CC BY
5
4. Ло Синь, Евсюков С.А., Юй Чжунци. Исследования процесса вытяжки в коническую матрицу // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 9. С. 513-520.
5. Алексеев А.В. Горячая объемная штамповка сложнопрофильной детали // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 6. С. 406-409.
6. Яковлев С.С., Платонов В.И., Черняев А.В. Математическое моделирование операции изотермического обратного выдавливания анизотропных трубных заготовок // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. Вып. 1. С. 75-84.
7. Жерносек В.Н. Анализ формы детали и течения материала при комбинированном выдавливании // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 12. С. 555-557.
Юрков Иван Владимирович, магистрант, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE PROCESS OF SLEEPING STEEL BILLETS AT DIFFERENT MODES
I.V. Yurkov
The paper considers the possibility of replacing the workpiece with another one with a smaller diameter, but a greater height to obtain a part with a flange by hot and cold stamping. Technological forces and stages of the process of upsetting are estimated.
Key words: billet with flange, steel, detail, upsetting, temperature, hot stamping, cold stamping.
Yurkov Ivan Vladimirivich, student, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.961.2, 62-419.5
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-9-475-480
ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИЛЫ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ ОПЕРАЦИЙ
МНОГОСЛОЙНЫХ МАТЕРИАЛОВ
А.В. Черняев, В.А. Коротков, В.Т. Нгуен
Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований технологической силы вырубки-пробивки трехслойных уплотнителей со средним металлическим слоем и поверхностными слоями из терморасширенного графита. Приведены зависимости силы процесса от толщины центрального металлического слоя, диаметра изготавливаемого изделия и угла конусности инструмента. Показано удовлетворительное согласование результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Ключевые слова: трехслойные уплотнители, терморасширенный графит, вырубка, пробивка, сила.
Во многих отраслях промышленности, таких, как машиностроение, атомная энергетика, строительство нефтяных, газовых и прочих магистралей для перемещения жидких и газообразных агрессивных сред широко применяются многослойные комбинированные конструкции с чередующимися металлическими и упруго-эластичными слоями из композитных материалов [1-3]. Это относится к многослойным уплотнительным плоским трехслойным уплотнительным (прокладочным, компенсаторным и прочим) деталям, у которых средний слой является металлическим, а поверхностные слои - из терморасширенного графита (рис. 1).
Рис. 1. Трехслойные кольцевые уплотнители с внутренним металлическим и неметаллическими поверхностными слоями
Отличительной особенностью разделительных операций трёхслойных материалов с внутренним металлическим и неметаллическими поверхностными слоями является последовательная сначала вырубка неметаллического слоя, затем вырубка более прочного, но более тонкого металлического слоя. Индикаторная диаграмма вырубки трёхслойных композитных материалов из полосы при внедрении конусного инструмента диаметром Б = 25 мм приведена на рис. 2. Использование конусного инструмента с углами конусности в меньше 45о необходимо для получения качественной поверхности среза неметаллического слоя композитного материала. Поэтому требуется определить особенности внедрения такого инструмента во внутренний металлический слой. На графике можно выделить 2 характерных пика нагрузки: I - разрушение верхнего неметаллического слоя (Р = 2,93 КН), II - срез (разделение) внутреннего металлического слоя (Р = 9,44 КН). В качестве технологической силы процесса в дальнейших исследованиях принималась максимальная сила, соответствовавшая срезу металлического внутреннего слоя.
10 000
аооо
X 4000
2 000
ы
I
3 4 5
Перемещение, мм
Рис. 2. Индикаторная диаграмма вырубки трехслойной заготовки
Поэтому технологическая сила операции вырубки-пробивки указанных деталей при внедрении конусного инструмента определяется по выражению [4]:
Р = ж(<уе -к)-[[ + tgв(H +1вт^)]-(Н +1вт^)-tgв, (1)
где <е - величина среднего напряжения в вершине конического рабочего участка пуансона (точка Е), к - пластическая постоянная материала; Б - диаметр вырубаемой заготовки; в -угол конуса пуансона; Н - глубина внедрения пуансона в материал (толщина заготовки); I -длина зоны образования прямолинейного наплыва; у - угол наклона наплыва к поверхности заготовки (рис. 3).
С использованием выражения (1) выполнены исследования силовых режимов вырубки-пробивки сталей 12Х18Н10Т (< = 220МПа), 20Х20Н14С2 (< = 295МПа), 08X13
(< = 350 МПа) в зависимости от геометрических параметров инструмента и заготовки. Графические зависимости технологической силы вырубки-пробивки Р от толщины центрального
металлического слоя Зм диаметра изготавливаемого изделия О и угла конусности инструмента в по предлагаемой конструкции поля линий скольжения для исследуемых материалов представлены на рис. 4.
2 п оЛ х/: г у \\ ..........-/ г
® о у \\© у* \ V ' Я / \ ^ \ / \ФД ®JX
D J Е - ©
Рис. 3. Схема вдавливания (внедрения)осесимметричного гладкого конусного пуансона в жесткопластическое полупространство: 0 - пуансон; 1 - жесткая область материала; 2,3,4 - пластические области в соответствии с выбранной конструкцией поля линий
скольжения
Анализ полученных графических зависимостей показывает, что при увеличении толщины центрального металлического слоя SM от 0,2 мм до 1,0 мм, и диаметра вырубаемой детали D от 10 мм до 35 мм технологическая сила P линейно возрастает в 4,2 и 2,5 раза соответственно. Увеличение угла конусности инструмента 9 от 15 до 450 приводит к росту P в 1,8-3,6 раза.
С целью подтверждения результатов силового анализа операции вырубки-пробивки, полученных аналитически, выполнены экспериментальные исследования влияния диаметра вырубаемого изделия D и угла конусности инструмента 9 на технологическую силу процесса P. Исследования проводились на базе Испытательно-лабораторного цента ТулГУ. В качестве оборудования использовалась испытательная машина Р5 с возможностью записи индикаторных диаграмм.
В эксперименте использовались пуансоны с углами конуса рабочей части 9 = 15, 30, 45°, и диаметрами D = 12,5, 16, 20, 25, 32 мм. Изменение угла конусности инструмента осуществилось переточкой рабочей части пуансона диаметром D = 25 мм на токарном станке. Набор пуансонов для экспериментальных исследований показан на рис 5.
Исследования выполнялись для трехслойного композитного материала марки МГЛ-2-212-4,0 с наружными неметаллическими слоями из пенографита толщиной 2,2 мм, и армированным центральным слоем из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т (AISI 316) толщиной SM =0,2 мм. Заготовка для вырубки и полученные изделия представлены на рис. 6, 7.
Результаты замеров силы процесса при варьировании диаметра пуансона D и фиксированном угле 9=30° и угла конусности пуансона 9 при фиксированном диаметре вырубки D = 25 мм приведены на рис 8 (обозначены точками). После статистической обработки экспериментальных данных с использованием программы «Table Curve 2D» были получены двухмерные зависимости технологической силы от диаметра изделия и угла конусности инструмента (рис. 8), аппроксимированные зависимостями
P = 242,66D -108,9; (2)
P = 3,8392 + 2900. (3)
В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что полученная аналитически зависимость (1) статистически адекватно (при уровне доверительной вероятности р = 0,95) определяет технологическую силу вырубки-пробивки в зависимости от
величины диаметра, по которому производится разделительная операция, угла конусности инструмента, механических характеристик сплава центрального слоя и его толщины в исследуемом диапазоне варьируемых параметров.
0.5 о.б о,г о.а 5„
а
22 ООО
Р, н
б
180 00
3
2
35 0 Градус 45
Рис. 4. Графические зависимости: а - Р от Sм (О = 25 мм, в = 30");
б - Р от Б (Бы = 0,2 мм, в = 300); в - Р от в (Бы = 0,2 мм, Б = 25 мм); 1 - сталь 12Х18Н10Т; 2 - сталь 20Х20Н14С2; 3 - слать 08X13
Рис. 5. Набор пуансонов для экспериментальных исследований
в
Рис. 6. Заготовка для экспериментальных исследований
Сопоставление расчетных данных и результатов экспериментальных исследований силы вырубки-пробивки трехслойных уплотнителей с центральным металлическим слоем из стали 12Х18Н10Т толщиной Sм = 0,2 мм показало, что расхождение результатов определения
технологической силы вырубки-пробивки в зависимости от диаметра изделия не превышает 10%. Расхождение по углу конусности инструмента в диапазоне углов в = 15...30° не превышает 15%. При увеличении в до 45° расхождение достигает 23%. Следует отметить, что при вырубке-пробивке уплотнителей из трехслойных материалов с увеличенной толщиной неметаллических наружных слоев рекомендованные значения углов конусности инструмента составляют в = 6.24° [1-3].
Рис. 7. Изделия, полученные вырубкой из трехлойного материала
О (тт) а
б
Рис. 8. Графические иллюстрации искомых зависимостей: а - Р = Р(Б); б - Р = Р(в).
Указанное выше позволяет утверждать, что экспериментально полученные и аппроксимированные зависимости (2), (3) обеспечивают возможность упрощенного определения технологической силы при изготовлении плоских кольцевых деталей из композитных материалов с утолщенными неметаллическими слоями. Малый угол конусности инструмента способствует не только снижению силы, но также необходим для получения качественной поверхности среза в готовой детали.
Работа выполнена в рамках гранта по государственной поддержке ведущих научных школ Российской Федерации НШ-2601.2020.8.
479
Список литературы
1. Панфилов Г.В., Нгуен В.Т. Способы изготовления трехслойных уплотнителей с наружными металлическими и центральным эластичным слоями // Заготовительные производства в машиностроении. 2021. Том 19. №2. С. 61-66.
2. Панфилов Г.В., Нгуен В.Т. Штамповая оснастка и инструмент для изготовления трехслойных плоских кольцевых деталей с композитными материалами // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2021. № 2. С. 20-26.
3. Панфилов Г.В., Нгуен В.Т. Многофакторное экспериментальное исследование качества изготовления трехслойных уплотнительных плоских деталей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 3. 2021. С. 7-15.
4. Панфилов Г.В., Черняев А.В., Нгуен В.Т. Аналитическое решение методом линий скольжения задачи о вдавливании конусного инструмента в полупространство в условиях осевой симметрии // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 9. 2021. С. 449 - 451.
Черняев Алексей Владимирович, д-р техн. наук, доцент, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Коротков Виктор Анатольевич, канд. техн. наук, доцент, mpf-tula@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Нгуен Ван Тинь, аспирант, tinhnguyenvan1003@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет
RESEARCH OF TECHNOLOGICAL FORCE OF SEPARATING OPERATIONS OF MULTILAYER
MATERIALS
A.V. Chernyaev, V.A. Korotkov. V.T. Nguyen
The results of theoretical and experimental studies of the technological force of cutting-punching of three-layer seals with a middle metal layer and surface layers of thermally expanded graphite are presented. Dependences of the process force on the thickness of the central metal layer, the diameter of the manufactured product and the taper angle of the tool are given. Satisfactory agreement between the results of theoretical and experimental studies is shown.
Key words: three-layer seals, thermally expanded graphite, cutting, punching, force.
Chernyaev Aleksey Vladimirovich, doctor of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Korotkov Viktor Anatolievich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Nguyen Van Tinh, postgraduate, tinhnguyenvan1003@gmail.com, Russia, Tula, Tula State University
