Многофакторное экспериментальное исследование качества вырубки трехслойных уплотнителей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

STRESS-DEFORMED STATE OF PRODUCTS IN DEFORMATION OF THREE-LAYER STRUCTURES WITH IMPLEMENTATION OF VISCOUS CURRENT

OF MATERIAL

S.N. Larin, Yu.V. Bessmertnaya

The results of studies of the mathematical model of the formation of stringer three-layer structures from sheet aluminum alloy showing the dependence of the change in properties on the rate of deformation under conditions of short-term creep are presented. The stressstrain state was estimated with allowance for the developing anisotropy of the mechanical properties.

Key words: shape change, three-layer sheet constructions, trapezoidal channels, viscous flow, deformations, force.

Larin Sergey Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,

BessmertnayaYuliyaVyaceslavovna, candidate of technical sciences, assistant, [email protected], Russia, Tula, Tula State University

УДК 539.374

МНОГОФАКТОРНОЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ВЫРУБКИ ТРЕХСЛОЙНЫХ УПЛОТНИТЕЛЕЙ

Г.В. Панфилов, В.Т. Нгуен, Д. А. Фомичева

Проведено многофакторное экспериментальное исследование процесса вырубки полуфабрикатов трехслойных уплотнителей с центральным металлическим слоем и эластичными наружными слоями. Установлены рациональные размеры и форма клинового инструмента, обеспечивающего жесткий прижим центрального металлического слоя перед вырубкой с минимальными допустимыми повреждениями эластичных слоев

Ключевые слова: многофакторный натурный эксперимент, вырубка трехслойных уплотнителей, инструмент с клиновыми выступами.

В различных отраслях промышленности, таких, как машиностроение, авиастроение, атомная энергетика, строительство нефтяных и газовых магистралей, достаточно широко применяются многослойные пластиковые и комбинированные с металлом конструкции, в том числе и уплотнитель-ные элементы различной конфигурации и назначения. В частности, значительный интерес представляют трехслойные уплотнители, у которых центральный слой выполнен из перфорированной нержавеющей стали, а наружные слои - из терморасширенного графита.

62

Терморасширенный графит - это экологически чистый материал, обладающий уникальными свойствами. Он химически инертен, стоек к радиации, обладает большой упругостью и высокой термостойкостью, пониженным коэффициентом трения и не подвержен старению.

Особую проблематичность вырубки-пробивки качественных деталей из данного многослойного материала вызывает невозможность применения жесткого прижима из-за эластичных наружных слоев. Это приводит к существенным дефектам изготавливаемых уплотнителей, таким, как изгиб центрального металлического слоя в зоне обработки, увеличенная величина эксцентриситета, а также косина внутреннего и наружного торцов.

Патентные исследования и предварительные экспериментальные исследования показали, что повысить качество изготавливаемых уплотнителей можно использованием клиновых кольцевых выступов на инструменте и оснастке, прокалывающих наружные эластичные слои и обеспечивающих жесткий прижим центрального металлического слоя.

1. Планирование, подготовка и проведение многофакторного эксперимента

Экспериментальный анализ качества торцовых поверхностей позволил установить, что основными погрешностями (дефектами) являются изгиб центрального металлического слоя в зоне среза в направлении перемещения пуансона (рис. 1,а), разрушающий в этой зоне наружные слои и искажающий форму уплотнителя в целом, и отклонение торцевой поверхности уплотнителя (рис. 1,б) от общей оси симметрии (косина торца).

Рациональным способом повышения качества среза торцовой поверхности уплотнителя служит способ использования пуансонов, матриц и прижима-съемника с кольцевыми клиновыми выступами определенной геометрии, позволяющими реализовать жесткий прижим центрального металлического слоя перед срезом.

а б

Рис. 1. Погрешности качества торцовых поверхностей трехслойных уплотнителей: а- изгиб центрального металлического слоя; б- косина наружного торца уплотнителя

Косина торцов иллюстрируется весьма наглядно, если посмотреть на плоскости трехслойных уплотнителей с обеих сторон (рис. 2).

Рис. 2. Тонкостенные трехслойные уплотнители: слева - со стороны пуансона (сверху); справа - со стороны матрицы (снизу)

Использование подобных клиновых выступов на инструменте и прижиме-съемнике известно, например, при чистовой вырубке [1, 2]. При этом клиновые кольцевые выступы изготавливают в основном на прижиме.

А

Рис. 3. Схема чистовой вырубки со сжатием (с поперечной осадкой) заготовки с использованием кольцевых клиновых выступов на прижиме: слева - местоположение и геометрические размеры

клинового выступа; справа - конструктивная схема операции: 1 - вырубной пуансон; 2 - вырубная матрица; 3 - прижим-съемник с кольцевым клиновым выступом; 4 - выталкиватель; 5 - исходная

заготовка (полоса) 64

По схеме рис. 3 при вдавливании клина происходят вытеснение металла заготовки к режущим кромкам и создание интенсивного гидростатического сжатия в зоне резания. Опускающийся вслед за этим вырубной пуансон вырезает деталь с более качественной поверхностью, имеющей меньшее отклонение ее образующей от оси цилиндрической симметрии. Такое сжатие заготовки исключает ее изгиб в процессе вырубки, что способствует уменьшению угла наклона трещин опережающего разрушения к боковой поверхности пуансона. Следовательно, поверхность раздела становится почти перпендикулярной к плоскости заготовки. Уменьшение изгибающих моментов и воздействие сжимающих напряжений, приложенных к тем поверхностям, которые являются свободными в условиях обычной вырубки, приводят к увеличению сжимающих напряжений, действующих в направлении, перпендикулярном к срединной поверхности. Если эти напряжения становятся больше предела текучести, то по условию пластичности напряжения, действующие вдоль срединной поверхности, также станут сжимающими [2]. Это приводит к увеличению пластичности, а следовательно, к увеличению высоты блестящего пояска и к более позднему образованию трещин опережающего разрушения.

Таким образом, различие в основном назначении кольцевых клиновых выступов на прижиме-съемнике при вырубке трехслойных уплотнителей с эластичными наружными слоями требует проведения экспериментальных многофакторных исследований, поскольку очевидно, что местоположение указанных клиновых выступов и их конфигурация будут другими. Однако многие положительные эффекты создания соответствующего напряженно-деформированного состояния, обеспечиваемого наличием таких выступов, следует сохранить.

В проведенном многофакторном планируемом эксперименте схема местоположение клиновых кольцевых выступов и геометрические размеры клиньев, часть которых приняты в качестве варьируемых факторов, для технологической операции вырубки приведены на рис. 4.

При вырубке варьируемыми факторами являлись (рис. 4):

- передний угол ¿1 клинового выступа 2 на прижиме-съемнике 1, при этом аналогичный угол клина 7 на вырубной матрице 6 выполняется таким же по величине для обеспечения симметрии жесткого прижима центрального металлического слоя 4;

- задний угол §2 клиновых выступов, выполняемый одинаковым на прижиме-съемнике и матрице для обеспечения более схожих сжимающих напряжений в крайних эластичных слоях;

- ширина опорной площадки И в вершине клиньев, также выполняемая одинаковой на прижиме-съемнике и матрице.

Режущую кромку клиньев необходимо по возможности сблизить с режущей кромкой вырубного пуансона 3, поэтому при малой величине зазора между пуансоном и матрицей клиновые выступы располагают (в от-

личие от чистовой вырубки) непосредственно у соответствующих боковых цилиндрических поверхностей прижима-съемника и вырубной матрицы (рис. 4). По этой же причине величина переднего угла клина §1 выполняется весьма малой. Высота клиньев зависит от эластичных свойств материала периферийных слоев уплотнителя и составляет долю от их толщины. Она должна обеспечивать достаточный упругий прижим центрального металлического слоя отхода и устанавливается из предварительных экспериментов, для терморасширенного графита она составляет 0,65 толщины периферийных слоев. Интервалы изменения варьируемых факторов §2 и И устанавливались из необходимости обеспечения стойкости клиновых выступов и достаточности и надежности жесткого и упругого прижима обрезаемого отхода. Установленные параметры факторногопрострвнства сведены в табл. 1.

1 2 3

Рис. 4. Схема процесса вырубки (обрезки) и обозначения варьируемых

факторов §1, §2, Ь

Таблица 1

Значения параметров факторного пространства

при вырубке

Кодированное означение факторов <6 Область эксперимента

Наименование фактора Натуральное обознач ние фактора Размерность Нижний уровень Основной уровень Верхний уровень Интервал варьирования

б о -1 0 +1

Передний угол клинового

хх выступа на прижиме-съемнике и матрице ¿1 град. 3 5 7 2

Задний угол клинового град.

х2 выступа на прижиме-съемнике и матрице ¿2 40 50 60 10

Ширина опорной площад-

х3 ки в вершинах клиньев на прижиме-съемнике и матрице н мм 1 2,5 4,0 1,5

Как уже отмечалось, выходными параметрами исследования являлись показатели качества среза при вырубке. Схема, поясняющая формирование этих показателей, приведена на рис. 5.

На представленной схеме приведены следующие геометрические параметры, из которых формируются выходные параметры качества среза:

И^ - расстояние от любой из двух наружных плоскостей уплотнителя до середины центрального металлического слоя в наружном торце;

И 2 - расстояние от любой из двух наружных плоскостей уплотнителя до середины центрального металлического слоя во внутреннем торце;

И о - толщина уплотнителя;

^тах, - соответственно максимальный и минимальный диаметры у кромок наружной торцевой поверхности уплотнителя;

^тах, ^ тш — соответственно максимальный и минимальный диаметры отверстия у кромок наружной торцевой поверхности уплотнителя.

Рис. 5. Схема формирования показателей качества среза при вырубке и пробивке трехслойных уплотнителей

В результате были сформулированы следующие выходные параметры для анализа процесса вырубки:

У1

^ - Н 2

Н

Но

относительное линеиное отклонение сере-

дины внешнего металлического торца от середины толщины уплотнителя;

- у2 = ^тах—^т1П - тангенс угла «отклонения образующей на-2Но

ружной торцовой поверхности от оси симметрии уплотнителя.

В качестве исходного аппроксимирующего полинома искомой зависимости установленных выходных параметров от трех факторов, варьируемых на двух уровнях, выбрана линейная модель со всеми эффектами взаимодействий

У = Ьо + ь1х1 + ¿2*2 + ¿3х3 + Ь12Х1Х2 + ¿13Х1Х3 + Ь23х2х3 + Ь123Х1Х2х3 . С1)

В итоге для 3 факторов, варьируемых на 2 уровнях, при 3 параллельных опытах и принятом аппроксимирующем полиноме (1) была сформирована следующая матрица планирования полного многофакторного эксперимента (табл. 2). В ходе реализации данного многофакторного экспериментального исследования указанная табл. 2была заполнена первоначальной экспериментальной информацией.

68

Таблица 2

Матрица планирования с первичными экспериментальными результатами исследования процесса вырубки

,01 Варьируемые факторы Выходные параметры

У1 У2

< х0 х1 х2 х3 *1 *2 *1 *з *2 х *1 *2 х3 А У? уЗ У1 у2 у2 уЗ У 2

1 + + + + + + + + 0,124 0,118 0,118 0,120 0,070 0,071 0,072 0,071

2 + - + + - - + - 0,040 0,050 0,060 0,050 0,050 0,053 0,053 0,052

3 + + - + - + - - 0,125 0,127 0,129 0,127 0,069 0,069 0,069 0,069

4 + - - + + - - + 0,050 0,060 0,070 0,060 0,058 0,052 0,055 0,055

5 + + + - + - - - 0,135 0,135 0,135 0,135 0,040 0,040 0,043 0,041

6 + - + - - + - + 0,104 0,104 0,107 0,105 0,018 0,019 0,020 0,019

7 + + - - - - + + 0,153 0,149 0,148 0,150 0,039 0,039 0,039 0,039

8 + - - - + + + - 0,083 0,084 0,085 0,084 0,022 0,020 0,018 0,020

2. Обработка результатов многофакторного эксперимента

Непосредственно сама обработка результатов первой части многофакторного эксперимента, т.е. вывод и статистическое обоснование уравнений регрессии, связывающих выходные параметры с комплексом действующих на них факторов, включает расчет коэффициентов регрессии, проверку их значимости и установление адекватности (точности) полученных моделей (уравнений регрессии).

Поскольку при переходе к кодированному масштабу условия симметричности и ортогональности плана эксперимента были соблюдены, коэффициенты регрессии модели (1) рассчитываются по формуле [16]

N _ /

К = X \ • УгЫ, (2)

гдеI = 1,2,...,N - номер опыта (строки в матрице планирования); п = 0,1,2, ...,123 - обозначение коэффициента регрессии в аппроксимирующем полиноме (1); и = 1,2,..., т - порядковый номер выходного параметра.

Рассчитанные значения коэффициентов регрессии приведены в следующих табл. 3 и 4.

Таблица 3

Коэффициенты регрессии для выходного параметра у1

Ьо 0,1039

Ь1 0,0291

Ь2 -0,0014

Ьз -0,0146

Ь12 -0,0041

Ь13 0,0051

Ь23 -0,0029

Ь123 0,0049

Таблица 4

Коэффициенты регрессии для выходного параметра у 2

Ьо 0,0458

Ь1 0,0093

Ь2 0,0000

Ьз 0,0160

Ь12 0,0010

Ь13 -0,0010

Ь23 -0,0003

Ь123 0,0003

После вычисления коэффициентов модели проведен статистический анализ результатов моделирования.

2.1. Оценка значимости коэффициентов регрессии

Оценка значимости коэффициентов регрессии включает 5 последовательно выполняемых этапов.

1. Определение дисперсии параллельных опытов в каждой строке матрицы планирования по формуле

2 I I -

1 (Уу - У )2

^ = , (3)

у=1 1 1

где у = 1,2,..., I - порядковый номер параллельного опыта в каждой строке матрицы. Рассчитанные по зависимости (3) значения построчных дисперсий сведены в табл. 5.

Наличие построчных дисперсий позволяет производить проверку различных статистических гипотез и, в частности определять значимость коэффициентов регрессии и адекватности полученной модели.

Таблица 5

Расчетные значения построчных дисперсий выходных параметров

Номер опыта (строки в матрице планирования) 1 2 3 4 5 6 7 8

Значения построчных дисперсий 5 2 У1 0,000012 0,000100 0,000004 0,000100 0,000000 0,000003 0,000007 0,000001

5 2 У2 0,000001 0,000003 0,000000 0,000009 0,000003 0,000001 0,000000 0,000004

2. Проверка однородности построчных дисперсий. Поскольку во всех точках плана число параллельных опытов одинаково, для проверки однородности дисперсий пользуются критерием Кохрана [3], расчетное значение которого определяется по соотношению

V 2

О = ^р^. (4)

г=1

Для принятых в данном экспериментальном исследовании выходных параметров по зависимости (4) получены следующие расчетные значения критерия Кохрана:

о = 0,0001 = 0,44; о„ = °'000009 = 0,43. л 0,000227 У2 0,000021

Табличное значение критерия Кохрана для уровня доверительной вероятности ¡5 =0,95, числа степеней свободы /1 = N = 8 и ^ = I-1 = 2 составляет Оут = 0,52. Так как расчетные значения критерия Кохрана меньше табличного, построчные дисперсии обоих выходных параметров для процессов вырубки и пробивки являются однородными.

3. Дисперсия выходного параметра определяется суммированием построчных дисперсий с последующим делением на общее количество опытов (без учета параллельных)

N

8У = V ■ (5)

Формулой(5) можно пользоваться лишь в случае, если все построчные дисперсии однородны, т.е. среди них нет таких, которые бы значительно превышали остальные. Расчетные значения дисперсий выходных параметров:

52 = 0000227 = 0,000028; ^ = 0000021 = 0 .

Л 8 У2 8

71

4. Дисперсии оценок коэффициентов регрессии определяются по формуле

т2

. (6)

иг

Ъп N ■ I

Расчетные значения дисперсий и среднеквадратических отклонений оценок коэффициентов регрессии:

$Ъп (У) = 0,000028 = 0,000001; ^ (у) = 0,001087 ;

О ■ 3

$ (У2) = 0,000003 = 0,00000011; БЪп(У1 ) = 0,000331. п 8 ■ 3

5. Проверка значимости коэффициентов регрессии проводится с помощью критерия Стьюдента [3]. Расчетное значение этого критерия для каждого коэффициента определяется по соотношению

П = ^. (7)

п БЪ

Ъп

Табличное значение критерия Стьюдента в зависимости от уровня доверительной вероятности Ь=0,95 и числа степеней свободы

= N(I -1) =16 - гТ = 2,12 . Коэффициент регрессии принимаем значимым,

если окажется, что расчетное значение больше табличного. Результаты расчета величин коэффициентов регрессии (2), их среднеквадратические отклонения, экспериментальные значения критерия Стьюдента (7) и выявления значимых и незначимых коэффициентов регрессии для вырубки и пробивки, связывающих оба выходных параметра У1 и У2 с варьируемыми факторами, сведены соответственно в табл. 6 и 7.

Таблица 6

Значения для выходного параметра У1

Обозначение коэффициентов регрессии, ьп ¿о ¿1 ¿2 ¿3 ¿12 ¿13 ¿23 ¿123

Величина коэффициентов регрессии 0,1039 0,0291 -0,0014 -0,0146 -0,0041 0,0051 -0,0029 0,0049

Ср. квадр.откл. коэффициентов регрессии, $ ьп

0,001087 0,001087 0,001087 0,001087 0,001087 0,001087 0,001087 0,001087

Расчетное значение критерия Стьюдента, 1п 95,53 26,79 1,26 13,45 3,79 4,71 2,64 4,48

Значимость коэффициентов регрессии + - + + + + +

Таблица 7

Значения для выходного параметра у 2

Обозначение коэффициентов регрессии, ¿п ¿0 ¿1 ¿2 ¿3 ¿12 ¿13 ¿23 ¿123

Величина коэффициентов регрессии 0,0458 0,0093 0 0,0160 0,001 -0,001 -0,0003 0,0003

Ср. квадр.откл. коэффициентов регрессии, £ п 0,000331 0,000331 0,000331 0,000331 0,000331 0,000331 0,000331 0,000331

Расчетное значение критерия Стьюдента, 138,34 27,97 0 48,38 3,02 3,02 0,76 0,76

Значимость коэффициентов регрессии + - + + + - -

После расчета коэффициентов регрессии и проверки их значимости уравнения регрессии (1) принимают вид

у = 0,1039 + 0,029Ц -0,0146х3 -0,004Цх2 +

+ 0,005 Цх3 - 0, 0029х2х3 + 0,0049х1х2х3

(8)

у2 = 0,0458 + 0,0093х1 + 0,016х3 + 0,00Ц х2 - 0,00Цх3. (9)

2.2. Проверка адекватности полученных моделей

Далее проводим проверку адекватности (точности) полученных уравнений регрессии (моделей), которая состоит в выяснении соотношения

между дисперсией адекватности Б^д и дисперсией выходного параметра (воспроизводимости) Б у с помощью Г -критерия Фишера. Дисперсия адекватности оценивает отклонение, предсказанное уравнением регрессии, выходной величины у от результатов эксперимента в различных точках факторного пространства:

1 Ы

Б1д = --1 (У, - У )2, (10)

N - т .=1

где 1 - число параллельных опытов; N - число точек плана (строк в матрице планирования): т1 - число членов аппроксимирующего полинома

(включая свободный член) после исключения из него незначимых слагаемых. Критерий Фишера позволяет проверить гипотезу о несущественности

2 2

расхождения между Бад и Бу . Для этого определяется расчетное значение Г -критерия:

^ =

С 2

Бад

Б

(11)

У

Если расчетное значение критерия окажется меньше РТ , то гипотеза о случайности расхождения между дисперсиями принимается.

Для нахождения дисперсии адекватности по уравнению (10) составим табл. 8 и 9, в которых значения у рассчитывают по соответствующим уравнениям регрессии (8) и (9).

Расчет дисперсии адекватности для уравнения (8)

Таблица 8

№ точки плана У1 У\ (У1 - У1) (У1 - У1 )2

1 0,120 0,12138 -0,001375 0,0000019

2 0,050 0,05138 -0,001375 0,0000019

3 0,127 0,12563 0,001375 0,0000019

4 0,060 0,05863 0,001375 0,0000019

5 0,135 0,13638 -0,001375 0,0000019

6 0,105 0,10638 -0,001375 0,0000019

7 0,150 0,14863 0,001375 0,0000019

8 0,084 0,08263 0,001375 0,0000019

I (У1 - У1 )2 = 0,00001513

Таблица 9

Расчет дисперсии адекватности для уравнения (9)

№ точки плана У 2 У2 ( У 2 - У 2 ) (У2 - У2)2

1 0,071 0,07100 0,000000 0,00000000

2 0,052 0,05250 -0,000500 0,00000025

3 0,069 0,06900 0,000000 0,00000000

4 0,055 0,05450 0,000500 0,00000025

5 0,041 0,04100 0,000000 0,00000000

6 0,019 0,01850 0,000500 0,00000025

7 0,039 0,03900 0,000000 0,00000000

8 0,020 0,02050 -0,000500 0,00000025

I (У 2 - У2 )2 = 0,000001

Подставляя суммарный результат, полученный в этих таблицах, в зависимость (10), получим значения дисперсии адекватности и, далее, расчетное значение критерия Фишера. Табличное значение критерия Фишера

74

выбирается [3] для соответствующих степеней свободы г\ = N - т1 = 8 -и г2 = N(1 -1) = 16 при заданном уровне доверительной вероятности Ь=0,95:

- для выходного параметра у1 (8):

Б?д = —• 0,00001513 = 0,00004537 ; К = 0,00004537 = 1,62 ; КТ = 4,5; ад 8 - 7 0,000028 Т

- для выходного параметра у2 (9):

Б2д = • 0,000001 = 0,000001 ; К = 0,000001 = 0,38 ; К б = 3,2 ад 8 - 5 0,000003 табл .

Поскольку во всех случаях расчетное значение критерия Фишера оказалось меньше табличного, то все полученные уравнения регрессии являются адекватными, т.е. описывают показатели качества исследуемых процессов с требуемой точностью.

3. Анализ полученных уравнений регрессии

3.1. Выходной параметр у1 при вырубке

у1 = 0,1039 + 0,0291х1 - 0,0146х3 - 0,0041х1х2 + + 0,0051х1х3 - 0,0029х2х3 + 0,0049х1х2х3.

Анализ данного уравнения регрессии, полученного в кодированных переменных, позволяет утверждать, что варьируемые в ходе эксперимента факторы влияют на относительное линейное отклонение середины внешнего металлического торца от середины толщины уплотнителя (изгиб металлического слоя уплотнителя) следующим образом.

Задний угол клинового выступа на прижиме-съемнике и вырубной матрице <52 (х2) не влияет на выходной параметр. С увеличением переднего угла клинового выступа на прижиме-съемнике и вырубной матрице <51 (х1) величина изгиба металлического слоя уплотнителя возрастает в наибольшей степени, поскольку это приводит к увеличению зазора между режущими кромками вырубного пуансона и вершин клиньев на прижиме-съемнике и вырубной матрице. Увеличение ширины опорной площадки в вершинах клиньев на прижиме-съемнике и вырубной матрице И (х3) с

меньшей интенсивностью уменьшает данный выходной параметр, поскольку при этом увеличивается контактная площадь фиксации и жесткого прижима металлического слоя перед срезом.

3.2. Выходной параметр у2 при вырубке

у2 = 0,0458 + 0,0093х1 + 0,016х3 + 0,001х1х2 - 0,001х1х3 .

Как и для выходного параметра у1 , значимого влияния заднего угла

клинового выступа на прижиме-съемнике и вырубной матрице <2 (х2) на

тангенс угла а отклонения образующей наружной торцевой поверхности от оси симметрии уплотнителя (косина наружного торца) не выявлено.

75

С увеличением ширины опорной площадки в вершинах клиньев на прижиме-съемнике и вырубной матрице И (х3) косина наружного торца

возрастает в наибольшей степени за счет создания в наружных эластичных слоях предварительных перед срезом больших неравномерных сжимающих осевых и соответственно растягивающих радиальных деформаций. С увеличением переднего угла клинового выступа на прижиме-съемнике и вырубной матрице З1 (х^) величина косины наружного торца возрастает в

меньшей степени вследствие неравномерного радиального сжатия стороной клина, формирующей наружную торцевую поверхность уплотнителя, наружных эластичных слоев.

Уравнения регрессии в кодированных (масштабированных) переменных удобно при анализе степени влияния на результат каждого из варьируемых факторов, однако для практического использования целесообразно данные уравнения представить в натуральных значениях факторов.

0.15

0.13

и, 33

0,09

0.07

0.05

к= й=2,5мм к= 4мм

/--

/

град.

Рис. 6. Зависимость изгиба металлического слоя У1 от переднего угла

клинового выступа на прижиме-съемнике и матрице 31 при различных

значениях ширины опорной площадки в вершинах клиньев И на прижиме-съемнике и матрице для операции вырубки

Зависимость (8) относительного линейного отклонения середины внешнего металлического торца от середины толщины уплотнителя у

от натуральных значений факторов для операции вырубки уплотнителя получена в виде

у =-0,1008 + 0,0413 + 0,0323И - 0,0006332 + 0,003632 -

- 0,00653И - 0,00132И + 0,0002332И.

Графические интерпретации формул в натуральных значениях факторов представлены как зависимости выходных параметров от фактора, оказывающего наибольшее влияние, для трех частных значений (верхнего, основного и нижнего уровней) фактора, оказывающего второе по значимости влияние на результат. При этом третий фактор (если он значим) фиксировался на основном уровне. Для данного случая графические зависимости при фиксированном на нулевом уровне третьем по значимости факторе - заднем угле клинового выступа на прижиме-съемнике и матрице

(82 = 500), значимом только в эффектах взаимодействия, приведены на рис. 6.

Зависимость (9) тангенса угла а отклонения образующей наружной торцовой поверхности от оси симметрии уплотнителя У2 от натуральных значений факторов для операции вырубки уплотнителя получена в виде

у2 = 0,0042 + 0,003081 + 0,0123^ + 0,00018182 - 0,000382 - 0,00038^ . (13)

Рис. 7. Зависимость косины наружного торца у 2 от ширины опорной площадки в вершинах клиньев И на прижиме-съемнике и матрице при различных значениях переднего угла клинового выступа на прижиме-съемнике и матрице для операции вырубки

Соответствующие графические зависимости при фиксированном на нулевом (основном) уровне третьем по значимости факторе - заднем угле клинового выступа на прижиме-съемнике и матрице (82), значимом только в эффектах взаимодействия, приведены на рис. 7.

77

Полученные уравнения регрессии в кодированных переменных (8) и (9) позволяют для данного типа трехслойных уплотнителей обосновать рациональную геометрию клиновых выступов, обусловливающую повышенное качество изготавливаемых деталей.

Очевидно, что повышение качества получаемых уплотнителей связано с увеличением остроты клиновых выступов. Однако последнее приводит к уменьшению стойкости клиньев, особенно при увеличении толщины центрального металлического слоя.

Проведенные экспериментальные исследования позволили установить рациональные геометрические размеры клиновых выступов на инструменте и прижиме-съемнике для вырубки плуфабрикатов трехслойных уплотнителей с толщиной = 0,3 мм центрального металлического перфорированного слоя из стали 30ХГСА, которые сведены в табл. 10.

Изготовление опытных партий производилось на разработанном автоматизированном двухпозиционном штампе [4,5] с использованием инструмента и оснастки, имеющих клиновые выступы с размерами, указанными в табл. 10.

Таблица 10

Значения факторов (геометрии клиньев) при вырубке

Кодированное обозначение факторов Наименование фактора Натуральное обозначение фактора Размерность Установленные значения геометрии клиньев

х1 Передний угол клинового выступа на прижиме-съемнике и матрице ¿1 град. 4

х2 Задний угол клинового выступа на прижиме-съемнике и матрице ¿2 град. 50

х3 Ширина опорной площадки в вершинах клиньев на прижиме-съемнике и матрице Н мм 1,5

Конструкция вырубного пуансона с клиновым выступом приведена на рис. 8. На рис. 9 представлены образцы изготовленного трехслойного уплотнителя и отхода пробивки, полученные с помощью инструмента с клиновыми выступами и имеющие более высокое качество торцовых поверхностей.

Рис. 8. Вырубной пуансон с клиновым выступом

Рис. 9. Образцы уплотнителя и отхода пробивки, полученные инструментом с рациональными размерами клиньев

Обобщенный анализ качества трехслойных уплотнителей общей толщиной 5 = 3,0...4,0 мм, толщиной центрального металлического перфорированного слоя 50 = 0,3 мм и наружным диаметром в диапазоне В = 30...70 мм показал, что на операции пробивки отверстия величина изгиба металлического слоя уменьшилась в 1,7 раза, косина внутреннего торца - в 1,5 раза; на операции вырубки уплотнителя (обрезки) величина изгиба металлического слоя уменьшилась в 2,1 раза, косина внешнего торца - в 1,9 раза.

1. Способ чистовой вырубки, пробивки круглых деталей из листовых заготовок:а.с. 1393505 СССР/ В.С. Богоев, В.А. Тимощенко. Опубл. 12.03.1975. Бюл. № 5.

2. Способ вырезки деталей из листовых заготовок:а.с. 475193 СССР / Бадыров О.К. Опубл. 08.06.1975. Бюл. № 8.

3. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976.

4. Панфилов Г.В., Судаков П.В. Анализ кинематических соотношений механизма подачи плоских круглых заготовок различного диаметра в штамп вырубки-пробивки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 2. 2012. С. 155-159.

5. Панфилов Г.В., Судаков П.В. Особенности проектирования универсального быстропереналаживаемого автоматизированного штампа для вырубки и пробивки кольцевых уплотнителей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 1. 2013. С. 89-94.

Список литературы

279 с.

Панфилов Геннадий Васильевич, д-р техн. наук, профессор,

[email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Нгуен Ван Тинь, аспирант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Фомичева Дарья Анатольевна, магистрант, enotishko_71@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

MULTI-FACTOR EXPERIMENTAL STUDY OF CUTTING QUALITY THREE-LAYER

SEALS

G. V. Panfilov, V. T. Nguyen, D. A. Fomicheva

A multifactorial experimental study of the process of cutting down semi-finished three-layer sealants with a central metallic layer and elastic outer layers was carried out. The rational sizes and the form of the wedge tool providing rigid pressure of the central metal layer before cutting with the minimal admissible damages of elastic layers are established.

Key words: multifactorial full-scale experiment, cutting of three-layer seals, tools with wedge-shaped projections.

Panfilov Gennady Vasilyevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,

Nguyen Van Tinh, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,

Fomicheva Daria Anatolyevna, magistrant, enotishko_71@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University