13. Смагина О.П. Разработка и расчет процессов отбортовки отверстий и упрочнения деталей эластичной средой
>> К списку публикаций >> К содержанию сборника
УДК 6.21.981.12.011
РАЗРАБОТКА И РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ ОТБОРТОВКИ ОТВЕРСТИЙ
И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ЭЛАСТИЧНОЙ СРЕДОЙ
Смагина О.П.
Научные руководители – профессор Комаров А.Д., доцент Моисеев В.К.
Отбортовка отверстий применяется с целью увеличения жесткости деталей, а также для присоединения к ним с помощью сварки элементов трубопроводов и других деталей. Однако при традиционных методах отбортовки отверстий за счет растяжения материала борта происходит уменьшение его толщины на 15…25 и более процентов. Поэтому утонение материала борта и особенно его кромки, а также большие растягивающие деформации и напряжения, приводящие к образованию микротрещин, снижают прочность, надежность и ресурс изделий /1/.
Разработаны устройства, позволяющие увеличить толщину материала борта, включая его кромку. В первом устройстве заготовка с предварительно отбортованным отверстием деформируется в контейнере с эластичной средой (полиуретан или резина) с образованием волны избыточного материала в зоне радиуса сопряжения борта со стенкой за счет превышения высоты борта относительно матрицы. Под действием увеличивающегося давления и силы трения сжимающегося вкладыша из эластичной среды волна избыточного материала смещается в зону борта, вследствие чего его толщина увеличивается. Вставленный внутрь отбортованного отверстия вкладыш из эластичной среды при сжатии создает полезную силу трения и одновременно предотвращает потерю устойчивости борта.
Во втором устройстве, оснащенном контейнером с эластичной средой, за один ход пресса производится пробивка отверстия, его отбортовка и набор толщины материала борта. Схема устройства в исходном положении представлена на рисунке 1. На подштамповой плите 1 установлено основание 2, на котором размещен жесткий пуансон 3 и жесткая матрица 4. Матрица 4 подпружинена кольцом из эластичной среды 5, установленным на основании 2. В контейнере 6 размещена эластичная среда 7.
Принцип работы устройства следующий. Плоскую заготовку устанавливают на пуансон 3 и матрицу 4. Производят штамповку с помощью контейнера 6 с эластичной средой 7. В процессе штамповки заготовка прижимается к матрице 4 и пуансону 3, и происходит прогиб заготовки. При этом кольцо из эластичной среды 5 начинает сжиматься, а матрица 4 опускается вниз.
Рисунок 1 – Устройство в исходном положении
Затем при растущем давлении произойдет разрушение материала в зоне острой кромки жесткого пуансона 3 и осуществляется отбортовка полученного отверстия эластичной средой 7. Кольцо 5 продолжает сжиматься, а матрица 4 опускается еще ниже. С дальнейшим ростом давления кольцо из эластичной среды 5 сжимается, матрица 4 упирается в поверхность подштамповой плиты 1. При этом происходит набор толщины материала заготовки, особенно в зоне края борта.
Следовательно, при штамповке в предлагаемом устройстве значительно повышается прочность и жесткость деталей. Кроме того, устройство позволяет уменьшить количество операций технологического процесса, и тем самым снизить производственные затраты на изготовление детали.
Разработан также следующий способ для упрочнения отбортовок эластичной средой в трубчатых и полых деталях с односторонним доступом деформирующего инструмента. Заготовку с расположенным внутри вкладышем устанавливают на полуматрицу. Внутри отвода заготовки размещают эластичную среду с внутренней полостью и жесткий ступенчатый пуансон. К пуансону прикладывают усилие, вследствие чего он перемещается вверх, а эластичная среда деформируется. Пуансон, воздействуя на торец отвода, осуществляет торцевую осадку, тем самым, производя набор толщины материала на стенке отвода, и при этом вкладыш обеспечивает создание противодавления эластичной среде /2/.
Разработана методика расчета основных параметров сконструированных устройств. Рассмотрим устройство для отбортовки, показанное на рисунке 1.
Усилие пресса определяется по формуле:
, (1)
где 
- максимальное давление, возникающее в процессе работы устройства;
F –площадь контейнера с эластичной средой.
Давление, необходимое для пробивки отверстия, определяется по формуле /3/:
, (2)
где S0 - толщина материала заготовки;
σ
в - предел прочности материала заготовки;L – величина зазора между матрицей и пуансоном.
Необходимое давление для отбортовки отверстия можно рассматривать состоящим из двух компонентов: давления q1, вызванного изгибом плоского борта вокруг ребра оснастки, и давления q2, вызванного тангенциальными деформациями растяжения борта в его плоскости /4/:
. (3)
Подставляя значения q1 и q2 в формулу (3), получим /5/:
, (4)
где h – высота борта;
R – радиус матрицы;
r – радиус гиба.
Необходимое давление, требуемое для набора толщины материала, определяется по формуле:
qн=q1+q2, (5)
где q1 – давление, необходимое для осаживания материала;
q2 – давление, требуемое для деформирования эластичной среды.
После подстановки значений q1 и q2 окончательная формула примет вид:
, (6)
где D и d – внешний и внутренний диаметры матрицы, по которой производится отбортовка, соответственно;
Т – твердость эластичной среды (полиуретана);
ε- ρ
тепень деформации эластичной среды;К – коэффициент, учитывающий геометрические параметры эластичной среды:
, (7)
где Dэ, dэ, hэ – внешний, внутренний диаметры и высота цилиндрической втулки (пружины) из эластичной среды, соответственно.
Конструкцию и размер пружин выбирают в соответствие с ГОСТом 22201 – 83.
При расчете и конструировании контейнера за основу принимается методика О.А. Ганаго /6/, согласно которой толщина стенки определяется по формуле:
, (8)
где r – геометрический параметр штампа;
k – коэффициент толстостенности.
Для определения угла пружинения γ (град), рассматривая схему напряженно-деформированного состояния материала вогнутых бортов при стесненном изгибе без образования складок (гофр) и трещин, воспользуемся формулой:
, (9)
где n и k – постоянные коэффициенты при аппроксимации экспериментальных кривых упрочнения степенной зависимостью вида σ=kεn;
Е – модуль упругости.
Для практических расчетов углов пружинения можно пользоваться упрощенной формулой:
. (10)
Точность вычислений по формуле (10) тем выше, чем больше величина отношения R/h /7/.
Список использованных источников
1. Малинина О.П. Отбортовка отверстий эластичной средой. Научный руководитель – Комаров А.Д. Тезисы докладов научно – технической конференции “IX Всероссийские Туполевские чтения студентов” (25 – 26 октября 2000 г.), Том 1. Казань: КГТУ. 2000 – С. 21.
2. Малинина О.П. Научный руководитель – профессор Комаров А.Д. Отбортовка отверстий в листовых и трубчатых деталях и повышение их качества. Тезисы докладов Всероссийской молодежной научно – технической конференции “Технология и оборудование современного машиностроения”. Уфа: УГАТУ, 2000 – С.54.
3. Комаров А.Д., Романовский В.П. Вырезка деталей полиуретаном.-ЛДНТП,1986.-36 с.
4. Исаченков Е.И. Штамповка резиной и жидкостью. - М.:“Машиностроение”,1967.–367 с.
5. Опыт штамповки полиуретаном стальных деталей сложной формы / В.К. Моисеев, А.Д. Комаров, А.Н. Дунаев и др. // Кузнечно-штамповочное производство. - № 8, 1991. – С.17-18.
6. Ганаго О.А., Вельбой В.Ф. Основы расчета на прочность осесимметричных штампов холодной объемной штамповки // Кузнечно- штамповочное производство. - № 5, 1973.- С. 1-5.
7. Исследование пружинения криволинейных бортов при стесненном изгибе листовых заготовок эластичной средой / А.Д. Комаров, В.А. Барвинок, А.В. Соколова, А.А. Шаров // Кузнечно-штамповочное производство. - №4, 2000. - С. 3-8.
