Содержание к диссертации
Введение
1. Теориия, технология, оборудование и оснастка процесса ротационной вытяжки цилиндрических заготовок 14
1.1 Обзор работ в области ротационной вытяжки осесимметричных тонкостенных заготовок
1.2 Схемы и виды ротационной вытяжки на универсальном и специализированном оборудовании 24
1.3 Основные выводы и постановка задач исследований 37
2. Исследование размеров пятна контакта давильного элемента с материалом заготовки при ротационной вытяжке с утонением стенки . 3 9
2.1 Фактическая подача при ротационной вытяжке с разделением очага деформации 39
2.2 Размеры очага деформации для шариковых давильных элементов ... 41
2.3 Размеры очага деформации для роликовых давильных элементов с радиусной рабочей поверхностью 45
2.4 Размеры очага деформации для роликовых давильных элементов с конусной рабочей поверхностью 47
2.5 Основные результаты и выводы 50
3. Математическое моделирование процесса ротационной вытяжки с утонением стенки 52
3.1 Математическое моделирование силовых параметров процесса ротационной вытяжки для однорядных раскатных устройств 52
3.2 Силовые параметры операции ротационной вытяжки для многорядных раскатных устройств 56
3.3 Исследование силовых параметров операции ротационной вытяжки с использованием шариковых давильных элементов 57
3.4 Анализ силовых параметров операции ротационной вытяжки с использованием роликовых давильных элементов с радиусной рабочей поверхностью 63
3.5 Исследование силовых параметров операции ротационной вытяжки с использованием роликовых давильных элементов с конической рабочей поверхностью 68
3.6 Сравнительный анализ силовых параметров операции ротационной вытяжки при использовании давильных элементов различной геометрической формы 72
3.7 Основные выводы 76
4. Экспериментальные исследования силовых параметров и показателей качества цилиндрических деталей 77
4.1 Экспериментальные исследования силовых параметров процесса ротационной вытяжки
4.2 Основные положения теории планирования эксперимента 81
4.3 Математическая модель формирования разностенности тонкостенных цилиндрических деталей 87
4.4 Исследование разностенности в зависимости от технологических параметров ротационной вытяжки 94
4.5 Математическая модель формирования шероховатости поверхности тонкостенных цилиндрических деталей 98
4.6 Исследования шероховатости поверхности в зависимости от технологических параметров ротационной вытяжки 100
4.7 Анализ качества изделий изготовленных с использованием однорядных и многорядных роликовых раскатных устройств 104
4.8 Основные результаты и выводы 109
5. Использование результатов исследований 111
5.1 Рекомендации по проектированию технологических процессов ротационной вытяжки цилиндрических деталей 111
5.2 Технология изготовления детали «Стакан» 120
5.3 Определение режимов технологического процесса изготовления де-. тали «Стакан» ротационной вытяжкой с утонением стенки и разделением очага деформации 123
5.4 Конструкция роликового раскатного устройства 125
5.5 Использование результатов исследований в учебном процессе 131
5.6 Основные результаты и выводы 133
Заключение 132
Список используемых источников 135
Приложение 1 146
Приложение 2 164
Приложение 3 166
- Схемы и виды ротационной вытяжки на универсальном и специализированном оборудовании
- Размеры очага деформации для шариковых давильных элементов
- Силовые параметры операции ротационной вытяжки для многорядных раскатных устройств
- Основные положения теории планирования эксперимента
Введение к работе
Значительную роль в решении задачи повышения эффективности производства и качества изготавливаемых изделий отводится методам обработки металлов давлением.
В различных отраслях машиностроения нашли широкое применение осесимметричные тонкостенные изделия, к которым предъявляются высокие требования по качеству изготовления и эксплуатационным свойствам при снижении себестоимости их производства.
Традиционные методы обработки металлов давлением широко используются в машиностроении для производства деталей, форма и размеры которых не требуют высокой точности. Для получения повышенной точности требуются другие методы (обработка резанием, шлифование и т.д.).
В машиностроении для получения изделий высокой точности и низкой шероховатости поверхности широко применяется метод ротационной вытяжки, основанный на использовании роликовых или шариковых давильных элементов, локально воздействующих на поверхность заготовки.
Практическое применение ротационной вытяжки дает возможность значительно снизить объем первоначальных затрат на приобретение оборудования, изготовление инструмента и оснастки, по сравнению с другими видами обработки металлов давлением, в частности, глубокой вытяжки на прессах, механической обработкой и позволяет эффективно использовать указанный метод в получении деталей различной формы.
Преимуществом ротационной вытяжки (РВ) является:
- более низкая стоимость оснастки по сравнению со стоимостью штампов;
- пониженный расход металла для изготовления оснастки;
- существенное сокращение подготовки производства;
- повышенное качество и точность изделий, исключающее трудоёмкие доводочные операции [44].
По сравнению с обычными методами обработки металлов давлением РВ имеет меньшую производительность. В связи с этим возникает актуальная задача повышения производительности процесса РВ с обеспечением требуемых эксплуатационных характеристик получаемых деталей путем установления взаимосвязи условий деформирования с обеспечением геометрической точности и формирования механических свойств материала.
Ротационная вытяжка ведется как на специализированном оборудовании с использованием роликовых давильных элементов, так и на универсальном раскатном оборудовании, на суппорте которого устанавливают раскатные устройства с роликовыми или шариковыми давильными элементами, расположенными в одной плоскости.
Производительность процессов РВ зависит от ряда факторов:
- степени деформации;
- продольной подачи;
- скорости обработки;
- геометрии и формы давильных элементов (ДЭ);
- числа давильных элементов.
В зависимости от пластических свойств материала заготовки, имеющегося оборудования в технологических процессах РВ назначаются рациональные режимы обработки, обеспечивающие требуемые эксплуатационные характеристики изделия.
С увеличением числа ДЭ, как правило, возрастает производительность и качество изделий. Однако на специализированном оборудовании отсутствует возможность увеличения числа ДЭ из-за усложнения конструкции. Раскатные устройства, устанавливаемые на универсальных токарных станках, позволяют увеличить число ДЭ по сравнению с числом ДЭ на специализированном оборудовании в 2 или более раз.
Для повышения производительности и эксплуатационных характеристик деталей, получаемых РВ, существенное влияние оказывает число ДЭ и их расположение относительно поверхности заготовки. Как правило, ДЭ относительно поверхности оправки ориентируются с одинаковым зазором и расположены в одной плоскости. Кроме этого возможна настройка ДЭ относительно оправки с неодинаковыми зазорами. В этом случае происходит разделение очага деформации в окружном направлении. Существуют конструкции раскатных устройств с многорядным расположением ДЭ, в которых ДЭ каждого ряда настраиваются относительно оправки с неодинаковым зазором. В этом случае происходит разделение очага деформации в осевом направлении. Разработаны конструкции раскатных устройств с одно-, двух-, трехрядным расположением ДЭ. При РВ с утонением стенки заготовки с использованием этих раскатных устройств происходит разделение очага деформации, как в окружном, так и осевом направлениях.
Сущность метода разделения очага деформации состоит в использовании ДЭ различного профиля, расположенных в двух или более плоскостях, реализующих различные величины деформации. В этом случае происходит экономия рабочего штучного времени, снижается себестоимость детали по сравнению с другими схемами РВ, а также повышаются эксплуатационные характеристики получаемых деталей.
Для реализации схемы РВ с утонением стенки и разделением очага деформации в осевом направлении с обеспечением необходимого качества, используются специальные роликовые раскатные устройства, устанавливаемые на токарных станках.
Цель работы. Повышение эффективности процесса РВ с утонением стенки на основе использования многорядных раскатных устройств, реализующих разделение очага пластической деформации и обеспечивающих требуемое качество получаемых изделий.
Методы исследования.
Теоретические исследования процесса РВ с утонением стенки выполнены на основе метода совместного решения приближенных уравнений равновесия и уравнения пластичности. Экспериментальные исследования проводились на базе методов математической статистики и теории планирования эксперимента. Для реализации разделения очага деформации в осевом направлении использовалось двухрядное роликовое раскатное устройство, устанавливаемое на универсальном токарно-винторезном станке и цилиндрические полые заготовки, которые деформировались с утонением стенки ДЭ с различными степенями деформации и продольными подачами. Для измерения составляющих сил РВ с утонением стенки применялись силоизмерительные динамометры.
Автор защищает:
- закономерности изменения размеров пятен контакта в зависимости от продольной подачи, степени деформации, геометрической формы и размеров ДЭ;
- математическую модель процесса РВ с утонением стенки без разделения и с разделением очага пластической деформации в осевом направлении в зависимости от степени деформации, станочной подачи, учетом упрочнения материала, геометрической формы и размеров ДЭ;
- результаты теоретических исследований РВ с утонением стенки и разделением очага пластической деформации в осевом направлении на силовые параметры процесса в зависимости от степени деформации, станочной подачи, учетом упрочнения материала, геометрической формы и размеров ДЭ;
- математическую модель формирования показателей разностенности и шероховатости поверхности, построенную на базе метода математической статистики и теории планирования эксперимента, учитывающую влияние степени деформации, станочной подачи и окружной скорости;
- результаты экспериментальных исследований силовых режимов процесса РВ с утонением стенки и разделением очага пластической деформации на силовые параметры и качество получаемых изделий при различных степенях деформации, станочных подачах, окружной скорости, упрочнения материала, геометрической формы и размеров ДЭ;
- алгоритм расчета процесса РВ с утонением стенки и разделением очага деформации, программное обеспечение для ЭВМ, рекомендации по проектированию технологических процессов, обеспечивающих заданные эксплуатационные характеристики получаемых деталей;
- технологический процесс изготовления детали «Стакан» из алюминиевого сплава АД, обеспечивающий требуемую точность геометрической формы, размеров, разностенности и шероховатости поверхности.
Научная новизна:
Установлены закономерности изменения силовых режимов в зависимости от продольной подачи, степени деформации, геометрической формы и размеров ДЭ, механических свойств материала заготовки и упрочнения на основе разработанной математической модели процесса РВ с утонением стенки и разделением очага деформации в осевом направлении при формоизменении заготовок на универсальных раскатных устройствах; выявлены рациональные режимы деформирования, обеспечивающие минимальную разностенность и шероховатость поверхности при изготовлении цилиндрических деталей из алюминиевого сплава АД на универсальном раскатном оборудовании с применением двухрядного роликового раскатного устройства на базе метода математической статистики и теории планирования эксперимента.
Практическая значимость.
На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и создано программное обеспечение для ЭВМ по расчету технологических параметров процесса ротационной вытяжки цилиндрических деталей на универсальном раскатном оборудовании с установленными на нем многорядными раскатными устройствами с ДЭ различной геометрической формы. Реализация работы.
Сконструировано и изготовлено роликовое раскатное устройство, устанавливаемое на суппорте токарно-винторезного станка, позволяющее вести ротационную вытяжку с разделением очага деформации и утонением стенки.
Разработана технология изготовления детали «Стакан» и получены опытные образцы с требуемыми размерными и качественными характеристиками, которая используется в ОАО «ТНИТИ» (г. Тула).
Результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров направления 150400 «Технологические машины и оборудование» и студентов, обучающихся по направлению 150200 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением», и включены в разделы лекционных курсов «Новые технологические процессы и оборудование» и «Технология листовой штамповки».
Апробация работы. Результаты исследований доложены на XXVIII- XXXIII международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (г. Москва: МГТУ «МАТИ», 2002-2007 гг.); на первой Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Идеи молодых - Новой России» (г. Тула, 2004 г.); на международной научно-технической конференции «Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование обработки материалов давлением» (г. Тула, 2004 г.); на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2002 — 2007 гг.).
Публикации. Основные научные материалы проведенных исследований отражены в 6 статьях в центральной печати и межвузовских сборниках научных трудов, входящих в «Перечень периодических научных и научно-технических изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук», и 1 тезисе докладов Всероссийских и международных научно-технических конференций. Общий объем - 3,9 печ. л., авторский вклад -2,1 печ. л.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н. профессору Яковлеву С.С., к.т.н. доценту Короткову В.А. за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения пяти разделов, заключения, списка используемых источников из 120 наименований и включает 100 страниц основного машинописного текста, содержит 76 рисунков.
Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе научно-технической задачи, сформулированы цель работы, положения, выносимые на защиту, научная новизна, методы исследования, практическая ценность и реализация работы, приводятся данные о реализации работы, публикациях, структуре и объеме диссертационной работы и краткое содержание разделов диссертации.
В первом разделе рассмотрено современное состояние теории и технологии ротационной вытяжки, проведен анализ существующих технологических процессов изготовления цилиндрических деталей, намечены пути повышения эффективности их изготовления. Обоснована постановка задач исследований.
Во втором разделе исследованы размеры очага пластической деформации при ротационной вытяжке ДЭ различной геометрической формы (шариковых, роликовых с конической рабочей поверхностью, роликовых с радиусной рабочей поверхностью) в зависимости от фактической подачи при использовании однорядных и многорядных раскатных устройств. Приведены соотношения, позволяющие определять размеры пятна контакта и глубину внедрения ДЭ в процессе формоизменения заготовки. Исследовано изменение фактической подачи от станочной подачи и степени деформации, которая учитывалась при определении размеров пятна контакта.
Третий раздел посвящен разработке математической модели, позволяющей на основе метода совместного решения приближенных уравнений равновесия и пластичности определять силовые параметры процесса РВ с утонением стенки цилиндрической заготовки на универсальном раскатном оборудовании с использованием однорядных и многорядных раскатных устройств, имеющих ДЭ различной геометрической формы. Приведены соотношения, позволяющие рассчитать результирующую силу РВ и составляющие силы (окружную, осевую и радиальную) в зависимости от величины подачи, степени деформации и геометрических параметров ДЭ. Проведены исследования изменения силовых параметров процесса РВ с утонением стенки и разделением очага деформации в осевом направлении в зависимости от технологических режимов РВ и геометрических параметров ДЭ. Установлено изменение силовых параметров в зависимости от подачи, степени деформации, механических свойств материала заготовки, геометрических параметров ДЭ, коэффициента трения.
В четвертом разделе приведены экспериментальные исследования силовых параметров процесса РВ с утонением стенки и разделением очага пластической деформации в осевом направлении цилиндрической заготовки из алюминиевого сплава АД и показана удовлетворительная сходимость экспериментальных и расчетных значений силовых параметров процесса РВ.
Разработаны математические модели формирования геометрических показателей качества (разностенности, высоты неровностей поверхности) от продольной подачи, степени деформации, окружной скорости обработки и соотношения степеней деформации ДЭ первого ряда ко второму.
Установлены режимы РВ с разделением очага деформации, при которых можно получить допустимую шероховатость поверхности.
Проведен анализ качества изделий изготовленных без разделения очага и с разделением очага деформации. Установлены режимы РВ, при которых обеспечивается более высокие характеристики качества изделия при использовании схемы с разделением очага деформации в осевом направлении.
В пятом разделе диссертационной работы приведены рекомендации по проектированию технологического процесса РВ с разделением очага деформации в осевом направлении на универсальном раскатном оборудовании, обеспечивающие требуемые эксплуатационные характеристики получаемых деталей. Приведен технологический процесс получения детали «Стакан», основанный на использовании процесса РВ с утонением стенки и разделением очага деформации, который отличается от существующей технологии более высокой производительностью, меньшей трудоемкостью и обеспечивающий требуемые эксплуатационные характеристики. Описана конструкция двухрядного роликового раскатного устройства, с помощью которого реализовывался разработанный технологический процесс. Технологический процесс ротационной вытяжки принят к внедрению в опытное производство на ОАО «ТНИТИ» (г. Тула).
Отдельные результаты диссертационной работы использованы в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов, а также в ряде лекционных курсах при подготовке бакалавров направления 150400 «Технологические машины и оборудование» и студентов, обучающихся по направлению 150200 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением».
В заключении приводятся основные результаты и выводы по выполненной работе.
В приложениях содержатся тексты программ для ЭВМ, акты внедрения полученных результатов диссертационной работы в промышленности и учебном процессе.
Схемы и виды ротационной вытяжки на универсальном и специализированном оборудовании
Различают несколько видов ротационной вытяжки, наружной и внутренней [34], каждая из которых характеризуется возможностями получения характеристик качества изготавливаемых оболочек. К основным характеристикам качества оболочек относятся: разностенность, овальность, прямолинейность и шероховатость внутренней и наружной поверхностей.
Ротационная вытяжка может производиться без преднамеренного утонения стенок оболочки и с заданным утонением по различным схемам. Схемы ротационной вытяжки различаются способом базирования детали и траекторией перемещения инструмента. Рисунок 1.1. Схемы ротационной вытяжки: 1-давильный элемент, 2 - обрабатываемая заготовка, 3- оправка Ротационная вытяжка цилиндрических оболочек с утонением стенки может осуществляться прямым и обратным способом, отличающимися направлением течения материала по отношению к направлению осевой подачи деформирующего элемента (рис. 1.1).
При прямом способе ротационной вытяжки деформируемая на оправке оболочка находится в состоянии растяжения. При обратном способе вытяжки деформированная часть заготовки, сошедшая с короткой оправки, находится под воздействием остаточных напряжений, что снижает точность размеров и приводит к искажению формы оболочки. Этим объясняется большее практическое применение прямого способа ротационной вытяжки.
При ротационной вытяжке на однороликовых станках (рис. 1.2, а) имеет место значительный прогиб оправки из-за одностороннего приложения деформирующей силы. Величина прогиба уменьшается по мере перемещения ролика к месту крепления оправки, что приводит к получению неодинаковых размеров по длине оболочки. Этим объясняются трудности получения длиноосных оболочек малого диаметра на этих станках.
К недостаткам процесса следует отнести то, что для однороликовых машин характерны значительные колебания величины бокового прогиба оправки. Разностенность изделий, получаемых методом наружной ротационной вытяжки роликами, зависит от величины разностенности исходных заготовок обычно также не исправляется.
При деформировании двумя роликами (рис. 1.2, б), расположенными диаметрально друг от друга, изгиб оправки уменьшается, что дает возможность повысить качество изделий. Однако, жестко закрепленные державки из-за разностенности и разнотолщинности заготовки подвержены упругому отжиму. По тем же причинам упругий отжим в направлении перпендикулярном оси роликов испытывает и оправка. Отмеченные недостатки не обеспечивают необходимое качество оболочек в части размерной точности и шероховатости поверхности.
Повышение точности оболочек, получаемых на специализированном оборудовании, может быть обеспечено за счет профилирования деформирующих элементов, увеличения их количества. Однако использование профилированных деформирующих элементов связано с усложнением технологии их изготовления, а увеличение их количества неизбежно приводят к усложнению конструкции станка.
Ротационная вытяжка деталей с утонением стенки осуществляются, как правило, тремя роликами (рис. 1.2, в), расположенными под углом 120 по периметру детали. Цель применения трех роликов состоит в уравновешивании значительных сил, возникающих в процессе ротационной вытяжки, повышении точности и улучшении качества получаемых изделий [34].
Для ротационной вытяжки используются различные виды оборудования: универсальные токарные станки, специальные давильные станки вертикального и горизонтального типа. Иногда применяют станки карусельного типа.
Из универсальных станков для ротационной вытяжки целесообразно использовать станки, оснащенные гидрокопировальным устройством или ЧПУ. Вследствие того, что сила обработки и скорости деформирования значительно выше, чем при обработке резанием, при давильной обработке деталей необходимо иметь значительный запас по мощности приводов, жесткости системы и прочности подшипниковых узлов и ходовых механизмов [36].
На подобном оборудовании, одним из способов получения деталей ротационной вытяжкой является формообразование заготовки, находящейся на оправке, с помощью шарикового (рис. 1.3, а) или роликового (рис. 1.3, б) раскатного устройства. Капитальные затраты на изготовление подобных устройств значительно ниже затрат, связанных с приобретением и установкой специализированного оборудования в серийном и мелкосерийном производстве, а высокая стойкость раскатных устройств позволяет использовать их в крупносерийном и массовом производстве. Процесс осуществляется на токарно-винторезном оборудовании.
Такие устройства используются для изготовления высокоточных изделий, когда другими способами обработки обеспечить необходимую точность и качество поверхности, невозможно. Это достигается за счет увеличения числа деформирующих элементов, находящихся в обойме устройства и распределенных по периметру заготовки. При этом радиальные силы внутри обоймы уравновешиваются, а материал не имеет возможности течь в тангенциальном направлении.
Размеры очага деформации для шариковых давильных элементов
Форма пятна контакта шарикового ДЭ с поверхностью заготовки показана на рис. 2.3, из которого видно, что это сферический треугольник. Замена сферического треугольника на обычный незначительно уменьшает площадь контакта (не более чем на 5 %), но позволяет находить наклон . нормали к поверхности треугольника относительно касательной плоскости, проведенной к поверхности заготовки в зоне контакта.
Из-за малости размеров пятна контакта делается допущение о том, что пятно контакта определяется не на цилиндрической, а на плоской поверхности. В осевом направлении шариковый ДЭ радиусом R при обратном способе РВ перемещается на величину /фіш (m - число ДЭ в ряду).
При определении площади пятна контакта для многорядных раскатных устройств в формулы (2.3), (2.4), (2.5) и (2.6), вместо Ah следует подставлять значения величин глубины внедрения ДЭ первого ряда Л/г , второго ряда и так далее, и рассчитывать площади пятна контакта соответственно для ДЭ первого ряда, второго ряда и так далее. На рис. 2.4 показана схема расчета площади пятна контакта для двухрядного раскатного устройства.
В результате использования двухрядного шарикового устройства, уменьшаются размеры пятна контакта ДЭ с поверхностью заготовки при суммарной глубине внедрения ДА = ДА] + ДА2 Уменьшение размеров пятна контакта изменяет значение углов захвата в осевом и окружном направлениях и углы наклона а и 0 нормали к поверхности пятна контакта.
Размеры пятна контакта зависят от глубины внедрения ДА; и радиуса R шарикового ДЭ. Чем больше глубина внедрения и радиус, тем больше размеры пятна контакта. 2.3. Размеры очага деформации для роликовых давильных элементов с радиусной рабочей поверхностью
При определении площади пятна контакта для многорядных раскатных устройств в формулы (2.10), (2.11), (2.12) и (2.14) вместо Ah следует подставлять значение величин, глубины внедрения ДЭ первого ряда Ah\, второго ряда А/ 2 и так далее, и рассчитывать площади пятна контакта соответственно для ДЭ первого ряда, второго ряда и так далее. При сравнении размеров пятна контакта образуемыми шариковыми ДЭ и роликовыми ДЭ следует, что в осевом направлении размеры пятна контакта будут одинаковы, если радиус шарикового ДЭ равен радиусу рабочей поверхности роликового ДЭ. В окружном направлении размеры очага деформации для роликового ДЭ значительно больше, т.к. диаметр ролика существенно больше радиуса его рабочей поверхности. Угол наклона /3 нормали в окружном направлении в этом случае будет больше, чем у аналогичного шарикового ДЭ с радиусом R = г„.
Учитывая незначительные размеры площадей контакта ролика с заготовкой, а также незначительную кривизну боковых сторон пятна контакта, для упрощения расчетов форма пятна контакта рассматривается как комбинация правильных геометрических фигур.
1. При прямом способе РВ происходит течение материала в осевом направлении, совпадающим с направлением перемещения ДЭ. В результате этого, ДЭ относительно поверхности заготовки перемещаются на величину фактической подачи, которая меньше станочной на 24...40 % и зависит от степени деформации. С увеличением станочной подачи в 3 раза пропорционально увеличивается фактическая подача в 2,6 - 3 раза при фиксированных значениях степени деформации. А с увеличением степени деформации є фактическая подача пропорционально уменьшается.
2. На размеры пятна контакта существенное влияние оказывает глубина внедрения ДЭ. При увеличении Ah с 0,2 до 0,6 мм размеры пятна контакта в осевом направлении увеличиваются более чем на 70 %.
3. Размеры пятна контакта ДЭ с поверхностью заготовки при использовании многорядных раскатных устройств всегда будут существенно меньше, чем у однорядных раскатных устройств, если формоизменение заготовки осуществляют с одинаковыми степенями деформации, т.к. уменьшается глубина внедрения ДЭ.
4. Геометрическая форма ДЭ оказывает существенное влияние на размеры и форму пятна контакта. При использовании шариковых и роликовых с радиусной рабочей поверхностью ДЭ пятно контакта имеет форму сферического треугольника, а при использовании роликов с конусной рабочей поверхностью - форму, близкую к трапециидальной.
Силовые параметры операции ротационной вытяжки для многорядных раскатных устройств
При использовании многорядных раскатных устройств в процессе формоизменения заготовки происходит разделение очага деформации в осевом направлении. В этом случае, необходимо определять удельное давление, результирующую и составляющие силы в пятнах контакта, образованных ДЭ первого ряда, затем второго ряда и т.д.
Средние значения удельного давления рх определяется для каждого пятна контакта, путем определения удельного давления в нескольких поперечных сечениях, проходящих через пятно контакта. После определения результирующей силы по выражению (3.6) для ДЭ первого и последующих рядов по выражениям (3.8)-(3.10) находят составляющие силы РВ, которые возникают в процессе формоизменения заготовки ДЭ каждого ряда. Для определения общих силовых параметров процесса РВ с разделением очага деформации в осевом направлении суммируют полученные значения силовых параметров.
Для определения силовых параметров процесса РВ на ЭВМ была разработана программа с использованием системы MathCAD 2001 (см. приложения). Программа обеспечивает определение размеров пятна контакта ДЭ различной геометрической формы в зависимости от станочной подачи, глубины внедрения ДЭ в поверхность заготовки, числа ДЭ в каждом ряду и определяет силовые параметры процесса в зависимости от сопротивления материала деформированию. Это позволило исследовать закономерности изменения силовых параметров процесса РВ с разделением очага деформации в осевом направлении.
3.3. Исследование силовых параметров операции ротационной вытяжки с использованием шариковых давильных элементов
Форма очагов деформации для шариковых ДЭ показана на рис. 2.4. Для упрощения расчетов поверхность контакта принимаем в виде плоского треугольника ABC с нормалью к его поверхности, наклоненной в осевом направлении под углом а, а в окружном под углом /3.
Расчеты проводились для материалов: сталь 08кп, алюминиевый сплав АМцАМ, латунь Л63 и алюминиевый сплав АД. В расчетах размеры заготовок принимались равными: диаметр d = 50мм, толщина стенки AQ = 2,5мм. Шариковые ДЭ имели радиусы R = 5; 10; 15 мм, глубина внедрения ДЭ первого ряда роликов в заготовку Ah = 0,2; 0,4; 0,6 мм, а глубина внедрения второго ряда роликов 0,4 мм. Суммарная степень деформации є равнялась 24, 32 и 40 %.
Силовые параметры рассчитывались сначала для ДЭ первого ряда, а затем для ДЭ второго ряда, после чего определялась суммарная величина результирующей и составляющих сил в зависимости от радиусов шариков, степени деформации и станочной подачи с учетом возникновения фактической подачи. Расчеты силовых параметров проводились с использованием зависимостей (3.7), (3.8) и (3.10) На рис. 3.2 приведены графические зависимости изменения результирующей силы процесса РВ с разделением очага деформации от станочной подачи с использованием шариковых ДЭ радиусом 5 мм для исследуемых материалов (1- латунь Л63; 2- сталь 08кп; 3- алюминиевый сплав АД; 4 - алюминиевый сплав АМцАМ).
Из анализа графиков следует, что с увеличением станочной подачи пропорционально увеличиваются составляющие силы Рок и Рос. При этом влияние станочной подачи на окружную составляющую существенно больше, чем на окружную составляющую силы. Это обстоятельство изменяет соотношение значений составляющих сил.
Основные положения теории планирования эксперимента
Применение теории планирования эксперимента позволяет минимизировать общее число опытов при одновременном варьировании всеми переменными с оптимальным использованием факторного пространства и получать математические модели (ММ), имеющие лучшие свойства по сравнению с моделями, полученными на основе пассивного эксперимента [1, 47, 48, 49].
Проведение эксперимента по выяснению «механизма явления» содержит следующие основные этапы: выбор выходных переменных (откликов); уточнение области изменения входных факторов и их интервалов варьирования; выбор вида ММ, т.е. вида аппроксимирующих зависимостей для всех поверхностей отклика; выбор плана машинного эксперимента (матрицы планирования) в соответствии с выбранной моделью; реализация эксперимента, обработка экспериментальных данных, определение значимости коэффициентов уравнения регрессии и проверка адекватности ММ.
Установлено, что влияние выбранных . входных факторов на формирование показателей качества цилиндрических деталей носит нелинейный характер, поэтому для достаточно адекватного описания этого процесса, выходные параметры которых являются сложными функциями большого числа факторов, в качестве приближенной математической модели можно воспользоваться полиномами высших степеней. Однако с увеличением показателя степени полинома увеличивается и количество уровней варьирования входных факторов, т.к. число уровней варьирования на единицу больше показателя высшей степени полинома.
Проверка значимости коэффициентов позволяет выяснить ранг факторов по их влиянию на параметр и, в частности, установить, влияние каких факторов можно считать практически несущественным.
Коэффициенты могут быть статистически незначимы, если основной уровень фактора близок к точке экстремума; интервал варьирования фактора выбран слишком узким; данный фактор (или их произведение) не имеет функциональной связи с выходным параметром; велика ошибка эксперимента из-за наличия неуправляемых или неконтролируемых факторов. В последнем случае желательно применять робастные планы.
В связи с тем, что натуральные значения факторов имеют разные размерности и широкий диапазон изменения, то от натуральных переменных обычно переходят к безразмерным кодированным переменным, изменяющимся в интервале [-1,+1].
Оценить выбранный план и математическую модель изучаемого процесса можно по статистическим критериям оптимальности планов [1, 47, 48, 49].
Неортогональность планов требует осторожности при проверке статистической значимости коэффициентов регрессии. После расчета их доверительных интервалов и проверки гипотезы о равенстве коэффициентов нулю из модели нельзя исключать без пересчета остальных все незначимые коэффициенты.
Кроме планов Хартли, имеются две группы полностью насыщенных планов, число опытов в которых в точности равно числу членов квадратичной модели - планы Рехтшафнера, а также Бокса и Дрейпера [47].
Рехтшафнер [1] предложил такого рода планы, представляющие собой выборки строк из полного факторного эксперимента Ъп. Способ построения планов ясен из табл. 4.1. В план включаются точки множеств I - IV из этой таблицы. План Рехтшафнера для к=Ъ приведен в табл. 4.2. Квадратичная модель для к—Ъ должна иметь 10 членов (так как N = (к + \){к + 2) / 2 = (3 +1)(3 + 2) / 2 = 10 ), столько же опытов содержит и план в табл. 4.2.
Планы Хартли и Рехтшафнера имеют достаточно хорошие свойства по ряду критериев оптимальности. В частности в табл. 4.3 они сравниваются между собой по приведенной величине определителя М_1, минимум которого имеет место для идеальных D - оптимальных планов.
Известно, что колебания толщины стенки в готовых деталях зависят в значительной степени от разностенности исходных заготовок, точности используемого оборудования и инструмента. В процессе деформирования исходной заготовки при ротационной вытяжке с утонением стенки происходит изменение величины разностенности, как правило, в сторону уменьшения. Однако, в отдельных случаях (при использовании заготовок с малой исходной разностенностью) разностенность в готовой детали может превышать разностенность исходной заготовки, что связано с достижимой предельной точностью используемого оборудования, инструмента, а также с условиями деформирования при РВ (технологические параметры, геометрические параметры деформирующего инструмента, колебания температуры инструмента и др.).
Построение теоретических моделей для определения показателей качества цилиндрических деталей при РВ не представляется возможным. Поэтому для построения математических моделей формирования геометрических показателей качества деталей, получаемых ротационной вытяжкой, необходимо проведение экспериментальных исследований с последующей обработкой результатов на основе регрессионного анализа в сочетании с теорией планирования эксперимента.
Для построения математических моделей изменения относительных величин разностенности 8 выполнены экспериментальные исследования с последующей обработкой результатов на основе регрессионного анализа в сочетании с теорией планирования эксперимента. Так как предварительные эксперименты показали, что линейная модель может не удовлетворять условию адекватности, то для проведения экспериментальных исследований был выбран план Рехтшафнера (табл. 4.4).
