CC BY
8
УДК 539.374 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-3-7-15
МНОГОФАКТОРНОЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРЕХСЛОЙНЫХ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ
ПЛОСКИХ ДЕТАЛЕЙ
Г.В. Панфилов, В.Т. Нгуен
Проведено полное факторное экспериментальное исследование процесса отделения внешнего отхода сдвигом полуфабрикатов трехслойных уплотнителей с средним металлическим слоем и периферийными наружными слоями увеличенной толщины из терморасширенного графита. Проанализированы полученные уравнения регрессии выходных параметров, указана степень влияния каждого указанного геометрического размера инструмента и оснастки (варьируемого фактора) на результирующий параметр качества (выходной параметр) изготавливаемого уплотнительного элемента.
Ключевые слова: полный факторный эксперимент, удаление сдвигом наружного отхода трехслойных уплотнителей, терморасширенный графит, инструмент с клиновыми (на меридиональном профиле) выступами.
Очевидно, что трехслойные прокладки и прочие уплотнительные элементы, у которых средний слой является силовым (несущим), а периферийные упруго-эластичные слои, выполненные из композитных материалов, имеют увеличенную толщину, изготавливать с использованием кольцевых выступов клинового профиля на инструменте и оснастке разделительными операциями штамповки весьма проблематично. В этом случае известные способы вырубки и пробивки [1 ,2] становятся неэффективными, поскольку необходимы весьма высокие клиновые выступы, прорезающие наружные эластичные слои перед жестким прижимом среднего металлического слоя. Таким образом, при утолщенных периферийных упруго-эластичных слоях указанные рабочие выступы обладают пониженной стойкостью и в значительной степени повреждают материал периферийных слоев в зоне среза у изготавливаемой детали. Аналогичные большие повреждения получает в зоне разделения отход пробивки, который является заготовкой для изготовления плоских кольцевых деталей меньшего наружного диаметра. Это приводит к снижению коэффициента использования материала.
1. Разработка усовершенствованной схемы штампа и инструмента для вырубки деталей с утолщенными периферийными упруго-эластичными слоями. Ранее было установлено [1-3], что наиболее значимыми дефектами являются: деформация центрального металлического слоя (изгиб) в зоне обработки (рис. 1, а); нарушение перпендикулярности торцевой (круговой) поверхности и плоскостей изготавливаемых деталей и образование значимого заусенца на ее торцах (рис. 1, б). Отсутствие перпендикулярности торцов и плоскостей легко оценить, глядя на плоскости изготавливаемых трехслойных деталей типа «плоская шайба» с обеих сторон (рис. 2).
Для усовершенствования штампующего устройства, осуществляющего разделительную операцию вырубки (обрезки), в работе [4] обоснована и спроектирована специальная конструкция штампа, представленная на рис. 3.
2. Планирование и статистическая обработка результатов полного многофакторного эксперимента. При составлении полного многофакторного экспериментального исследования процесса отделения внешнего отхода сдвигом (вырубка, обрезка) варьируемыми факторами на основе результатов комплекса предварительных экспериментальных исследований установлены (рис. 3, табл. 1) [5, 6]: Х - угол 8 клино-
— £
вого выступа меридионального профиля пуансона 2; %2 = £вс = вс. - относительная
К
толщина верхнего эластичного слоя (на стадии реализации операции вырубки перед
разделением сдвигом среднего металлического слоя, когда предварительно этот эластичный слой сжат соответствующей полостью ограниченной глубины Ип пуансона
(рис. 3); Х3 - ширина кольцевой прижимной площадки tо на торце пуансона 2.
а б
Рис. 1. Дефекты трехслойных изготавливаемых деталей со средним металлическим и наружными утолщенными слоями из терморасширенного графита: а — деформация (изгиб) среднего металлического слоя (наружные слои имеют одинаковую толщину) и заусенец на торцевой поверхности; б — тот же дефект и неперпендикулярность торцевой поверхности и плоскостей детали
Рис. 2. Тонкостенные изготавливаемые трехслойные кольцевые детали, имеющие различную ширину кольца: слева — вид со стороны пуансонного блока (сверху толщина стенки меньше); справа — вид со стороны матричного блока (снизу толщина стенки больше)
С целью минимизации размеров повреждаемых периферийных (по периметру обработки) участков вырубаемой детали значение угла клинового выступа меридионального профиля пуансона выполняется, по возможности, меньшим. Высота клиновых выступов на прижиме-съемнике, пуансоне и матрице зависит от соответствующей высоты и упругих свойств, а также способности к восстановлению материала наружных слоев изготавливаемой трехслойной детали и составляет определенную часть их толщины. Для такого материала, как терморасширенный графит, при увеличенных наружных слоях, эта величина может колебаться в пределах 0,52-0,74 толщины этих
наружных слоев. Диапазоны варьирования факторов £в.с. и t0 определялись с соблюдением условий обеспечения стойкости рассматриваемых клиновых выступов и достаточно и надежного жесткого прижима заготовки по среднему металлическому слою перед его разделением сдвигом.
Конкретные интервалы варьирования принятых факторов (табл. 1) и фиксированные значения прочих геометрических параметров инструмента и оснастки детально обоснованы по результатам предварительных опытных штамповок.
разделительных операций удаления внешнего отхода для изготовления трехслойных плоских кольцевых деталей со средним металлическим слоем и утолщенными периферийными упруго-эластичными слоями из композитных
материалов
Искомыми важными параметрами качества изготавливаемых деталей (выходные параметры искомых уравнений регрессии) являлись показатели качества среза при удалении внешнего отхода (вырубки, обрезки). На рис. 4 показаны геометрические размеры инструмента и оснастки, из которых, частично, составляются выходные параметры проведенного многофакторного исследования:
- Н^ - размер от любой из двух периферийных плоскостей из композитного материала изготавливаемого уплотнительного элемента до центра металлического слоя на участке наружного торца;
- Н 2 - размер от любой из двух тех же периферийных плоскостей данной детали до центра центрального металлического слоя на участке внутреннего торца;
- Н о - общая толщина изготавливаемой кольцевой детали;
- ^тах, - максимальный и минимальный внешние диаметры на обеих периферийных плоскостях изготавливаемой трехслойной кольцевой детали с наружными слоями из композитного материала;
- ^ж, наибольший и наименьший диаметры пробитого отверстия на обеих периферийных плоскостях изготавливаемой трехслойной кольцевой детали с наружными слоями из композитного материала.
9
Значения параметров факторного пространства при вырубке
Таблица 1
(Я
о а о
Ё сЗ
щ
- О К X <и Сг1
СЗ
X
ср о
к
Название фактора
<и К X
е
£
н
з о
ю
о е
о н
ч
а р
^
а аН
в
о р
о
тк а
в
о р
о
тк
а ф
л т о о
н р
е
а
Рч
Область эксперимента
Л
с
о в ь н е в
о р
Еу «
и н
*
и Н
-1
в ь н е в
о х ра ^ н
« 3
о н в о н с О
Л
п о
ь н е в
о р
Еу «
и н
X р
е
т
+1
Х1
Угол клинового выступа меридионального профиля пуансона
81
град.
6,0
11,0
16,0
Относительная толщина верхне-Х2 го эластичного слоя после предварительного поджатия
в.с.
1,1
1,2
1,3
0,1
Ширина кольцевой прижимной Х3 площадки на торце клинового выступа на пуансоне
'0
1,5
3,0
4,5
1,5
0
5
Рис. 4. Схема наиболее важных геометрических размеров, определяющих качество изготовления трехслойных кольцевыхуплотнительных элементов, получаемых разделительными операциями штамповки
В итоге были установлены следующие основные искомые выходные параметры для анализа процесса изготовления:
У1 =
¿0/2 - ¿1 1 - к.
¿0 2 ¿0
- относительная линейная деформация середины ме-
таллического слоя (на участке его внешнего периметра) от центральной оси изготавливаемой трехслойной детали (изгиб металлического слоя в зоне обработки);
У2
а
тах
а
к
тп - тангенс угла ( а) отклонения от перпендикулярности об-
0
разующей наружной торцевой поверхности (по внешнему периметру) и горизонтальной центральной оси (рис. 4) изготавливаемой детали (отклонение от цилиндрической формы торцевой поверхности).
Линейный полином для трех факторов с полным набором возможных эффектов взаимодействий, включая тройной (слагаемое, превращающее данный полином в уравнение третьего порядка) был выбран в следующем виде:
у = ¿о + Ь\Х1 + Ъ2Х2 + ЪзХ3 + ¿>12Х\%2 + ¿13хх + Ъ23х2Х3 + ¿123х\х2х3 • (1) где у - выходной параметр процесса; - искомые коэффициенты регрессии при соответствующих кодированных значениях варьируемых факторов Х(; Ъф, Ъф - искомые коэффициенты регрессии при парном и тройном эффектах взаимодействий х^ • хф,
х^ • хф • хк соответственно, ¡, ф, к - порядковые номера фактора.
В результате, при трех факторах, которые в данном эксперименте варьировались на двух фиксированных уровнях, при проведении для повышения достоверности результатов трех параллельных опытов и использовании аппроксимирующего полинома (1), была составлена матрица планирования полного многофакторного эксперимента (табл. 2), заполненная первоначальной экспериментальной информацией после проведения всех опытов.
После расчета коэффициентов регрессии, построчных дисперсий, дисперсии выходных параметров, дисперсии и среднеквадратического отклонения найденных коэффициентов регрессии, проверки их значимости с использованием критерия Стьюден-та и установления адекватности (точности) полученных регрессионных моделей с помощью критерия Фишера [5], получаем следующий их вид (в кодированных переменных):
У1 = 0,3262+0,0424х1 - 0,0121х2 - 0,0123х3 - 0,0075х1х2 + 0,0088х1х3; (2) у2 = 0,4262 + 0,1603х1 - 0,1028х2 - 0,1223х3 - 0,0131х1х3. (3)
Таблица 2
Матрица планирования с начальными результатами исследования разделительных операций изготовления трехслойной плоской детали
£ Варьируемые факторы Выходные параметры
У1 У2
Х0 Х1 Х2 Х3 Х1 Х2 *1 х3 Х2 Х3 Х1Х2 Х3 у1 у2 У? У1 у2 У22 У! У2
1 + + + + + + + + 0,334 0,337 0,361 0,344 0,351 0,344 0,388 0,361
2 + - + + - - + - 0,243 0,249 0,267 0,253 0,036 0,042 0,090 0,056
3 + + - + - + - - 0,377 0,402 0,382 0,387 0,521 0,576 0,526 0,541
4 + - - + + - - + 0,265 0,291 0,263 0,273 0,244 0,290 0,237 0,257
5 + + + - + - - - 0,351 0,367 0,344 0,354 0,614 0,660 0,607 0,627
6 + - + - - + - + 0,296 0,301 0,321 0,306 0,229 0,234 0,284 0,249
7 + + - - - - + + 0,406 0,384 0,380 0,390 0,843 0,801 0,807 0,817
8 + - - - + + + - 0,294 0,318 0,300 0,304 0,481 0,535 0,487 0,501
Данное представление уравнений регрессии в кодированных (масштабированных) переменных целесообразно использовать при анализе степени влияния на выходные параметры каждого из варьируемых факторов. Для удобства практического применения следует в данных уравнениях пересчитать численные значения коэффициентов регрессии получить указанные уравнения в натуральных значениях факторов.
у1 = 0,24322 + 0,02296 8у + 0,044 £вс. - 0,02111 /0 -
- 0,015 ¿1 • £ в.с. + 0.001173 ¿>1 • 10. у2 = 1,4941 + 0,0373^1 - 1,028£вс. - 0,0623210- 0.00175^ • 10 . (5)
3. Анализ полученных уравнений регрессии.
3.1. Анализ уравнения регрессии с выходным параметром у1. Анализ полученного в кодированных переменных уравнения регрессии (2) позволяет утверждать, что варьируемые в ходе эксперимента факторы влияют на относительную линейную
деформацию середины металлического слоя (на участке его внешнего периметра) от центральной оси изготавливаемой трехслойной детали (изгиб металлического слоя уплотнителя по периметру среза) следующим образом.
С увеличением угла клинового выступа (рис. 3) меридионального профиля пуансона 5 (XI) величина изгиба металлического слоя уплотнителя возрастает в
наибольшей степени (знак «+» и наибольшая абсолютная величина соответствующего коэффициента регрессии, равная 0,0424). Это обосновывается тем, что при окончательном разделении сдвигом среднего металлического слоя внутренний клиновой выступ на пуансоне воздействует на вырубаемую деталь площадкой по периметру среза большей ширины, что увеличивает величину изгиба металлического слоя.
Увеличение ширины кольцевой прижимной площадки на торце клинового выступа на пуансоне to (Х3) с меньшей интенсивностью уменьшает данный выходной параметр (знак «-» и абсолютная величина коэффициента регрессии равна 0,0123). Указанное связано с тем, что при этом увеличивается контактная площадь фиксации и возрастает надежность жесткого прижима металлического слоя перед срезом, исключающая (или существенно уменьшающая) вероятность проскальзывания металла перед срезом.
0,38 0,36 0,34 0,32
У1
0,28 0,26
\
\
\ •Л =4,5
\'о=3
10 12 14 градус 16
Рис. 5. Зависимость относительного изгиба металлического слоя у^ на торцах детали от внутреннего угла фаски, образующей клиновой профиль
рабочей ступени пуансона, при различных значениях ширины кольцевой прижимной площадки (рис. 3) этого пуансона; (Sв.с. = 1,2)
Степень предварительного поджатия верхнего эластичного (упругого) слоя полостью пунсона перед разделением среднего металлического слоя £в с. (Х2) в наименьшей степени влияет на выходной параметр, уменьшая его при увеличении своего модуля (знак «-» и абсолютная величина коэффициента регрессии равна 0,0121). Это обеспечивает создание больших сжимающих напряжений в указанных слоях на участке вырубаемой детали, также способствующих повышению надежности жесткого прижима заготовки по центральному металлическому слою перед срезом.
На рис. 5 и 6 приведены графические зависимости, иллюстрирующие установленное уравнение регрессии для первого выходного параметра. Данные зависимости в натуральных значениях факторов представлены как зависимости выходных параметров от фактора, оказывающего на них большее влияние, для трех частных значений (верхнего, основного и нижнего уровней) фактора, оказывающего второе по значимости влияние на результат. Третий фактор поддерживался на основном (нулевом) уровне.
0,4 0,38 0,36 0,34 0,32
.VI
0,3
0,28 0,26
в, -16°
В, =11»
/
X
1,1 1,15 _ 1,2 1,25 1,3
^ 6.С.---
Рис. 6. Зависимость относительного изгиба металлического слоя у1 на торце
детали от относительной толщины Sв.с. верхнего упруго-эластичного слоя после предварительного сжатия при различных значениях внутреннего угла 51 фаски (рис. 3), образующей клиновой профиль рабочей ступени пуансона; (tQ = 3)
3.1. Анализ уравнения регрессии с выходным параметром . Данный выходной параметр представляет собой тангенс угла (а) отклонения от перпендикулярности образующей наружной торцевой поверхности (по внешнему периметру) и горизонтальной центральной оси изготавливаемой детали (рис. 4). Другими словами его можно назвать отклонением от цилиндрической формы торцевой поверхности изготавливаемой детали «типа плоская шайба». Из анализа знаков перед слагаемыми и численного значения каждого из коэффициентов полученного уравнения регрессии (3) можно сделать следующие выводы. Наибольшее влияние оказывает угол внутренней фаски, нанесенной на торцевой участок кольцевой ступени пуансона 5 (Х\) (численное
значение коэффициента регрессии равно 0,1603). Положительное значение коэффициента регрессии (знак «+») при этом факторе логично, поскольку из схемы операции (рис. 3) очевидно, что увеличение данного угла будет соответствовать увеличению отклонения от перпендикулярности торцевой цилиндрической поверхности изготавливаемой детали и ее наружных плоскостей.
Рис. 7. Зависимость отклонения от цилиндрической формы торцевой поверхности (по наружному периметру) изготавливаемой детали у2 от ширины прижимной
кольцевой площадки tQ (рис. 3) на рабочем торце пуансона при различных
значениях внутреннего угла 51 фаски , образующей клиновой профиль рабочей
ступени этого пуансона ( Sв.с. = 1,2)
13
Вторым по интенсивности воздействия на выходной параметр у2 является фактор ¿о (Х3) (модуль коэффициента регрессии - 0,1223) и наименьшим - фактор
£в.С. (^2) (модуль коэффициента регрессии - 0,1028). Увеличение численного значения последних двух факторов приводит к уменьшению указанного выходного параметра (знак «-» перед соответствующими слагаемыми уравнения регрессии (3)) по тем же причинам, как и для У1 (уравнение (2)), т.е. за счет повышения надежности жесткого прижима заготовки перед срезом.
На рис. 7 и 8 приведены графические зависимости, иллюстрирующие установленное уравнение регрессии для второго выходного параметра.
0,7 0,6 0,5
0,4 0,3 0,2 0,1
У 2
в.С. = 1,1
£ в. / г. = 1.2
Sв с ~ 1 3 /
1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Рис. 8. Зависимость отклонения от цилиндрической формы торцевой поверхности (по наружному периметру) изготавливаемой детали у 2 от ширины прижимной
кольцевой площадки (рис. 3) пуансона при различных значениях относительной толщины Sв.с. верхнегоупругоэластичного слоя после предварительного
сжатия (д\ = 110).
Полученные уравнения регрессии (2), (3) и (4), (5) позволяют для трехслойных уплотнительных элементов данного типа установить наиболее рациональную комбинацию геометрических размеров штамповой оснастки и рабочего инструмента, обеспечивающую изготовление этих деталей повышенного качества.
Список литературы
1. Патент 2483823 РФ. Способ вырубки деталей из листовых многослойных материалов с центральным металлическим слоем и наружными эластичными слоями / Г.В. Панфилов, П.В. Судаков, К В. Власов. Опубл. 10.06.2013 Бюл. №16.
2. Патент 2483824 РФ. Способ вырубки деталей из листовых многослойных материалов с центральным металлическим слоем и наружными эластичными слоями / Г.В. Панфилов, П.В. Судаков, К В. Власов. Опубл. 10.06.2013 Бюл. №16.
3. Панфилов Г.В., Нгуен В.Т., Фомичева Д. А. Многофакторное экспериментальное исследование качества вырубки трехслойных уплотнителей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 6. 2018. С. 62-80.
4. 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
5. Зажигаев Л.С., Кишьян А.А., Романиков Ю.И. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента. М.: Атомиздат, 2018. 232 с.
6. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. 279 с.
Панфилов Геннадий Васильевич, д-р техн. наук, профессор, tu/pan.2000@, yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Нгуен Ван Тинь, аспирант, tinnguyenvan1003@gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет
FACTORIAL EXPERIMENTAL STUDY OF THE MANUFACTURING QUALITY OF
THREE-LAYER SEALING PARTS
G. V. Panfilov, V. T. Nguyen
A complete factorial experimental study of the process of separation of external waste by shifting semi-finished products of three-layer seals with a medium metal layer and peripheral outer layers of increased thickness made of thermally expanded graphite was carried out. The obtained regression equations of the output parameters are analyzed, the degree of influence of each specified geometric size of the tool and tooling (variable factor) on the resulting quality parameter (output parameter) of the manufactured sealing element is indicated.
Key words: full factorial experiment, removal of external waste by shear of three-layer seals, thermally expanded graphite, tool with wedge protrusions.
Panfilov Gennady Vasilyevich, doctor of technical sciences, professor, tulpan.2000@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Nguyen Van Tinh, postgraduate, tinnguyenvan1003@gmail. com, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.77; 621.7.043
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ДЕФОРМИРОВАННОГО НАПРЯЖЕНИЯ МАТЕРИАЛА ЗАГОТОВКИ ПРИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОМ ОБЖИМЕ
И.С. Хрычев, А.В. Харченко
Представлены результаты анализа деформированного состояния заготовки при различных значениях коэффициента обжима, скоростей деформирования и величины зазора между матрицей и оправкой. Представлены изменения деформаций в заготовки от рассматриваемых параметров.
Ключевые слова: обжим, изотермическое деформирование, деформации.
В статье рассмотрена операция обжима с калибровкой участка заготовки на выходе из очага деформации, посредством варьирования зазора между деформирующим инструментом и оправкой. В частности рассматривались случаи, когда величина зазора, между инструментами входила в интервал г = Оматр — Оопр = 1,0... 1,5?, где ? -
толщине материала стенки заготовки. Ввиду того, что материалом заготовки является титановый сплав ВТ6, для обеспечения бездефектной деформации которого требуется соблюдение определенных температурно-скоростных режимов. А именно, температура
15
