close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Особенности технологических процессов обработки длинных валов с использованием операций холодного редуцирования..pdf

код для вставкиСкачать
Денисова Д.В., Шмелев В.Е.
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ…
УДК 621.986
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ
ДЛИННЫХ ВАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПЕРАЦИЙ
ХОЛОДНОГО РЕДУЦИРОВАНИЯ
© 2010
Денисова Д.В., магистрант
Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого, Тула (Россия)
Шмелев В.Е., кандидат технических наук, доцент,
профессор кафедры «Механизация сельского хозяйства»
Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого, Тула (Россия)
Ключевые слова: Холодное редуцирование валов; режимы обработки; многократное редуцирование; прямой ход; обратный ход; устройства.
Аннотация: Рассматривается определение допустимых обжатий при многократном редуцировании валов через конические матрицы в зависимости от технологических параметров процесса (угла
образующей матрицы, коэффициента трения) и свойств обрабатываемого материала при условии,
что между операциями редуцирования нет никакой термообработки. Составлена математическая модель процесса. Приводятся результаты расчета по этой модели, которые показывают, что рекомендации по выбору допустимых обжатий, которые даны в литературе, требуют существенного уточнения. Приводятся данные по выбору допустимых обжатий для трех материалов: стали 40Х, стали 20 и
сплава В95М.
Введение
Производительность обработки деталей зависит
от того, насколько форма и размеры заготовки приближены к форме и размерам готовой детали. Поэтому целесообразнее большие трудозатраты перенести
на процессы производства заготовок, при реализации
которых используются более производительные методы обработки, такие, например, как холодная обработка давлением.
При изготовлении заготовок длинных валов
сельскохозяйственных машин, имеющих на обоих
концах ступени меньшего диаметра (иногда со шлицами), можно в качестве заготовительных операций
использовать холодное редуцирование – осесимметричное проталкивание заготовки через гладкие конические матрицы. Основными параметрами этого процесса являются: угол конусности матрицы , обжатие
R и характер упрочнения обрабатываемого материала.
Методика проведения
Для определения допустимых обжатий при редуцировании валов через конические матрицы величина
обжатия R =
F0  F1
(где Fo и F1 — площади сечения
F1
соответственно до и после редуцирования) лимитируется потерей устойчивости недеформируемой части
заготовки, которая расположена перед матрицей. Поэтому для получения больших обжатий процесс редуцирования необходимо разбивать на ряд операций, на
каждой из которых величина обжатия RN
=
FN 1  FN
(где FN и FN-1 — площади сечения после
FN 1
Вектор науки ТГУ. №7(10). 2010
N-1-oй и N-ой операций редуцирования) должна выбираться меньше ее критического значения R*N.
Так как промежуточная термообработка между
операциями редуцирования отсутствует, то упрочнение материала, полученное на предыдущей операции
редуцирования, должно быть учтено на последующих
операциях.
Допустимую величину обжатия [R] N, очевидно,
следует выбирать так, чтобы удельное усилие на каждой операции рN было меньше его критического значения р*N. Например коэффициент K, характеризующий допустимое отношение р к р*N, можно принять
равным 0,85...0,9.
На рис. 1 показаны графики зависимости критического напряжения
* = р*N / FN-1
от гибкости  заготовки из стали 40Х для двух
случаев: в состоянии поставки (02 = 470 МПа) и после первой операции редуцирования через матрицу с
углом  = 9° при величине обжатия R = 0,3, когда за
счет упрочнения предел текучести стали увеличивается до 930 МПа. Кривая 1 на рис. 1 построена по формуле Эйлера
*=2E/2 ,
(1)
где Е — модуль упругости первого рода. Ломаные линии 2 и 3, пересекающиеся с кривой 1, построены в соответствии с рекомендациями, приведенными в [l]. Штриховая линия 4 соответствует предельно-нагартованному состоянию материала, когда
достигается «порог» упрочнения (т = 1100 МПа [5]).
В большинстве случаев при редуцировании валов
отношение длины «вылета» заготовки l к диаметру do
не превышает 10...15, т.е. гибкость (даже если при-
11
Денисова Д.В., Шмелев В.Е.
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ…
нять, что схема опор соответствует одному защемленному и одному шарнирному концам)  < 40, и,
следовательно, в соответствии с рис. 1 за величину
критического напряжения можно принять предел текучести материала после предшествующей обработки
т0, т1, … тN.
Рис. 1. Графики зависимости критического напряжения * от гибкости цилиндрической заготовки
(Сталь 40Х в состоянии поставки): 1— кривая, построенная по формуле (1); линии 2— 4 соответствуют
значениям т, равным 470, 930 и 1130 Мпа.
Для определения величины критического обжатия R* и соответственно допустимого обжатия [R] на
первой и последующих операциях редуцирования
необходимо иметь соответствующие зависимости
удельного усилия р от основных факторов процесса:
обжатия R, угла конусности матрицы , коэффициента трения  и механических свойств материала (предел текучести т, предел прочности д и равномерное
относительное удлинение р = 210 — 5, где 10 и 5
— относительные удлинения 10- и 5-кратных цилиндрических образцов), а также зависимости, по которым можно определить удельную работу
ад = σs ср  еi ср,
где еi ср – среднее накопленное значение интенсивности деформации в пластической области.
Опуская подробности определения безразмерного удельного усилия и удельной работы (с ними можно ознакомиться в [3]), приведем окончательные результаты расчетов.
Результаты
На рис. 2 и 3 в графической форме представлены
результаты проведенных на ЭВМ расчетов по определению допустимых и критических обжатий для стали
40Х, стали 20 и сплава В95М.
Допустимые значения обжатий определялись при
К = 0,9 и условии, что на всех предшествующих операциях редуцирования значения обжатий соответствовали максимально допустимым. Аналогичным образом, но при К = 1, определялись критические обжатия.
На рис. 2 представлены графики зависимости
пооперационных допустимых и критических обжатий
от угла матрицы . Из этих графиков видно, что максимальные значения [R] и R* при  = 0,06 соответствуют диапазону 9° <  <12°, а также что значения [R] и R* резко уменьшаются с увеличением угла
матрицы. Допустимые обжатия оказываются значительно меньше критических ([R] /R* = 0,62 ... 0,82).
Значение [R]/R* уменьшается с увеличением угла
матрицы и порядкового номера операции.
Рис. 2. Графики зависимостей критических R* (сплошные линии) и допустимых [R] (штриховые линии)
обжатий от значений угла матрицы  и номера операции редуцирования N (N = 1... 5) для различных материалов: а — сталь 40Х; б — сталь 20; в — сплав В95М при коэффициенте трения  = 0,06.
12
Вектор науки ТГУ. №7(10). 2010
Денисова Д.В., Шмелев В.Е.
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ…
Расчетные значения [R] для первых двух операций при небольших значениях  и  оказываются значительно меньшими, чем рекомендуемые в [4] (на рис. 3 — заштрихованная область), и наоборот, на последующих операциях они больше.
Рис. 3. Графики изменения допустимых (при К = 0,9) обжатий в зависимости от количества операций
редуцирования заготовок из различных материалов: а—сталь 40Х; б—сталь 20; б—сплав В95М
(сплошные линии соответствуют значениям  = 6°, штриховые —  = 15°; линии 1 соответствуют
значениям  = 0,06, линии 2 — ( = 0,1).
Достоверность полученных расчетных значений
R, приведенных на рис. 2 и 3, подтверждают полученные авторами ранее экспериментальные графики
изменения удельного усилия редуцирования в зависимости от обжатия. Один из таких графиков для стали 40Х при  = 9° приведен в [4] (критическое обжатие Ri* = 0,27, а допустимое [R] i = 0,23).
При изготовлении заготовок с применением операций редуцирования переход с большей ступени на
меньшую имеет вид усеченного конуса (так как копируется коническая часть матрицы), кроме того, из-за
неравномерной деформации по сечению заготовки
торец отредуцированной заготовки приобретает вогнутую форму (рис. 4,а).
Рис. 4. Типичная геометрия отредуцированного конца вала (а) и конфигурация готовой детали (б)
Таким образом, чтобы получить годную деталь,
имеющую посадочные поверхности под подшипники
(рис. 4 б), необходима дополнительная механическая
обработка для снятия припуска на конусной части и
подрезки торца.
В работе [5] показано, что для редуцирования
наиболее оптимальными углами конусности матрицы
являются при однократном редуцировании  = 9...120,
а при многократном – в соответствии с исследованиями, приведенными в работе [3]. При обжатиях,
которые для однократного редуцирования стальных
валов выбираются в пределах 0,15-0,18, а при трехкратном редуцировании – 0,28-0,32 (рис. 3), припуск
на обточку цилиндрической поверхности будет иметь
значения, приведенные в таблице 1.
Таблица 1. Значения припусков на обточку цилиндрической поверхности отредуцированного вала Z0, мм
Диаметр
детали,
мм
30
40
50
Вектор науки ТГУ. №7(10). 2010
Величина обжатия R
0,18
3,13
4,17
5,21
0,24
4,41
5.88
7,35
0,3
5.85
7,81
9,76
13
Денисова Д.В., Шмелев В.Е.
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ…
Обсуждение результатов
Теоретические расчеты и экспериментальная
проверка, проведенные для цилиндрических поверхностей валов с различными значениями  и R, показывают, что характер искажений формы торца зависит от значений этих величин. Для большинства сталей вогнутость почти пропорциональна диаметру исходной заготовки. Так, например, разность между
абсциссами точек А и В (см. рис. 4, а) для стальных
валов, изготовленных из стали 40Х и стали 30, составляет при диаметре вала 30 мм – 0,82 мм, при диаметре 40 мм – 1,05 мм, а при диаметре 50 мм – l,33
мм. Аппроксимируя полученные в результате эксперимента значения, можно получить простую линейную зависимость для определения неперпендикулярности торца заготовки после редуцирования:
т = 0,026 Dз.
(2)
Для нормирования операции по обточке цилиндрической поверхности вала необходимо знать длину
конусной части отредуцированной заготовки (см. рис,
4). Эту длину lр можно вычислить по следующей
формуле:
lр =
2
Dо  d Dо  (1  R) D0
=
,
tg
tg
(3)
где D0 – диаметр заготовки, d – диаметр отредуцированной цилиндрической поверхности.
Очевидно, что обработку посадочных мест с помощью редуцирования необходимо производить на
длину, которая учитывала бы появление в процессе
обработки вогнутости т, и конуса на длине lр . Учитывая эти составляющие (формулы 2 и 3), полная
длина редуцирования Lр может быть определена
следующим образом:
Lр =
Dо  (1  R) D02
tg
+ 0,026 Dз + lц,
где lц – длина цилиндрической части отредуцированной поверхности.
Учитывая, что при редуцировании валов требуются значительные усилия (например, для валов Ø40
мм требуется усилие от 40 до 60 тонн), этот процесс
целесообразно осуществлять на специальном прессе,
сконструированном, например, по схеме, приведенной на рис. 5.
Рис. 5. Общий вид горизонтального пресса для редуцирования длинных стальных валов
Этот горизонтальный пресс имеет мощную станину 1, на которой установлено зажимное приспособление 2 для установки редуцируемого вала 4, инструмент редуцирования 5 и мощный гидравлический
привод 6. Движение инструмента при рабочем ходе
(по рисунку – влево) ограничивается ходом гидроцилиндра и упором 3. Формоизменение заготовки в
этом случае происходит только при прямом xoде, а
обратный ход нужен для съема инструмента с обработанной заготовки.
Для того чтобы расширить технологические возможности процесса редуцирования, авторами предложены различные варианты компоновки оборудования и инструменты. Одним из таких вариантов, повышающих производительность обработки при многократном редуцировании, является использование
для формообразования как прямого, так и обратного
ходов инструмента [6].
Рис. 6. Инструмент для редуцирования валов с использованием как прямого, так и обратного ходов
14
Вектор науки ТГУ. №7(10). 2010
Денисова Д.В., Шмелев В.Е.
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ…
На рис. 6 слева изображена конструкция инструмента для редуцирования ступенчатых многопрофильных валов, при прямом ходе инструмента; на
этом же рисунке справа – то же, при обратном ходе
инструмента (на рис. 7 – это сечение А – А рис. 6).
В этом случае обрабатывающий инструмент выполнен в виде обоймы, в которую помещены как жесткая коническая матрица 6, так и составная матрица
(рис. 6, поз. 8, 9, 10, 11), состоящая из набора рабочих
элементов 8. При прямом ходе работает жесткая матрица, а при обратном ходе рабочие элементы смыкаются и тем самым образуют новый профиль, напри-
мер, со шлицами (рис. 7). Этот новый профиль при
обратном ходе редуцируется не на всей длине вала, а
только на ее части. Это обусловлено тем, что жесткая
и составная матрицы располагаются на каком-то расстоянии друг от друга, которое зависит от конструктивных особенностей составной матрицы. Однако
особенностью такого устройства является то, что составная матрица при обратном ходе должна произвести формообразование на всей оставшейся части вала:
от внедрения в материал и до торца.
Рис. 7. Вид на инструмент со стороны редуцируемого вала
Использование такого комбинированного инструмента позволяет за один цикл изготавливать на детали два различных по площади поперечного сечения
и по конфигурации профиля, например круглое и
квадратное, круглое и шлицевое и т.д.
Инструмент для редуцирования работает следующим образом. Перед началом обработки в обойму
5 инструмента (рис. 6) помещают матрицы 6 и 7 и
устанавливают их таким образом, что расстояние между ними соответствует длине первой из редуцируемых ступеней вала, получаемого из заготовки 13. Затем заготовку 13 помещают в зажимное приспособление и фиксируют, при этом регулируемый упор 12
закрепляют на станине таким образом, что расстояние
между ним и рычагами 11 рабочих элементов 8 матрицы 7, находящимися в положении, перпендикулярном оси заготовки 13, соответствует длине прямого
хода инструмента.
При прямом ходе инструмента, осуществляемого
посредством привода, матрица 6, взаимодействуя с
заготовкой 13, редуцирует первую ступень вала, при
этом рабочие элементы 8 матрицы 7 скользят по ней и
в обработке заготовки 13 при прямом ходе инструмента не участвуют.
В конце прямого хода инструмента (рис. 6 слева)
в результате взаимодействия рычагов 11 рабочих элементов матрицы 7 с регулируемым упором 12 осуществляется поворот рабочих элементов вокруг оси 9, за
счет которого происходит предварительное внедрение
рабочих элементов в материал заготовки 13. Одно-
Вектор науки ТГУ. №7(10). 2010
временно за счет реверса привода инструмент начинает перемещаться в обратном направлении.
При обратном ходе инструмента (рис. 6 справа)
рабочие элементы матрицы 7 под действием возникающего усилия редуцирования упираются в корпус
10 матрицы 7 и смыкаются, тем самым образуя требуемый профиль и размеры обрабатываемой ступени
вала (рис. 7).
В процессе дальнейшей обработки заготовки,
осуществляемой при обратном ходе инструмента,
матрица 7 редуцирует вторую ступень вала, а матрица
6 калибрует поверхность его первой ступени.
По окончании обработки приспособление разжимают и вынимают готовую деталь.
Выводы
Полученные результаты расчетов показывают,
что рекомендации по выбору допустимых обжатий,
которые даны в литературе, не учитывают продольную неустойчивость обрабатываемых редуцированием длинных валов и потому требуют уточнения.
С учетом Эйлеровой устойчивости приведена методика определения допустимых обжатий при многократном редуцировании концов валов, когда между
отдельными обжатиями нет никакой промежуточной
термообработки. В качестве реализации методики
приводятся результаты расчетов по выбору допустимых обжатий для трех материалов: стали 40Х, стали
20 и сплава В95М.
Рассмотрены дополнительные механические операции, которые неизбежны из-за особенностей реду-
15
Денисова Д.В., Шмелев В.Е.
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ…
цирования валов через конические матрицы. Приведены эмпирические зависимости для определения
припусков на обработку резанием, которые должны
учитываться при проектировании технологических
процессов с применением операций редуцирования.
Предложены различные способы и конструкции,
повышающие производительность редуцирования
длинных валов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. – М.:
Наука, 1976.
2. Ренне И.П., Шмелев В.Е. Аппроксимация кривых упрочнения, используемых при анализе процессов ОМД без предварительного нагрева, в изотермических адиабатических и близких к ним условиях де-
формирования. – Тула: Тул. политех. ин-т, 1985,
– Рус. – Деп. в ВИНИТИ 17.04.85 № 2607—85 Деп).
3. Ренне И.П., Шмелев В.Е. Определение пооперационных обжатий при многократном редуцировании валов через конические матрицы // Изв. высш.
учеб. заведений. Сер. «Машиностроение». 1987. №12.
4. Холодная объемная штамповка: Справ. / под
ред. Г.А. Навроцкого. – М.: Машиностроение, 1973.
5. Ренне И.П., Ураждин В.И., Шмелев В.Е. Методика решения осесимметричных задач ОМД методом
конечных элементов применительно к стационарным
процессам. – Тула: Тул. политех. ин-т, 1984. Рус. Деп.
в ВИНИТИ 23.07.84 № 5323 84-Деп.
6. А.с. №1459809 (СССР). Устройство для редуцирования ступенчатых многопрофильных валов /
А.И. Манвелов, И.П. Ренне, В.Е. Шмелев.
THE PECULARITIES OF TECHNOLOGICAL PROCESSES FOR MACHINING
OF LONG SHAFTS USING THE OPERATIONS OF COLD REDUCTIONS
© 2010
Denisova D.V., undergraduate
Tula State Pedagogical University оf L.N.Tolstoy, Tula (Russia)
Shmelyov V.E., candidate of the technical sciences, associate professor, professor of the chair «Mechanization of Agriculture»
Tula State Pedagogical University оf L.N.Tolstoy, Tula (Russia)
Keywords: Сold pressure shaft reduction; processing mode; multiple reduction; reverse mode; direct
mode.
Annotation: The determination of acceptable compressions is examined at repeated reduction of shaft
through conic matrixes depending on technological parameters of process (corner of a forming matrix, factor
of friction) and properties of a processable material under a condition that between operations of reduction
there is no heat treatment. The mathematical model of process is devecoped. The results of calculation on
this model are resulted which show, that the recommendations at the choice of acceptable compressions,
which are given in the literature, require (demand) essential specification. The data are resulted at the choice
of acceptable compressions for three materials: steel 40Х, steel 20 and alloy В95М.
16
Вектор науки ТГУ. №7(10). 2010
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа