CC BY
63
УДК 621.901.621.9
ФОРМИРОВАНИЕ ОТВЕРСТИЙ ВРАЩАЮЩИМСЯ ПУАНСОНОМ В ЛИСТОВОЙ ЗАГОТОВКЕ
П.В. Шаламов
MANUFACTURING OF THE HOLE MADE BY ROTATING TOOL IN SHEET BLANK
P.V. Shalamov
Рассмотрены стадии формирования и геометрические параметры отверстия, изготовленного вращающимся пуансоном в листовой заготовке.
Ключевые слова: форма, геометрические размеры, отбортовка, длина свинчивания.
Stages of formation and geometrical parametres of the hole made by the rotating tool in sheet blank.
Keywords: саrving connection, rotating tool, geometrical sizes.
Для формирования резьбового отверстия в листовой заготовке толщиной 1-12 мм применяют отверстия, изготовленные, например, вращающимся пуансоном на вертикально-сверлильном и вертикально-фрезерном станках с механической подачей инструмента [1-4]. При этом для каждой толщины заготовки назначаются определённые режимы и параметры: диаметр пуансона и число оборотов, подача инструмента [2]. Однако неизвестна методика определения этих параметров, что затрудняет разработку технологии изготовления отверстий. С целью совершенствования технологии изготовления отверстий в заготовке толщиной от 2 мм и менее предлагается использовать вертикально-сверлильные станки, где вместо принудительной подачи инструмента применяют рычажную систему, обеспечивающую перемещение пуансона при заданной нагрузке. Это позволяет также применять станки только с ручной подачей инструмента и малой мощности, что значительно увеличивает возможности получения отверстий для изготовления резьбовых соединений. При реализации этой схемы автоматически устанавливается взаимосвязь между толщиной заготовки 5, осевым усилием Дс, временем протекания процесса t, температурой деформированного металла T, тепловой мощностью источника q и геометрическими параметрами отверстия.
Образцы для получения отверстий изготавливались из стали 08кп, толщиной 2; 1,5; 0,8 мм. Пуансон изготовлен из твёрдого сплава ВК6, диаметром 5 мм, с углом конуса 20°. Частота вращения пуансона 2000 мин-1. Измерение осевого усилия в процессе деформирования заготовки производилось с применением динамометра и индикатора модели И-410, а температуры - хро-мель-алюмелевой термопарой. Измерение температуры производилось на расстоянии 2,5 мм от осевой линии намечаемого отверстия на верхней и нижней поверхностях заготовки в процессе всей деформации. Показания всех приборов фиксировалось цифровой фотокамерой с частотой 10 кадров в секунду, с последующим построением графиков на компьютере.
На рис. 1 представлены стадии образования отверстия в заготовке при свободном перемещении вращающегося пуансона при заданной нагрузке.
По характеру изменения осевого усилия весь цикл образования отверстия в заготовке можно разделить на четыре стадии (рис. 1, а). На первой стадии происходит нагрев заготовки за счет сил трения вращающимся пуансоном, внедрение его в заготовку, пластическое течение металла в верхнюю и нижнюю части заготовки (рис. 1, б). При этом осевая сила не изменяется. На второй стадии наблюдается колебание осевой силы, а на третьей - её некоторое снижение. На четвертой стадии процесса, по мере уменьшения площади контакта поверхности конуса и формируемого отверстия, сопротивление перемещению пуансона снижается, осевое усилие уменьшается. В момент выхода конуса пуансона из отверстия осевое усилие снижается до нуля и окончательно формируются параметры отверстия с нижним и верхним кольцами. При изготовлении отверстия вращающимся пуансоном на заготовках толщиной 1,5 и 0,8 мм также отмечаются четыре стадии изменения осевого
Технология
усилия. Следует отметить, что на заготовке толщиной 0,8 мм верхнее кольцо не образуется и весь деформируемый металл идёт на формирование только нижнего кольца отверстия.
После обработки экспериментальных результатов, полученных при изготовлении отверстия вращающимся пуансоном в листовом металле толщиной 0,8; 1,5; 2,0 мм по вышеприведённой методике, установлено (см. таблицу), что осевое усилие определяет все основные параметры операции: температуру деформированного металла заготовки, время процесса, тепловую мощность и геометрические размеры отверстия (рис. 2).
I II III 1\
Рис. 1. Стадии образования отверстия вращающимся пуансоном в тонколистовом металле толщиной б = 2,0 мм: а - изменение осевого усилия Рос и температуры Т в точке измерения в зависимости от времени (; б - стадии образования отверстия
Экспериментальные результаты, полученные при изготовлении отверстия вращающимся пуансоном в листовом металле толщиной 0,8; 1,5; 2,0 мм
Исходные данные Экспериментальные результаты Ч, Вт
5, мм Рос, Н Т, °С ґ, с к, мм А, мм Ьь мм
2 440 577 3,8 2,6 1,0 1,3 228
350 610 8,0 2,7 1,0 1,1 -
180 620 14,7 2,7 1,1 1,1 170
1,5 320 400 3,5 2,4 0,9 1,0 150
200 410 7,0 2,4 1,0 1,0 -
125 450 11,0 2,5 1,0 1,0 80
0,8 120 300 4,5 2,5 0,8 - 52
100 340 6,8 2,7 0,8 - -
80 340 9,1 2,7 0,7 - 37
Примечания: 1. Диаметр пуансона 5 мм, частота вращения шпинделя станка 2000 мин '.
2. Остальные параметры см. на рис. 2.
Шаламов П.В.
Формирование отверстий вращающимся пуансоном
в листовой заготовке
Из таблицы видно, что с уменьшением осевой силы Рос температура Т возрастает, так как время протекания процесса увеличивается.
Внедрение и перемещение вращающегося пуансона в заготовке при заданном осевом усилии, толщине заготовки, диаметре и угле заточки пуансона произойдут в том случае, когда температура деформируемого металла достигнет величины, при которой предел прочности металла снизится до величины, при которой сопротивление перемещению пуансона станет ниже осевого усилия. Поэтому возможен некоторый диапазон величин осевого усилия, при котором осуществляются операции изготовления отверстия в тонколистовом металле вращающимся пуансоном (см. таблицу). С уменьшением осевого усилия при всех толщинах заготовки температура деформированного металла и время изготовления отверстия увеличиваются. При этом геометрические размеры колец отверстия при одной и той же толщине заготовки и приведённых в таблице величин осевых усилий остаются постоянными. Подобная зависимость влияния осевого усилия на температуру деформируемого металла и время протекания процесса наблюдалась при пластическом деформировании вращающимся стальным трубчатым пуансоном латунной трубчатой заготовки [5].
Рис. 2. Геометрические параметры отверстия: б - толщина заготовки, мм; Я - радиус отверстия, мм; Л и Л - высота нижнего и верхнего колец отверстия, мм; Л - толщина колец отверстия, мм; 1 и 1' -точки измерения температур
Одним из параметров, определяющим эффективность изготовления отверстия с кольцами, является тепловая мощность источника теплоты. Однако эти сведения в литературе отсутствуют. Учитывая, что процесс изготовления отверстия в листовом металле вращающимся пуансоном аналогичен сварке трением, тепловая мощность источника теплоты может определяться по формуле [6]
Ч = М/уР0С, (1)
где М - тепловой коэффициент механической работы (кал/кгсм); V - линейная скорость (см/с); Р0с - удельное давление (кг/см2);/ - коэффициент трения.
Уравнение (1) описывает связь между исходными параметрами изготовления отверстия вращающимся пуансоном и мощностью. Однако в настоящее время отсутствуют сведения о коэффициенте трения для этих условий, а поэтому решение уравнения (1) невозможно как при сварке трением [6], так и при изготовлении отверстия в листовом металле вращающемся пуансоном.
Известно [7] уравнение, связывающее температуру нагреваемого металла и мощность линейного источника теплоты:
АТ =-----Е, (-—),
4тсА,5 4аґ
(2)
где АТ - приращение температуры при нагреве заготовки электрической дугой (°С); д - тепловая мощность источника (Вт); X - коэффициент теплопроводности (Вт/см); Я - радиус пятна нагрева (отверстия); а - коэффициент теплопроводности (см2/с); Е, - интегральная показательная функция.
Уравнение (2) соответствует условиям нагрева деформируемой заготовки вращающимся пуансоном, так как температура по всей толщине заготовки постоянна [7, 8]. В таком случае тепловая мощность линейного источника теплоты при изготовлении отверстия вращающимся пуансоном при определённой температуре определяется как 4%кЬАТ
дЯ- (3)
Е, (-—)
' 4аі
Технология
Температура металла в момент окончания деформации известна (см. таблицу), тогда уравнение (3) позволяет определить тепловую мощность, затрачиваемую на нагрев деформированного металла. С уменьшением осевого усилия (см. таблицу) при любой толщине заготовки тепловая мощность, необходимая для нагрева деформированного металла, уменьшается, а время операции увеличивается.
Выводы
1. Применение вертикально-сверлильного станка с рычажным перемещением пуансона в исследованном диапазоне осевых усилий позволяет изготавливать отверстия в тонколистовом металле толщиной 2,0.. .0,8 мм.
2. Внедрение и перемещение вращающегося пуансона в заготовке связаны с нагревом зоны контакта поверхностей пуансона и заготовки за счёт трения и соответствующего снижения предела прочности деформируемого металла.
3. Геометрические параметры отверстия, изготовленного вращающимся пуансоном в заготовке толщиной 0,8...2,0 мм, в исследованном диапазоне осевых усилий имеют практически одни и те же величины для одной и той же толщины заготовки.
Литература
1. Пархин, В.А. Отбортовка патрубков на трубах, корпусах и листовых заготовках // Технология организации производства и управление: обзор / В.А. Пархин, О.И. Телегин, Г.В. Терпов-ская. - М. : ЦНИИТМАШ, 1980. - 33 с.
2. FormDrill. - www.formdrill.com/formdrill.him
3. Хоменко, В.В. Формообразование узлов крепления в тонкостенных деталях методом пластического сверления: дис. ... канд. техн. наук /В.В. Хоменко. - М., 2005. - 128 с.
4. Зотов, О.В. Совершенствование технологии обработки тонкостенных деталей методом пластического сверления: дис. ... канд. техн. наук / О.В. Зотов. - М., 2007. - 162 с.
5. Норицын, И.А. Исследование режимов термофрикционной формовки / И.А. Норицын, Б.Я. Тазизов //Кузнечно-штамповочное производство. - 1976. - № 9. - С. 12-15.
6. Рыкалин, Н.Н. Нагрев и охлаждение стержней при стыковой сварке трением / Н.Н. Ры-калин, А.И. Пугин, А.И. Васильева // Сварочное производство. - 1959. - № 10. - С. 15-18.
7. Теория сварочных процессов / под ред. В.В. Фролова. - М. : Высш. шк., 1988. - 560 с.
8. Гузеев, В.И. Определение параметров отбортовки и длины свинчивания при изготовлении отверстия вращающимся пуансоном в тонколистовом металле / В.И. Гузеев, П.В. Шаламов, С.Е. Радийчук // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2010. - № 2. - С. 25-29.
Поступила в редакцию 5 мая 2011 г.
Шаламов Павел Викторович. Ассистент кафедры «Технология машиностроения», ЮжноУральский государственный университет. Область научных интересов - изготовление резьбовых соединение в тонколистовом металле. Тел.: (351) 267-92-67; е-mail: [email protected]
Pavel V. Shalamov. Assistant professor of Engineering Techniques Department of the South Ural state university. The area of scientific interests - manufacturing carving connection in sheet metal. Phone: (351) 267-92-67; е-mail: [email protected]
