Содержание к диссертации
Введение
1 Промышленное применение деталей с фланцами на срединой части и современное состояние компьютерного моделирования процессов объемного формообразования 11
1.1 Промышленное применение деталей с фланцами на срединой части и требования, предъявляемые к их качеству 11
1.2 Анализ технологических методов изготовления деталей с фланцами 15
1.3 Современное состояние компьютерного моделирования процессов объемного формообразования 16
1.4 Выводы по главе 1 20
2 Анализ методов холодной объемной штамповки деталей с фланцами и разработка способа холодной угловой раскатки деталей 21
2.1 Анализ и классификация методов объёмной штамповки деталей с фланцами 21
2.2 Разработка способа холодной угловой раскатки деталей с фланцами 42
2.3 Выводы по главе 2 45
3 Конечно-элементное моделирование процесса угловой раскатки деталей с фланцами из медных сплавов 47
3.1 Теоретический анализ процесса угловой раскатки деталей с фланцами 47
3.2 Конечно-элементное моделирование процесса угловой раскатки детали с фланцем в программных комплексах Deform-3D и Simyfact.Forming 51
3.2.1 Постановка задачи компьютерного моделирования процессов угловой раскатки деталей с фланцами 51
3.2.2 Результаты компьютерного моделирования процессов угловой раскатки деталей с фланцами в программном комплексе Deform–3D 55
3.2.3 Результаты компьютерного моделирования процессов угловой раскатки деталей с фланцами в программном комплексе Simyfact.Forming 64
3.3 Экспериментально-теоретическое определение значений критерия разрушения Кокрофта–Латама 66
3.4 Анализ степени использования ресурса пластичности в процессе холодной угловой раскатки детали с фланцем 71
3.5 Выводы по главе 3 з
4 Экспериментальное исслетование процесса угловой раскатки деталей с фланцами ... 75
4.1 Разработка экспериментального стенда для угловой раскатки деталей с фланцами 75
4.2 Точность деталей, изготовленных угловой раскаткой
4.2.1 Технические требования по точности, предъявляемые к деталям исследуемого класса 78
4.2.2 Статистические модели параметров точности раскатанных деталей с фланцами 82
4.2.3 Выбор факторов безразмерных комплексов регрессионной модели и плана эксперимента 83
4.2.4 Построение регрессионных моделей параметров точности раскатанных деталей 84
4.2.5 Проверка адекватности математических моделей и значимости м.н.к.–оценок их коэффициентов а 89
4.2.6 Качество построенных регрессионных моделей 96
4.3 Исследование энергосиловых параметров процессов угловой раскатки деталей с фланцами 101
4.4 Исследование качества поверхностей деталей с раскатанными фланцами 114
4.5 Микроструктура деталей с фланцами из медных сплавов, формообразованных холодной угловой раскаткой 117
4.6 Исследование методом дифракции рентгеновских лучей остаточных напряжений в деформированных поверхностных слоях раскатанных деталей с фланцами 120
4.6.1 Методика исследования остаточных напряжений 121
4.6.2 Результаты эксперимента 126
4.7 Исследование пластических свойств деформированных медных сплавов 127
4.7.1 Исследование пластических свойств сплава Л68 после прокатки на двухвалковом стане 2010 127
4.7.2 Построение диаграмм пластичности медных сплавов 130
4.8 Выводы по главе 4 135
5 Проектирование технологии угловой раскатки деталей с фланцами 136
5.1 Основы автоматизированного проектирования технологии угловой раскатки деталей с фланцами 136
5.1.1 Модель технологического процесса угловой раскатки деталей с фланцами 137
5.1.2 Пример расчета технологических параметров процесса угловой раскатки деталей с фланцами 142
5.2 Качество деталей с фланцами, формообразованных угловой раскаткой, и способы устранения дефектов 150
5.3 Базовая и разработанная технологии изготовления деталей с фланцами на срединной части 155
5.4 Промышленное использование разработанной технологии угловой раскатки деталей с фланцами 158
5.5 Выводы по главе 5 162
Выводы по работе 162
Список основных сокращений и условных
Обозначений 163
Библиографический список
- Анализ технологических методов изготовления деталей с фланцами
- Разработка способа холодной угловой раскатки деталей с фланцами
- Постановка задачи компьютерного моделирования процессов угловой раскатки деталей с фланцами
- Технические требования по точности, предъявляемые к деталям исследуемого класса
Введение к работе
Актуальность темы. Осесимметричные детали с фланцами широко используются в различных отраслях промышленности, например, в металлургической, машиностроительной, электротехнической, химической, газовой, нефтяной, пищевой, строительной и др. Детали с фланцами обеспечивают надежное соединение в гидроприводах различного назначения, стыковку деталей в изделиях машиностроения, являются основными элементами стеновых проходов, которые защищают трубопроводы от разрушения.
Изготовление деталей с фланцами методами резания в настоящее время является распространенным способом формообразования деталей. Достоинствами методов резания являются широкая номенклатура изделий и относительно низкие энергозатраты процесса. К существенным недостаткам процесса следует отнести большую трудоемкость и высокий отход металла в стружку (до 75 %). Сварные соединения позволяют экономить материал при изготовлении детали с фланцами. Однако технология требует увеличения количества операций. Дополнительные трудности вызывают тепловые деформации в зоне стыковки деталей втулки и фланца. Наиболее эффективными для получения деталей с фланцами являются методы объемного формообразования, позволяющие получать детали с достаточной точностью, практически без потерь материала. Известные методы объемного формообразования не обеспечивают возможность изготовления деталей с фланцами из материала заготовок с относительным удлинением не менее 30 % с диапазонами отношений диаметра фланца DФ и длины lВ втулочной части к наружному диаметру втулочной части DВ в интервалах 1,5 DФ/DВ 2,0 0,2 lВ/DВ 1,0. Эти недостатки сдерживают внедрение технологий холодной объемной штамповки (ХОШ) для деталей данного класса.
На основании изложенного тема работы «Разработка технологии холодной угловой раскатки деталей с фланцами из медных сплавов» является актуальной.
Целью работы является разработка и обоснование технических рекомендаций по совершенствованию процессов ХОШ осесимметричных деталей с фланцами на срединной части, уменьшению трудоемкости изготовления и металлоемкости изделия за счет создания благоприятных условий течения металла и устранения причин образования дефектов.
Решение этих вопросов имеет важное народнохозяйственное значение для развития машиностроения.
Для достижения поставленной цели решали следующие задач:
1. Предложить и исследовать способ ХОШ деталей с фланцами на
срединной части, повышающий эффективность процессов ХОШ за счет создания
благоприятных условий течения металла и устранения причин образования
дефектов, обеспечивающий требуемое качество изделия, высокую
производительность процесса, увеличение коэффициента использования металла,
снижение капитальных вложений.
2. На основе компьютерного моделирования процесса холодной угловой
раскатки деталей с фланцами с использованием критерия разрушения Кокрофта-
Латама установить благоприятные схемы течения металла и изменения
напряженно-деформированного состояния на всех стадиях раскатки, не приводящие к разрушению заготовок.
-
Разработать методики и экспериментальный стенд, позволяющие выполнить физико-механический анализ образования трещин на всех стадиях процесса угловой раскатки деталей с фланцами, построить статистические модели параметров процессов, оценить адекватность компьютерных моделей, влияние технологических параметров, геометрических размеров заготовки и инструмента, степени деформации на кинематику течения материала, напряженное и деформированное состояния заготовки, силовые режимы и предельные возможности формоизменения. Установить величины остаточных напряжений в изготовленных деталях, используя стандартное оборудование.
-
Разработать методику проектирования технологических процессов угловой раскатки деталей с фланцами на основе симплексного метода оптимизации с использованием комплекса компьютерных и статистических моделей процессов.
5. Проверить в условиях опытно-промышленного производства
эффективность разработанной технологии угловой раскатки деталей с фланцами.
Научная новизна диссертационной работы:
– установлены причины образования дефектов деталей с фланцами на срединной части при ХОШ. Определены благоприятные условия течения металла, обеспечивающие устранение причин образования дефектов.
– на основе компьютерного моделирования процесса угловой раскатки деталей с фланцами и выявления предельных значений критериев разрушения Кокрофта-Латама установлены схемы изменения напряженно-деформированного состояния и технологические режимы всех стадий раскатки, не приводящие к разрушению заготовок из медных сплавов.
– разработан алгоритм проектирования оптимальных технологических процессов холодной угловой раскатки деталей с фланцами с использованием комплекса компьютерных и статистических моделей.
Практическая значимость результатов работы:
1. Разработаны методики и экспериментальный стенд, обеспечивающие
возможность физико-механического анализа образования трещин на всех стадиях
процесса угловой раскатки деталей с фланцами, оценки адекватности
компьютерных моделей, построения статистических моделей параметров
процессов, влияния технологических параметров, геометрических размеров
заготовки и инструмента, степени деформации на кинематику течения материала,
напряженное и деформированное состояния заготовки, силовые режимы и
предельные возможности формоизменения. Экспериментальный стенд защищен
патентом на полезную модель RU 116079 U1.
2. Разработана и принята к внедрению в условиях серийного производства
ОАО «Станкостроительный завод» г. Киров технология угловой раскатки деталей
с фланцами. Детали установлены в гидравлической системе механизма заточки
ножей станка ТчН8. Внедрение новых технологий увеличит производительность
труда в 2,0–2,5 раза и коэффициент использования металла в 1,5–2,0 раза, снизит приведенные затраты на продукцию в 1,5–2,0 раза.
Достоверность положений, выводов и рекомендаций диссертации
обеспечиваются результатами лабораторно-производственных исследований и опытно-промышленными испытаниями разработанных технологий; результатами экспериментальных исследований, проведенных на сертифицированном оборудовании; использованием лицензионного программного обеспечения, а также экспериментальными решениями и их статистической обработкой.
Личный вклад автора заключается в участии в постановке задач исследования, в разработке нового способа ХОШ, проведении экспериментов, разработке алгоритмов проектирования технологических процессов холодной раскатки деталей с фланцами с использованием комплекса компьютерных и статистических моделей, анализе и изложении результатов исследований.
Основные положения выносимые на защиту:
-
Анализ и научное обоснование причин образования дефектов деталей с фланцами на срединной части при ХОШ и создание благоприятных условий течения металла, обеспечивающих устранение причин их образования.
-
Новый способ и конструкторские решения объемного формообразования деталей с фланцами, обеспечивающие повышение эффективности процессов ХОШ. Способ защищен патентом на изобретение RUS 2499648.
3. Научно обоснованные методики компьютерного моделирования
процессов холодной угловой раскатки деталей с фланцами.
-
Методики и экспериментальные стенды для обеспечения возможности физико-механического анализа образования трещин, оценки адекватности компьютерных моделей и остаточных напряжений в изготовленных деталях, построения статистических моделей параметров процессов, определения бездефектных технологических режимов угловой раскатки деталей с фланцами.
-
Методики проектирования технологических процессов угловой раскатки деталей с фланцами на основе симплексного метода оптимизации с использованием комплекса компьютерных и статистических моделей процессов.
-
Результаты проверки в условиях опытно-промышленного производства эффективности разработанной технологии угловой раскатки деталей с фланцами.
Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывали и обсуждали на следующих конференциях, семинарах и школах:
на международных: на 2-й Международной научно-практической конференции «Современное машиностроение. Наука и образование», Санкт-Петербург, 14-15 июня 2012 г.; 3-й Международной научно-практической конференции «Современное машиностроение. Наука и образование», Санкт-Петербург, 20-21 июня 2013 г.; 4-й Международной научно-практической конференции «Современное машиностроение. Наука и образование», Санкт-Петербург, 19-20 июня 2014 г.
на всероссийских: VI Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Диагностика наноматериалов и наноструктур», Рязань, 16-20 сентября 2013 г.; Всероссийской молодежной школе-семинаре
«Диагностика наноматериалов и наноструктур», Рязань, 21-23 октября 2013 г.; 16 Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, 24-28 ноября 2014 г. научно-практической конференции с Международным участием «XLI неделя науки СПБГПУ», Санкт-Петербург, 3-8 декабря 2012 г.; II научно-технической конференции с международным участием «Наноиндустрия и технологии будущего» для студентов, аспирантов и молодых ученых, Санкт-Петербург, 10 апреля 2013 г.; 68-й научно-технической конференции, посвящённой Дню Радио, Санкт-Петербург, 18-26 апреля 2013 г.; шестнадцатой научной молодёжной школе по твердотельной электронике с международным участием «Материалы и технологии гибкой электроники», Санкт-Петербург, 12 ноября 2013 г.; научно-практической конференции с международным участием. Неделя науки СПбГПУ, Санкт-Петербург, 1-6 декабря 2014 г.; XVIII-й Санкт-Петербургской ассамблеи молодых ученых и специалистов, Санкт-Петербург, 13 декабря 2013 г.; XIX-й Санкт-Петербургской ассамблеи молодых ученых и специалистов, Санкт-Петербург, 19 декабря 2014 г.
Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации отражены в 29 печатных работах, в том числе 7 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных перечнем ВАК РФ, и 2 патента.
Диссертационная работа была выполнена при поддержке «Гранта для студентов и аспирантов ВУЗов и академических институтов Правительства Санкт-Петербурга» в 2013, 2014 г.г. (ПСП № 13211, ПСП № 14245); гранта РФФИ № 14-08-31655 в 2014-2015 г.г.; стипендии президента РФ в 2014-2015г.г.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения и библиографического списка, включающего 92 наименования. Основная часть работы изложена на 179 страницах машинописного текста, содержит 126 рисунка и 28 таблиц.
Анализ технологических методов изготовления деталей с фланцами
Для получения желаемого качества продукции требуется выбрать рациональные параметры процесса: технологические параметры, свойства обрабатываемого материала, геометрию формообразующего инструмента и другие. Это требует большого количества экспериментов. Моделирование позволяет проводить всесторонние исследования, так как обеспечивается возможность изменения базовых параметров модели в широком диапазоне и прогнозирования дефектов, связанных с несовершенством технологии. Моделирование позволяет существенно сократить финансовые и временные расходы при решении поставленной задачи.
Математической основой инженерных исследований являются методы нелинейного конечно-элементного анализа (FEA – Finite Element Analysis). FEA является чрезвычайно мощным средством, которое дает инженеру возможность моделировать структурное поведение объекта, выполнять изменения и наблюдать результаты этих изменений. Метод конечных элементов (МКЭ) работает на основе расщепления геометрии объекта на большое число (тысячи или десятки тысяч) элементов (например, параллелепипедов). Эти элементы образуют ячейки сети с узлами в точках соединений. Поведение каждого малого элемента стандартной формы быстро рассчитывается на основе математических уравнений. Суммирование поведения отдельных элементов дает ожидаемое поведение объекта в целом. FEA обеспечивает возможность численного решения инженерных задач, таких как анализ напряжений и деформаций, теплопередача, электромагнитные явления и течение жидкостей [8].
В настоящее время разработано большое количество универсальных пакетов на основе метода конечных элементов, позволяющих решать широкий класс задач механики сплошных сред: деформируемого твердого тела, пластического деформирования, гидро- и газодинамики, совместных задач и т.п.
Относительно новое направление в разработке программного обеспечения на основе МКЭ – создание специализированных пакетов, ориентированных на решение узкого класса задач. Достоинствами этих пакетов являются относительно низкая стоимость и простота использования.
В к а честве примеров таких пакетов можно назвать NASTRAN, ANSYS, Cosmos, ASKA, ADINA, ABAQUS, QForm, Deform, SimufactForming и др.
Свыше 80% крупных (около 250 сотрудников), более 75 % средних (100–249 сотрудников) и примерно 50 % мелких (50–99 сотрудников) машиностроительных компаний США используют метод конечных элементов при разработке технологических процессов обработки металлов давлением [9].
Все программные продукты конечно-элементного анализа имеют возможность импорта геометрической модели из файлов исходных данных отдельных CAD–систем. Параметризация геометрической модели различных типов заготовок и инструментов позволяет значительно упростить проектирование процессов технологической подготовки производства.
Точность выполнения расчетов при компьютерном моделировании определяется достоверностью задаваемых исходных данных и адекватностью математической модели сопротивления деформации.
Пакеты метода конечных элементов ANSYS и LS-DYNA являются многоцелевыми комплексами для анализа и решения широкого круга задач в различных областях науки и техники. В этих пакетах заявлены возможности для решения задач в геометрически нелинейной постановке. Однако при решении задач с конечными деформациями данные методы недостаточно корректны и дают адекватную оценку лишь в частных случаях [10].
В пакете ANSYS используется неявный метод интегрирования по времени, которому присущи относительно большие шаги по времени. В пакете LS-DYNA реализован явный метод интегрирования. Задачи с конечными деформациями рекомендуется решать в пакете ANSYS, если интенсивность деформации в элементах не превышает 15–17%. Пакет LS–DYNA позволяет рассчитывать корректно задачи с существенно большими значениями информации (до 60–65 %) [11]. Задача упруго-пластичности является существенно нелинейной. Поэтому выполнить полноценный параметрический расчет процессов ротационного формообразования деталей не представляется возможным в среде стандартной поставки конечно-элементных пакетов типа NASTRA [12].
Программные продукты Deform обеспечивают возможность визуально рассмотреть информацию о действующих деформациях, напряжениях, силах, крутящих моментах, энергии и других параметров отдельных объектов модели в виде эпюр или графиков с шагом по времени, перемещению или итерации. Deform обладает способностью наложения граничных условий в автоматическом режиме, изменяя параметры условий под процесс моделирования [13].
Выполнить полноценный параметрический расчет процессов ротационного формообразования деталей в среде стандартной поставки конечно-элементных пакетов Deform не представляется рациональным в силу специфики использования данного пакета. Однако, возможно создание исходных твердотельных геометрических моделей заготовки и инструмента в CAD системах, имеющимися в них средствами геометрического моделирования, и импортирование их в программный комплекс Deform 3D. Тем самым, обеспечивается рациональный подход для решения данных задач [13].
Благодаря имеющимся возможностям по анализу напряжено-деформированного состояния, применение Deform 3D совместно с программами, моделирующими процессы обработки металлов давлением, позволяет создавать компьютерные модели, прогнозирующие уровень свойств получаемой заготовки в соответствии с предъявляемыми требованиями. При помощи комплекса Deform 3D возможно прогнозирование дефектов различного рода, связанных с недоработкой технологии [13].
Разработка способа холодной угловой раскатки деталей с фланцами
Применение в качестве инструмента цилиндрических роликов и матрицы покажем на примерах технологических процессов торцовой раскатки наружных и внутренних фланцев на трубчатых заготовках, приведенных на рисунках 2.1.10 и 2.1.11 [28, 32]. Использование конических валков можно проиллюстрировать на устройствах, изображенных на рисунке 2.1.12 [28, 32]. Применение наклонной матрицы для расширения технологических возможностей процесса формообразования деталей с фланцами показано в работе [33] (рисунок 2.1.13). Пуансоны используются для процессов высадки наклонной (качающейся) матрицей (рисунок 2.1.13) [10], радиального выдавливания (рисунок 2.1.14) [15], осадки (рисунок 2.1.16) [35] и раздачи (рисунок 2.1.17) [36] фланцев на трубчатых и прутковых заготовках.
Эффективность процесса формообразования детали с фланцем зависит от формы заготовки: труба, пруток, ступенчато-кольцевая, ступенчато-прутковая. Данная особенность отражена фасетом Ф4 – вид заготовки. Труба используется в процессах торцовой раскатки фланца (рисунок 2.1.10 – 2.1.12) [28, 32], высадки фланца на трубчатой заготовке наклонной матрицей (рисунок 2.1.13) [33], радиального выдавливания фланца на трубчатой заготовке (рисунок 2.1.14) [34]. Пруток применяют в схемах поперечной прокатки (рисунок 2.1.5) [26, 27], осадки заготовок обкатыванием (рисунок 2.1.6) [29], холодной и горячей раскатки экструзией (рисунок 2.1.9) [31], высадки сплошных валов с фланцем на однопозиционном автомате [29], ступенчато-кольцевая и ступенчато-прутковая заготовки используются в процессах угловой раскатки (рисунки 2.1.7 и 2.1.8) [30].
Выбор метода формообразования детали с фланцем связан с материалом детали. Тенденция учтена фасетом Ф5 – вид деформируемого материала. Вторая группировка фасета Ф5 включает в себя разделение видов материалов по их свойствам: компактный, пористый, композиционный. Компактный материал можно обрабатывать всеми методами, представленными в фасете Ф1. Пористый и композиционный материалы требуют схем формообразования с минимальными значениями растягивающих напряжений. Для этих материалов эффективны методы поперечная прокатка (рисунок 2.1.5) [26, 27], осадки заготовок обкатыванием (рисунок 2.1.6) [29], угловой раскатки (рисунки 2.1.7 – 2.1.8) [30], высадки на однопозиционном автомате [29].
Кинематика движения инструмента отражена фасетом Ф6. Вращательно-поступательное движение используется в ротационных методах объемного формообразования фланцев (рисунки 2.1.5 – 2.1.13), возвратно-поступательное – в статических методах (рисунки 2.1.14 – 2.1.17).
Улучшить условия формообразования фланцев позволяют методы, использующие различное воздействие на инструмент: статическое (рисунки 2.1.14 – 2.1.17), квазистатическое (рисунки 2.1.5 – 2.1.13), динамическое, импульсное и др. Данную тенденцию описывает фасет Ф7 – характеристика нагрузки инструмента. Динамические и импульсные нагрузки позволяют уменьшить энергоемкость оборудования и расширяют технологические возможности холодных процессов, уменьшая влияние деформационного упрочнения. Данные методы в настоящее время используются только, для формирования фланцев на листовых заготовках.
Технологические возможности процессов холодной объемной штамповки деталей с фланцами показаны в таблице 2.1.1. Анализ таблицы 2.1.1 показал, что разработанная технология угловой холодной раскатки деталей с фланцами в три этапа [19] расширила технологические возможности процессов холодной объемной штамповки деталей с фланцами. При допустимом относительном удлинении материала заготовки более 30 % диапазоны размеров относительной длины раскатываемой втулочной части и диаметра раскатываемого фланца увеличились
Разработанный способ угловой раскатки деталей с фланцами устраняет недостатки известных ротационных методов и обеспечивает возможность изготовления бездефектных деталей с фланцами, значительно удаленных от торцов заготовок, за счет создания благоприятных условий течения металла и устранения причин возникновения дефектов. Новый способ защищен патентом на изобретение RUS 2499648 [19].
Согласно новому способу локальное деформирование заготовки осуществляют при поступательном перемещении инструмента и синхронном вращении заготовки и инструмента за счет контактного трения между поверхностями инструмента и заготовки. Деформирование выполняют в три стадии. Кинематические схемы всех стадий разработанного процесса раскатки деталей с фланцами, показаны на рисунках 2.2.1 - 2.2.4. На рисунках 2.2.1 - 2.2.4 обозначено: /Д. длина деформируемого участка заготовки, ДД диаметр деформируемого участка заготовки, /Н длина базового участка заготовки, DН -наружный диаметр базового участка заготовки, DВН - внутренний диаметр заготовки, /В длина раскатанной втулочной части, DВ - наружный диаметр втулочной части, ЛФ наружный диаметр фланца, кФ - толщина фланца.
Постановка задачи компьютерного моделирования процессов угловой раскатки деталей с фланцами
Раскатной валок 7 установлен на корпусе первого гидроцилиндра 27 с помощью оси 3 и роликов игольчатого подшипника 4 (Рис. 2). Ролики игольчатого подшипника 6 закреплены шайбой 5. Ось 3 зафиксирована планкой 4, которая закреплена на корпусе первого гидроцилиндра 27. Поршень 28 установлен в корпусе первого гидроцилиндра 27. Шток поршня 28 закреплен во втором гидроцилиндре 29. Первый гидроцилиндр 27 встроен во второй гидроцилиндр 29. Второй гидроцилиндр 29 установлен в корпусе 30. Корпус 30 закреплен на пластине 36 при помощи ребер жесткости 1 и 31. Пластина 1 закреплена на суппорте токарного станка 2 болтами 34 и зафиксирована от поворота штифтами 35. Второй гидроцилиндр 29 опирается на месдозу 32, предназначенную для измерения усилия раскати. Месдоза подключена к осциллографу. Масло гидравлической системы для обеспечения перемещения раскатного валка 7 к заготовке 12 подается через первый шланг 33 в область между первым 27 и вторым 29 гидроцилиндрами. Для перемещения раскатного валка 7 от заготовки 12 масло подается через второй шланг 33 в область между поршнем 28 гидроцилиндром 27. Заготовка 13 установлена в матрице 8 на оправке 11. Матрица 11 закреплена в шпинделе станка 9. Один конец оправки 11 опирается на выталкиватель 10, а второй расположен в отверстии опоры 13, закрепленной на корпусе второго гидроцилиндра 14, который установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения в обойме 15 при помощи поршня 18. Рабочая полость корпуса третьего гидроцилиндра 14 закрыта крышкой 19.
На обойме 15 изготовлена шестерня для синхронизации вращения опоры 13 и шпинделя станка 9 при помощи кинематической цепи (на фиг.1 не показано). Поршень 18 связан со штоком 25 резьбовым соединением. Шток 25 закреплен в обойме 15 гайкой 23 и пластиной 22. Вращение обоймы 15 обеспечивают подшипники 1 7 и 21, которые установлены в бабке 26 при помощи втулки 20 и крышки 16. Полость бабки 26 закрыта крышкой 24.
За счет смены раскатных валков в блоке поперечного суппорта можно реализовать последовательно два процесса: процесс ротационной высадки трубной части заготовки и процесс радиально-осевого ротационного выдавливания. Это позволяет изготавливать детали сложной формы, в том числе трубные изделия с фланцами, значительно удаленными от торцов заготовки, из материала заготовки с относительным удлинением не менее 30 % с диапазонами отношений диаметра фланца DФ и длины lВ втулочной части к наружному DФ lB диаметру втулочной части DВ в интервалах 1, 5 DB 2, 0 ; 0, 2 DB 1, 0 . Работа устройства осуществляется следующим образом. В исходном состоянии раскатной валок 7, установленный в корпусе первого гидроцилиндра 27, отведен от заготовки 12 в крайнее положение. Опора 13 перемещается корпусом третьего гидроцилиндра 14 в крайнее правое положение. Заготовка 12 с оправкой 11 устанавливаются в матрицу 8. Опора 13 перемещается в левое положение и входит в зацепление со вторым (свободным) концом оправки 11.
Корпус гидроцилиндра 27 с раскатным валком 7 двигается к заготовке 12 под давлением масла, подаваемого в полость между первым 27 и вторым 28 гидроцилиндрами. Шпиндель 9 приводит во вращение заготовку 12. Раскатной валок 7 входит в контакт с заготовкой 12 и раскатывает ее. После окончания процесса раскатки раскатной валок 7 отводится в исходное положение.
После выполнения операции формообразования фланца, опора 13 перемещается от заготовки в крайнее правое положение и выходит из зацепления со вторым концом оправки 11. Полученная из заготовки деталь с раскатанным фланцем удаляется из матрицы 8 выталкивателем 10. Шпиндель 9 прекращает вращение.
Экспериментальный стенд для раскатки фланцев наклонными валками выполнен на базе токарного станка ДИП 300 (рисунки 4.1.2 и 4.1.3). Рисунок 4.1.2 – Экспериментальный Рисунок 4.1.3 – Рабочая зона стенд, для угловой раскатки детали с экспериментального стенда, для фланцем, выполненный на базе угловой раскатки детали с фланцем. токарного станка ДИП 300 Заключительный этап формообразования детали. Точность деталей является одним из основных критериев характеризующих качество деталей конструкционного назначения. Оценке точности деталей, изготовленных разработанным способом угловой раскатки, посвящен следующий раздел 4.2.
Точность раскатанных деталей исследуемого класса оцениваем по значениям величин отклонения формы. Отклонением формы называется отклонение реальной поверхности, ограничивающей тело от формы номинальной поверхности. Согласно ГОСТ 24642–81 введены следующие отклонения формы: отклонение от цилиндричности EFZ (рисунок 4.2.1), отклонение от круглости EFK (рисунок 4.2.2), радиальное биение ECR (рисунок 4.2.3), торцовое биение ECA (рисунок 4.2.4), отклонение профиля продольного сечения цилиндрической поверхности EFP, отклонение от плоскостности TFE, отклонение от прямолинейности EFL
Технические требования по точности, предъявляемые к деталям исследуемого класса
В процессе раскатки деталей на их поверхностях появляется ряд чередующихся выступов и впадин разной высоты и формы и сравнительно малых размеров по высоте и шагу. Эти выступы и впадины образуют неровности поверхности (микронеровности), которые называют шероховатостью поверхности. Шероховатость поверхности регламентируется стандартом ГОСТ 25142–82 [64].
Шероховатость поверхности играет большую роль в подвижных соединениях деталей, в значительной степени влияя на трение и износ трущихся поверхностей направляющих, ползунов и т. п. При недостаточно гладких трущихся поверхностях соприкосновение между ними происходит в отдельных точках при повышенном удельном давлении, вследствие чего смазка выдавливается, нарушается непрерывность масляной пленки и создаются условия для возникновения полусухого и даже сухого трения. Эти обстоятельства особенно важны для современных быстроходных и точных машин и приборов, в которых нельзя допустить больших зазоров и жидкостное трение должно быть обеспечено при весьма тонких масляных пленках [65].
Шероховатость может нарушать характер сопряжения деталей за счет смятия и интенсивного износа выступов профиля. В стыковых соединениях из-за шероховатости снижается жесткость стыков. Неровности являются концентраторами напряжений и снижают усталостную прочность деталей. Зазор или натяг, который можно определить по результатам измерения деталей соединения, отличается от эффективного зазора или натяга, имеющего место при сборке и в процессе эксплуатации. Эффективный натяг уменьшается, а эффективный зазор увеличивается тем в большей степени, чем большую шероховатость имеют сопрягаемые поверхности. Прочность деталей также зависит от шероховатости поверхности. Разрушение детали особенно при переменных нагрузках в большой степени объясняется концентрацией напряжений, являющихся следствием имеющихся неровностей. Чем «чище» поверхность, тем меньше возможность возникновения поверхностных трещин от усталости металла. Коррозия металла возникает и распространяется быстрее на грубо обработанных поверхностях [65].
Шероховатость поверхности влияет на точность измерения деталей. Способы нормирования шероховатости поверхности установлены в ГОСТ 2789–73 [66]. Шероховатость поверхности оценивается по неровностям профиля, полученного путем сечения реальной поверхности плоскостью. Базой для отсчета отклонений профиля является средняя линия профиля – линия, имеющая форму номинального профиля и проведенная так, что в пределах базовой длины среднее квадратичное отклонение измеряемого профиля до этой линии было минимальным [66].
Для оценки микрогеометрии поверхности деталей с фланцами, формообразованных раскаткой, используем следующие параметры: Ra – среднее арифметическое отклонение профиля; – угол наклона образующих выступов; r/Rmax – где r – радиус закругления вершин неровностей, Rmax – наибольшая высота неровностей, tm – средний шаг неровностей профиля, Fоп – величина опорной поверхности. Параметр Ra характеризует высоту микронеровностей. Величины r и – форму микрорельефа. Шаг неровностей влияет на условия удержания смазки и опасность схватывания. Отношение r/Rmax характеризует фактическую поверхность трущихся поверхностей и влияет на сопротивление износу, схватыванию, работу трения. Значение Fоп оказывает влияние на величину контактных напряжений и износостойкость изделий [64, 66].
Параметры Ra, Rmax, Sm, определялись с использованием профилографа – профилометра модели 202 ОАО «Калибр» со сканированием щупа по параллельным трассам. Измерение значения r осуществлялось при помощи универсального измерительного микроскопа УИМ–21. Измерение углов производилось на этом же микроскопе с использованием поворотного лимба. Поверхности раскатных валков соответствуют 7b классу шероховатости (0,80..0,63
Показатели качества поверхности цилиндрической втулки несколько превосходят показатели качества боковой поверхности фланца. Это можно объяснить особенностями формообразования этих поверхностей. В процессе раскатки фланца зона контакта поверхностей заготовки и инструмента перемещается в радиальном направлении, а при формообразовании втулки эта зона движется вдоль оси.
Отношение радиуса закругления вершин неровностей к наибольшей высоте неровностей профиля r/Rmax на раскатанных поверхностях в 2–4 раза больше, чем обработанных резанием. Величина раскатанных поверхностей в 1,5–2,0 раза меньше нарезанных. Увеличение r/Rmax и уменьшение угла обеспечивают пологую обтекаемую форму неровностей, повышают сопротивление износу. Опорная поверхность Fоп, образованная при раскатке в 2–3 раза больше, чем изготовленная резанием при одних и тех же классах шероховатости. Это обусловлено особенностями микрорельефа раскатанной поверхности: высокой однородностью неровностей по высоте и пологой обтекаемой их формой.
На шероховатость раскатанных поверхностей исходное состояние поверхности заготовки влияет незначительно, что объясняется интенсивным перемещением поверхностных слоев металла по формообразующим поверхностям раскатного валка. Качество раскатанной поверхности существенно зависит от состояния поверхности раскатного валка. Класс шероховатости поверхностей деталей, изготовленных раскаткой, на 1–2 класса ниже инструмента.