Подписка
Автор: 
Сергей Михайлович Вайцехович, к. т. н., Валерий Васильевич Семёнов, д. э. н., Виталий Александрович Корнилов, к. т. н., Леонид Михайлович Овечкин, к. т. н., ФГУП «НПО «Техномаш» им. С. А. Афанасьева,  Москва, Россия

В статье предложена конструкция устройства для беззазорной резки на прессовом оборудовании или пресс-ножницах сортового проката на заготовки под объёмную ковку-штамповку деталей.

 

 

На предприятиях машиностроительной отрасли для рубки сортового проката на заготовки под объёмную ковку-­штамповку широко применяются пресс-­ножницы в связи с их высокой производительностью и низкой себестоимостью. Недостатком данного способа является низкая стойкость инструмента (ножей) и искажение формы торцовой части (смятие и скол концов) как на отрезаемой заготовке, так и на основном металле.

 

Причиной искажения формы заготовки является наличие технологического зазора между ножами, который формирует очаг деформации. Очаг деформации состоит из трёх зон: I — зона смятия (0,4–0,6) ∙ d (где d — диаметр заготовки), II — зона под режущими кромками ножей (зона деформации) и III — зона, отделяющая очаг деформации от недеформируемой части материала заготовки.

 

Граница области, внутри которой интенсивность деформации ε ≥ 0,005, отдалена от плоскости сдвига на расстояние, не превышающее 0,3÷0,5 размера сечения заготовки, измеряемого в направлении сдвига.

 

При рубке с технологическим зазором большее значение интенсивности напряжений и деформаций в зоне II по сравнению с зоной I объясняют тем, что в процессе рубки деформация заготовки под верхним ножом происходит, когда интенсивность напряжений в области режущих кромок превышает предел текучести разрезаемого материала. Таким образом, по мере роста интенсивности напряжений при отделении заготовки от сортового проката сопротивление постепенно увеличивается с образованием поясков смятия [1], после чего происходит срыв напряжений (резкий сброс давления из-за уменьшения площади среза). Дальнейшее напряжение и перемещение материала заготовки по контактным пояскам верхнего ножа снижается до отделения от сортового проката отрезанной заготовки. Образование очага деформации завершается к моменту начала внедрения режущих кромок ножей в тело деформируемой заготовки, т. е. в момент завершения стадии упругой деформации заготовки и образования утяжины.

 

В 70‑х годах прошлого века советским учёным Г. Д. Делем была доказана связь между твёрдостью HV материала заготовки, интенсивностью напряжений и интенсивностью деформации [2]. Позже В. Д. Лисицын экспериментально установил функциональную связь между макро- и микротвёрдостью металла и показал, что наибольшая интенсивность деформации наблюдается во II зоне, при этом её величина зависит от размера технологического зазора.

 

Зависимость качества поверхности руб­леных торцов заготовок от технологического зазора установил советский изобретатель-­исследователь С. Ш. Яшаяев, предложивший беззазорную резку круглого сортового проката. Он ввёл понятие «дифференцированного зажима», при котором отношение усилия зажима заготовки к усилию резки в процессе среза заготовки поддерживается автоматически за счёт сложной конструкции клиновых зажимов и выражается соотношением [3]:

Pзаж = kPрез,

где k — коэффициент пропорциональности, Pрез — для углеродистых сталей k = (1,5÷2,5).

 

Однако, промышленное освоение резки с дифференцированным зажимом показало, что наличия одного кольцевого обжатия заготовки между ножами-­прижимами недостаточно для качественной разрезки сортового проката на заготовки. Устранение указанных дефектов лежит в области создания в очаге деформации среза условий всестороннего сжатия, что получило развитие в разработанных академиком Е. Н. Мошниным методах наложения осевого давления на торец заготовки применительно к гибке трубопроводов [4].

 

В [5] показано, что при скручивании стержней происходит увеличение их длины. Этот эффект использован авторами статьи в схеме беззазорной резки заготовки, что способствовало созданию в зоне резки осевого сжатия, которое в сочетании с дифференцированным зажимом говорит о наличии в зоне среза всестороннего сжатия. Это сжатие объясняется тем, что при стесненном скручивании, наряду с касательными и нормальными напряжениями, возникает эффект депланации поперечного сечения, при этом осевые и распорные усилия могут достигать значений более 20% от усилия резки.

 

Разделение заготовки происходит путем пластического сдвига без разрушения при значении величин осевого сжатия порядка (2÷5) ∙ σт, где σт — предел текучести [6].

 

В развитии технологии беззазорной резки с использованием устройства скручивания [7] разработан способ резки сортового круглого металлического проката (рис. 1), обеспечивающий создание в очаге деформации условий всестороннего сжатия за счёт поперечного кручения зоны резки заготовки и дифференцированного зажима, автоматически поддерживающего расчётные отношения усилия зажима заготовки к усилию резки.

 

а) Рис. 1. Схема устройства для резки сортового проката, исходное положение: а) вид спереди, продольный разрез; б) разрез А–А, конструктивные элементы штампа; в) вид левой половины, разрез Б–Б; г) вид правой половины, разрез А–А. Обозначения:

б)Рис. 1. Схема устройства для резки сортового проката, исходное положение: а) вид спереди, продольный разрез; б) разрез А–А, конструктивные элементы штампа; в) вид левой половины, разрез Б–Б; г) вид правой половины, разрез А–А. Обозначения:

в)Рис. 1. Схема устройства для резки сортового проката, исходное положение: а) вид спереди, продольный разрез; б) разрез А–А, конструктивные элементы штампа; в) вид левой половины, разрез Б–Б; г) вид правой половины, разрез А–А. Обозначения:

г) Рис. 1. Схема устройства для резки сортового проката, исходное положение: а) вид спереди, продольный разрез; б) разрез А–А, конструктивные элементы штампа; в) вид левой половины, разрез Б–Б; г) вид правой половины, разрез А–А. Обозначения:

Рис. 1. Схема устройства для резки сортового проката, исходное положение: а) вид спереди, продольный разрез; б) разрез А–А, конструктивные элементы штампа; в) вид левой половины, разрез Б–Б; г) вид правой половины, разрез А–А.
Обозначения:
1 — станина, 16 — заготовка.
— Подвижный узел (разрез А-А, правая сторона рис. 1 г): 
1 — станина, 2 — гидроподушка, 3 — выталкиватель, 4 — ползун, (6–9) — вкладыш-ножи, 17 — траверса правая, 19 — проставка, 
21 — рычаг вертикальный, 22 — рычаг горизонтальный,
23 — гидроцилиндр боковой, (24–25) — гидроцилиндры вертикальные, 26 — рычаг вертикальный.
— Стационарный узел (разрез Б–Б, левая сторона рис. 1 в): 
5 — прижим, (10–13) — вкладыш-нож, (14–15) — упругие элементы, 18 — траверса левая, 20 — проставка, (27–28) — рычаги вертикальные, 29 — гидроцилиндр боковой, (30 и 32) — гидроцилиндры вертикальные, 31 — рычаг вертикальный.

 

 

 

Скручивание зоны резки приводит к осевому дефекту деформации, который создаёт трёхосное неравномерное сжатие, обеспечивает высокое гидростатическое давление, под действием которого изменяется характер процесса образования сколов — полностью исключается разрушение структуры материала, происходит выравнивание осевого зазора в угловом направлении.

 

Отделение заготовки от сортового проката происходит путём пластического сдвига, при этом срез торца отрезанной заготовки имеет зеркально гладкую поверхность, перпендикулярную продольной оси заготовки.

 

Углы поворота ползуна и прижима (θ и φ) образуют угол скручивания зоны резки заготовки
ω = θ + φ,
который, в зависимости от вязкости материала заготовки, может составлять от 6 до 25°.

 

Усилие зажатия вкладышами-­ножами основной части прутковой заготовки (а1, β1) должно отличаться в большую сторону от усилия зажатия вкладышами-­ножами отделяемой части мерной заготовки (а2, β2) на несколько процентов, что связано с процессом увеличения длины отрезанной мерной части заготовки на десятые доли процента после её освобождения от сжатия вкладышей-­ножей. Величины углов наклона скошенных поверхностей клиновых зажимов а и β выбирают в пределах от 45° до 75°, при этом эти углы могут быть равными между собой. Граничные значения соотношения усилия зажатия заготовки к усилию разделения её на отдельные части определены механическими свой­ствами материала заготовки и находятся из соотношения:
 

Pзаж = (1…3,7) ∙ Pрез.

Для «мягких» материалов (свинец) отношение усилие зажима к усилию резки выбирается и поддерживается равным:

Pзаж = Pрез.

Для «жёстких» материалов (высоколегированных сплавов) усилие зажима не должно превышать величины усилия среза:

Pзаж = 3,7 ∙ Pрез.

При повышении усилия зажима разделение заготовки на части сопровождается разрушением кромок режущего инструмента.

 

Штамп оснащён системой ЧПУ, например, модели NCT 104/FS, преобразующей сигналы, поступающие от датчиков, связанных с управляющей программой, выполненной в соответствии с международным стандартом ISO 6983.

 

Исходными силовыми параметрами для программирования перемещения гидроцилиндров являются данные механических испытаний заготовки на предельные деформации кручения и среза, осевое перемещение сортового проката и удаление отрезанной заготовки из зоны резки.

 

Пример осуществления способа

 

Пруток сортового проката Ø36 мм, длиной 105 мм из стали 30ХГСА ТУ 14-1-3238-2006 устанавливают в штамп до упора, определяющего длину отделяемой мерной части. Предел прочности прутка сортового проката на растяжение в зависимости от термической обработки составляет (655–1080) МПа, при этом сила резки [8]

Pрез = σрезFсеч, находится в зависимости от σрез = (0,25÷0,75) σв и составляет не более 80 тс.

 

Резку заготовки осуществляют на установке, включающей две гидростанции модели ГСЭ2МР‑19/12-116/24-Д250Т-ХРРП (два электродвигателя 45,0 кВт и 5,5 кВт, 380В, давление — 19/12 Мпа, подача насоса — 116/24 л/мин, объем гидробака — 250 л.), одна из которых связана с гидроцилиндрами вертикального перемещения (24–25 и 30, 32), другая — с гидроцилиндрами горизонтального перемещения (23 и 29).

 

Гидроподушка настраивается на режим работы от датчика давления, при этом начальное усилие составляет 0,1 от усилия резки прутковой заготовки

Pгп = 0,1 ∙ Pрез.

 

По мере смещения вкладышей-­ножей усилие противодавления возрастает до усилия начальной резки прутка

Pгп = Pрез.

 

За расчётный крутящий момент принимается наибольший длительно действующий момент на валу двигателя

Mкр = 328 725 кгс∙см, крутящий момент на валу электродвигателя составляет Mкр = 9950 Н∙м.

 

По мере кручения, осевое усилие (распор) выражается уравнением:

 


где R — радиус заготовки, r — текущий радиус в зависимости от сдвига γ,


σ'0 — интенсивности напряжений при растяжении образца до интенсивности деформации e0, e0 — величина накопленной деформации кручения 


σ"0 — интенсивность напряжений при кручении образца до интенсивности деформации e0, e0 — величина накопленной деформации при растяжении
        

 

Для углеродистой стали коэффициент пропорциональности k зажима прутка принимают равным k = 2,5; при этом усилие зажима вкладышами-­ножами составляет не более 200 тс.
Угол клинового зажима a на ползуне составляет 65°, максимальное усилие зажима — Paзаж = 161÷172 тс, на прижиме угол β принимается равным 68°– усилие зажима составляет порядка Pβзаж =180÷198 тс, а осевое распорное усилие, согласно уравнению, составляет порядка 
ρос = 86÷100 тс.

 

Проставками 19–20 осуществляют фиксацию траверс 17–18, скошенные клиновые поверхности способствуют дифференцированному зажиму прутка. Разрезка прутка на отдельные части в условиях дифференцированного зажима проводится путём перемещения вертикальных гидроцилиндров 24, 25 и бокового гидроцилиндра 23.

 

В плоскости среза прутка создаются осевые сжимающие напряжения, способствующие пластическому течению металла и получению чистого среза. Осевые распорные усилия достигают 20% от усилия резки, скорость сдвиговой деформации скручивания — 9∙10–4 с–1.

 

Вследствие уменьшения площади поперечного сечения, резко уменьшается усилие резки. При этом происходит автоматическое подстраивание усилия зажима заготовки к усилию её среза, что позволяет «мягко» разделить пруток на отдельные части.

 

Угол поворота ползуна 5 относительно вертикальной оси устройства равен θ = 6°, прижима — φ = 7°. Сумма углов поворота клиновых зажимов ω вокруг геометрического центра заготовки — (φ + θ) = 13°.

 

При подъёме вертикальных гидроцилиндров 24 и 2 отрезанная мерная часть, удлиняясь, отводит подпружиненный упор в сторону. После принятия устройством исходного положения вкладыши-ножи 6–9 и 10–13 за счёт упругих элементов 14–15 возвращаются в исходное положение, освобождая пруток и отрезанную мерную заготовку от захвата. Освобождённый от захвата свободный конец заготовки перевешивается, передним концом опрокидывается на склиз и под действием силы тяжести переходит в распределитель для транспортировки на участок штамповки.

 

Далее процесс резки сортового проката повторяется.

 

Плоскость среза заготовки получается ровная, блестящая, без шероховатостей, вырывов и заусенцев. Торец прутковой заготовки гладкий, зеркальный, не имеет трещин, сколов и заусенцев.

 

Деформация кручения доходит до 22–25%, компонента осевой деформации от предельной деформации кручения составляет 0,3–0,4%, а деформация поперечного сдвига — 1 (предельная деформация сдвига). Таким образом, подтверждён диапазон оптимального коэффициента пропорциональности для данного класса материала прутка (30ХГСА):
 

 

Для каждого типа материала заготовки (стальных и цветных металлов) опытным путём подбирается скорость резки.

 

 

Выводы

 

1. Разработана технология резки сортового проката на заготовки посредством создания в очаге деформации трёхосного неравномерного сжатия путём сложения усилий от радиальной и осевой деформации в условиях поперечного пластического сдвига при постоянном поддержании в автоматическом режиме отношения усилия радиального сжатия к усилию поперечного среза.
2. Разработан инструмент для технологии беззазорной резки сортового проката на отдельные заготовки под ковку-­штамповку с использованием дифференцированного зажима, обеспечивающего получение на торцах среза плоской зеркально гладкой поверхности без смятия и сколов, перпендикулярно расположенной к оси заготовки.

 


Литература

  1. Соловьёв С. С. Безотходная разрезка сортового проката в штампах. М.: Машиностроение, 1985. 176 с.
  2. Дель Г. Д. Технологическая механика. М., «Машиностроение», 1978. 174 с., илл. (Б-ка расчётчика).
  3. Яшаев С. Ш. СССР № 156 032, заявлено 10.02.1962 г., опубл. 25.08.1963. Бюл. № 14.
  4. Мошнин Е. Н. Янов С. Н. Методика определения силовых параметров машин для гибки труб с осевым сжатием // Кузнечно-­штамповочное производство. 1975. № 12. С. 15–18.
  5. Панов А. Д. Изменение длины идеально упругих стержней при кручении // Изв. РАН. МТТ. 2008. № 2. С. 71–78.
  6. Ковка и штамповка. Справочник. В 4‑х томах. Под ред. Е. И. Семенова. М.: Машиностроение, 1985. Том 1. Материалы и нагрев. Оборудование. Ковка / Под ред. Е. И. Семенова. 568 с.
  7. Патент на изобретение № 2 630 154 РФ, МПК В23D23/04 (2006.01). Способ резки проката и штамп для его осуществления / Вайцехович С. М., Овечкин Л. М., Скрыльникова А. Г. (Россия). № 2016 123 671 (036965) от 15.06.2016, опубл. 05.09.2017. Бюл. № 25 — заявитель и патентообладатель ФГУП «НПО «Техномаш» (RU).
  8. Вайцехович С. М. Перспектива резки сортового проката на механических прессах в заготовительном производстве / С. М. Вайцехович, Д. В. Панов, Г. Г. Кривенко, Л. М. Овечкин. // Заготовительные производства в машиностроении. 2016. № 8. С. 19–25.

 

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 9-2021

 

 

Внимание!
Принимаем к размещению новости, статьи
или пресс-релизы с ссылками и изображениями.
ritm@gardesmash.com

 

Реклама наших партнеров