Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ существующих технологий и штамповой оснастки для резки проката на заготовки 14
1.1 Требования к качеству заготовок и факторы, влияющие на отрезку 14
1.2 Требования к геометрической точности и виды дефектов отрезаемых заготовок 15
1.2.1 Влияние металлургической природы пруткового материала на процесс отрезки 21
1.3 Анализ технологических процессов получения заготовок от пруткового материала 22
1.4 Анализ существующих способов и механических схем резки пруткового материала сдвигом и их параметры 27
1.5 Анализ существующих конструкций штампов, предназначенных для отрезки коротких заготовок длиной меньше диаметра 32
1.6 Выводы по главе 1 и постановка задачи исследования 44
Глава 2 Теоретическое исследование процесса отрезки точных коротких заготовок длиной меньше диаметра и анализ полученных результатов 46
2.1 Постановка задачи теоретического исследования 47
2.2 Расчетная схема 49
2.3 Граничные условия 49
2.4 Исходные данные для моделирования 51
2.5 Математическое моделирование процесса отрезки в условиях всестороннего сжатия 53
2.5.1 Состав пакета 56
2.5.2 Визуализация результатов расчета 57
2.6 Анализ зависимости силы осевого подпора от силы отрезки 58
2.7 Разработка метода исследования влияния осевого нагружения на характер формоизменения при разделительных операциях 62
2.7.1 Разработка метода определения параметров, характеризующих качество зоны реза 62
2.7.2 Использование метода зональных параметров для определения зависимости соотношения Р0
2.8 Выводы по разделу 2 83
Глава 3 Экспериментальные исследования процесса отрезки точных коротких заготовок и постановка задачи исследования 85
3.1 Постановка задачи исследования 85
3.2 Условия экспериментальных исследований 86
3.2 Разработка экспериментальной оснастки 87
3.3 Методика исследования качества поверхности заготовки от технологических параметров процесса отрезки 91
3.4 Методика обработки полученных экспериментальных исследований 96
3.5 Выводы по главе 3 132
Глава 4 Совершенствование новой технологии и оборудования для отрезки точных коротких заготовок 134
4.1 Исходные данные 134
4.2. Разработка новой технологии изготовления коротких заготовок отрезкой сдвигом 134
4.4 Выводы по разделу 4 149
Общие выводы по работе 151
Список использованной литературы 154
Приложение 163
- Требования к геометрической точности и виды дефектов отрезаемых заготовок
- Математическое моделирование процесса отрезки в условиях всестороннего сжатия
- Методика исследования качества поверхности заготовки от технологических параметров процесса отрезки
- Разработка новой технологии изготовления коротких заготовок отрезкой сдвигом
Введение к работе
Развитие науки, масштабы практического использования ее результатов в настоящее время становятся важнейшими факторами повышения эффективности промышленного производства. Решение подобной задачи невозможно без разработки принципиально новых технологий и оборудования, позволяющих получать изделия высокого качества при наименьших затратах на их производство.
Внедрение и совершенствование современных, в том числе безотходных технологий в металлообрабатывающей промышленности, развитие автоматизированных производств вызвало повышение требоаний к качеству заготовок. Решение задачи максимального приближения геометрических форм и размеров заготовки к размерам и форме готовой детали стало одной из главных тенденций технического прогресса в заготовительном производстве. Отрезанные от прутка заготовки с неплоскими торцами, искажениями формы, неточными размерами, заусенцами уже не способны удовлетворить современное металлообрабатывающее производство, поэтому получение качественных заготовок с плоскими, гладкими, с минимальной овальностью торцами, правильной геометрической формы и стабильными размерами является одной из основных проблем при внедрении прогрессивных технологических процессов точной объемной штамповки.
Важным условием понимания новых процессов является установление и исследование взаимосвязи параметров, их влияния на процесс деформирования и конечный результат получения заготовок. Качество изготовления деталей, производительность и стабильность или устойчивость технологических процессов отрезки от прутка точных коротких заготовок меньше диаметра зависят от правильного выбора технологических и конструктивных параметров, т.е. получение требуемого эффекта возможно только при оптимальном режиме резки. Таким образом, экономичное раз- деление пруткового материала на точные качественные заготовки возможно путем широкого внедрения в производство высокопроизводительной безотходной отрезки заготовок сдвигом в штампах и на сортовых ножницах взамен применяемых менее эффективных способов - холодной ломкой, отрезки пилами, на отрезных станках и др.
Для изготовления холодным выдавливанием многих изделий (тонкостенных стаканов, полых ступенчатых деталей и др.) часто требуются цилиндрические или призматические короткие заготовки с соотношением высоты к поперечному размеру менее 1. Заготовки с соотношением l/d < 1 можно использовать для открытой и закрытой горячей штамповки, для изготовления поковок типа: стержней с утолщением, со сквозным или глухим отверстием, смещенной конфигурации; комбинированной конфигурации. Такие полуфабрикаты могут подвергаться обработке резанием (валы, оси, втулки и другие детали с продольной осью вращения), а также использоваться для холодной штамповки выдавливанием (болты, гайки, детали со шлицами и продольными канавками, гильзы, колпачки, зубчатые колеса, звездочки и т.д.). Вся представленная номенклатура изделий может быть использована как в машиностроительной, так и приборостроительной отраслях промышленности.
В современных условиях производства изготовление из прутка точных заготовок длиной меньше диаметра является одной из реальных проблем, продвигающейся в направлении изыскания и развития таких технологий, в которых использовались бы положительные стороны простых процессов отрезки сдвигом.
Эта задача решается путем использования штампов, в которых отрезка заготовок осуществляется пластическим сдвигом отделяемой части прутка относительно остальной его части в условиях всестороннего сжатия без изгиба и образования опережающих трещин и зон скола, что позволяет получать заготовки различной длины, в том числе и относительно корот- кие заготовки (длина которых не превышает диаметра прутка) с высоким геометрическим качеством.
Проведение более глубоких теоретических и экспериментальных исследований процесса отрезки точных коротких заготовок длиной меньше диаметра и разработка на базе результатов исследований технологии и высокопроизводительного оборудования, позволяющих получать изделия, наиболее полно соответствующие предъявляемым требованиям, является актуальной научно-технической задачей.
Большой вклад в исследования общих вопросов теории, технологии и оборудования обработки металлов давлением, в частности, процессов резки пруткового материала на точные мерные заготовки внесли В.Т. Ме-щерин В.Т., С.С. Соловцов, В.А. Трусов, В.Т. Синицын, С.Ш. Яшаяев, В.А. Тимощенко, А.И. Эрлих.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с проектом "Исследование напряженно-деформированного состояния и характера пластического течения металла в разделительных и формообразующих операциях при локальном деформировании", вошедшим в единый заказ-наряд ОрелГТУ в 2000 году; проекта "Учебный автоматизированный комплекс для изучения процессов пластической обработки материалов", выигравшего конкурс Минобразования РФ" в 2001 г., проводимого в рамках программы: "Научное, научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования" по подпрограмме: "Научное и научно-методическое обеспечение индустрии образования"; проектом "Исследование напряженно-деформированного состояния и характера пластического течения металла при разделительных операциях в условиях всестороннего сжатия", вошедшим в единый заказ-наряд ОрелГТУ в 2001 г.; работа соответствует "Критическим технологиям федерального уровня", утвержденным председателем Правительственной комиссии по научно-технической политике 21.07.1996 г. по направлению "Модульные технологии производства массовой металлопродукции с новым уровнем свойств"; проектом "Исследование пластического формоизменения при комплексном локальном нагружении", вошедшим в единый заказ-наряд ОрелГТУ в 2005 г.
Цель работы.
Разработать процесс, оснастку и научно-обоснованные рекомендации по их проектированию для реализации процесса отрезки от прутка коротких заготовок с заданным геометрическим качеством в штампах с дифференцированным осевым и радиальным сжатием.
Методы исследования;
В работе использован комплексный метод исследований, включающий проведение предварительных экспериментов и на их основе теоретического анализа с экспериментальной проверкой предложенных технических решений в лабораторных условиях. Все исследования проводились по единой методике, что дало возможность получения сопоставимых результатов.
Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния и пластического течения металла при отрезке проводились на основе деформационной теории пластичности методом численного решения отдельной задачи по определению основных параметров, влияющих на процесс отрезки заготовок (силы, приложенной со стороны пресса к подвижному ножу штампа; силы осевого подпора; силы радиального зажима прутка, диаметра заготовки и материала, из которого изготавливаются заготовки).
Экспериментальные исследования проводились на специально сконструированной оснастке, установленной на поверенной универсальной гидравлической машине МУП-100 в лабораториях ОрелГТУ с применением общепринятых методов планирования эксперимента и статистической обработки результатов.
Научная новизна.
1. Разработана математическая модель процесса закрытой отрезки коротких заготовок, построенная на основе уравнений пластического тече ния, позволившая: установить влияние силы осевого подпора на ширину и вид зоны пластической деформации при пластическом сдвиге; выявить на торце заготовки поверхностное упрочнение металла, возрастающее с увеличением силы осевого подпора; получить зависимости, связывающие характер изолиний напряжений, возникающих в заготовке, и качество поверхности реза при отрезке по закрытой схеме резки при различных соотношениях длины и диаметра отрезаемой заготовки; определить угол отклонения поверхности реза от идеальной а и параметры b и с, определяющие качество поверхности реза и зависящие от соотношения сил осевого подпора и отрезки для различной относительной длины заготовки; установить, что для каждой комбинации параметров a, b и с существует наименьшее значение соотношения силы осевого подпора к силе отрезки, при котором отделение заготовки происходит только пластическим сдвигом без образования скалывающих трещин.
По результатам экспериментальных исследований процесса отрезки точных коротких заготовок установлено влияние соотношения силы осевого подпора к силе отрезки для различных соотношений длины к диаметру заготовки на овальность торцов, ширину зоны скола на торцевой поверхности заготовки для различных материалов с различными показателями пластичности и прочности (медь М2, сталь 0,8кп и сталь 20кп).
Разработаны научно-обоснованные рекомендации по выбору основных технологических параметров отрезки для проектирования и оснастки для отрезки точных коротких заготовок.
Достоверность полученных результатов.
В ходе экспериментальных исследований были использованы научно обоснованная методика планирования эксперимента и обработки полученных данных, поверенное лабораторное оборудование и контрольно-измерительные приборы.
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 и подтверждена качественным и количественным их согласованием с данными эксперимента при погрешности в пределах 10 %.
Автор защищает.
Математическую модель процесса отрезки точных коротких заготовок длиной меньше диаметра от прутка и результаты ее численного решения.
Методику и результаты экспериментальных исследований процесса отрезки, позволившие установить влияние геометрических и кинематических параметров и режимов обработки на характер пластического формоизменения заготовки.
Научно-обоснованные рекомендации по проектированию технологических процессов отрезки.
Новые схемы и оснастку для процесса отрезки коротких заготовок, расширяющие технологические возможности метода и номенклатуру изделий при увеличении производительности и стойкости инструмента.
Практическая ценность и реализация работы.
1. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований получены технические рекомендации для проектирования технологических процессов и оснастки для отрезки точных коротких заготовок: получена зависимость, позволяющая определять силу осевого сжатия заготовки при отношении l/d меньше единицы, обеспечивающее высокое качество среза пластическим сдвигом без скола; установлены зависимости соотношения силы осевого подпора (и, соответственно, радиального зажима прутка) к силе отрезки для материалов с различными прочностными и пластическими свойствами, а также от относительной l/d длины отрезаемой заготовки.
Установлены критерии оценки технологической пригодности полученных отрезкой заготовок и определены технические требования к заготовкам в зависимости от их назначения; получены зависимости для определения технических параметров резки, обеспечивающих получение заготовок заданного класса точности.
Предложены новые эффективные схемы и оснастка для получения точных коротких заготовок длиной меньше диаметра, позволяющие: повысить качество отрезаемой заготовки и избежать налипания материала заготовки на инструмент за счет снижения силы осевого подпора, исключить выталкивание прутка из устройства радиального зажима; повысить качество торцов отрезаемых изделий, снизить суммарную технологическую силу совершения операции за счет уменьшения площади поперечного сечения заготовки в плоскости реза; - расширить технологические возможности отрезного штампа, за счет совмещения отрезки с предварительной прошивкой или наметкой под прошивку за один переход.
Новизна предложенных способов для получения заготовок процессом отрезки в штампах подтверждена тремя патентами Российской Федерации.
Результаты работы внедрены в учебный процесс и используются при чтении лекций, проведении лабораторных работ по дисциплинам "Технология конструкционных материалов", "Технология ковки и объемной штамповки", "Теория обработки металлов давлением". Разработанная новая технология процесса отрезки от пруткового материала заготовок длиной меньше диаметра принята к внедрению на Орловском ООО "Янтарь".
Апробация работы.
По содержанию диссертационной работы был выполнен ряд докладов и сообщений на научно-технических конференциях, в том числе: на И-ой международной научно-технической конференции «Проблемы пластичности в технологии», октябрь 1998, ОрелГТУ; на международной научно-технической конференции: «Ресурсосберегающие технологии, оборудование и автоматизация штамповочного производства», ноябрь 1999, ТулГУ, а также в ряде местных межвузовских научно-технических и научно-практических конференциях и симпозиумах; на научно-технической конференции "Ресурсосберегающие технологии в машиностроении", Владимир, 1999; международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные технологические проблемы в машиностроении «Технология - 2000», март 2000, ОрелГТУ; на научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников, ежегодно устраиваемых в Орловском государственном техническом университете в период 1998-2005 гг.
Публикации.
По теме диссертационной работы опубликовано 15 печатных трудов, среди которых 5 - в центральных научных рецензируемых изданиях, 5 статей в сборниках научно-технических трудов, 2 тезиса докладов на международных, всероссийских научно-технических конференциях, получено 3 патента Российской Федерации на изобретения.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех основных глав, основных результатов и выводов, списка использованных источни- ков, включающего 90 наименований работ отечественных и зарубежных авторов и содержит 166 страниц основного текста, в котором 57 рисунков и фотографий, 13 таблиц.
Требования к геометрической точности и виды дефектов отрезаемых заготовок
Одной из главных задач, которую приходится решать при проектировании технологического процесса разрезки прутка и конструировании отрезного штампа, является задача обеспечения требуемого качества заготовок. Качество отрезаемой от прутка заготовки зависит от совокупности влияющих на отрезку факторов, так как определение "качество отрезанной заготовки" является комплексным понятием, включающим геометрическую точность, состояние поверхности среза и состояние металла в приторцевых зонах.
Геометрическая точность - главный компонент качества заготовки, определяющийся степенью соответствия ее формы и размеров идеальному прототипу. Так как при разделительной операции заготовок возникают пластическая деформация и разрушение металла в зоне реза, то отрезка может сопровождаться отклонением размеров и погрешностью формы.
Требования к точности, состоянию приторцовых зон зависят от назначения заготовки. Одним из общих требований к заготовкам всех групп является отсутствие дефектов. Выделяют две группы дефектов отрезанных заготовок: несоответствие по геометрии и дефекты поверхности, возникающие на поверхностях торцов и в приторцевых зонах. Первая группа объединяет несколько видов дефектов, обусловленных нарушением формы, неточностью размеров и массы заготовок.
Геометрическую точность оценивают относительными показателями, которые определяются по результатам измерения заготовки. Искажения формы рассматривают в осевом сечении заготовки и в плоскости торца. Так как при отрезке у заготовок различают передний и задний концы, которые в большинстве случаев не одинаковы по степени точности, то оценку геометрической точности проводят по результатам измерений заднего конца, так как именно на нем сосредоточены наибольшие отклонения. К таким отклонениям от идеальной формы относятся: утяжины (продольная или поперечная), овальности торцов, неперпендикулярности торцов и т.д.
Утяжины возникают в результате пластической деформации растяжения и изгиба волокон при внедрении ножа, что ведет к появлению искажения формы торцовой зоны, т.е. овальности торцов (рисунок 1.1) Такие дефекты возникают при неправильном выборе способа отрезки или в ре-зультатете пластической деформации растяжения и изгиба волокон при внедрении ножа.
Неперпендикулярность торцов Д (отклонение от перпендикулярности) - отклонение угла между плоскостями, осями или осью и плоскостью от прямого угла, равного 90, выраженное в единицах на заданной длине (рисунок 1.2). Отклонение от перпендикулярности определяется от прилегающих поверхностей или линий.
Заготовки, имеющие такие дефекты, установленные измерением с допустимой погрешностью [3], пригодны без дальнейшей доработки, в основном для прямого выдавливания деталей в закрытых штампах, в процессе которого торцы выравниваются. Большие утяжины, овальность торцов, неперпендикулярность торцов могут вызвать дефекты в поковках. Во вторую группу входят дефекты в виде ухудшения состояния поверхности торцов. Большинство этих дефектов возникает вследствие сложных процессов, характеризующихся относительным сдвигом разделяемых частей в нескольких радиальных направлениях.
Блестящие пояски - дефекты, образованные пластическим сдвигом при внедрении ножей и деформацией периферийных слоев металла прутка (заглаживание перерезанных волокон) при недостаточном осевом зазоре между ножами. Боковые заусенцы на круглом торце образуются при использовании для отрезки ножей с затупленными режущими кромками или при большом осевом зазоре (рисунок 1.3).
Пригары, наплывы, задиры - дефекты, являющиеся результатом трения волнистых поверхностей торцов прутка и заготовки. Они возникают в том случае, если заготовка не имеет возможности отойти от прутка сразу после образования поверхности среза (рисунки 1.4 и 1.5). Вырывы — дефекты, представляющие собой глубокие неровности, образованные разрушением (рисунок 1.6).
Сколы - участки в виде узкой полоски в нижней части торца, образованной разрушением. Такой дефект наблюдается при закрытой отрезке, когда удельное усилие осевого сжатия недостаточно (рисунок 1.6).
Математическое моделирование процесса отрезки в условиях всестороннего сжатия
Моделирование изменений напряженно-деформированного состояния заготовки в процессе обработки может быть проведено на персональном компьютере (ПК) при помощи пакета прикладных программ (ППП) "ШТАМП", реализующего анализ упруго-пластических моделей методом конечных элементов (МКЭ). Определяющее уравнение представляет собой уравнение течения Прандтля-Рейсса [78] в котором материальная производная заменена коротационной. В качестве последней в программе используется производная Яумана. В данном случае (при изотропной теории и малых упругих деформациях) это является достаточно корректным [79]. Используемое в программе уравнение Прандтля-Рейсса, свернутое по двум парам индексов имеет вид: где 6 - производная по времени тензора напряжений; С - тензор упругопластичности; d - тензор скорости деформации. Величины С и d определяются следующими выражениями: то материал считается вновь перешедшим в упругое состояние. Накопленное значение интенсивности напряжений становится новым значением текущего предела текучести. Постановка граничных условий в упруго-пластических задачах имеет свои особенности [80-85] по сравнению с упругими. Для типичных случаев обработки металлов давлением граничные пошаговые приращения перемещений Dx, Dy складываются для пластических элементов из приращений перемещений инструмента dx {dy) и перемещений относительно инструмента Ах (Ду), которые определяются на каждом шаге из решения систем уравнений с учетом (2.4): Вторые уравнения систем (2.11) и (2.12) учитывают эффекты пластического скольжения инструмента относительно заготовки и "выпучивания" материала заготовки за счет несжимаемости. Еще одна особенность связана с корректным выявлением остаточных напряжений и деформаций.
После снятия нагрузки, задаваемой нередко перемещениями инструмента, силовые граничные условия должны формулироваться в виде накопленных до этого момента нагрузок, но с обратным знаком. ППП "ШТАМП" представляет собой комплекс прикладных программ, включающий в себя: - AMS - программа интерпретации описания решаемой задачи; - AutoCAD - программа геометрического моделирования; - MESH - генератор сетки конечноэлементной модели; - DEFUN - подготовка формул функций; - EDIT - программа создания и редактирования файла описания; - SCREEN - программа получения изображения сетки; - SOLVER - программа упруго-пластического расчета. При анализе результатов расчета можно воспользоваться входящим в состав ППП "ШТАМП" графическим постпроцессором SCREEN для визуализации полей деформаций, напряжений, зон пластичности для упруго-пластических задач, дефектных зон для упругих задач. Для анализа деформаций можно получить изображение деформированной модели с наложенным на него изображением недеформированной модели. Если перемещения малы, то на изображении деформированной модели их можно увеличить в желаемое число раз. Для анализа напряжений можно просмотреть изолинии следующих напряжений, компонентов напряжений и их комбинаций: JX, а , ст, - нормальные напряжения; т т„- TTV, imax касательные и максимальное касательное ху у х напряжения; ст,, а2, а3 - главные нормальные напряжения; ст - гидростатическое давление; 3S, - текущее значение предела текучести (для упругопластических задач); ст - критерий предельного состояния (для упругих задач); ст(- интенсивность напряжений. Высоконапряженное состояние исследуемой модели может привести к возникновению зон возможного разрушения материала (дефектных зон) для упругих моделей и к появлению зон пластичности для упруго-пластических моделей. В результате расчета был проведен пошаговый анализ модели при изменении технологических параметров, который выявил ряд особенностей процесса отрезки заготовки от прутка. Пример результата расчета на момент начала внедрения ножа приведен на рисунке 2.4. Номера изолиний показывают изменение напряжения текучести, а следовательно, и упрочнение металла. При моделировании менялись следующие параметры: - сила зажима заготовки верхним и нижним прижимами Ррз, кН: 11.5; 40; 69; - сила осадки заготовки упором Рос, кН: 0; 2; 5.5; 6; 7; 9; 11.5; 13.5; 15.5; 17; 18; 19; - глубина внедрения ножа, мм (соотношение величины внедрения к диаметру заготовки): 0.1 (0.0125); 0.2 (0.025); 0.3 (00375). В результате расчетов были установлены зависимости, связывающие между собой параметры процесса отрезки. Влияние силы подпора на силу отрезки описано ниже, а зависимость силы отрезки от перемещения инструмента при наличии осевого подпора, величина которого достаточна для перевода свободного конца заготовки в состояние всестороннего равномерного сжатия, имеет вид кривой параболического типа (рисунок 2.5). Для сопоставления приведен график зависимости силы отрезки от перемещения инструмента при отсутствии осевого подпора (рисунок 2.6). Данные, полученные для построения кривой, получены в результате моделирования процесса отрезки прутка без использования осевого подпора. Это позволяет отслеживать зависимости силы отрезки от перемещения при отсутствии и наличии осевого подпора уже на начальной стадии резки. По совпадению кривых (рисунки 2.5 и 2.6) можно судить о точности результатов, получаемых при расчете.
Методика исследования качества поверхности заготовки от технологических параметров процесса отрезки
В настоящее время в имеющейся литературе нет научно-обоснованных конкретных рекомендаций по выбору основных технологических параметров отрезки, а именно - не установлены зависимости соотношения силы осевого подпора (и, соответственно, радиального зажима прутка) от силы реза для материалов с различными прочностными и пластическими свойствами, а также от относительной l/d длины отрезаемой заготовки. Выработка таких рекомендаций возможна только на основе экспериментальной проверки.
При проведении экспериментальных исследований при различном варьировании основных технологических параметров - зависимости соотношения силы осевого подпора (и, соответственно, радиального зажима прутка) от силы реза было выявлено, что при резке проката происходит изменение качества поверхности отрезаемых заготовок, которое определяется совокупностью геометрических и физических показателей. К геометрическим показателям относятся точность формы, размеров и объема, а к физическим - показатели, характеризующие состояние пверхности среза и металла в приторцевой зоне, подвергшейся пластической деформации.
Для оценки геометрической точности заготовки предложены относительные показатели, характеризующие степень отклонения формы от идеального прототипа, например: овальность торца, ширина зоны скола, поперечная утяжина.
Варьирование основных технологических параметров резки точных коротких заготовок осуществлялось за счет изменения положения дополнительного хвостовика, расположенного на верхней балке в зоне между имеющимся хвостовиком и шарнирной связью балки с промежуточной плитой (рисунок 3.5). Перемещение дополнительного хвостовика осуществлялось за счет наличия в верхней балке отверстий, расположенных по всей поверхности балки. По ходу выполнения каждой операции отрезки заготовки фиксировалась величина технологической силы и производились замеры полученных заготовок. Значения технологических сил в начальный и последующие моменты процесса отрезки фиксировались приборами универсальной гидравлической испытательной машиной МУП-100.
Искажения формы рассматривались в осевом сечении заготовки и в плоскости торца. Для измерения показателей качества торца поверхности заготовки применялись следующие инструменты: угольники, угломеры, индикаторы, а для более точных измерений, где овальность составила сотые доли, применялся инструментальный микроскоп.
На рисунках 3.6 и 3.7 представлены схемы измерения овальности торца отрезанной заготовки и ширины зоны скола. В ходе экспериментальных исследований было выявлено, что при резке проката металл подвергается контактной и внеконтактной пластической деформации и разрушению, в результате совместного действия, а поверхность заготовки приобретает неоднородные по своей природе части - участки смятия, образованные контактной пластической деформацией; утяжины, возникшие в результате внеконтактной деформации; гладкий плоский участок на торце, образованный пластическим сдвигом и шероховатую волнообразную поверхность, вызванную разрушением.
Так как геометрическая точность является главным компонентом качества заготовки и определяется степенью соответствия ее формы и размеров идеальному прототипу, то на основании полученных экспериментальных данных проведены измерения отрезанных заготовок и исследовано качество поверхностей.
При экспериментальном исследовании для процесса отрезки использовались в качестве исходных заготовок цилиндрические прутки диаметром 8 мм из различных материалов (латуни Л63, меди М2, стали 0,8 кп и стали 20кп). Первая серия экспериментальных исследований проводилась на цилиндрических прутках из меди М2. Каждая серия экспериментов сопровождалась изменением соотношения длины к диаметру (l/d = 1; 0,5; 0,25).
В ходе экспериментальных исследований в каждой серии опытов были проведены следующие измерения заготовок по геометрическим параметрам и качеству торцевой поверхности: определение овальности отрезанных заготовок из меди при различных соотношениях Р0(/Р0тр и относительной длины; определение ширины зоны скола отрезанных заготовок из меди при различных соотношениях Р0 /Р0тр\ определение степени гладкости и точности по диаметру отрезанных заготовок из меди при различных соотношениях P0JP0mp под последующую штамповку; установлены критерии оценки технологической пригодности каждой отрезанной от пруткового материала заготовки.
Отрезка точных коротких заготовок осуществлялась при зазоре между отрезными ножами равным нулю, что позволяет добиться экономии металла в процессе отрезки.
Исследованиям поверхности качества реза и геометрической точности заготовок подвергалась каждая заготовка. Всего для исследования процесса отрезки точных коротких заготовок длиной меньше диаметра в закрытом штампе в условиях всестороннего сжатия было проведено более 100 опытов. В экспериментальной части была представлена часть полученных отрезкой заготовок, наиболее пригодных для дальнейшего использования. Для облегчения определения качества поверхности заготовок из исследуемых материалов, при варьировании параметров отношения длины к диаметру (l/d), каждой заготовке был присвоен свой порядковый номер (1, 2, 3 ... и т.д.), соответствующий номеру опыта. Результаты измерений овальности отрезанных заготовок из материала медь М2 при различных соотношениях Рос/Pomp и относительной длины заготовки сведены в таблицу 3.2 и в графическом виде представлены на диаграмме, рисунок 3.8.
Разработка новой технологии изготовления коротких заготовок отрезкой сдвигом
На основании анализа существующих способов изготовления точных коротких заготовок длиной меньше диаметра и ранее проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложена новая технология изготовления полуфабрикатов безотходной отрезкой сдвигом в отрезных штампах.
Предложенные ранее конструкции штампов для резки пруткового материала с механизмом настройки осевого сжатия отрезаемой заготовки [68, 69], разработанные на кафедре "Автоматизированные процессы и машины пластической обработки материалов" Орловского государственного технического университета, обладают существенным недостатком: удержание прутка на позиции обработки осуществляется за счет трения в устройстве радиального зажима. Избежать выталкивания пруткового материала из неподвижного ножа необходимо за счет приложения силы радиального зажима. Это позволит снизить силу осевого подпора (отсутствует налипание частиц металла на инструмент), увеличить суммарную силу технологической операции и потребует изготовления устройства радиального зажима с большой площадью контактной поверхности.
Таким образом, является актуальной задача разработки новой конструкции штампа, которая позволила бы: снизить силу осевого подпора для исключения налипания частиц металла на инструмент; избежать возможности выталкивания прутка из устройства радиального зажима; по возможности снизить суммарную силу совершения операции.
Для этого было предложено модернизировать устройство радиального зажима прутка в отрезном штампе следующим образом [86]: ручьи неподвижного ножа и прижимной планки выполнить с упорными поперечными серповидными выступами треугольного сечения, расположенными в осевом направлении от режущей кромки и друг от друга на расстоянии, равном шагу подачи заготовки. На рисунке 4.1 изображен общий вид устройства для резки пруткового материала. Устройство работает следующим образом.
Пруток 7 подают в устройство радиального зажима прутка, состоящее из неподвижного в корпусе 1 ножа 4 с режущей кромкой и подвижной в радиальном направлении верхней планки 5 до режущей кромки неподвижного ножа, к верхней подвижной планке прикладывают силу радиального зажима Ррз, при этом серповидные выступы б внедряются в заготовку, образуя насечки. Затем силу радиального зажима снимают, отводят подвижный верхний прижим и заготовку протягивают в подвижный втулочный нож 2 на шаг подачи h, при этом насечка от последних серповидных выступов совмещается с режущей кромкой. Снова прикладывают силу радиального зажима Ррз, при этом первая по ходу прутка пара серповидных выступов внедряется в заготовку, а последующие серповидные выступы входят в насечки, полученные на предыдущем шаге. Далее через толкатель осевого подпора 3 на отрезаемую часть заготовки передают осевую силу Рос, создавая в зоне реза напряженное состояние всестороннего сжатия, при этом насечки, находящиеся на уровне режущих кромок под действием Ррз превращаются в зажимы. Таким образом, за счет насечек уменьшается площадь поперечного сечения заготовки в зоне реза (рисунок 4.1), а зажимы служат дополнительными концентраторами напряжений при резке, что способствует снижению силы реза и, соответственно, зависящих от нее сил осевого подпора (следовательно, уменьшается возможность налипания заготовки на инструмент) и радиального зажима заготовки и, соответственно, суммарной силы совершения операции. Схема поперечного сечения заготовки в зоне реза представлена на рисунке 4.2.
Кроме того, внедренные в заготовку упорные серповидные выступы исключают возможность выталкивания прутка толкателем осевого подпора из устройства радиального зажима, что обеспечивает высокую точность размеров отрезаемой заготовки.
Далее к заготовке прикладывают силу отрезки Ротр и совершают отделение заготовки сдвигом. После удаления отрезанной части заготовки из подвижного ножа его возвращают в исходное положение, и процесс повторяется.
Предлагаемое устройство позволяет повысить качество отрезаемой заготовки и снизить технологическую силу операции по сравнению с базовым объектом, в качестве которого выбран прототип [69].
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет повысить качество отрезаемой заготовки и избежать налипания материала заготовки на инструмент за счет снижения силы осевого подпора, исключить выталкивание прутка из устройства радиального зажима и снизить суммарную силу совершения операции. Предложенная технология защищена патентом РФ [86].
Для решения задачи, направленной на повышение качества отрезаемой заготовки и снижение технологической силы операции был изготовлен подвижный в вертикальном направлении прижим с соосными ручьями, которые соответствуют половине поперечного сечения удерживаемой заготовки (рисунок 4.3). Ручьи прижимов выполнены с упорными поперечными серповидными выступами треугольного сечения, расположенными в осевом направлении от режущей кромки и друг от друга на расстоянии, равном шагу подачи прутка. Предложенная конструкция штампа подтверждена патентом РФ [80].
