XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

 

Введение

Изделия из легких металлических блоков, обеспечивающих резьбовое крепление различных компонентов, в настоящее время широко используются в машиностроении. Проблема обеспечения прочности таких соединений заключается в достижении достаточной длины завинчивания, обеспечивающей три-пять витков резьбы. Для увеличения длины завинчивания применяются такие методы, как гибка пластин, сварка гаек, формование заглушек и деформация металлических блоков в закрытых пресс-инструментах. Все эти методы недостаточно совершенны и требуют применения дополнительного оборудования и расходных материалов. Эта проблема может быть решена путем формирования метчиков путем термического сверления, когда материал отверстия не удаляется вместе со стружкой, а используется для отбортовки, обеспечивая, таким образом, достаточную длину завинчивания.

Для обеспечения работоспособности резьбовых соединений длина завинчивания должна быть достаточной для образования не менее трех витков резьбы. Известно, что до 70% нагрузки, приходящейся на резьбовое соединение, приходится на первые три витка резьбы. Существуют различные методы, используемые для увеличения длины завинчивания. К ним относятся: гибка пластин, формование пробок, пластическая деформация в закрытых пресс-инструментах и т.д. Однако большинство применимых методов недостаточно продвинуты. Они требуют применения специального оборудования и аксессуаров. Наиболее целесообразно использовать способ пластической деформации металлических блоков вращающимся пуансоном (термическое сверление). Процесс протекает при нагреве металлического блока за счет сил трения между инструментом и блоком. Весь кованый металл используется для формирования верхней и нижней отбортовки, таким образом, обеспечивая необходимую длину завинчивания и безотходный процесс. В литературе описан процесс формирования фланцевых отверстий методом термического сверления, однако опубликованные данные носят скорее рекламный, чем научный характер. В частности, они не содержат геометрических параметров полученной отбортовки и не указывают прочность полученного резьбового соединения. Это порождает необходимость определения параметров процесса формирования фланцевых отверстий в легких металлических блоках толщиной 0,8–2,0 мм путем термического сверления, обеспечивающего необходимую длину завинчивания и прочность резьбового соединения. Одной из задач, необходимых для достижения этой цели, является моделирование механизма образования отверстий.

В данной статье рассматривается механизм формирования отбортовки вращающимся пуансоном, взаимосвязь между геометрическими размерами отбортовки и моделирование процесса с помощью программного пакета ANSYS.

1 Взаимосвязь между геометрическими размерами отбортовки.

Процесс термического бурения можно условно разделить на пять этапов (рис.1).

Рис. 1. Этапы формирования фланцевых отверстий методом термического сверления

На первом этапе металлический блок нагревается за счет сил трения. На втором этапе пуансон вводится в металлический блок, и начинает формироваться верхняя отбортовка. На третьем этапе ломается нижний край металлического блока. На четвертом этапе формируется нижняя отбортовка. На пятом этапе цилиндрическая часть инструмента проходит через отверстие, и отверстие окончательно формируется. Инжир. 2 и 3 показаны половина сечения фланцевого отверстия и конфигурация отверстий, выполненных в металлических блоках толщиной 0,8, 1,5 и 2 мм.

Рис.2 Конфигурация фланцевых отверстий, образованных термическим сверлением в металлических блоках различной толщины

Сформированные отбортовки можно охарактеризовать их размерами: высотой и толщиной основания. Это ясно из рис. 2, что при формировании отбортованного отверстия в металлическом блоке толщиной 0,8 мм верхняя отбортовка не образуется, а весь обработанный металл используется только для формирования нижней отбортовки. Технологические параметры и геометрические размеры отверстий с фланцами представлены в таблице 1.Радиальное усилие опорной колодки по расчетам составляет 6123N, которое направлено вертикально вверх.Давление правой опорной колодки составляет 3272N, что прямо вниз. Радиус подушечки подшипника составляет r = 155 мм. Давление левой стороны составляет P1 = 967,74 МПа, правой стороны - P2 = 517,14 МПа по формуле давления.

Таблица 1. Технологические параметры формирования фланцевых отверстий.

, mm	Paf, H		t, c	Размер h, мм	Размер h1, мм	Размер , мм
				2,5		0,8
1,5	350	400	4,6	2,5	1,0	0,9
2,0	500	570	3,8	2,6	1,0	1,0
Диаметр Пуансона d = 5 мм

Объем блочного металла, принимающего участие в формировании нижней отбортовки (рис. 2) рассчитывается как:

(1)

Объем обработанного металла металлического блока рассчитывается по формуле:

(2)

С другой стороны, объем нижней отбортовки равен:

(3)

Объем параболоида нижнего среза вычисляется по формуле с учетом уравнения [9] и фиг. 2:

(4)

и объем отверстия в параболоиде нижнего среза рассчитывается как

(5)

Затем, вставляя уравнения (2), (3), (4), (5) в уравнении (1) мы получаем:

(6)

Высота нижней отбортовки равна:

(7)

Высота нижней отбортовки с учетом уравнения (7) равна:

(8)

Это следует из уравнений (4), (7), (8) что геометрические размеры отбортовок зависят не только от количества обработанного материала, определяемого диаметром отверстия и толщиной металлического блока, но также от доли участия обработанного материала в отбортовке. С учетом экспериментальных данных, используя уравнение (3.7), мы можем определить долю в участия информации о деформируемом материале нижней отбортовки. Результаты расчетов представлены в таблице 2. Он также содержит результаты расчета объема металла (формула 1), используемого для формирования нижней отбортовки. Инжир. 3 содержит диаграммы влияния толщины металлического блока на долю участия информации о деформируемом материале нижней отбортовки.

Таблица 2. Доля участия и объем Vl.f. информации о кованом металле нижней отбортовки.

Диаметр инструмента, мм	Осевая сила, H	Толщина металлического блока, мм	b	Vl.f., mm3
3,4	150	0,8	1,0
3,4	250	1,5	0,7
3,4	260	2	0,52
5	170	0,8	1,0	18
5	320	1,5	0,73	20
5	500	2	0,65	25

Рис. 3. Влияние толщины металлического блока на долю участия информации о кованом металле нижней отбортовки

Это следует из таблицы 2 и рис. 3, что уменьшение толщины металлического блока приводит к увеличению доли и объема кованого металла металлического блока, участвующего в формировании нижней отбортовки, и при толщине металлического блока 0,8 мм весь кованый металл участвует только в формировании нижней отбортовки. Однако механизм влияния толщины металлического блока на размеры отбортовок в светоизмерительных металлических блоках толщиной 2,0–0,8 мм неизвестен. Мы знаем аналитические и графические приближенные методы для решения пластических задач [10,11,12,13,14]: метод баланса работы пластической деформации; метод тонких сечений; визиопластический метод; метод линии потока; метод потока тонкого слоя; вариационные методы; метод линейной аппроксимации; метод разделения по параметру нагрузки; метод характеристик. Ни один из этих методов не является совершенным, тогда как делаются предположения, которые могут описать процесс пластической деформации в целом. Исследование механизма течения пластического материала при формировании отверстий с фланцами вращающимся пуансоном в светоизмерительных металлических блоках может быть проведено более совершенным методом конечных элементов с помощью программного пакета ANSYS.

2. Исходные данные для моделирования процесса термического бурения

Металлические блоки представляют собой квадратные пластины длиной и шириной 12 мм и толщиной 2 мм; 1,5 мм; 0,8 мм. Инструмент (пуансон) имеет форму цилиндра, переходящего в конус с углом резания 20°. Конец конуса обрезается под углом 60°. Пластины изготовлены из стали 08кп, а пуансон - из твердого сплава ВК6. Процесс формирования отверстий с фланцами путем пластической деформации вращающимся пуансоном протекает за счет выделения тепла в результате сил трения (рис. 2.5). Сталь 08 кп имеет следующие характеристики: коэффициент Пуассона 0,3; плотность 7,8 · 103 кг/м3; средняя теплопроводность 50,6 Вт/(м·°C); средняя теплоемкость 523 Дж/(кг·°C), (таблица 3.2) [16]. Свойства материала были описаны с учетом температурных колебаний:

Таблица 3. Свойства материала (сталь 08кп)

Температура,	0	100	200	400	550	700
Коэффициент эластичности, ГПа	203	207	182	141	12	8
Коэффициент линейного расширения, 10-6 °C	11,7	12,5	13,4	14,5	14,9	15,3
Предел текучести, H	270	250	230	150	90	30
Коэффициент пластического упрочнения	217	186	211	139	25	15

При моделировании процесса формирования фланцевых отверстий были приняты следующие припуски:

1. Чтобы сократить время вычислений, моделирование производится в двумерном пространстве, игнорируя вращение пуансона. При исключении вращения пуансона модель теряет свой основной источник тепла. Следовательно, тепловой эффект задается путем обеспечения пуансона конечной средней температурой формирования отбортовки. Учитывая симметрию процесса, для создания модели достаточно половины вертикального сечения вдоль оси инструмента.

2. Профиль пуансона моделируется контурной линией инструмента толщиной в три конечных элемента 0,067*10-3 0,067*10- по 3 мм каждый.

3. Ввиду того, что пуансон изготовлен из твердого сплава ВК6, давайте признаем, что он не деформируется. Крепление пуансона имитируется анкерным креплением (кронштейном). Аналогичным образом, металлический блок не смещается относительно прибора.

4. Материал металлического блока обладает одинаковыми свойствами во всех направлениях и не имеет дефектов.

5. Процесс формирования фланцевого отверстия вращающимся пуансоном разделен на интервалы 0,1 с.

На рис. 4 показаны расчетные формы отверстий с фланцами, а в таблице 4 приведены числовые данные полученных результатов.

Рис. 4. Расчетные формы моделей отверстий, сформированных вращающимся пуансоном с d=5 мм: a – металлический блок толщиной 2,0 мм; b - металлический блок толщиной 1,5 мм; c – металлический блок толщиной 0,8 мм.

Выводы

1. Установлено, что смоделированные формы отбортовок качественно совпадают с экспериментальными.

2. При внедрении пуансона в металлический блок толщиной 2,0 мм и после разрушения нижней поверхности металлического блока образуются верхняя и нижняя отбортовки за счет объемной деформации и послойного перетекания металла, связанного с действием нормальной и тангенциальной составляющих осевой силы. Полученные результаты подтверждаются исследованием микроструктуры области деформации.

3. При внедрении пуансона в металлический блок толщиной 0,8 мм перед разрушением нижней поверхности металлического блока механизм формирования отбортовки идентичен механизму при внедрении пуансона в металлический блок толщиной 2,0 мм. Однако после разрушения нижней поверхности из-за изгиба металлического блока под действием осевой силы весь обработанный металл смещается вниз только с образованием нижней отбортовки.

4. Оценки формы поля деформации, нагрузок и температур отражают качественное изображение образования отбортовки в результате пластической деформации черного металла.

Список литературы и источника

Г.Б. Иосилевич, Машиностроение: Учебное пособие для студентов инженерных факультетов высших учебных заведений, Машиностроение, Москва, 1988.

П.В. Шаламов, Формирование метчиков вращающимся пуансоном в светоизмерительных металлических блоках, Высокие технологии в машиностроении. 30 (2013) 29 - 34.

Ш.М. Ли, Сверление трением аустенитной нержавеющей стали вольфрамовыми инструментами без покрытия и PVD-AlCrN- и TiAlN-покрытием, Международный журнал станкостроения и производства. 49 (2009) 81 - 88.

В.В. Хоменко, Формирование крепежных выступов в светоизмерительных деталях методом пластикового сверления, кандидатская диссертация, РГБ, Москва, 2005.

М. Тауреза, О влиянии материала заготовки на трение при микроформовании и эффективности смазки, Журнал технологии обработки материалов. (2014) 998–1007.

Код для цитирования: Скопировать