Особенности технологии получения пластическим деформированием зубьев сегментоврежущих аппаратов зерно-и кормоуборочной техники Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МЕТАЛЛУРГИЯ. МЕТАЛЛООБРАБОТКА. МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 631.7/9.016

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ ЗУБЬЕВ СЕГМЕНТОВ РЕЖУЩИХ АППАРАТОВ ЗЕРНО- И КОРМОУБОРОЧНОЙ ТЕХНИКИ

Докт. техн. наук, проф. ИСАЕВИЧ Л. Аинж, ИВАНИЦКИЙ Д. М., докт. техн. наук КОРОЛЬ В. А.

Белорусский национальный технический университет

Сегмент, представленный на рис. 1, относится к режущим аппаратам сегментно-пальцевого и двуножевого типа для подпорного резания.

Насечка предотвращает выскальзывание стеблей из раствора режущей пары как при их подводе сегментом к противорежущей пластине, так и при защемлении. В условиях промышленного производства на РУП «Светлогор-

а

ский завод сельскохозяйственного машиностроения “Светлогорсккорммаш”» впадины периодического характера на режущих гранях сегмента получают фрезерованием. Цель проведенных исследований - разработка технологии формообразования режущих зубьев на поверхности сегмента пластическим деформированием вместо фрезерования.

б

А-А (увеличено) Б~-Б (увеличено)

Для обеспечения самозатачивания во время работы сегмента направление нанесения зубьев должно совпадать со средним направлением движения стебля в процессе перерезания относительно сегмента. Шаг и углы наклона лезвий зубьев насечки должны быть такими, чтобы в резании участвовало минимальное число зубьев насечки, обеспечивающих устойчивое защемление, и выполнялось условие врезания сегмента в стебель.

На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований была усовершенствована конструкция сегмента. Угол наклона насечки к боковой грани с 73° у фрезерованных ножей (рис. 16) уменьшен до 61° (рис. 1а). При фрезеровании зубья располагаются и на прямоугольном участке сегмента (хвостовике). Но так как они перекрываются линейками и не участвуют в процессе резания, а также из технологических соображений насечка заканчивается на расстоянии 4 мм до хвостовика (рис. 1а). Шаг между зубьями увеличен от 1,5 до 2,0 мм.

Это обусловлено тем, что при шаге 1,5 мм преобладает износ вершин зубьев. С увеличением шага характер износа меняется, т. е. преобладает износ впадин. При малом шаге по отношению к диаметру стебля в месте среза в перерезании участвует большее число зубьев и соответственно увеличивается количество циклов их нагружения. Кроме того, участие в резании большего числа зубьев приводит к повышению деформации стебля и тем самым к невыполнению условий врезания [1].

С увеличением шага I до 2,0 мм (рис. 2) в перерезании участвуют только два соседних зуба. При шаге г = 2,0 мм и угле наклона лезвий зубьев к направлению движения сегмента у = 20-45° выполняется условие врезания. При этих параметрах происходит наибольшее заострение зуба, поскольку износ впадин и вершин равен, и следовательно, относительный износ зуба по высоте равен нулю.

При шаге более 2,0 мм условие врезания нарушается и стебель перерезается между двумя зубьями. В этом случае стебель значительно деформируется, скользя по зубьям, что вызывает их повышенный износ. Оптимальными параметрами при диаметре й = 4 мм стебля 3 (рис. 2) следует считать шаг насечки t - 2,0 мм и угол наклона лезвий зубьев у = 20-45° [1].

Во фрезерованном сегменте 2 (рис. 2) шаг насечки равен 1,55 мм, а угол наклона лезвий зубьев к направлению движения сегментов составляет 33°38'. По новой технологии пара-

метры равны соответственно: / = 2,0 мм и у = 22°35'.

Рис. 2. Схема процесса резания

При теоретическом анализе формообразование рельефа в листовом материале будем рассматривать как процесс заполнения впадины деформирующего инструмента деформируемым металлом. Приближенная схема решения основана на усреднении напряжений в сечениях деформируемого листа и принятии упрощенного уравнения пластичности, что соответствует реальному процессу для случаев незначительных значений коэффициента контактного трения на границе металла со стенками впадины и относительно небольших углах наклона граней впадины [2].

Рассмотрим процесс заполнения впадины по высоте (рис. 3).

Для получения решения профиль впадины представим в виде треугольника. Напряжение, возникающее в металле при затекании во впадину, будет определяться по выражению [2]

р = ратЬ-^-. (1)

* С

где ^ - площадь свободной поверхности деформируемого металла, равная Вс х 1; Гя = = Ви х 1 - площадь сечения на участке, где расстояние между зубьями на деформирующем инструменте равно номинальному шагу (рис. 3).

Анализ последнего выражения показывает, что при полном заполнении металлом впадины, когда -> 0, напряжение р -> оо. Это возможно в силу принятого вначале допущения о плоской деформации, т. е. без учета возможного перемещения металла вдоль впадины, как это на самом деле и происходит.

Прижим

Рассмотрим схему заполнения впадины по ее длине. Для этого процесс представим как осадку полосы наклонным бойком (рис. 4). Поскольку в зоне наибольшего обжатия листовой заготовки имеется горизонтальная площадка, очевидно, что перемещение металла в направлении этой площадки затруднено и вытяжка осуществляется за счет смещения заготовки по направлению оси х.

Напряжение, возникающее в металле при заполнении впадины по длине, можно рассчитать по выражению [2]

,_РСТт

+ 1

(2)

Анализ данного уравнения показывает, что с уменьшением величины \ напряжение р возрастает. Выражение для определения усилия формообразования рельефа имеет вид [2]

р_£Рсгт А,

БШ ф 6

(3)

где ф - угол наклона профилированной части деформирующего инструмента к горизонтальной плоскости; р - параметр Лоде; ат - предел текучести стали; /г0 - толщина заготовки сегмента; /г 1 - толщина перемычки между зубьями, образованными на сегменте; Ь - длина рельефной кромки заготовки; параметр 5 = ^^/2) ’

/- коэффициент контактного трения.

г, где

Матрица

Рис. 4. Схема заполнения впадины по длине заготовки

В расчетах необходимо учитывать упрочнение металла, которое характеризуется напряжением текучести ст5 для любого момента деформации до начала образования шейки. Напряжение текучести определим по формуле С. И. Губкина [3]

=СТт+ 1

т '1-Уд

А Ушу

. ,.°вУп1

(4)

где ат - для стали 65Г равен 410 МПа [4]; ав -предел прочности исходного материала, для стали 65Г равен 690 МПа [4]; \|/ш - относительное изменение площади поперечного сечения образца в момент образования шейки, для стали 65Г принимаем равным значению 35 % [4]; \(/ — относительное уменьшение площади поперечного сечения.

Относительное уменьшение площади поперечного сечения определим по формуле [2]

}7 - р

(5)

Го

где - площадь сечения канавок для расчетов; Р — то же, заполненная металлом после деформирования.

В теоретических расчетах использовали ос-редненное значение напряжения текучести, которое определяется по формуле [3]

Сто =

(6)

где (7? - напряжение текучести стали в исходном состоянии, равное 410 МПа.

При определении полного усилия деформирования также необходимо учитывать ту его часть, которая приходится на осадку перемычки [2]:

5

-^обл :

А

_2А,

-1

а.

(7)

У

Усилие прижима заготовки найдем по выражению [5]

Р =01Р

л пр ’ ПОЛИ'

Усилие формообразования зубьев на сегменте составит

^ол„ = ^обл + ^р- (8)

На основе формулы (8) были проведены теоретические расчеты, а на основе экспериментальных исследований процесса пластического формообразования зубьев получены опытные данные. По результатам исследований построены зависимости полного усилия штамповки от толщины перемычки (рис. 5).

Рис. 5. График зависимости полного усилия Рполн от толщины перемычки 1 - теоретическая; 2 - эксперимен-

тальная

Экспериментальные исследования по формообразованию режущих зубьев сегментных ножей холодным пластическим деформированием проводили на заготовках толщиной 3 мм по схеме штамповки (рис. 6). Исследования осуществляли на лабораторном гидравлическом прессе усилием 2000 кН.

Пуансон

Матрица

\ ШШШ.

—ґ

Анализируя полученные графики и принимая во внимание силовые параметры кузнечнопрессового оборудования, а именно кривошип-

но-коленный чеканочный пресс КР 8336 усилием 4000 кН, определим возможную толщину перемычки у готовых сегментов. Поскольку при экспериментальных исследованиях использовали пресс усилием 2000 кН, расчет и опыты проводили для одной режущей кромки сегмента. Полученные значения теоретической и экспериментальной толщины перемычки приведены в табл. 1.

Таблица 1

Теоретические и экспериментальные результаты исследований процесса формообразования зубьев на заготовках сегментов из стали 65Г

№ об- раз- ца Усилие прессования экспериментальное, кН Степень заполнения профиля Толщина заготовки, мм Толщина перемычки, мм

теорети- ческая экспери- менталь- ная

1 2000 Заполнен зд 0,835 0,9

2 1800 Заполнен 3,1 0,855 0,93

3 1625 Заполнен 3,05 0,89 1,0

4 1500 Заполнен 3,05 0,916 1,05

5 1375 Заполнен 3,05 0,934 . 1,и

6 1250 Заполнен 3,05 0,97 1,2

7 1125 Незаполнен 3,05 1,02 1,32

8 1000 Незаполнен 3,1 1,07 1,45

9 875 Незаполнен зд 1ДЗ 1,68

10 750 Незаполнен 3,1 1,21 2,2

И 625 Незаполнен зд 1,33 2,5

12 500 Незаполнен зд 1,5 2,8

Результаты исследований позволяют сделать следующие выводы. На имеющемся в наличии оборудовании по данной схеме штамповки невозможно получать изделия с толщиной перемьшки между зубьями менее 0,9 мм (табл. 1), что является существенным недостатком для новой технологии.

Теоретические значения толщины перемычки несколько меньше экспериментальных. Это вполне согласуется с физическими представлениями о механизме деформирования, поскольку в расчетах был использован метод нижней оценки (метод плоских сечений).

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать на РУП «Светлогорсккорммаш» новую промышленную технологию, включающую:

• отрезку полосы из листа;

• вырубку-пробивку заготовок;

• правку заготовок (при необходимости);

• фрезерование уклона на грани;

• фрезерование насечки;

• термообработку (закалку, отпуск);

• технический контроль.

По новой технологии исключаются операции фрезерования уклона и насечки и вводятся операции штамповки и шлифования (заточки).

Это позволяет, во-первых, полностью ликвидировать механическую обработку (фрезерование режущих зубьев ножей) и затраты на возмещение износа фрез.

Во-вторых, наличие перемычки между зубьями исключает при термообработке интенсивное окисление и обезуглероживание режущих кромок зубьев, что увеличивает их износостойкость и долговечность.

В сконструированном штампе процесс деформирования осуществляется по схеме, приведенной на рис. 7. Эта схема позволяет за один ход ползуна пресса получать готовый полуфабрикат сегмента с насеченным лезвием. Штамп также оснащен прижимом для предотвращения изгиба заготовки. В процессе штамповки сегмент, предварительно уложенный на плоской матрице по упорам, более точно самоустанав-ливается пуансонами. Это обеспечивается наклонными гранями самих пуансонов.

. А-А

Прижим Пуансон

Заготовка У \ Матрица

Рис. 7. Схема штамповки насечки на сегменте

Как отмечалось, при штамповке по данной схеме толщина перемычки между зубьями не может быть менее 0,9 мм. После шлифовки этой перемычки толщина сегмента выходит за пределы допуска. Для получения качественного изделия шлифовать необходимо на величину 0,3-0,35 мм. Поэтому следует определить величину смещения кромки заготовки е от центра пуансона. Значение смещения найдем по смещенному объему из условия, что металл заготовки Уо заполнит только впадину У\ и не потечет под плоские участки пуансона Б (рис. 8). Параметр е определим из условия

(9)

где ¥0 - объем смещенного металла заготовки; ^ - объем впадины пуансона, заполняемый металлом.

Определим значения составляющих выражения (9):

у - .з^фУ^а + с^а) _2 (^п ~~ + ^а)

г 6 2

[К - + (Лдх) | + сі&),

2 бідф ’ ^ '

^фУ^а + с^а) 6 ’

Atgф(tgа + etgа) | _/;,%а + ^а)

2 2

где а - угол наклона боковой стенки впадины к вертикальной оси, равный 40°; <р - угол наклона профилированной части деформирующего инструмента к горизонтальной плоскости, равный 25°; Ь0 - толщина заготовки сегмента, равная

3 мм; кх - толщина вершины зуба, принимаемая

0,3 мм; г - искомая глубина затекания металла во впадину инструмента по длине (рис. 8).

А-А

Из (10) вычтем (11) и после преобразований и подстановки численных значений параметров получим кубическое уравнение

-0,147г3н-ЦЗбг2 — 7,494г+14,287 = 0. Решив последнее уравнение, найдем г = 2,57 мм. Окончательно определим: е = г+к-г+-^-Ъ^2 мм

(рис. 8). При настройке штампа и штамповке заготовка должна быть смещена от центра пуансона на расстояние не менее 3,2 мм.

Сегменты, полученные по новой технологии и с фрезерованной насечкой, были подвергнуты сравнительным полевым испытаниям. Натурные испытания проводили на испытательной станции РКУП «ГСКБ по зерноуборочной и кормоуборочной технике». Два типа сегментов были установлены на режущий аппарат жатки КИС 0200000Б комбайна КСК-100А-2. Испытания проводились по следующей методике [1]:

1. Проверка всех сегментов на твердость.

На рис. 9 на сегменте указана зона упрочнения термообработкой и точки для контроля

твердости. Как видно из рисунка, твердость должна составлять 40-62 Н11С.

2. Изучение характера и величины износа зуба насечки путем сравнения профиля зуба до и после испытаний. Износостойкость оценивается по следующим показателям:

а) относительный износ зуба по высоте

т т __ ^ср.нов 4р.изн

“ 1

ср.нов

(12)

ср изн - средняя высота зуба насечки после

где /(

испытаний; / ов - то же до испытаний;

б) относительное заострение вершин зубьев насечки

а =

г —г

ср.верш.нов ср.верш.изн

(13)

ср.верш.нов

- средний радиус вершин зубьев

ТО же ПО-

насечки нового сегмента; гсрвершизн

еле испытаний;

в) относительный износ впадин между зубьями насечки

Г — г

{у — ср.впад.нов ср.впад.изн

Г

' ср.впад.нов

(14)

где ''ср.впад.изн - среднии радиус впадин между двумя зубьями насечки после испытаний; ''ср.впад.нов - то же д° испытаний;

г) относительное притупление лезвий зубьев насечки

с _е

Л _ ср.изн ^ср.нов

и _ -

ср.нов

(15)

где 5а

^ср.изн

ки после испытаний;

средняя острота лезвия зуба насеч-

^ср.нов

ТО же ДО ИСПЫ-

тании.

3. Контроль качества среза. На площадке 0,5x0,5 = 0,25 м2 подсчитывается количество стеблей прямо, косо срезанных и с рваным сре-

зом. Качество среза оценивается чистотой среза, т. е. отношением количества прямо, косо срезанных стеблей к общему количеству стеблей.

Результаты полевых сравнительных испытаний сегментов приведены в табл. 2.

Таблица 2

Наименование параметров Значение параметра (среднее)

По КД Серийные Опытные

1. Твердость ЖС 40-62 50-57 50-57

2. Относительный износ зуба по высоте и 0,004 0,002

3. Относительное заострение вершин зубьев насечки а 0,03 0,01

4. Относительный износ впадин между зубьями насечки Ь 0,03 0,02

5. Относительное притупление лезвий зубьев насечки с 0,02 0,01

6. Качество среза - 0,922 0,973

ВЫВОД

Формообразование режущих зубьев сегментных ножей пластическим деформированием повышает их стойкость в 1,5-2 раза за счет увеличения ширины режущей кромки и глубины режущих выступов, а наличие перемычки между зубьями исключает при термообработке интенсивное окисление и обезуглероживание режущих кромок зубьев. Это обеспечивает также возможность выполнения 3-4-кратной переточки сегментов, что исключено при фрезеровании режущих зубьев. Данные преимущества обеспечат экономию дорогостоящей стали 65Г в количестве около 250,0 т в год. При стоимости 1 т указанной марки стали 635000 руб экономия металла составит в среднем 158,7 млн руб в год.

ЛИТЕРАТУРА

1. Резник И. Е. Повышение износостойкости и долговечности режущих элементов сельскохозяйственных машин // Материалы второй науч.-техн. конф. / Под ред. И. Е. Резника. - М., 1971.

2. Исаевич Л. А. Способ получения зубьев сегментов режущих аппаратов зерно- и кормоуборочной техники пластическим деформированием / Л. А. Исаевич, Д. М. Иваницкий, В. А. Король // Литье и металлургия. -2005.4.-С. 122-128.

3. Сторожев М. В. Теория обработки металлов давлением / М. В. Сторожев, Е. А. Попов. - М.: Высш. шк., 1963.-390 с.

4. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3 т. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1980. - Т. 1. - 728 с.

5. Романовский В. П. Справочник по холодной штамповке. - 6-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1979. - 520 с.