Дослідження напружено-деформованого стану металу у штампах зі складним рухом ножів і удосконалювання технології відрізки П-подібних профілів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.961.001

ДОСЛІДЖЕННЯ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ МЕТАЛУ У ШТАМПАХ ЗІ СКЛАДНИМ РУХОМ НОЖІВ І УДОСКОНАЛЮВАННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ВІДРІЗКИ П-ПОДІБНИХ ПРОФІЛІВ

Спеціальність: 05.03.05 - Процеси і машини обробки тиском

Автореферат

дисертації на здобуття наукового

ступеня кандидата технічних наук

Сердюк Олексій Іванович

Донецьк 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Приазовському державному технічному університеті (ПДТУ), Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь

Науковий керівник:доктор технічних наук, професор Капланов Василь Ілліч, зав. кафедри “Обробка металів тиском”, ПДТУ

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор Роганов Лев Леонідович, Донбаська державна машинобудівна академія (м. Краматорськ), зав. кафедри “Основи конструювання механізмів і машин”

кандидат технічних наук, доцент Смирнов Євген Миколайович, Донецький національний технічний університет (м. Донецьк), заст. зав. кафедри “Обробка металів тиском”

Провідна установа:Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, кафедра “Обробка металів тиском”, Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться "27" червня 2004 р. о 12.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.01 у Донецькому національному технічному університеті (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58),навчальний корпус,

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького національного технічного університету (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2 навчальний корпус).

Автореферат розісланий "20" квітня 2004 р.

Учений секретар спеціалізованої ради Д.11.052.01,

доктор технічних наук, професор В.І. Алімов

метал деформація фасонний профіль

На сучасному етапі розвитку машинобудування проблема економічного використання енергоресурсів і металу при його переробці пред'являє все зростаючі вимоги до технології розділення вихідних матеріалів на заготовки. Рівень якості відрізаних заготовок диктується технологією наступної обробки. Тобто, без розробки процесу одержання якісних заготовок неможлива розробка ефективної технології виробництва деталей.

Актуальність теми. Для розділення сортового прокату використовують велику кількість різних способів, які нерівноцінні за своїми техніко-економічними показниками. При цьому в серійному і крупносерійному виробництві найбільш раціональними є безвідхідні способи розділення, здійснювані в штампах на пресах.

Даний технологічний процес добре вивчений і класифікований, а технологічні можливості дозволяють використовувати його як для відрізки сортових профілів простої форми, так і сортових фасонних профілів. Однак слід зазначити, що в технічній літературі відсутні або фрагментарно висвітлені відомості про механізм деформування, межі осередку деформації і характер напружено-деформованого стану при відрізуванні фасонних профілів. Відсутні рекомендації з вибору схем розділення, а використовувані технологічні процеси відрізки фасонних профілів не дозволяють робити заготовки високої якості.

Підвищення якості поверхонь розділення профілю, який розрізається, є особливо актуальним при виробництві готових виробів, де відрізка є основною технологічною операцією. Прикладом може служити клема роздільного рейкового скріплення залізничної колії.

У країнах СНД щорічно виготовляють кілька мільярдів заготовок із профільного прокату: це свідчить про очевидну актуальність робіт, спрямованих на удосконалювання існуючих і розробку нових технологій відрізки фасонних профілів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана у Приазовському державному технічному університеті. Відповідно до договору № 52/5639 від 01.01.1999 р. між ПДТУ й ВАТ “МК Азовсталь” виконана НДР "Розробка, виготовлення й освоєння оснащення і технології для виробництва клеми роздільного рейкового скріплення залізничної колії за ДСТ 22343-90", у якій автор брав участь у якості відповідального виконавця.

Мета і завдання дослідження. Метою даної роботи є підвищення якості П-подібних профілів на основі удосконалювання технології відрізки і розробки конструкції штампа зі складним рухом ножів.

Для досягнення поставленої мети вирішені наступні завдання:

напрямок руху інструмента, що ріже;

попереднє деформаційне зміцнення в площині розділення.

Пояснено вплив вибору траєкторії відносного руху рухомого ножа на геометричну точність і якість поверхні розділення. Виконаний аналіз дозволив розробити класифікацію рухів рухомого ножа з урахуванням цих факторів (див. табл. 1). Розглянуті питання дозволили визначити завдання дослідження відповідно до мети роботи.

Таблиця 3. Доповнена класифікація складних рухів ножів

Перевірка запропонованих теоретичних залежностей щодо визначення енергосилових параметрів і поліпшення геометричних характеристик при відрізанні П-подібних профілів при складному рухові ножа виконувалася на спеціально розробленому штамповому оснащенні.

Побудовані експериментальні і теоретичні залежності (рис. 7) наочно свідчать про правильний теоретичний аналіз напружено-деформованого стану металу в осередку деформації. Відхилення порівнюваних величин не перевищує 12,5 % при усередненому значенні коефіцієнта тертя в умовах комп'ютерного моделювання.

У табл. 4 наведені результати вимірів геометричних характеристик, розділення виконувалося за схемою не повністю закритої відрізки з пасивним поперечним затиском при різних значеннях попереднього повороту частини, що відрізається, на першому етапі.

Таблиця 4. Експериментальні значення параметрів, що характеризують геометричну точність відрізаних заготовок, отриманих на лабораторній установці

У четвертому розділі представлені результати промислового впровадження технологічного процесу відрізки клеми за однією із запропонованих механічних схем при складному рухові ножа.

Промислові випробування розробленого штампового оснащення проводили в цеху рейкових скріплень ВАТ “МК Азовсталь”. Розроблене і виготовлене штампове оснащення встановлювалося на прес моделі КВ2534 силою 2,5 МН. Конструкція штампа передбачала можливість відрізки за 4 варіантами. Варіант №1 - кут попереднього повороту 0. Варіант №2 - кут попереднього повороту 15. Варіант №3 - кут попереднього повороту 0, донна частина смуги розташована під кутом 45 до горизонту. Варіант №4 - кут попереднього повороту 0, коротка полиця вгору.

Результати вимірів дев'яти показників геометричної точності відрізаних клем (див. табл. 5) і зовнішній вигляд їхніх поперечних перерізів (див. рис. 8) переконливо свідчать про те, що застосу-

вання складного обертально-поступального руху змінює напружено-деформований стан в осередку деформації і поліпшує геометричні характеристики відрізаних клем.

Введення нового показника якості обумовлене тим, що більшість геометричних дефектів утворюється в результаті повороту заготовки у вертикальній площині в процесі відрізки, а при складному обертально-поступальному рухові заготовка може повертатися як у вертикальній, так і в осьовій площинах, викликаючи деформацію елементів профілю. Мінімальна депланація (див. табл. 5) спостерігається в клемі, відрізаної за варіантом №3.

Це обумовлено тим, що при розділенні П-подібного профілю оптимальним напрямком поступального руху є рух, при якому довжина перерізів окремих елементів профілю рівна або мінімальна - для клеми 39 - 45 до горизонту (визначено на підставі розробленої методики).

Таблиця 5. Значення показників, що характеризують геометричну точність відрізаних клем на розробленому штамповому оснащенні

ВИСНОВКИ

Для розділення фасонного профільного прокату на металургійних і машинобудівних підприємствах використовують різні способи відрізки. Забезпечити геометричну точність, високу якість поверхні розділення при мінімальній собівартості дозволяє група способів відрізки зсувом, яка здійснюється в штампах на пресах. Однак, як показав аналіз технічної літератури, область застосування цієї технології обмежена можливістю розділення сортового прокату простої форми (коло, квадрат, смуга, шестигранник). Спроби використовувати цю технологію при розділенні сортових фасонних профілів, зокрема П-подібних, приводить до того, що заготовки, які відрізаються, не відповідають вимогам нормативно-технічної документації.

Уперше виконана класифікація рухів рухомого ножа штампів, в основу, якої покладені принцип створення в площині розділення умов, що забезпечують високу якість поверхні розділення. Доведено, що ці умови можуть створюватися поступальним і обертальним рухами, а також їхніми комбінаціями за рахунок зміни напружено-деформованого стану в осередку деформації.

Уперше запропонований і теоретично обґрунтований метод визначення оптимального напрямку відрізки при поступальному рухові ножа фасонних профілів, які мають полиці різної товщини. Установлено, що відрізування фасонних профілів повинне виконуватися не перпендикулярно до однієї з полиць, а під якимось до неї кутом . При однаковій товщині полиць кутового профілю і кута їхнього розкриття , кут , для П-подібного профілю і кута розкриття його полиць .

Досліджено напружено-деформований стан металу в осередку пластичної деформації при відрізуванні П-подібних профілів. Установлено вплив контактного тертя на глибину поширення пластичної деформації на першому етапі розділення. Зменшення коефіцієнта тертя до значення приводить до збільшення глибини поширення деформації до .

Досліджено характер плину металу на етапі пластичного зсуву для двох випадків: поворот частини, що відрізається, і смуги нічим не обмежений; поворот частини, що відрізається, обмежений опорою. Установлено, що на кут повороту частини, що відрізається, і величину контактного тиску на межі інструмент - заготовка впливає відносний осьовий зазор: при цьому зі збільшенням відносного осьового зазору контактний тиск зменшується, а кут розвороту смуги збільшується. Використання опори для обмеження розвороту частини, що відрізається, доцільно тільки тоді, коли відстань від площини розділення до опори мінімальна і не перевищує . Збільшення вказаного значення приводить до збільшення контактного тиску на межі інструмент - заготовка. При цьому збільшується область пластичної деформації і, як наслідок, погіршується геометрична точність і якість поверхні розділення.

Уперше пояснено й експериментально підтверджено позитивний вплив складного обертально-поступального руху рухомого ножа на геометричну точність і якість поверхні розділення при відрізуванні П-подібних профілів. Установлено, що при відрізуванні П-подібного профілю при складному рухові ножа геометрична точність кожної із шести характеристик відрізаних зразків збільшується на 13 - 63%.

Виконані теоретичні й експериментальні дослідження стали основою розробки конструкції штампового оснащення для виробництва клеми роздільного рейкового скріплення ДСТ 22343-90 з урахуванням напружено-деформованого стану в осередку деформації при складному обертально-поступальному рухові ножів. Конструкція захищена патентом України № 36004А від 16.04.2001. Фактичний річний економічний ефект склав 39 088 грн. Пайова участь автора 27 361 грн. Очікуваний річний економічний ефект склав 2 644 928 грн.

Розроблені в дисертації технологічні і конструктивні рішення при відрізуванні фасонних профілів П-подібного перерізу призначені для розробки технології відрізки в штампах профілів складної геометричної форми, у тому числі гнутих профілів, сортових фасонних, листових гофрованих і спеціального призначення.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНИЙ У НАСТУПНИХ РОБОТАХ:

1. Капланов В.И., Диамантопуло К.К., Сердюк А.И. Анализ механических схем и способов разделения открытых профилей на заготовки // Вісник Приазовського державного технічного університету: Зб.наук.пр. - Маріуполь, 1999. - Вип. 8. - С. 83-85.

2. Диамантопуло К.К., Левандовская И.В., Сердюк А.И. О резке полосы параллельными ножмами // Удосконалення процесів та обладнання обробки металів тиском у машинобудуванні та металургії: Зб.наук.пр. - Краматорськ: ДДМА, 2000. - С. 129-131.

3. Диамантопуло К.К., Левандовская И.В., Сердюк А.И. О разрезке проката в штампе при сложном движении ножа // Удосконалення процесів та обладнання обробки металів тиском у машинобудуванні та металургії: Зб.наук.пр. - Краматорськ - Слов'янськ: ДДМА, 2000. - С. 279-282.

4. Сердюк А.И. Оптимизация технологии отрезки заготовок от полосы П-образного сечения // Удосконалення процесів та обладнання обробки металів тиском у машинобудуванні та металургії: Зб.наук.пр. - Краматорськ: ДДМА, 2001. - С. 87-90.

5. Сердюк А.И. Аналитическое определение оптимального направления перемещения ножей при безотходном разделении открытых профилей // Тез. доклад. IX региональн. науч.-техн. конф. (Мариуполь, 25-27 апреля 2002 г.) - Мариуполь, 2002. - Т.1. - С. 62-63.

6. Сердюк А.И. Оптимизация технологии разделения открытых профилей на заготовки // Тез. доклад. IX региональн. науч.-техн. конф. (Мариуполь, 25-27 апреля 2002 г.) - Мариуполь, 2002. - Т.1. - С. 64.

7. Сердюк А.И., Хасхачих О.Н. Пути повышения качества поверхности среза при безотходной отрезке открытых профилей в штампах // Тез. доклад. X региональн. науч.-техн. конф. (Мариуполь, 21-22 апреля 2003 г.) - Мариуполь, 2002. - Т. II. - С. 83-84.

8. Сердюк А.И Классификация сложных движений при разделительных операциях в штампах // Тез. доклад. X региональн. науч.-техн. конф. (Мариуполь, 21-22 апреля 2003 г.) - Мариуполь, 2002. - Т.II. - С. 85.

9. Пат. 36004 А Україна, МКI В23D23/00. Штамп для поділу профільного прокату / К.К. Діамантопуло, Е.В. Грімані, В.М. Бардусов, А.І. Сердюк. - № 99095194; Заявл. 21.09.1999, Опубл. 16.04.2001, Бюл.№3.

У наведених роботах автору належить наступне:

[1] - сформулював вимоги, що пред'являються до механічних схем для забезпечення високоякісної відрізки П-подібних профілів у штампах; [2] - розробив математичну модель для визначення енергосилових і геометричних параметрів процесу на першому етапі розділення, яка відрізняється від відомих тим, що рівняння рівноваги складене з урахуванням сил тертя, які діють на контактних поверхнях осередку деформації; [3] - виконана побудова статично припустимих сіток ліній ковзання на другому етапі розділення. Складено рівняння рівноваги, що дозволяє визначити довжину осередку пластичної деформації; [4] - теоретично обґрунтовані схеми складного обертально-поступального руху ножа, що забезпечують високоякісну відрізку П-подібних профілів у штампах; [5] - розроблений і теоретично обґрунтований метод визначення напрямку відрізки при поступальному рухові ножа П-подібних профілів з урахуванням напружено-деформованого стану металу в осередку деформації і геометричних характеристик профілю. Виконано розрахунок напрямку відрізки для П-подібного профілю з кутом розкриття полиць і співвідношенням товщини полиці до товщини стінки ; [6] - проведені стендові випробування розробленого штампового оснащення для виробництва ДСТ 22343 -90; [7] - проаналізував результати впровадження штампа для виготовлення клеми за ДСТ 22343 -90 у цеху рейкових скріплень ВАТ “МК “Азовсталь”. [8] - розробив класифікацію рухів рухомого ножа для розділення П-подібних профілів з урахуванням створення в процесі відрізки активного поперечного затиску; [9] - запропонував виготовити штовхач, який взаємодіє з ножем з можливістю переміщення уздовж своєї осі, а штовхач, який взаємодіє через важіль з рухомим ножем виконати довший від штовхача рухомого повзуна на величину обумовлену зі співвідношення: , де - різниця довжин двох штовхачів; - радіус дуги, що описує точка контакту штовхача і важеля з центру повороту рухомого ножа; - кут попереднього повороту профілю, що розділяється.

АНОТАЦІЯ

Сердюк О.І. “Дослідження напружено-деформованого стану металу в штампах зі складним рухом ножів і удосконалення технології відрізування П-подібних профілів” - рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.03.05. “Процеси і машини обробки тиском”. Донецький національний технічний університет, Донецьк 2004.

Дисертація присвячена вирішенню актуального завдання удосконалення технології безвідходного розділення в штампах з метою підвищення геометричної точності і якості поверхні розділення при відрізанні П-подібних профілів. На основі виконаного аналізу механічних схем розділення і виконаної класифікації рухів рухомого ножа стосовно до фасонних профілів визначені фактори, які мають вплив на геометричну точність і якість поверхні розділення. В роботі показано, що для якісного різання профілів, які мають складну форму поперечного перерізу, потрібний складний рух рухомого ножа. Розроблені в дисертації технологічні і конструктивні рішення при відрізанні профілів П-подібного перерізу можуть бути основою для розробки технології різання в штампах профілів складної геометричної форми, у тому числі гнутих профілів, сортових, листових, гофрованих і спеціального призначення, які мають різну форму поперечного перерізу.

Ключові слова: відрізний штамп, відрізка зсувом, П-подібний профіль, складний рух, вибір напрямку відрізання.

АННОТАЦИЯ

Сердюк А.И. “Исследование напряженно деформированного состояния металла в штампах со сложным движением ножей и совершенствование технологии отрезки П-образных профилей” - рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 “Процессы и машины обработки давлением”. Донецкий национальный технический университет, Донецк 2004.

Диссертация посвящена решению актуальной задачи совершенствования технологии безотходного разделения в штампах с целью повышения геометрической точности и качества поверхности разделения при отрезке П-образных профилей. На основе выполненного анализа механических схем разделения и выполненной классификации движений подвижного ножа применительно к П-образным профилям выделены факторы, оказывающие влияние на геометрическую точность и качество поверхности разделения. В работе показано, что для качественной отрезки профилей, имеющих сложную форму поперечного сечения, требуется сложное движение подвижного ножа.

Впервые разработан и теоретически обоснован метод определения направления отрезки при поступательном движении ножа угловых и П-образных профилей с учетом напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации и геометрических характеристик данных профилей. В случае одинаковой толщины отдельных элементов П-образного профиля и угле между смежными полками оптимальное направление отрезки по предложенной методике составляет с полками угол .

Разработана математическая модель для определения энергосиловых и геометрических параметров процесса на первом этапе разделения, отличающаяся тем, что уравнение равновесия составлено с учетом сил трения, действующих на контактных поверхностях очага деформации. Подтверждены результаты известных исследований, согласно которым при значениях коэффициентов контактного трения в диапазоне от 0,25 до 0,30 глубина распространения деформации на первом этапе находится в пределах . Установлено влияние контактного трения на глубину распространения пластической деформации на первом этапе разделения. Уменьшение коэффициента трения до значения приводит к увеличению глубины распространения деформации . Разработан комплекс программного обеспечения, позволяющий определять технологические параметры процесса разделения фасонных профилей и моделировать процесс разделения на характерных этапах методом линий скольжения.

Исследовано напряженно-деформированное состояние очага деформации на этапе пластического сдвига для двух случаев: поворот отрезаемой части и полосы ничем не ограничен; поворот отрезаемой части ограничен опорой. Установлено, что на угол поворота отрезаемой части и величину контактного давления на границе инструмент - заготовка оказывает влияние относительный осевой зазор: при этом с увеличением относительного осевого зазора контактное давление уменьшается, а угол разворота полосы увеличивается. Использование опоры в качестве ограничителя разворота отрезаемой части целесообразно только тогда, когда расстояние от плоскости разделения до опоры минимально и не превышает . Увеличение указанного значения приводит к увеличению контактного давления на границе инструмент - заготовка. При этом увеличивается область пластической деформации и, как следствие, ухудшается геометрическая точность и качество поверхности разделения.

На основе теоретического анализа напряженно-деформированного состояния при отрезке составного элемента открытого профиля - полосы при различных условиях разработаны две схемы сложного вращательно-поступательного движения подвижного ножа, обеспечивающие повышение геометрической точности и улучшение качества поверхности разделения фасонных профилей.

Экспериментально установлено, что при отрезке П-образного профиля при сложном движении ножа геометрическая точность каждой из шести характеристик отрезанных образцов увеличивается на 13 - 60%.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования явились основой разработки конструкции штамповой оснастки для производства клеммы раздельного рельсового скрепления ГОСТ 22343-90 с учетом напряженно-деформированного состояния в очаге деформации при сложном вращательно-поступательном движении ножей.

Разработанные в диссертации технологические и конструктивные решения при отрезке открытых профилей П-образного сечения могут быть основой для разработки технологии отрезки в штампах профилей сложной формы, в том числе гнутых профилей, сортовых, листовых гофрированных и специального назначения, имеющих разнообразную форму поперечного сечения.

Ключевые слова: отрезной штамп, отрезка сдвигом, П-образный профиль, сложное движение, выбор направления отрезки.

THE SUMMARY

Serdjuk A.I. "The exploration is intense of the deformed condition of metal in dies with complex movement of knifes and perfecting of technology cuts of П-shaped structures" - manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Candidate of Technical Sciences on a speciality 05.03.05 "Processes and machines of processing by pressure”. Donetsk National Technical University, Donetsk 2004.

The dissertation is devoted to the decision of an actual problem of perfection of technology of without waste division in stamps with the purpose of increase of geometrical accuracy and quality of a surface of division at a piece of П-shaped structures. On the basis of the executed analysis of mechanical circuits of division and the executed classification of movements of a mobile knife with reference to open structures the factors influencing geometrical accuracy and quality of a surface of division are allocated. In work it is shown, that for qualitative are sharp the structures having the complex form of cross-section section, complex movement of a mobile knife is required. The technological in dissertation technological and constructive decisions at a piece of open structures of П-shaped section can be a basis for development of technology pieces in stamps of structures of the complex geometrical form, including the bent structures, high-quality structures, sheet goffered and the special purpose, having the various form of cross-section section.

Key words: a detachable stamp, a piece the shift, an П-shaped structures, complex movement, a choice of a direction pieces.

Размещено на Allbest.ru