Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в различных отраслях промышленности широко используются полые осесимметричные детали, изготавливаемые традиционными способами обратного выдавливания, прессования, закрытой штамповки. В качестве заготовок используются точные короткие заготовки цилиндрической формы. К таким заготовкам предъявляют повышенные требования в отношении точности объема, а неправильная геометрическая форма заготовки может вызвать неравномерное нагружение рабочих частей штампа и привести к преждевременному износу и даже поломке пуансона и матрицы. Помимо геометрической точности для заготовок, предназначенных для холодного выдавливания, важно состояние поверхности среза, оцениваемое наличием на ней дефектов и шероховатостью.
Основными способами получения точных короткій заготовок являются отрезка пилами от прутка, отрезка на токарных станках, вырубка заготовок из листа и отрезка пластическим сдвигом в штампах. Отрезка пилами и отрезка на токарных станках процессы с большим отходом металла, т.к. толщина отрезного инструмента одного порядка с толщиной отрезаемой заготовки. Вырубка заготовок из листа сопряжена с наличием больших отходов металла, так как технология вырубки требует наличия технологических перемычек между вырубаемыми заготовками, кроме того, даже оптимальное расположите вырубаемых заготовок на листе не позволяет задействовать всю площадь и, как следствие, остаются не используемые участки листа между заготовками (до 25%-30% металла ). Отрезка на сортовых ножницах приводит к искажению геометрии заготовок и образованию дефектов в зоне реза. Поэтому отрезка в штампах с осевым сжатием является более производительным и экономичным способом получения точных коротких заготовок цилиндрической формы.
На сегодняшний день вопросы, связанные с определением напряженно-деформированного состояния металла с учетом локализации очага пластической деформации в процессе отрезки в состоянии всестороннего сжатия, недостаточно изучены. Отсутствие научно-обоснованной методики расчета и выбора конструк-торско-технологических параметров обработки затрудняет более широкое использование отрезки в штампах в производственных условиях. Недостаточно технологических диаграмм для расширения номенклатуры выпускаемых изделий, а для их получения необходимо иметь отработанную схем)' моделирования отрезки. В настоящее время моделирование задач отрезки пластическим сдвигом в пакетах для моделирования технологичесшгх 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 коротісих заготовок в штампах с осевым сжатием с заданными характеристиками качества.
Для достижения сформулированной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
-
Разработать методику эксперимента, оснастку и провести экспериментальные исследования процесса отрезки в штампах с осевым сжатием.
-
Определить зависимость параметров геометрической точности от силы осевого сжатия; провести анализ динамики изменения осевой силы.
-
Определить зависимости геометрических параметров торцевых дефектов от силы осевого сжатия и линейных размеров заготовок.
-
Разработать математическую модель отрезки с осевым сжатием с учетом разрушения металла в зоне реза и выполнить моделирование отрезки с осевым сжатием, с определением особенностей напряженно-деформированного состояния металла в очаге пластической деформации.
5. Разработать научно-обоснованную методику проектирования технологических процессов отрезки в штампах с осевым сжатием, разработанную на основе экспериментальных и теоретических исследований, позволяющую обеспечивать требуемое качество заготовок при минимальных энергетических затратах.
Методы исследования:
В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Все исследования проводились по единой методике, что дало возможность получения сопоставимых результатов.
Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния и характера пластического течения металла заготовки при отрезке в состоянии всестороннего сжатия производилось на основе численного решения задачи по определению параметров напряжения в зоне реза при изменении длины заготовки с использованием ППП "Deform", реализующего анализ упруго-пластической модели на основе общих уравнений пластического течения Прандтля-Рейса. Экспериментальные исследования проводились на специально сконструированной оснастке в лабораториях ОрелГТУ с применением общепринятых методов планирования эксперимента и статистической обработки результатов экспериментов.
Научная новизна:
1. Проведены экспериментальные исследования отрезки коротких точных
заготовок в штампе с осевым сжатием, позволившие установить:
зависимость параметров геометрической точности от силы осевого сжатия;
зависимости геометрических параметров торцевых дефектов от силы осевого сжатия и линейных: размеров заготовок.
зависимости геометрических параметров торцевых дефектов от диаметра заготовок.
2. Разработана трехмерная математическая модель отрезки коротких точ
ных заготовок с осевым сжатием, построенная на основе численного решения
задачи методом конечно-элементного моделирования на основе общих уравне
ний пластического течения, решение которых позволило установить особенно
сти напряженного состояния материала в очаге деформации, а именно:
объяснить причины увеличения размеров торцевых дефектов при увеличении длины отрезаемой заготовки;
определить влияние диаметра отрезаемой заготовки на параметры геометрической точности и геометрические параметры торцевых дефектов;
Достоверность результатов, полученных в ходе экспериментальных исследований, была обеспечена применением научно обоснованной методики планирования эксперимента и обработки полученных данных, поверенного лабораторного оборудования и контрольно-измерительных приборов. Достоверность результатов теоретических расчетов достигается обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи математического моделирования, а также применением современных математических методов и средств вычислительной техники.
Достоверность результатов теоретических исследований, подтверждена качественным и количественным согласованием результатов с данными эксперимента, при погрешности в пределах 10%, проведенного в широком диапазоне технологических режимов отрезки коротких точных заготовок в штампе с осевым сжатием.
Автор защищает
-
Экспериментально выявленные зависимости влияния технологических параметров процесса отрезки на формирование характеристик качества изготовляемых изделий.
-
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, раз
работанную на основе экспериментальных и теоретических исследований и по
зволяющую обеспечивать требуемое качество заготовок при минимальных энер
гетических затратах.
Практическая ценность работы и реализация результатов
-
Разработана научно-обоснованная методика проектирования технологических процессов отрезки в штампах с осевым сжатием для стали 20 и стали 45;
-
Результаты работы внедрены в учебный процесс и используются:
- при чтении лекций, проведении лабораторных и практических занятий
по дисщшлинам "Теория обработки металлов давлением", "Специальные виды
штамповки" для студентов направления подготовки бакалавров 551800 "Техно
логические машины и оборудование" и специальности 120400 "Машины и тех
нология обработки металлов давлением"; а таїже 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 VI"0H Международной научно-практической интернет-конференции "Энерго- и ресурсосбережение XXI век", март-июнь 2008, ОрелГТУ;
- на научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников, ежегодно устраиваемых в Орловском государственном техническом университете в период 2001-2008 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 печатных работ, среди которых 4 работы в центральных научных рецензируемых изданиях, входящих в "Перечень периодических научных и научно-технических изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук"; 2 тезиса докладов на международных и всероссийских научно-технических конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка используемых источников, включающего 74 наименования работ отечественных и зарубежных авторов, изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и фотографий, 4 таблицы.
