Разработка процесса отрезки от прутка коротких заготовок с дифференцированным осевым и радиальным сжатием

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 требований 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 разделение 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 Ш < 1 можно использовать для открытой и закрытой горячей штамповки, для изготовления поковок типа: стержней с утолщением, со сквозным или глухим отверстием, смещенной конфигурациикомбинированной 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 короткие 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 годупроекта «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 штампасилы осевого подпорасилы 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 течения, 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 Ь 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 а, Ъ и с существует наименьшее значение соотношения силы осевого подпора к силе отрезки, при котором отделение заготовки происходит только пластическим сдвигом без образования скалывающих трещин.

2. 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).

3. 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.

1. Математическую модель процесса отрезки точных коротких заготовок длиной меньше диаметра от прутка и результаты ее численного решения.

2. Методику и результаты экспериментальных исследований процесса отрезки, позволившие установить влияние геометрических и кинематических параметров и режимов обработки на характер пластического формоизменения заготовки.

3. Научно-обоснованные рекомендации по проектированию технологических процессов отрезки.

4. 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 1/с1 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 1/с1 длины отрезаемой заготовки.

2. Установлены критерии оценки технологической пригодности полученных отрезкой заготовок и определены технические требования к заготовкам в зависимости от их назначенияполучены зависимости для определения технических параметров резки, обеспечивающих получение заготовок заданного класса точности.

3. 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.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

В представленной работе изложены научно-обоснованные и практические рекомендации по решению актуальной научно-технической проблемы, заключающейся в разработке новых технологических процессов и оснастки для реализации процесса отрезки от пруткового материала точных коротких заготовок длиной меньше диаметра.

В результате теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные результаты и сформулированы выводы:

1. На основе анализа современного состояния процессов отрезки точных заготовок от прутка установлено:

— одним из актуальных направлений в заготовительном производстве является проблема получения из прутка мерных заготовок длиной меньше диаметра, обладающих высоким геометрическим качеством;

— установлено, что при выборе способа разделения прутка на заготовки необходимо отдать предпочтение отрезке сдвигом в штампах, так как этот способ является безотходным и значительно превосходит все существующие способы по производительности.

2. Разработана математическая модель и проведены теоретические исследования процесса отрезки коротких заготовок на основе уравнений пластического течения, а именно:

— установлено влияние силы осевого подпора на ширину и вид зоны пластической деформации при пластическом сдвигеотмечено, что на торце заготовки наблюдается увеличение поверхностного упрочнения металла вследствие увеличения сдвиговой деформации поверхностного слоя, причем величина упрочнения возрастает с увеличением силы осевого подпораполучены зависимости, связывающие характер изолиний напряжений, возникающих в заготовке, и качество поверхности реза при отрезке по закрытой схеме при различных соотношениях длины отрезаемой заготовки к ее диаметру;

— определены угол отклонения поверхности реза от идеальной, а и параметры Ь и с, определяющие качество поверхности реза и зависящие от соотношения силы осевого подпора к силе отрезки для различной относительной длины заготовкиустановлено, что для каждой комбинации параметров а, Ь и с существует наименьшее значение соотношения силы осевого подпора к силе отрезки, при котором отделение заготовки происходит полностью пластическим сдвигом без образования скалывающих трещин.

3. Разработана методика, оснастка и проведены экспериментальные исследования процесса отрезки точных коротких заготовок длиной меньше диаметра от прутка, по результатам которых установлено:

— влияние отношения силы осевого подпора к силе отрезки 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) для различных соотношений длины заготовки к диаметру;

— установлено, что при значениях соотношения силы осевого подпора к силе отрезки больше двух возникает возможность выталкивания заготовки в осевом направлении из неподвижного ножа, что приводит к значительному отклонению длины отрезаемой заготовки от заданной. При существующей конструкции отрезных штампов устранение этого недостатка возможно только путем значительного увеличения (до 50 раз) силы радиального зажима по отношению к технологической силе резки, что приводит к значительным затратам энергии.

4. Установлены критерии оценки технологической пригодности полученных отрезкой заготовок и определены технические требования к заготовкам в зависимости от их назначенияполучены зависимости для определения технических параметров резки, обеспечивающих получение заготовок заданного класса точности.

5. Разработаны научно-обоснованные рекомендации по проектированию технологических процессов и оснастки для отрезки точных заготовок, длина которых меньше диаметра.

6. Разработаны новые процессы и оснастка для расширения номенклатуры изделий и повышения производительности процесса отрезки, улучшения качества показателей геометрической точности и шероховатости поверхности при изготовлении заготовок длиной меньше диаметра, а именно:

— предложена новая конструкция устройства радиального зажима, позволяющая повысить качество отрезаемой заготовки и избежать налипания материала заготовки на инструмент за счет снижения силы осевого подпора, исключить выталкивание прутка из устройства радиального зажима;

— предложен новый способ отрезки от прутка заготовок, который позволяет повысить качество торцов отрезаемых изделий, снизить суммарную технологическую силу совершения операции.

— разработана новая конструкция отрезного штампа, позволяющая расширить технологические возможности получения заготовок за счет совмещения операции отрезки с предварительной прошивкой или наметкой под прошивку за один переход.

Предложенные технические решения защищены патентами Российской Федерации.