальних штампах у три рази нижча.

8. Науково обґрунтовані методи аналітичного та чисельного моделювання процесу формування скошених фасок під зварювання, що використано при розробці та проектуванні спеціалізованих штампів замість існуючих, стійкість яких не перевищує 20-24 робочих зміни. Експлуатація розробленого та виготовленого штампу на ПАТ «Крюківський вагонобудівельний завод» показав його високу експлуатаційну стійкість, надійність і відсутність несправностей. Економічний ефект упровадження результатів дослідження та нових конструкцій технологічного оснащення складає 1360,6 тис. грн.

9. Результати досліджень у вигляді методик досліджень і програмних продуктів упроваджені в навчальний процес при вивченні дисциплін «Технологія холодної штамповки» та «Нові та високоефективні технології в машинобудуванні» для спеціальності 8.05050201 «Технології машинобудування».



Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Хорольский В.Л. Исследование процессов отрезки металла при кромкообразовании листовой заготовки под сварку / В.Л. Хорольский // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво) / Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка./ Вип. 2 (41). - Полтава: ПолтНТУ, 2014. - С. 318-325.

2. Хорольский В.Л. Определение величины натяга при бандажировании твердосплавных отрезных матриц / В.Л. Хорольский // Вісник Національного технічного університету «ХПІ»: збірник наукових праць. Серія: Інноваційні технології та обладнання обробки матеріалів у машинобудуванні та металургії. - Харків: НТУ «ХПІ», 2014. - №44 (1087). - С. 175-183.

3. Хорольский В.Л. К вопросам определения напряженно-деформированного состояния при отрезке деталей в штампах / В.Л. Хорольский // Загальнодержавний міжвідомчий науково-технічний збірник. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. - Кіровоград: КНТУ, 2014. - Вип. 44. С. 164-170.

4. Хорольський В.Л. Дослідження впливу величини зазорів на розміри зон деформації при виробництві плоских листових заготовок з фасками під зварювання/ В.Л. Хорольський, М.М. Мороз // Вісник Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського / Вип. 1 часть 1 (90). - Кременчук: КрНУ, 2015. - С. 114-119. («Ulrich's Periodicals Directory», «Index Coperniocus», «Polish Scholarly Bibliography», «INSPEC»).

5. Хорольский В.Л. Моделирование процесса снятия фаски резкой в штампах / В.Л. Хорольский, С.В. Шлык, М.И. Наумова // Восточно-Европейский журнал передовых технологий./ Вип.2/7 (74). - Харьков: ЧП «Технологический центр», 2015. - С. 42-47. («Index Coperniocus»; Російського індексу наукового цитування (РІНЦ), Ulrich's Periodicals Directory; DRIVER; Bielefeld Academic Search Engine (BASE); WorldCat; Electronic Journals Lidrary; DOAJ; EBSCO; ResearchBib; Fmerican Chemical Society; CrossRef).

6. Хорольский В.Л. Определение напряжений в процессе снятия фаски резкой в штампах на листовых заготовках перед сваркой / В.Л. Хорольский // Вісник Національного технічного університету «ХПІ» збірник наукових праць. Серія: Інноваційні технології та обладнання обробки матеріалів у машинобудуванні та металургії. - Харків: НТУ «ХПІ», - 2015. - №47 (1166). - С. 66-74.

7. Хорольский В.Л. Процесс снятия фаски резкой в штампах для усиления сварных соединений в сельском машиностроении /В.Л. Хорольский, С.В. Шлык // Загальнодержавний міжвідомчий науково-технічний збірник «Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин». - Кіровоград: КНТУ, 2015. вип. 45, ч. 1. - С. 82-90.

Опубліковані праці апробаційного характеру:

8. Хорольский В.Л. Совершенствование процесса снятия фаски резкой в штампах под сварку/ В.Л. Хорольский // І Всеукраїнська науково-технічна конференція «Високі технології в машинобудуванні». Тези доповідей. - Полтава: ПолтНТУ, 2015. - С. 20-22.

9. Хорольский В.Л. Определение величины натяга при бандажировании твердосплавных отрезных матриц / Хорольский В.Л. // VII Меджународная научно-техническая конференция «Ресурсозбережение и энергоэффективность процессов и оборудования обработки давлением в машиностроении и металлургии». Тези доповідей. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2015. - С. 50-51.

Размещено на Allbest.ru