УДК 621.98.073

 

 

 

 

Разработана и внедрена в производство технология двухпереходной холодной штамповки специальных сферических шайб с высотой, превышающей высоту листовой заготовки, для монтажа волнообразных криволинейных секций металлических водоотводных труб. Спроектирован двухпозиционный двухрядный штамп с автоматической подачей полосы для реализации предлагаемой технологии. Для изготовления сферической шайбы был разработан двухпереходный технологический процесс, при котором на первом переходе необходимо сформировать сферическую и плоскую торцевые поверхности шайбы и осуществить пробивку отверстия. Одной из задач данного перехода является необходимость увеличения высоты шайбы по сравнению с толщиной полосы, из которой она изготавливается. На втором переходе предусматривается вырубка сферической шайбы.

Материал шайбы – марганцовая низколегированная конструкционная сталь 09Г2 (ГОСТ 17066-94). Механические характеристики данного материала приведены в таблице 1.

 

                                                                                                            Таблица 1

 

В качестве исследуемых выходных параметров, удовлетворяющих таким требованиям, как  статистическая эффективность, возможность их количественной оценки и чувствительность к изменению факторов, примем ширину b кольцевой торцовой плоскости (y₁) и степень заполнения q сферической торцовой поверхности (y₂). Степень заполнения материалом сферической торцовой поверхности полуфабриката первого перехода оценивалась по соотношению площади полуфабриката, вступившей в контакт с рабочей полостью матрицы, к общей площади этой сферической полости матрицы. Оценка (в процентах) производилась по отпечаткам следов контактной поверхности на сферическом участке полуфабриката предварительного перехода. Геометрические параметры шайбы, принятые в качестве выходных параметров, показаны на рис. 1.

Варьируемыми факторами в данном экспериментальном исследовании [1,2] являлись: угол φ конусности заостренной части пробивного пуансона (X₁) и глубина h вдавливания в полосу плоского пуансона (совмещенного с пробивным) предварительного перехода (X₂), формующего кольцевой плоский торец и перераспределяющего деформируемый материал в сферический участок полуфабриката шайбы.

 

 

                            

 

Рис. 1. Принятые выходные параметры: y₁ – ширина кольцевой торцовой плоскости; y₂ - степень заполнения сферической торцовой поверхности

 

 

Пробивные пуансоны, используемые в данном многофакторном эксперименте с различными углами конусности заостренного участка, соответствующими различным уровням фактора X_1, приведены на рис. 2.

 

 

 

Рис. 2. Варианты пробивных пуансонов, соответствующие различным уровням фактора X₁

 

 

Принятые значения факторного пространства приведены в таблице 2.

 

Таблица 2

 

 

 

В соответствии с критериями геометрического подобия при планировании и проведении многофакторных исследований предпочтительно использование безразмерных величин факторов и соответствующих им выходных параметров, поэтому, согласно практике моделирования процессов пластической деформации, толщина s изготавливаемой шайбы (исходной полосы) являлась масштабным фактором.

Варьирование каждого фактора производилось на трех уровнях. Уровни факторов  представим в кодовом масштабе  значениями 0, 1, 2. В планы входит фиктивная переменная , необходимая для расчета свободного члена регрессии и имеющая во всех опытах уровень . Запись матрицы планирования полного факторного эксперимента  приведена в таблице 3.

 

 

Таблица 3.

 

 

 

Значения уровней для эффектов взаимодействий определены сложением уровней взаимодействующих факторов и делением суммы на число уровней варьирования факторов в эксперименте. Остаток от деления дает значения уровня. Приведенный выше кодированный масштаб применяется при составлении планов, а для обработки данных эксперимента применяют другой кодированный масштаб.

Искомую математическую модель исследуемого процесса аппроксимируем следующим полиномом

 

y = b₀ + b₁X₁ + b₂X₂ + b₁₂X₁X₂ + b₁₁X₁² + b₂₂X₂²                          (1)

 

  - факторы в натуральном масштабе, т.е. в МПа, м, кг и т.д.

 

В кодированном масштабе модель представим в виде:

 

y = b₀ + b₁x₁ + b₂x₂ + b₁₂x₁x₂ + b₁₁z₁ + b₂₂z₂,                             (2)

 

где  - линейная функция от  ;  - квадратичная функция от .

 

Приведем зависимости, необходимые для перехода от натуральных значений факторов к кодированным [3,4].

Запишем линейную функцию от  в виде

 

,                        (3)

 

где  и  - константы.

 

  .                      (4)

 

После подсчёта  коэффициенты  подбираем таким образом, чтобы уровни  представляли собой небольшие целые числа.

Далее запишем , как квадратичную функцию от ,

 

,              (5)

 

где , ,  - константы.

 

;                .                       (6)

 

Коэффициенты  выбираем из условия, чтобы уровни  представляли собой небольшие целые числа.

Расчет средних значений выходных параметров для каждой комбинации факторов (строки в матрице планирования) и построчных дисперсий по результатам параллельных опытов проведем по формулам

 

;             .                           (7)

 

Для расчета кодированных значений факторов с помощью принятых численных натуральных значений их уровней и таблицы 3 приведем столбцы матрицы планирования, определяющие комбинации факторов (условия проведения) для каждого опыта (таблица 4).

 

Таблица 4

 

 

 По формуле (4) определим константу , входящую в зависимость (3):

 

;         .

 

Подберем коэффициенты :          ;     .

С учетом полученных значений зависимость (3) принимает вид

 

;                                 (8)

 

Зависимость (8) позволяет найти кодированные значения уровней, которые для  обоих факторов в данном конкретном случае будут одинаковыми: нижний уровень ; основной (нулевой) уровень ; верхний уровень .

По формуле (6) определим константы и , входящие в зависимость (5):

 

;       .

 

Подберем коэффициенты   :         ==3.

 

С учетом полученных значений зависимость (5) принимает вид

 

                  (9)

 

Зависимость (9) позволяет найти кодированные значения уровней , как квадратичной функции от кодированных значений  факторов , которые для  обоих факторов в данном конкретном случае будут одинаковыми: нижний уровень ; основной (нулевой) уровень ; верхний уровень .

Таким образом, совершен переход к кодированному масштабу, в котором план эксперимента симметричен и ортогонален.

План эксперимента в кодированном масштабе представлен в таблице 5.

 

        Таблица 5

 

 

 

Для проведения экспериментальных исследований был использован однорядный двухпозиционный штамп, конструкция и работа которого описаны в разделе 3. Он спроектирован для завершающей экспериментальной отработки технологических процессов и рабочего инструмента, а также для изготовления мелких партий сферических шайб. Фотографии штампа представлены на рис. 6.

 

 

 

Рис. 6. Однорядный двухпозиционный штамп, используемый для проведения экспериментальных исследований

 

 

Экспериментальные исследования проводились на предприятии ОАО «Алексинстройконструкция» с использованием механического пресса модели КД2126Е. Скоростной параметр деформирования этого пресса (140 ходов в минуту) соответствует скорости перемещения ползуна основного прессового оборудования, на котором изготавливают сферические шайбы. Технологическая сила – 400кН, регулировка хода ползуна – 70 мм. Для повышения достоверности результатов при одной и той же комбинации факторов проводилось три параллельных опыта, порядок реализации опытов выбран по таблице случайных чисел. Штамповая оснастка и рабочий инструмент первого перехода приведены на рис. 7, а второго перехода –

на рис. 8.

 

 

                              

 

Рис. 7. Штамповая оснастка                                   Рис. 8. Штамповая оснастка

и инструмент первого перехода                           и инструмент второго перехода

 

 

При реализации экспериментов с минимальным углом конусности
 = 60⁰ заостренной части пробивного пуансона (рис. 9) на первом переходе наблюдается проколка с частичным разрушением отхода перед пробивкой отверстия. Это приводит к тому, что материал заготовки незначительно затягивается в полость матрицы перед пробивкой и, как следствие, при наиболее благоприятных условиях для качественного формообразования сферической поверхности и ширины кольцевой торцовой плоскости шайбы качество поверхности отверстия после пробивки – наихудшее. Текстурный анализ кольцевого шлифа со стороны сферической поверхности шайбы показал, что трещины частично проникают и в тело шайбы, что отрицательно скажется на прочности соединения при долговременном нахождении трубы в грунте.

 

 

 

Рис. 9. Отштампованная шайба и отход пробивки отверстия при минимальном угле конусности  = 60⁰ заостренной части пробивного пуансона

 

 

На рис. 10 показано сквозное проникновение трещин в материал отхода после пробивки, что также подтверждает их продолжение в тело шайбы.

 

 

 

Рис. 10. Характер проникновения макротрещин

в материал отхода

 

 

Использование пуансонов с углом конусности  = 90⁰ (рис. 11) обусловливает близкое к максимальному уменьшение ширины плоского торцового кольца и ухудшение качества заполнения сферической поверхности шайбы. При этом качество поверхности пробитого отверстия значительно повышается.

Как видно