Определение силовых параметров процесса вырубки листовых деталей полиуретаном с интенсификацией деформационно-сдвигового разделения материала заготовки Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.983.04.002

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ВЫРУБКИ ЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ ПОЛИУРЕТАНОМ С ИНТЕНСИФИКАЦИЕЙ ДЕФОРМАЦИОННО-СДВИГОВОГО РАЗДЕЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА ЗАГОТОВКИ

© 2009 Ю.В. Федотов Самарский государственный аэрокосмический университет Поступила в редакцию 20.07.2009

Представлена методика расчета силовых параметров высокоэффективных процессов вырубки листовых деталей давлением полиуретана. Методика учитывает особенности деформационного процесса листовой заготовки в очаге разделения и энергосиловые затраты на локальное формоизменение эластополимерного инструмента, которые установлены на основании математического моделирования и экспериментальных исследований.

Ключевые слова: процессы вырубки листовых деталей, давление полиуретана, деформационный процесс, энергосиловые затраты, эластополимерный инструмент.

В заготовительно-штамповочном производстве предприятий машиностроения при изготовлении листовых деталей широкое применение находят различные методы разделительной штамповки. Наиболее эффективными из них, особенно в мелкосерийном производстве изделий, являются методы раскроя с использованием давления эластополимерной среды (полиуретана). Данным методам характерны малые сроки подготовки производства, универсальность и простота реализации.

В целях интенсификации сдвиговых процессов разделительной штамповки деталей полиуретаном в НИИ "Технологии и проблем качества" Самарского государственного аэрокосмического университета разработано несколько способов вырубки-пробивки, отличающихся конструктивной схемой вырубного инструмента и обеспечивающих локализацию очага деформации материала заготовки (рис. 1), а именно:

- на шаблонах с эквидистантно расположенной опорной рамкой;

- с опорной рамкой, имеющей двойной скос и обеспечивающей боковое поджатие листовой заготовки;

- на локализированных шаблонах с дополнительной опорой и без нее (для группового раскроя деталей);

- на вырубном инструменте, обеспечивающим противодавление по детали или по отделяемому отходу.

Для создания методики расчета силовых параметров данных разделительных процессов было проведено математическое моделирование

Федотов Юрий Васильевич, кандидат технических наук, доцент кафедры "Производство летательных аппаратов и управление качеством в машиностроении". E-mail: barvinok@ssau.ru.

деформирования заготовки в очаге разделения. На рис. 2 приведены основные этапы деформирования заготовки при вырубке фрагмента детали на шаблонах с опорной рамкой.

Как видим из рис. 2 на начальной стадии процесса разделения наблюдается изгиб припуска вокруг опорной рамки до образования рифта определенной глубины и жесткости (стадия б), после чего с нарастанием локального давления полиуретана происходит сдвиг материала припуска по толщине заготовки (стадия в-г). Исходя из этого нетрудно предположить, что основными компонентами общего усилия разделения РУ будут следующие:

P = P + P + P

1z ср т 1 деф^ 1 п / у

(1)

где Рср - усилие, затрачиваемое на срез заготовки по режущим кромкам вырубного инструмента;

Рдеф - компонент силовых затрат на деформирование припуска вокруг опорной рамки;

Рп/у - усилие, затрачиваемое на локальное деформирование полиуретана при формоизменении припуска и его смещении по режущим кромкам вырубного инструмента.

Известно [2], что компонент Рср можно представить для условий простого сдвига в виде следующего выражения

РСР = 0.58 -аВ

L(S - x) 1 -

(

^m Л 1-т

S

(2)

где ств- предел прочности материала при растяжении;

L - длина линии разделения;

8 - толщина материала заготовки;

х - величина внедрения вырубного инструмента в заготовку до образования скалывающей трещины;

x

в)

Рис. 1. Классификация методов разделительной штамповки в зависимости от конструктивного исполнения вырубного инструмента: а - с дополнительной опорой; б - с боковым обжатием заготовки; в - на групповом инструменте с локализацией очага деформации; 1 - вырубной инструмент, 2 - подкладные плиты, 3 - заготовка, 4 - полиуретан, 5 - опорная рамка, 6 - фрагмент контейнера, 7 - вкладыш

относительное сужение материала заготовки. С другой стороны, компонент Рср, можно представить выражением еще более простым для инженерных расчетов [2]:

РСР = к1 ■ аСР ■ Ь ■ £ , (3)

где к1 - коэффициент, учитывающий неоднородность материала заготовки, притупление режущих кромок и др.;

стср- сопротивление материала срезу при простом и чистом сдвиге.

Для подтверждения преобладания сдвигового характера разделения при вырубке листовой детали с опорной рамкой и другими способами (рис. 1) с локализацией очага деформации припуска заготовки в процессе численных исследований определялись компоненты главных деформаций в каждой узловой точке в очаге разделения материала заготовки. По значениям главных деформаций с использованием известного выражения [3] были рассчитаны показатели vs деформированного состояния заготовки в каждой узловой точке п очага деформации:

!т=Г

V =

2^3

вх 62

(4)

Рис. 2. Основные этапы разделения заготовки из сплава Д16АМ, Ь =1,5 мм давлением полиуретана на шаблоне с опорной рамкой: а - начальное положение элементов разделительной процесса; б - стадия завершения деформирования отхода (припуска) до момента возникновения скалывающей трещины; в - промежуточная стадия процесса разделения; г - завершающая стадия процесса разделения

где е1 - главные компоненты деформаций.

Для рассматриваемых способов вырубки (рис. 1) построены зависимости п=/(н) рис. 3.

Как видим из данных графических зависимостей разделение заготовки в очаге деформации для данных схем вырубки происходит в области сдвиговых процессов: от сдвига со сжатием в нижних узловых точках (п1, п2) проходя через зону чистого сдвига (п3, п4), до сдвига с растяжением в верхних узловых точках (п5, п6, п7). Результаты

Рср = к1 ' Ь ' 5 ' кг = к 1 -аср ' 5 , К

^ Ь - Ь Ь г

,(5)

Кг =

я

я + Ь/

для выпуклой формы гео-

метрического контура детали;

я

Кг =

я -

для вогнутой формы геомет-

рического контура детали.

Для определения компонента усилия Р

деф

проведем аналогию процесса деформирования припуска вокруг опорной рамки (рис.1а) с процессом гибки-формовки борта по вогнутому контуру. Известно [4], что удельное усилие гибки-формовки эластополимерной средой криволинейного борта определяется как сумма двух компонент давления: давления необходимого для гибки борта по ребру матрицы (в данном случае по радиусу скругления опорной рамки г1), и давления, необходимого для растяжения борта в тангенциальном направлении, т.е.

Рис. 3. Значения показателя деформированного состояния заготовки в очаге разделения листовой заготовки для основных схем вырубки деталей полиуретаном: 1 - при вырубке деталей с опорной рамкой; 2 -при вырубке на локализированном инструменте без промежуточной опоры; 3 - при вырубке деталей с боковым обжатием заготовки; 4 - при вырубке с противодавлением по отходу

математического моделирования подтверждены экспериментальными исследованиями с использованием метода координатных сеток [3].

Таким образом, подтвердив преобладание в рассматриваемых методах вырубки сдвигового характера разделения заготовки, можно принять за основу в вычислении компонента Рср упрощенное выражение (3). Вместе с тем следует иметь в виду, что обрезка припуска в данных схемах вырубки осуществляется распределенным давлением полиуретана по площади смещаемого отхода по всему периметру вырубаемой детали. Поэтому необходимая составляющая давления полиуретана, которая затрачивается на срез материала заготовки, определяется следующим образом:

Я деф

а3 - 52

+

■-

2-(Ь - г-ф)2 Я

(6)

где ст5 - предел текучести материала листовой заготовки;

Ь - ширина борта (ширина паза между опорной рамкой и контуром вырубного шаблона);

г1 - радиус скругления опорной рамки;

Ф - угол гибки борта;

И - радиус кривизны опорной рамки.

Суммируя выражения (5) и (6), получим необходимое давление полиуретана по деформированию припуска заготовки при вырубке контура детали:

а - 5

= К-\-кг

Ь

аБ - 52

2 '(Ь - Г -Ф)2

Я

(7)

где Ротх - площадь отхода;

Ь - периметр контура обрезки детали;

Ь - ширина канавки (промежутка) между внутренним контуром опорной рамки и контуром вырубного инструмента (шаблона);

К, - коэффициент, учитывающий кривизну геометрической формы вырубаемой детали.

Обеспечение уровня давления, рассчитанного по формуле (7), по площади отхода заготовки детали сопряжено с локальным формоизменением полиуретана при смещении отхода. Аналитического выражения для расчета энергосиловых затрат на локальное формоизменение полиуретана не существует. Поэтому было проведено математическое моделирование затекания полиуретана в круговое отверстие и щель различных геометрических размеров, в диапазоне известных значений давлений полиуретана применительно к операциям вырубки-пробивки.

Обработка результатов математического моделирования позволила получить графические зависимости приращения давления на локальное деформирование полиуретана от конструктивно-технологических факторов и уровня гидростатического давления полиуретана в момент локального отделения отхода (припуска заготовки), рис. 4.

Для удобства использования данных зависимостей в технологических расчетах проведена их аппроксимация компактной для записи логарифмической функцией следующего вида:

ЯП / У Ча

г 1 ^ Ь )л

с + т - 1п

(8)

+

ч

СР

где - величина гидростатического давления полиуретана в момент локального деформирования и отделения отхода листовой заготовки;

Ь1 - геометрический параметр формы локального деформирования полиуретана (диаметр отверстия или круговой щели);

Ь - глубина локального деформирования полиуретана;

с и т - эмпирические коэффициенты, учитывающие геометрию контура локального деформирования, например:

для круговой щели с = 0,89 и т =-0,2 для кругового отверстия с = 0,67 и т =-0,12. Таким образом, расчетную формулу для суммарного давления полиуретана при вырубке деталей на шаблонах с опорной рамкой можно представить в следующем виде:

Че = Ча

(л п а (ъг р

1 + с + т ■ 1п

К

у

(9)

или в более развернутом виде:

Че =

^ к + ^ ■5 2

+

ъ

■ 5

Я

(

1 + с + т ■ 1п

2 ■(Ъ - г

а, (ъ Л (10)

К

, у

Одним из эффективных методов разделительной штамповки, интенсифицирующим деформационно-сдвиговой процесс, является вырубка деталей полиуретаном с боковым обжатием заготовки [5, 6]. В конструктивно-технологической схеме данного способа вырубки используется опорная рамка, эквидистантно расположенная вокруг вырубного шаблона с некоторым зазором "Ь" и превышением ДЬ. При этом опорная рамка имеет двойную конусность с углами ср и а также острую режущую кромку в сопряжении конусной и горизонтальной поверхностей, обращенных к заготовке. Конструктивно-технологическая схема реализации процесса вырубки данным способом представлена на рис. 5.

Процесс разделения по данной технологической схеме осуществляется следующим образом. На начальной стадии под действием распределенного давления эластичной среды происходит надрезка заготовки 2 режущей кромкой опорной рамки 4. Надрезанная заготовка перемещается по конической поверхности опорной рамки, в результате чего возникает боковой подпор по всему периметру заготовки, обеспечивающий повышение пластичности материал.

После соприкосновения заготовки с поверхностью вырубного шаблона под действием нарастающего давления эластичной среды наступа-

4 С

I л/

И я

ф-Ж № lfF.CS

6 >: 12 Ргзнео хяш

а)

л ^

/ / / / ! / б».« /

/ / ЩУ

/

¿'6 и 9 да Лищийр ¡я®:

в)

лга..

I

% ъот:

Рсзгер ОЯ£ЕХШВ

б)

7

/

/ 7 / у,

/ / У

■1.6 0.'! 1-: КК

¿летяще стада

г)

Рис. 4. Графические зависимости влияния конструктивно-технологических факторов на величину удельного усилия локального деформирования полиуретана при смещении отделяемого припуска листовой заготовки: а, в- при затекании в круговую щель; б, г - при затекании в круговое отверстие

ет стадия локального пластического сдвига припуска надрезанной части заготовки при постоянно возрастающем давлении бокового сжатия материала заготовки в очаге разделения. Причем высота пластического сдвига отхода зависит от механических характеристик материала заготовки и конструктивных параметров опорной рамки (ДЬ, рх, Ь). Одновременно с процессом вырубки детали происходит сжатие и локальное перемещение эластичной среды.

Нетрудно показать, что начальная стадия процесса проходит при значительно меньшем давлении эластичной среды, которое не влияет на суммарное давление эластичной матрицы при раскрое контура детали в условиях бокового подпора заготовки. Поэтому структуру силовых затрат заключительной стадии процесса вырубки детали данным способом можно представить в следующем виде:

P = P + P + P

1 z 1 ср ^ 1 б.о.^ 1 п / у

(11)

где Рср - усилие, затрачиваемое на срез надрезанной части припуска (отхода) по контуру вырубного инструмента (шаблона);

Рбо - усилие сопротивления отхода его боковому обжатию и перемещению по конической поверхности опорной рамки;

РП/У - усилие, затрачиваемое на локальное формоизменение полиуретана при деформировании надрезаемой части припуска при его срезе и перемещении с боковым обжатием.

В компонентах давления выражение (11) можно переписать в виде:

че = % + чп / У, (12)

где

чч = чср + Чб.о. (13)

Компонент цср как и в предыдущем случае определяется выражением (5), т.к. процессу также характерен сдвиговой характер разделения.

Если провести аналогию деформационного процесса перемещения отхода по конической поверхности опорной рамки с прессованием ма-

териала через коническую матрицу, то компонент цбо можно представить в виде следующего выражения [2]:

q б

1

+ 0,5 ^

1 + cos (рх 2 • sin (рх

ln

Fl

F 2

, (14)

где р1 - угол конуса матрицы для прессования (в данном случае угол конусности опорной рамки);

^ - коэффициент трения материала отхода заготовки по конической поверхности опорной рамки;

Р1 и Р2 - площади зеркала воронки конической матрицы (опорной рамки) в начале и в конце прессования (в данном случае при перемещении отхода в начале и в конце процесса разделения).

Численные исследования процесса разделения данным методом показали, что эффект бокового обжатия материала заготовки (отделяемого отхода), обеспечивающего сдвиговой характер вырубки и повышение качества детали, достигается уже при угле конусности опорной рамки ц1 в пределах 1°...2°. При больших значениях угла ц1 эффект сохраняется, но резко возрастает давление эластичной матрицы (полиуретана). С учетом сказанного выражение (14) упрощается, а именно:

(

= а

1 + -

+

0,5 ^

ln

fl

f2

, . J-, . (15)

2 • sin q\ j F2 v y

Таким образом, выражение (13) можно записать в развернутом виде:

qq = ki

а

• S

(

-K

1 + -

.+ 0,5 ^

2 • sin ^

ln

F1

F2

(16)

Если учесть, что компонент цп/у также как и в предыдущем методе вырубки характеризует энергетические затраты на локальное формоизменение полиуретана при затекании в щель (в зазор между опорной рамкой и контуром вырубного инструмента (шаблона), то результирующее выражение для расчета давления полиуретана при вырубке детали с боковым обжатием заготовки может быть представлено в следующем виде:

Рис. 5. Конструктивно-технологическая схема основных этапов вырубки деталей

с боковым обжатием заготовки: а - начальная и заключительная стадии процесса вырубки, б - промежуточная стадия процесса; 1 - вырубной шаблон, 2 - заготовка, 3 - полиуретан, 4 - опорная рамка, 5 - фрагмент технологической обоймы

= и

Чъ =

V

а

•5

ь

К + а.

1 + ■

+

0,5 ^

2 • 81п

1п

Р,

\ 1 4 (ь )

1 + с + т ^1п ' к

(17)

Р = Р + Р + Р

1 X 1 СР ^ 1 пр ^ 1 П / У ,

(18)

где

Рпр - усилие, затрачиваемое на предварительное сжатие заготовки и преодоление противодавления; Р

п/у

усилие, затрачиваемое на локальное

деформирование полиуретана по площади съемника (или выталкивателя) отхода заготовки.

Для компонентов давления результирующее выражение представляет собой следующее

Чх = Чср + Чпр + ЧП /у . (19)

По сути отличительным является компонент цпр, характеризующий противодавление. Результаты численных и экспериментальных исследований показали, что эффект противодавления в создании преобладания условий сдвига в разделении заготовки, достигается в диапазоне противодавления цпр=(0,35_0,45)ав (предела прочности материала заготовки). Тогда результирующее выражение давления полиуретана при вырубке деталей с противодавлением в развернутом виде запишется, как:

Чъ =

а

к ср

Ь

5 \

—Кг +(0,35...0,45)а

гл , 4 (Ь)

1 + с + т • 1п

к J

(20)

Наиболее эффективным способом интенсификации деформационного сдвигового процесса при вырубке деталей эластичной средой является применение в конструктивной схеме вырубного инструмента элементов создания противодавления по площади смещаемого отхода (или детали). Технологические схемы процесса представлены на рис.1. Использование известного принципа вырубки с противодавлением применительно к разделительной штамповке эластичной средой дает положительный эффект в повышении качества по геометрическому контуру среза изготавливаемой детали. Улучшение качества достигается благодаря всестороннему предварительному сжатию заготовки эластичной средой, которое приводит к повышению пластичности материала. И к преобладанию сдвигового процесса разделения. Причем величина пластического сдвига материала заготовки значительно больше, чем при ранее рассмотренных методах разделительной штамповки. При этом вместе с разделительным процессом также происходит сжатие и локальное смещение эластичной среды.

На основании выше изложенного результирующее усилие вырубки деталей с противодавлением можно представить в виде:

где Ь1 - ширина съемника;

Ь - максимальное перемещение отхода до окончания процесса разделения.

Полученные выражения (10), (17) и (20), как показывает практика, вполне пригодны в расчетах давления эластополимерной среды, необходимого для реализации рассмотренных процессов вырубки листовых деталей. Вместе с тем определяющим силовым параметром процесса разделительной штамповки, является усилие пресса, которое определяется простейшим выражением.

Р = Чъ •Р/,, (21)

где Рп/у - площадь контактной поверхности полиуретана с заготовкой и периферийной частью вырубного инструмента.

Однако, правильность оценки усилия прессового оборудования зависит от способа реализации процесса штамповки, а именно: в замкнутом объеме контейнера (рис. 6,а); при штамповке в полузамкнутом и открытом способах воздействия полиуретана на заготовку (рис.6, б, в), в том числе последовательным ротационным воздействием эластичного инструмента (рис.6, г) на заготовку.

Следует учесть, что при штамповке деталей в замкнутом объеме контейнера площадь контактной поверхности Рп/у равна фактически площади торцевой поверхности полиуретановой "подушки" (или что одно и то же, площади подштампо-вой плиты) и является неизменной (постоянной) для конкретного типоразмера контейнера. Для открытых же схем разделительной штамповки (рис. 6, б, в, г) площадь контактной поверхности эластичного инструмента (полиуретановой матрицы) не постоянна и определяется уровнем давления эластичной среды, геометрической формой и масштабным фактором эластичного инструмента, условиями контактного взаимодействия эластомера с заготовкой вырубаемой детали и рядом других факторов. Поэтому в целях установления потребного усилия прессового оборудования при реализации процессов вырубки деталей полиуретаном с использованием открытых способов разделительной штамповки были проведены численные исследования контактного взаимодействия эластичного инструмента с заготовкой, его деформационные характеристики и изменение формы по площади контакта при различных уровнях давления эластополимерной среды (полиуретана).

а)

в) г)

Рис. 6. Классификация методов разделительной штамповки в зависимости от способа передачи

давления эластополимерной среды на заготовку: 1 - контейнер, 2 - полиуретан, 3 - подштамповая плита, 4 - вырубной инструмент, 5 - силовая обойма, 6 - полиуретановая пластина, 7 - технологическая плита, 8 - силовой валок, 9 - силовой валок малой кривизны, 10 - траверса

Результаты исследований представлены в работах [7, 8]. Численными исследованиями установлено следующие: распределение контактного давления полиуретана по поверхности заготовки неравномерное; происходит увеличение площади контактной поверхности эластичного инструмента с заготовкой и периферийной частью оснастки; уровень неравномерности контактного давления зависит от диапазона значений вышеперечисленных факторов. Для практического использования результатов численных исследований получены диаграммы распределения контактного давления полиуретана по всей площади его поверхности для различных сочетаний конструктивно-технологических факторов, для различных геометрических и масштабного факторов эластичного инструмента (полиуретановых пластин): круглой, квадратной и прямоугольной. В качестве примера на рис. 7 представлены диаграммы распределения контактного давления эластичного инструмента для полузамкнутой схемы разделительной штамповки.

С учетом данных особенностей расчет потребного усилия прессового оборудования для открытых схем разделительной штамповки производится для фактической площади контактной поверхности эластичного инструмента и контактного давления эластомера применительно к со-

ответствующей диаграмме (рис. 7). При этом условием выбора оптимальной диаграммы распределенного давления является обеспечение минимально необходимого давления полиуретана рассчитанного по формулам (10, 17 или 20).

Разработанная методика оценки силовых параметров процессов разделительной штамповки давлением полиуретана апробирована при внедрении данной технологии на ряде предприятий аэрокосмической отрасли.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Барвинок В.А. и др. Высокоэффективные технологические процессы изготовления элементов трубопроводных и топливных систем летательных аппаратов. М.: Наука и технологии, 2002. 394 с.

2. Сторожев И.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машгиз, 1966, 367 с.

3. Смирнов-Аляев Г .А., Чикидовский В.П. Экспериментальные исследования в обработке металлов давлением. Л.: Машиностроение, 1972, 360 с.

4. Исаченков Е.И. Штамповка резиной и жидкостью. -М.: Машиностроение, 1979, 520 с.

5. Федотов Ю.В. и др. Авторское свидетельство СССР № 1061891. Устройство для вырубки деталей из листового материала эластичной средой. Опубликовано в БИ, 1983, №47.

6. Барвинок ВА, Федотов Ю.В. и др. Исследование технологических возможностей вырубки деталей из малопластичных материалов эластичной средой // Проблемы

Рис. 7. Диаграммы распределения контактного давления эластичного инструмента для полузамкнутой

схемы разделительной штамповки (е=35%, Д7=0,6 мм; £=0,3; н =Н/0(а)=0,033): а) полиуретановый элемент в форме круглой пластины а = 300мм; б - полиуретановый элемент в форме квадратной пластины а = 300мм; в - полиуретановый элемент в форме прямоугольной пластины а = 200мм, Ь = 300мм

машиностроения и автоматизации, 1997. №2. С. 73-76.

7. Барвинок, В.А., Федотов Ю.В., Громова Е.Г. и др. Математическое моделирование контактного взаимодействия эластополимерной матрицы с листовой заготовкой в разделительных процессах / / Актуальные проблемы трибологии. Сб. трудов международной научно-технической конференции.

Июнь 2007. 2007. Т.1. С. 93-104.

8. Барвинок, В.А., Федотов Ю.В., Громова Е.Г. и др. Математическое моделирование контактного взаимодействия эластичного инструмента в процессах ротационного раскроя листовых деталей изделий машиностроения // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2008. №1. С. 128-132.

DETERMINATION OF POWER PARAMETERS OF SHEET DETAILS CUTTING BY POLYURETHANES WITH DISLOCATED DEFORMATION INTENSIFICATION

OF SHEET MATERIAL SEPARATION

© 2009 J.V. Fedotov

Samara State Aerospace University

Sheet details slashing (cutting) by polyurethanes high-performance processes power parameters estimation method is presented. By using mathematical analysis and experimental investigations the method considers features of sheet material deformation process in a separation focus and power expenses for elastic agent local formation.

Key words: polyurethanes high-performance processes, power parameters, power expenses, elastic agent.

Juriy Fedotov, Candidate of Technics, Associate Professor at the Aircraft Manufacturing and Engineering Quality Management. E-mail: barvinok@ssau.ru.