CC BY
147
УДК 621.983; 539.374
РАЗНОСТЕННОСТЬ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ПРИ РОТАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКЕ
С.С. Яковлев, В.И. Трегубов, Е.В. Осипова, М.В. Ларина
Изложены математические модели изменения относительной разностенно-сти цилиндрических деталей из сталей 10 и 12Х3ГНМФБА, изготавливаемых ротационной вытяжки на специализированном оборудовании роликами с разделением очага деформации, от технологических параметров, геометрических характеристик инструмента. Выявлены рациональные технологические режимы обработки, обеспечивающие минимальные величины разностенности.
Ключевые слова: ротационная вытяжка, разностенность, качество, технологические параметры, оправка, ролик, трубная заготовка, шаг подачи, степень деформации.
Обеспечение толщины стенки с заданными отклонениями является одним из наиболее важных технических требований при производстве деталей ответственного назначения. Известно, что колебания толщины стенки в готовых деталях зависят в значительной степени от разностенности исходных заготовок, точности используемого оборудования и инструмента. В процессе деформирования исходной заготовки при ротационной вытяжке с утонением стенки происходит изменением величины разностенно-сти, как правило, в сторону уменьшения. Однако в отдельных случаях (при использовании заготовок с малой исходной разностенностью) разностенность в готовой детали может превышать разностенность исходной заготовки, что связано с достижимой предельной точностью используемого оборудования, инструмента, а также с условиями деформирования при ротационной вытяжке (технологические параметры, геометрические параметры деформирующего инструмента, колебания температуры инструмента и др.) [1, 2].
Для оценки влияния технологических параметров процесса, геометрических характеристик инструмента на изменение относительной разностенности £ изготавливаемых деталей выполнены экспериментальные исследования с регистрацией значений толщины стенки при переменных значениях степени деформации е, рабочей подачи £, числа оборотов вращения заготовки п и радиуса закругления ролика г. Здесь = 81 / 81 исх 100%; е = (1 - 1 /¿0)100%; ¿о и t - толщина стенки исходной
______* . ?исх мсх мсх . ?исх исх исх .
заготовки и детали £ = ¿тах - ¿Ш1П ; Ъ = ¿тах - ¿т1п ; = ¿тах - ¿т1п ;
^тах и ^тт - максимальная и минимальная толщины изготавливаемой де-
ъисх мех мех мех мех тали; 8 = ?тах - ¿тт; tmax и ?тт - максимальная и минимальная толщины исходной трубы.
Предварительные экспериментальные исследования по ротационной вытяжке цилиндрических деталей из разных материалов показали, что наиболее эффективной в части получения высоких точностных характеристик деталей является схема с разделением деформации по сравнению с другими возможными схемами формоизменения (схем с использованием деформирующих роликов открытой и закрытой калибровки) [3]. Поэтому ротационная вытяжка цилиндрических деталей из исследуемых материалов осуществлялась по 3-роликовой схеме с разделением очага деформации.
Для построения математической модели изменения относительной разностенности 8 выполнены экспериментальные исследования с последующей обработкой результатов на основе регрессионного анализа в сочетании с теорией планирования эксперимента. Так как предварительные эксперименты показали, что линейная модель может не удовлетворять условию адекватности, то для проведения экспериментальных исследований согласно рекомендациям [4, 5] был выбран план Рехтшафнера. В соответствии с планом Рехтшафнера в табл. 1 приведены уровни и интервалы варьирования технологических параметров процесса ротационной вытяжки, влияющие на величину изменения относительной величины отклонения внутреннего диаметра детали от номинального значения в натуральных значениях.
Таблица 1
Уровни и интервалы варьирования технологических параметров процесса ротационной вытяжки
Обозначение факторов Х\ Х2 Хз Х4
е, % £, мм/об п, об/мин г, мм
сталь 10 сталь 12Х3ГНМФБА
Основной уровень 0 45 0,75 75 110 6
Интервал варьирования 15 0,5 25 40 3
Нижний уровень -1 30 0,5 50 70 3
Верхний уровень +1 60 1,0 100 150 9
Связь натуральных и кодированных значений факторов осуществляется по следующим формулам:
Xi0 = (Xi max + Xi min) / 2 ; AXi = (Xi max - Xi min)/2;
X = (X + Xi0)/AXi, где Xio - значение фактора на основном уровне в натуральном масштабе; Xi, Xi - значение факторов в кодированном и натуральном масштабах; AXi - интервал варьирования фактора в натуральном масштабе.
Опыты равномерно дублировались, для каждой группы фиксированных параметров проводились по шесть параллельных опытов. При определении границ области эксперимента использованы значение факторов, установленные в предварительно проведённых экспериментальных исследованиях. Согласно данному плану эксперимента была проведена серия опытов, и после проверки значимости коэффициентов уравнений регрессии по t -критерию Стьюдента из этих зависимостей были исключены незначимые коэффициенты и произведен перерасчет моделей с проверкой их адекватности по F -критерию Фишера при уровне значимости, равном 0,05 [4, 5].
Для проведения экспериментальных исследований были использованы трубные заготовки из малоуглеродистой стали 10 и легированной стали 12Х3ГНМФБА. заготовки из стали 10 подвергались предварительной калибровке и последующей механической обработке, а заготовки из стали 12Х3ГНМФБА - механической обработке. Основные размеры исходных заготовок представлены в табл. 2.
Таблица 2
Геометрические характеристики исходных заготовок
Материал заготовки dвн, мм t0, мм
Сталь 10 210,8 9,2
Сталь 12Х3ГНМФБА 116,2 6,05
Экспериментальные работы производились на стане В-280. Стан оснащен 3-х роликовой кареткой с гидравлическим приводом осевого перемещения. Деформирующие ролики расположены через 120° по периметру окружности. В качестве деформирующего инструмента при проведении экспериментальных работ были использованы конические ролики с открытой калибровкой диаметрами Эр = 280 мм с углов рабочего конуса ар
(первого а р1 = 15° и второго и третьего а р 2 = а р3 = 30° роликов) и радиусом при вершине ролика г. Типовая конструкция ролика приведена в работе [3]. Рабочий инструмент (ролики и оправка) изготавливался с твердо-
79
стью 56...62 ИЯСэ. Выбор указанных диапазонов режимов обработки и параметров инструмента обусловлен широким их использованием в практике [3]. Для замеров диаметров деталей использовались приборы индикаторного типа. Цена деления индикатора составляла 0,01 мм.
Проведенные эксперименты и соответствующая обработка опытных данных позволили получить математические модели изменения относительной разностенности 8;:
для малоуглеродистой стали 10
8 = 60,146 - 7,6086х1 + 6,9674х2 - 4,6891х3 - 5,9397х4 -
-1,5507^2^3 -6,002x3x4; (1)
для легированной стали 12Х3ГНМФБА
8; = 62,665 -18,925х1 + 3,2988х2 - 4,0648х3 - 3,67х4 -
- 2,9994х3х4 - 6,8136х3. (2)
На рис. 1, 2 и 3 приведены графические зависимости изменения относительной величины разностенности 8; от степени деформации е, относительного радиуса при вершине ролика г = г / ^ и степени деформации е при ротационной вытяжке деталей из сталей 10 (а) и 12Х3ГНМФБА (б).
а
б
Рис. 1. Зависимости изменения величины 8; от е и г:
а - для стали 10 (£ =0,5 мм/об; п =100 об/мин); б - стали 12Х3ГНМФБА (£ =0,5 мм/об; п =150 об/мин)
Анализ графических зависимостей и результатов экспериментальных исследований показывает, что с уменьшением степени деформации е и рабочей подачи £ относительная величина 8; снижается. Установлено, что с увеличением относительного радиуса при вершине ролика г убывает относительная разностенность 8;. Рост числа оборотов вращения заготовки п в большинстве случаев сочетания исследуемых технологических параметров ротационной вытяжки приводит к уменьшению относительной разностенности 8;.
а
б
Рис. 2. Зависимости изменения величины от е и п. а - для стали 10 (п = 100 об/мин, г = 0,98); б - стали 12Х3ГНМФБА (п = 100 об/мин, г = 0,98)
а б
Рис. 3. Зависимости изменения величины от е и п: а - для стали 10 (Б = 0,5 мм/мин, г = 0,98); б - стали 12Х3ГНМФБА (Б = 0,5 мм/мин, г = 1,49)
Оптимизация регрессионных зависимостей (1) и (2) позволила выявить значения факторов в натуральном масштабе, при которых относительная величина будет минимальна и максимальна. Результаты оптимизации приведены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты поиска минимальной и максимальной величин 8*
Материал тт/ тах £ , % £, п, об/мин г 8*
Сталь 10 тт 30 1 50 0,98 30,49
тах 60 0,5 100 0,98 81,024
Сталь 12Х3ГНМФБА тт 60 0,5 150 1,49 22,89
тах 30 1 110 0,49 88,60
Полученные зависимости для определения величины относительной разностенности 8* могут быть использованы при разработке новых технологических процессов и создания математических моделей деформирования при ротационной вытяжке с разделением очага деформации цилиндрических деталей из сталей 10 и 12Х3ГНМФБА.
Список литературы
1. Гредитор М.А. Давильные работы и ротационное выдавливание. М.: Машиностроение, 1971. 240 с.
2. Могильный Н.И. Ротационная вытяжка оболочковых деталей на станках. М.: Машиностроение, 1983. 192 с.
3. Яковлев С.С., Трегубов В.И., Яковлев С.П. Ротационная вытяжка с утонением стенки осесимметричных деталей из анизотропных трубных заготовок. М.: Машиностроение, 2009. 265 с.
4. Налимов В.В., Голикова Т.И. Логические основания планирования эксперимента. М.: Металлургия, 1980. 152 с.
5. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение; София: Техника, 1980. 304 с.
Яковлев Сергей Сергеевич, д-р техн. наук, проф., mpf-tula@,rambler.т, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Трегубов Виктор Иванович, д-р техн. наук, проф., mpf-tula@,rambler.т, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Осипова Елена Витальевна, асп., mpf-tula@,rambler.т, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ларина Марина Викторовна, канд. техн. наук, доц., mpf-tula@rambler.т, Россия, Тула, Тульский государственный университет
82
NONUNIFORM CYLINDRICAL PARTS WHEN ROTARY DRAWING S.S. Yakovlev, V.I. Tregubov, E.V. Osipova, M.V. Larina
The mathematical model of change relative nonuniform cylindrical parts made of steel and 10 12H3GNMFBA manufactured rotary drawing on specialized equipment casters with the division of the deformation zone, the process parameters, the geometric characteristics of the instrument are presented. The rational technological modes of processing, ensures the minimum of nonuniform are identified.
Key words: rotary extractor, nonuniform, quality, process parameters, the mandrel roller, tubular billet step submission, the degree of deformation.
Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Tregubov Victor Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Osipova Elena Vitalievna, postgraduate, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Larina Marina Viktorovna, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
