Многооперационная холодная штамповка листовых профилей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.09, кандидат технических наук Парамонов, Роман Александрович

• Парамонов, Роман Александрович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Парамонов, Роман Александрович

2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ ОМД МЕТОДОМ ЛИНИЙ СКОЛЬЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ПЛОСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

2.1. Вывод зависимостей для радиусов кривизны логарифмических спиралей; ограничивающих пластическую область, примыкающую к свободной круговой границе

2.2. Аналитическое описание технологических задач с вариантами свободных круговых пластических границ

2.3. Вывод операционных соотношений для решения смешанной9 краевой характеристической задачи«

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРИВОЛИНЕЙНЫХ ПРОФИЛИРОВАННЫХ СЕКЦИЙ ДЛЯ БЫСТРОВОЗВОДИМЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

1.1. Применение листовых радиусных профилированных секций

1.2. Способы изготовления листовых профилированных.секций ^

1.2.1. Прямолинейное профилирование листовых заготовок

1.2.2. Изготовление радиусных профилированных секций

1.2.3. Групповая и пошаговая пробивка монтажных отверстий

1.3. Статистические оценки качества изготовления деталей

1.3.1. Стандартизация методов исследования

1.3.2. Значимость качества и точности взаимного расположения монтажных отверстий ^

1.4. Обоснование теоретического метода исследования операции пробивки монтажных отверстий в полуфабрикатах профилированных секций

1.4.1. Физическая постановка задачи и обоснование метода исследования

1.4.2. Обоснование целесообразности использования аналитического решения методом линий скольжения

1.4.3. Математический аппарат аналитического описания полей линий скольжения, образованных начальными круговыми дугами

1.5. Цель и задачи исследования

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многооперационная холодная штамповка листовых профилей»

В настоящее время важной задачей, стоящей перед различными отраслями промышленности, является внедрение прогрессивных технологий, позволяющих повысить качество изготавливаемой продукции, уменьшить себестоимость и различные виды затрат на ее производство.

В большом разнообразии зданий и сооружений различного назначения, а также сетей мелиоративного водоотведения, важное значение приобретают бы-стромонтируемые металлические конструкции из оцинкованной стали различных марок, собираемые из. волнообразных и других профилированных секций с помощью высокопрочного метиза. Надежность сборки таких конструкций, их прочностные и функциональные параметры в значительной степени зависят от точности изготовления профилированных секций.

Технология* изготовления таких секций представляет собой сложный; многооперационный процесс, базирующийся на операциях обработки металлов давлением, который требует для, своей реализации применения мощного габат ритного автоматизированного технологического оборудования, объединенного в поточные линии.

Обеспечение требуемой точности размеров и формы изготавливаемой продукции в таком производстве, когда конструктивные элементы формируются на различных технологических операциях, трансформируются и корректируются на последующих, является сложной задачей, требует изучения и совершенствования отдельных, наиболее проблематичных операций холодного пластического деформирования и назначения наиболее рациональных режимов обработки.

Одной из наиболее важных операций в технологическом процессе холодной многооперационной штамповки, профилированных секций является групповая и пошаговая пробивка системы монтажных отверстий. Преобладание сдвигового характера деформаций при пробивке обусловливает целесообразность использования для ее исследования метода.линий скольжения. Теоретическое изучение силовых и технологических параметров позволит повысить технологичность пробивки отверстий в листовых профилированных полуфабрикатах и процесса многооперационной холодной штамповки изделия в целом.

Установление закономерностей формирования результирующих погрешностей в процессе изготовления профилированных секций позволит выявить отдельные формообразующие операции, которые целесообразно совершенствовать и назначать наиболее рациональные, обоснованные технологические режимы штамповки.

В связи с изложенным, теоретическое обоснование рациональных технологических режимов многооперационного холодного пластического формообразования листовых профилей, обеспечивающих интенсификацию технологического процесса, является актуальной задачей.

Целью данной диссертационной работы является повышение технологичности процесса многооперационной холодной штамповки профилированных секций путем обоснования, рациональных режимов обработки на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований.,

Научная новизна работы: впервые получены математические соотношения, для аналитического описания, полей линий скольжения: образованных начальными логарифмическими спиралями; требующих решения смешанной краевой характеристической задачи при- выходе пластической области на криволинейный контур; впервые формализован алгоритм аналитического решения методом линий скольжения осесимметричных задач, в которых пластическая-область находится на значимом удалении от оси симметрии; выявлены специфические закономерности формирования напряженного состояния и технологических режимов при пробивке листовых заготовок пуансонами с коническим торцом.

Практическая ценность работы. На основе результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований выработаны практические рекомендации, позволяющие обосновать рациональные технологические режимы, усовершенствовать рабочий инструмент, штамповую оснастку, средства автоматизации и уменьшить погрешности, возникающие на отдельных формообразующих операциях.

Разработан способ статистического прогнозирования точности пробивки системы отверстий в полуфабрикатах листовых профилей, позволяющий еще на стадии подготовки производства создать технологическую систему данной операции, позволяющую получать полуфабрикаты требуемого качества.

Положения, выносимые на защиту:

- впервые полученные математические соотношения для аналитического описания полей линий скольжения: образованных начальными логарифмическими спиралями и схематизирующих в технологических задачах обработки давлением пластические области, выходящие на свободные круговые границы; требующих решения смешанной краевой задачи при выходе пластической области на криволинейный контур;

- впервые формализованный алгоритм аналитического описания методом линий скольжения осесимметричных задач теории пластичности, в которых пластические области расположены на значительном удалении от оси симметрии;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований напряженного состояния, силовых и технологических режимов операции пробивки листовых заготовок пуансонами с коническим торцом;

- разработанный способ статистического прогнозирования точности пробивки системы отверстий в полуфабрикатах листовых профилей, позволяющий оценить уровень результирующих погрешностей и вероятность брака еще на стадии подготовки производства;

- установленные в результате экспериментальных статистических исследований специфические закономерности формирования результирующих погрешностей! профилированных секций, изготавливаемых многооперационной холодной штамповкой, с учетом технологической наследственности обработки на предшествующих операциях.

Реализация работы. Полученные результаты использованы при совершенствовании технологического процесса изготовления профилированных секций водоотводных гофрированных труб из коррозионно-стойкой стали 09Г2 толщиной 5 мм на поточной линии ОАО «Алексинстройконструкция». Использование практических рекомендаций, установленных на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований, и разработанного способа статистического прогнозирования качества позволило снизить брак при сборке указанных труб на 16,7 % и уменьшить технологическую себестоимость одного погонного метра гофрированной трубы на 10,8 %.

Отдельные результаты диссертационной работы используются в преподавании учебных дисциплин «Теория обработки, металлов давлением» и «Технология листовой штамповки» на кафедре «Механика пластического формоизменения» и учебной дисциплины «Статистические методы управления качеством продукции» на кафедре «Технология полиграфического производства и защита информации» Тульского государственного университета.

В первом разделе изложено современное состояние теории и технологии изготовления листовых профилей различными способами холодного, пластического деформирования, такими, как прямолинейное профилирование в много-клетьевых профилегибочных станах, радиусный продольный изгиб листовых профилей, секционная штамповка волнообразного профиля и гибка в штампах. Рассмотрены, также, вопросы пробивки отверстий в листовых заготовках и отмечены особенности использования групповой и пошаговой пробивки. Обоснована целесообразность использования метода линий скольжения» для теоретического анализа операции пробивки отверстий в листовых заготовках конусными пуансонами. Установлена необходимость использования статистических методов исследования и поставлены задачи исследований.

Во втором разделе разработан математический аппарат, позволяющий аналитически описывать поля линий скольжения, в которых к начальному полю логарифмических спиралей необходимо присоединить участок, представляющий собой вырожденную начальную характеристическую задачу (центрированный криволинейный веер). Получены соотношения в* плоскости изображений интегрального преобразования Лапласа - Карсона и разработан алгоритм, позволяющий аналитически решать смешанную краевую задачу.

Третий раздел. В результате проведенных в данном разделе теоретических исследований аналитическим методом линий скольжения решена осесим-метричная задача пробивки листовых заготовок остроконечным коническим пуансоном в рамках идеального однородного жесткопластического тела и холодного изотермического квазистатического нестационарного процесса. Проведен силовой анализ исследуемого процесса, выявлено преобладающее влияние на общую потребную технологическую силу вертикальной составляющей растягивающей силы, существенно изменяющей физико-механическую схему отделения отхода при пробивке листовой заготовки, конусным пуансоном по сравнению с пробивкой плоским пуансоном. Сформулирован ряд практических рекомендаций.

В 'четвертом разделе установлен комплекс выходных параметров ¡качества радиусных секций волнообразного профиля, изготавливаемых из плоских листовых заготовок за четыре последовательно выполняемые технологические операции холодного пластического формообразования. Составлена технологическая цепь появления и трансформации на последующих операциях погрешностей (отклонений номинальных размеров конструктивных элементов), влияющих на качество сборки и эксплуатации водоотводных труб. Проведены экспериментальные исследования, в ходе которых измерялись погрешности формообразуемых конструктивных элементов, далее выполнен анализ законов полученных распределений и рассчитаны описательные статистики. Последующий множественный корреляционный анализ позволил выявить технологические цепочки формирования результирующих показателей качества с большой силой корреляционной связи.

Далее идет способ статистического прогнозирования точности пробивки системы отверстий в профилированных полуфабрикатах, который позволяет прогнозировать вероятность появления брака еще на этапе подготовки производства. Он предполагает выявление комплекса исходных составляющих погрешностей и результирующих параметров* качества, формирование модельных одномерных массивов каждой составляющей погрешности. Полученный-набор 6 одномерных массивов исходных погрешностей сводится в таблицу модельной выборки, в которой частные значения каждой исходной погрешности представлены в виде столбца. Каждая строка этой таблицы представляет одну возможную комбинацию исходных составляющих погрешностей, т.е. один условный (модельный) опыт. Затем с помощью основных статистических уравнений проводятся расчеты соответствующих частных* модельных значений во всех строках таблицы. Полученные модельные распределения результирующих погрешностей, подвергают проверке на соответствие нормальному закону и производят расчет описательных статистик, используемых далее для расчета показателей качества.

Множественный, корреляционно-регрессионный анализ позволил выявить исходные погрешности, которые необходимо уменьшить в первую очередь, чтобы повысить точность пробивки системы отверстий. Они должны обладать наибольшей силой корреляционной связи, тогда их уменьшение вызовет уменьшение результирующей погрешности качества, и их коэффициент регрессии должен быть большим по модулю, тогда их уменьшение в значительной степени уменьшит результирующую погрешность.

В заключении представлены основные результаты и выводы по работе, полученные в результате комплекса проведенных теоретических и экспериментальных исследований.

1. СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОФИЛИРОВАННЫХ СЕКЦИЙ ДЛЯ БЫСТРОВОЗВОДИМЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ И КОНСТРУКЦИЙ

1.1. ПРИМЕНЕНИЕ ЛИСТОВЫХ РАДИУСНЫХ ПРОФИЛИРОВАННЫХ СЕКЦИЙ

Металлические профилированные элементы широко используются при возведении сооружений различного назначения. В частности, для осушения различных водоемов, районов с болотистой местностью, затопленных низин, а также в качестве водотоков под насыпями железных и автомобильных дорог, в том числе в климатических зонах высоких и низких температур и в условиях агрессивных почв, применяют специальные гофрированные трубы [13].

В ряде случаев, при небольших диаметрах труб гофры (поперечные риф- • ты) штампуют непосредственно на монолитных относительно тонкостенных трубах. В работе [95] описана установка для штамповки поперечных рифтов на трубах диаметром до 400 мм и длиной до 2000 мм. С поворотом трубы для штамповки рифтов с обоих концов можно изготовить трубы длиной до 4000 мм. Однако, в подавляющем большинстве, такие трубы и прочие сборные сооружения представляют собой многолистовые конструкции замкнутого контура, собираемые из отдельных профильных элементов заданного радиуса кривизны внахлест болтовыми соединениями.

На предприятии «Алексинстройконструкция» профилированные элементы (секции) изготавливают из плоских листовых заготовок на поточной линии [53, 59], осуществляющей следующие операции обработки давлением: пластическое формообразование волнообразного профиля (гофров); правка в приводных профильных валках; совмещенная пошаговая и групповая пробивка системы отверстий для монтажа со смежными секциями; продольный изгиб секции в соответствии с заданным радиусом трубы (рис. 1.1).

Круглые и эллиптические гофрированные металлические трубы наиболее

Рис. 1.1. Конструктивные элементы изделий фирмы ОАО «Алексинстройконструкция» корпорации «Трансстрой», являющейся крупнейшим в России и СНГ производителем металлических гофрированных труб.

Рис. 1.2. Различные конструктивные варианты сборных металлических зернохранилищ силосного типа, монтируемых из криволинейных волнообразных профильных секций. экономичны по площади поперечного сечения. Их конструктивная прочность по отношению к нагрузкам наибольшая. В итоге они в наибольшей степени подходят для высоких автомобильных насыпей. Гофрированная стальная труба допускает появление больших продольных понижений без угрозы ее работоспособности. Для жестких бетонных конструкций такие большие деформации недопустимы.

Сборные металлические конструкции различного сельскохозяйственного назначения приведены на рис. 1.2.

1.2. СПОСОБЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИСТОВЫХ ПРОФИЛИРОВАННЫХ СЕКЦИЙ

1.2.1. Прямолинейное профилирование листовых заготовок

Разновидностью процессов гибки (рис. 1.3) является получение профильных заготовок, имеющих постоянную по длине пространственную форму поперечного сечения, получаемую из плоской листовой заготовки (гнутые профили и трубы). Профилированием изготовляют легкие, но жесткие профили простой и сложной конфигурации различной длины. Исходным материалом при профилировании являются холоднокатаные ленты, полоса или листы толщиной от 0,5 до 20 мм и шириной до 2000 мм из мягкой коррозионно-стойкой (нержавеющей) стали, цветных металлов и их сплавов [7, 38, 91]. а

Рис.1.3. Свободная подгибка полки заготовки в штампе: 1 - пуансон; 2 - матрица.

Широкие, но короткие профили из тонкого полосового и листового металла изготовляют на универсально-гибочных машинах [19, 97].

В настоящее время используется профилирование листового металла на гибочных прессах с поступательным движением ползуна. К преимуществам данных способов можно отнести возможность штамповать бесконечно широкие профили, а в качестве недостатков можно отметить необходимость ограничение длины профиля длиной самого штампа [32, 96, 105].

При формообразовании фасонных профилей способом волочения полосового материала через ряд фильеров исходным материалом служит полоса, причем при деформировании площадь ее поперечного сечения [42] и толщина на всех переходах остаются неизменными. Изменяется только форма ее сечения, приближаясь к форме заданного профиля.

Процесс волочения и деформирования полосы через ряд фильеров может быть непрерывным, как это »показано на рис. 1.4. Непрерывное движение осуществляется парами тяговых валков, ручьи которых соответствуют форме отверстий в предшествующих им фильерах. Тяговые валки деформированиязаготов-ки не производят, и величина зажатия заготовки между ними , не должна превышать предела упругой деформации [12, 35]. ряд фильеров: 1 - заготовка; 2 - тяговые валки; 3 — фильеры.

Недостаток этого способа состоит в том, что кинематическая связь между вращением волоки и перемещением через нее обрабатываемой заготовки оказывается нежесткой. В момент проскальзывания, осевое перемещение заготовки через волоку замедляется или прекращается вообще. Пробуксовка может носить кратковременный или длительный характер. Движение заготовки становится импульсным, вызывающим переменные нагрузки. Следствием этого служит образование задиров на поверхности обрабатываемого профиля. На возникшем первом очаге налипания при последующих нагрузках происходит быстрый рост (более быстрый, чем при равномерной нагрузке) объема налипшего металла, что совершенно неприемлемо при волочении, например, точных изделий.

В1 качестве оборудования и оснастки для реализации этого способа можно отметить следующее.

Устройство для волочения профилей [69], содержащее несущий волоку волокодержатель с зубчатым венцом, взаимодействующее с венцом цилиндрическое зубчатое колесо, тяговый «орган, расположенный за волокодержателем, зубчатый редуктор и главный двигатель. С целью увеличения долговечности волоки и повышения точности геометрической формы профиля, это устройство снабжено парой винт-гайка, винт которой жестко связан одним концом с цилиндрическим зубчатым колесом, а другим - с выходным валом редуктора. Входной вал подсоединен к валу главного двигателя, а гайка жестко связана с тяговым органом, выполненным в виде установленного по оси волочения захвата.

К недостаткам данного устройства следует отнести сложность и громоздкость, конструкции, а также отсутствие радиальной регулировки верхнего вала, что приводит к непостоянству линии проката по высоте при использовании колец различного диаметра.

В'устройстве для волочения, приведенном в работе [72], произведено упрощение конструкции и повышение точности настройки калибра. В станине установлены две консольно закрепленные оси с бандажами рабочих роликов. Консоли осей выполнены эксцентрично относительно опорных участков. Настройка калибра осуществляется поворотом червяка, установленного на станине, и сопряженных с ним червячных колес, закрепленных на опорных участках осей.

Разработан способ [1] изготовления гофрированных профилей, в котором величину радиусов закруглений изменяют от середины заготовки к периферии при ее формоизменении. Другой разработанный способ - изготовление профилей с гофрами жесткости, в котором участок формирования гофров предварительно вытягивают в поперечном направлении до образования криволинейной формы с периметром, близким таковому у гофрированного участка [3]. Недостатком этих способов является невысокая производительность при профилировании мерных листовых заготовок.

Уменьшить указанные недостатки позволяет способ [66], заключающийся в пропускании листовой заготовки между валками одновременно нескольких листов при соответствующей величине вертикального межвалкового зазора.

1.2.2. Изготовление радиусных профилированных секций

Гофрированные криволинейные листовые профили, изготавливаемые методом холодной гибки на специальных станах, содержат сплошные или замкнутые гофры с различной конфигурацией поперечного сечения: полукруглые, трапециевидные, треугольные и т.д. Гофры могут разделяться плоскими участками, ширина которых определяется параметрами гофров и расстоянием между ними. Листовые гнутые профили находят самое широкое применение [93]. Известен несимметричный профиль высокой жесткости (гнутый листовой), ширина узких плоских краевых участков которого выбирается в зависимости от глубины замкнутых гофров и толщины профиля [73]. Используется и листовой гофрированный профиль, содержащий отбортовки на боковых кромках, направленные в разные стороны под определенным углом и с высотой, определяемой высотой гофров [6, 43]. Наиболее обстоятельно номенклатура применяемых профилей приведена в работе [102]. Недостатками представленных листовых гнутых профилей являются относительно большая длина и малая поперечная жесткость, что ведет к нецелесообразности их применения из-за значительного расхода металла и крепежа [94].

К гнутым профилям также относят швеллеры и уголки (равнополочные и неравнополочные), зетовые и С-образные профили, специальные профили для вагоностроения, корытные профили, гофрированные профили, листовые профили с трапециевидным гофром [14].

Профилегибочная линия состоит из накопителя рулонов, загрузочного устройства (тележка, кран-балка), разматывателя, правильной машины, рабочих клетей, отрезного устройства, приемного стола, укладчика (штабелера) и автоматизированной системы управления (АСУ). Также в состав профилегибочной линии может входить устройство для обрезки концов рулонов и их соединения дуговой или точечной сваркой. В качестве отрезного устройства используют летучие пилы или пресс-ножницы* [34, 79, 94, 95].

Основные способы производства гнутых профилей на профилегибочных агрегатах изложены в работе [27]. При непрерывном профилировании отрезка мерных профилей осуществляется за профилегибочным агрегатом, тогда как при поштучном профилировании заготовка режется на мерные длины перед агрегатом и только потом производится формоизменение. Бесконечный процесс профилирования обеспечивается сваркой заднего конца первого рулона с передним концом последующего рулона. Проблемой такого способа является обеспечение точности калибровки валков профилегибочного стана, которая определяет качество изготавливаемых профилей [16, 24, 25].

Дефекты получаемых профилей могут проявляться в виде серповидности (искривление в горизонтальной плоскости), винтообразности, волнистости, изгиба концов, искажения формы поперечных сечений на концах. Среди геометрических дефектов гнутых профилей выявлены следующие: изменение размеров крайних участков профиля, недоформовка радиусов закруглений, несоответствие заданным углам, несоответствие размерам по ширине и длине [100].

1.2.3. Групповая и пошаговая пробивка монтажных отверстий

Пробивка отверстий в листовом металле в штампах является наиболее распространенной операцией холодной штамповки. В результате пробивки происходит отделение одной части металла от другой аналогично процессу разрезки ножницами, но по замкнутому контуру. После совпадения скалывающих трещин происходит отделение вырубаемого контура. Для окончательного удаления отхода при пробивке необходимо преодолеть сопротивление трению, возникающему между поверхностями среза взаимно смещенных частей, а также между боковой поверхностью отхода и поверхностью проходного отверстия матрицы[16, 17].

Проблемой обеспечения рациональных технологических режимов пробивки является необходимость совмещения скалывающих трещин в зазоре между пуансоном и матрицей. Если он мал, то в результате пробивки поверхность среза получится неровной, с двойным пояском. Чрезмерно большой зазор ведет к появлению выровов и заусенцев по контуру детали. На качество поверхности среза влияет также и неравномерное распределение зазора по контуру, возникающее из-за несоосности настройки пуансона и матрицы.

Чтобы уменьшить силу при многопуансонной (групповой) пробивке, пуансоны делают разной длины, как показано на рис. 1.5.

Перемещение заготовки в зоне обработки при пошаговой пробивке в значительной степени влияет на точность взаимного расположения пробиваемых размеров. В частности для транспортирования заготовок при (пошаговой) пробивке отверстий разработан способ подачи штучной заготовки в штамп и удаления детали из рабочей зоны, позволяющий обеспечить автоматизацию процессов штамповки [5, 84].

Автоматизация вспомогательных (транспортных и установочных) операций в ряде случаев осуществляется за счет изменения» скорости подачи заготовок в штамп и удаления их из зоны штамповки. Перемещение заготовок с разной скоростью обеспечивается силовыми цилиндрами, в полости которых подают рабочую среду, например, воздух с разным давлением [89, 99, 101].

Как отмечалось выше, автоматизация технологических процессов штамповки зависит от конкретных условий производства. Одним из направлений автоматизации технологических процессов является использование прессов — автоматов [14]. Расширению технологических возможностей листоштамповоч-ного пресс-автомата за счет обеспечения совмещенной пробивки в обрабатываемых заготовках заданной группы отверстий на различных участках ее поверхности посвящена работа [2]. Это тозволяет сократить время, затрачиваемое на выполнение вспомогательных операций (время вывода стола с заготовкой и инструментальной пары на заданные координаты), и повысить процент рационального использования числа ходов.

Для совершенствования процесса пробивки разработан штамп [4], в котором матрица выполнена с рабочим отверстием в виде конуса, а рабочая часть пуансона - в виде цилиндра и первоначальный зазор между матрицей и пуансоном минимальный. Однако в процессе эксплуатации штампа зазор между матрицей и пуансоном изменяется от минимального до максимального за счет периодической заточки рабочего инструмента путем его шлифовки. Таким образом, в начале эксплуатации штампа, когда идет притирка, приработка инструмента и желательны минимальные нагрузки, происходит наоборот увеличение

Рис. 1.5. Ступенчатое расположение пуансонов. силы пробивки из-за минимальных зазоров между матрицей и пуансоном, что может служить причиной поломки пуансона.

Также известен штамп, рабочая часть пуансона которого имеет форму усеченного конуса с углом, равным углу конуса отверстия матрицы, что способствует повышению стойкости пуансонов [74].

1.3. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ИЗГОТАВЛИВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ

1.3.1. Стандартизация методов исследования

Статистические методы исследования [47, 80, 37], основанные на классических разделах математической статистики, таких как анализ одномерных массивов случайных величин, установление параметров корреляционной и регрессионной связи между многомерными массивами этих величин, широко используются для анализа и совершенствования технологических процессов; в том числе и базирующихся на операциях обработки металлов давлением. Особую важность статистические методы приобретают для изучения закономерностей формирования погрешностей размеров и формы конструктивных элементов, образующихся в ходе реализации многооперационных технологических процессов.

Широко применяются традиционные методы оценки качества изготавливаемой продукции, а именно: описательная статистика; планирование экспериментов; проверка гипотез; анализ измерений; анализ возможностей процесса; регрессионный анализ; анализ надежности; выборочный контроль; моделирование; контрольные карты; построение доверительных интервалов; анализ временных рядов и т.д. [39, 82].

В работе [59] широко использованы методы описательной статистики (особенно графическими методами), основанные на аналитических процедурах, этапах с обработкой и представлением количественных данных, с целью обоснованной количественной обработки полученной теоретической и экспериментальной информации.

При статистической обработке одномерных массивов исследуют:

- показатели центра распределения: выборочное среднее, мода, медиана;

- показатели вариации (рассеяния) исследуемого признака - абсолютные: размах вариации, среднее линейное отклонение, дисперсия, среднее квадрати-ческое отклонение, квартальное отклонение и относительные: коэффициент осилляции, относительное линейное отклонение, коэффициент вариации, относительный показатель квартильной вариации;

- моменты распределения: начальные, центральные, условные различных порядков;

- показатели формы распределения: асимметрия и эксцесс для симметричных распределений [41,85, 88].

При обработке двумерных и многомерных массивов устанавливают вероятностные (статистические, стохастические) связи между исследуемыми переменными. Наиболее простыми и нашедшими широкое практическое применение являются множественные корреляционный [51] и регрессионный [55] методы исследований.

В работе [68] проведено математическое обоснование и сформулированы правила вывода заключений на основе теории планирования многофакторных экстремальных экспериментов [56]. При этом использованы преднамеренные изменения в исследуемой системе и производилась статистическая оценка этих изменений в данной системе. В результате появилась возможность определения основных характеристик достаточно сложной системы [85, 88].

Статистическая процедура (тест «хи-квадрат») для проверки обоснованности гипотезы, рассматривающей параметры одной пли нескольких выборок с определенным уровнем доверия использована в работе [78].

Набор статистических процедур при анализе измерений позволил произвести в работе [70] оценку точности измерительной системы [64] в условиях ее эксплуатации. В работе [57] последовательно использована совокупность статистических методов, позволившая произвести моделирование качества изделий, изготавливаемых методами холодной штамповки.

Повышение надежности прогнозов и предупреждение случайных отказов с течением времени технологических и других систем успешно достигается комплексным применением разных способов моделирования и, в частности, анализом временных рядов [23, 37, 39, 77, 82, 83].

В работе [76] использованы выборочный контроль для получения информации о характеристиках совокупностей исследуемого признака путем изучения представительной выборки этой совокупности систематическим методом и контрольная карта для оценки стабильности исследуемого признака [82, 85, 88] на основе изучения и нанесения на график полученных данных с учетом контрольных границ. Стандартные методы построения доверительных интервалов для «стьюдентовских» распределений использованы в работе [68] для определения допусков.

Современные требования к проверке, аудиту качества продукции, сформулированные в СТ ИСО 9004, сводятся к следующему. Технический контроль и испытания готовой продукции должны проводиться в определенных точках производственного процесса. Проверка должна проводиться» в тех точках, где возникает контролируемая характеристика производимой продукции.

Контроль может включать проведение следующих проверок:

- наладка и технический контроль первой детали;

- технический контроль или испытание, проводимые станочником;

- автоматический технический контроль и испытания;

- контроль в определенных точках через определенные интервалы в течение всего производственного процесса;

- несистематический (летучий) контроль, проводимый инспекторами, отвечающими за выполнение отдельных операций [8, 81].

Для окончательного контроля* готовой продукции СТ ИСО 9004 рекомендует принять один или одновременно два метода:

- приемочный контроль или испытание, подтверждающие соответствие единиц продукции или партии эксплуатационным требованиям и другим характеристикам качества. Может иметь место сплошная проверка, выборочный контроль по партиям или непрерывный выборочный контроль;

- проверка качества готовой к отправке продукции методом выборочного контроля из партии готовой продукции как непрерывной, так и на периодической основе [8, 81].

Развитие статистического подхода к контролю качества началось в США, когда В.Стюард впервые применил статистические методы к измерению и контролю качества. Преимущества этого подхода сразу стали очевидны [87]. Вместо того, чтобы осуществлять контроль на конечном этапе производства, уровень качества отслеживался в течение всего производственного процесса, что стало возможным благодаря специально разработанным для этой цели диаграммам и схемам, в которых отражались все важнейшие этапы процесса производства продукции. Разработанная технология позволяла не только проконтролировать качество [86, 92] выпускаемой продукции, но и выявить и, что самое ценное, быстро устранить технические неполадки и сбои в производственном процессе.

К. Ишикава [109] разработал метод структурного анализа причинно-следственных связей и объединил графические методы: графики Парето - для выделения приоритетов; диаграммы «причины и эффекта» - для определения причин отклонений; расслоение - для разделения данных по категориям; контрольные листы - для сбора данных; гистограммы - для графического изображения отклонений; диаграммы разброса - для подтверждения взаимосвязи двух факторов; графики и диаграммы [86, 92] контроля Стюарта. Суть метода заключается в том, что контроль качества (сравнение запланированного показателя качества с действительным его значением) является одним из основных функций в процессе управления качеством, а сбор, обработка и анализ фактов -важнейшими этапами этого процесса [111].

В работе [75], описывающей статистический контроль качества сварного шва, также используются и обрабатываются статистические информативные данные (математическое ожидание, дисперсия, среднеквадратическое отклонение или центр, площадь, средний радиус совокупности условно-точечных объектов) обнаружения и распознавания характеристик формообразования сварочного процесса и функционирования обеспечивающего сварку оборудования.

В работе [71] рассчитывают статистические характеристики для получения оценки качества процесса правки заготовок. По измеренным значениям отклонений определяют величину необходимой коррекции формы заготовки. В процессе правки непрерывно измеряют перемещения этих же сечений заготовки. По значениям перемещений определяют фактическое отклонение формы заготовки от первоначальной. Сравнивают полученное отклонение с формами, характерными для упругой и для пластической деформации. Выделяют расчетным путем величину остаточной деформации.

1.3.2. Значимость точности взаимного расположения монтажных отверстий

На действующей поточной линии по изготовлению криволинейных профилированных секций (ОАО «Алексинстройконструкция», г. Алексин Тульской обл.) имеется ряд проблем, связанных со сложностями сборки быстромон-тируемых металлических сооружений из-за неточности взаимного расположения монтажных отверстий.

Для повышения качества изготовления профилированных секций на поточной линии необходимо с использованием статистических методов исследования установить закономерности формирования результирующих погрешностей на каждой операции технологического процесса, а затем выявить конкретные исходные составляющие погрешности по всей поточной линии, целенаправленная корректировка которых позволит уменьшить результирующие погрешности, определяющие качество профилированной секции в целом.

Процесс формообразования радиусных секций волнообразного профиля для сборных металлических водоотводных труб состоит из следующих последовательно выполняемых технологических операций: - пошаговая штамповка волнообразного профиля на плоской листовой заготовке; - правка волнообразного прямолинейного профиля в системе приводных валков; - групповая и пошаговая пробивка системы монтажных отверстий; - продольное радиусное профилирование волнообразного полуфабриката.

Была установлена группа выходных параметров качества, на погрешности которых влияет группа факторов местоположения монтажных отверстий, формируемая на операции пробивки:

АОиои - наибольшее отклонение диаметра кольца контрольной сборки от номинального значения;

Аь - наибольшее отклонение расстояний между осями боковых монтажных отверстий, получаемых пошаговой пробивкой.

- наименьшая величина торцевого нахлеста секций (ухудшение герметичности конструкции, уменьшение ее прочности).

Данные выходные параметры качества относятся к контрольной сборке (сборного кольца).

Установим перечень составляющих погрешностей, обусловленных операцией пробивки монтажных отверстий, формирующих каждую из установленных выходных параметров качества секции.

Составляющие погрешности, формирующие АЬр. Отклонение от номинального расстояния между крайними рядами отверстий у торцов секции, получаемых групповой пробивкой регулируются только болтовыми подвижными упорами для ограничения перемещения кареток - по два у торцов каждой из двух кареток, осуществляющих подачу полуфабриката секции при пошаговой пробивке. Таким образом, имеется четыре составляющих погрешности: д2, ¿>3, 5Л. Анализ конструкции регулировочных устройств и технологических приемов настройки величины хода подающих кареток позволяет утверждать, что диапазон каждой составляющей погрешности может составлять 81 = ±1 мм. Результирующая погрешность АЬр складывается-пошаговым суммированием составляющих погрешностей При анализе этой величины можно сделать вывод, что данное отклонение расстояний между осями боковых монтажных отверстий может:

1) в результате разницы между погрешностями подающих кареток вероятен перекос подаваемого полуфабриката, что может привести к разности диаметров АЦ/ои сборного кольца у нижнего торца и у верхнего, а значит и к невозможности дальнейшего монтажа гофрированной водоотводной трубы;

2) при синхронном ходе кареток без возникновения перекоса АОН0М одного кольца может не соответствовать М)ном другого сборного кольца при разности погрешности хода кареток другой настройки, а в результате опять возникает невозможность монтажа секций.

Составляющие погрешности, формирующие : Ьп.б. = ~ погрешность торцевого базирования полуфабриката по двум упорам, осредненная. Влияет на возможность сборки секций по боковым торцам, т. е. при значительных различиях 1т б у разных отдельных профилированных листов появляется возможность брака, так как боковые отверстия даже при одном общем диаметре ЛЦ,аи могут не стыковаться из-за несоосности боковых отверстий, полученных пошаговой пробивкой.

- Ад - погрешность перпендикулярности базового торца и продольных осей полуволн профиля (косина базового торца). Данная погрешность, являющаяся составляющей на третьей формообразующей операции пробивки отверстий, начинает формироваться на заготовительной операции — отрезка плоской листовой заготовки — в форме неперпендикулярности ее смежных сторон. Дальнейшую трансформацию она получает на первой формообразующей операции — штамповки волнообразного профиля. На этой операции заготовка базируется также по двум упорам торцевой кромкой, которая в дальнейшем будет правой боковой кромкой профилированной секции. При этом погрешности данного базирования накладываются на первоначальную неперпендикулярность смежных сторон заготовки и превращается в неперпендикулярность Дц. Таким образом, при различных значения погрешности А77 в отход будет уходить разный объем металла.

При малом объеме отхода металла возникает большая вероятность: 1) видимого брака, т.е. последний ряд отверстий может быть не пробит; 2) брака, влияющего на общую жесткость собранной конструкции трубы, так как при малой жесткости есть вероятность складывания. Большом объем отхода ведет к перерасходу металла, а значит и к удорожанию продукции, утяжелению секций и труб в целом.

1.4. ОБОСНОВАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ ОПЕРАЦИИ ПРОБИВКИ МОНТАЖНЫХ ОТВЕРСТИЙ

В ПОЛУФАБРИКАТАХ ПРОФИЛИРОВАННЫХ СЕКЦИЙ

1.4.1. Физическая постановка задачи и обоснование метода исследования

Изучение многих технологических операций обработки металлов давлением с приемлемой для практики точностью осуществляется на основе идеализации схемы формоизменения и свойств деформируемого материала. Существенное упрощение в ряде случаев достигается введением допущений о реализации условий плоской деформации, модели идеального жесткопластического изотропного неупрочняющегося несжимаемого тела и модели абсолютно жесткого идеально гладкого или предельно шероховатого инструмента [29, 90, 103, 107]. Такая идеализация позволяет использовать для анализа процессов плоского пластического формоизменения хорошо развитый метод характеристик (линий скольжения) [9, 11, 20, 28, 40]. Метод заключается в построении сетки характеристик и позволяет, используя их свойства, установить границы пластической области, определить поля напряжений и деформаций, величину технологической силы, необходимой для реализации процессов пластического деформирования, оценить использование степени запаса пластичности в различных точках очага деформации.

Для построения сетки характеристик используются аналитические и численные, подробно рассмотренные Р. Хиллом [104, 106, 107], способы. Применение аналитических способов существенно сокращает процедуру расчетов, повышает их точность, обеспечивает возможность анализа неустановившихся течений, поскольку в ряде случаев существует возможность получить аналитическое описание поля характеристик, содержащее параметры, определяющие развитие процесса формоизменения.

В случае плоского пластического течения задача сводится к решению системы уравнений, содержащей пять неизвестных: три компонента тензора напряжений стх, о^, 1ху и две составляющие скорости смещения ухи ; 0;

1.1) 0 д^ху

1 дх ду

ЗТху д(5у дх ду стхст^+4т2 4к2. (12)

•у) ■ -"-ху дуу дУг дv^ ду дх дх ду ху ^л: ®у

Я = О-4) дх ду

Полное решение должно удовлетворять условиям равновесия (1.1), условию пластичности (1.2), условию в скоростях (1.3), условию несжимаемости (1.4) , граничным условиям в напряжениях и скоростях (статическим и кинематическим граничным условиям на границах пластической области) и условию, требующему, чтобы в жестких областях интенсивность напряжений не достигла значения предела текучести: ах-ау)2+4т^<4к2. (1.5)

Уравнения плоской деформации являются гиперболическими и их характеристики совпадают с линиями скольжения - двумя ортогональными семействами кривых линий, направления которых для изотропного тела совпадают с направлениями максимальных скоростей сдвига и максимальных касательных напряжений. Уравнения системы (1.1) - (1.4) можно отнести к характеристикам. Тогда [104] получим вдоль характеристик семейства ос:

Ну = ах с/ст-2Ыф = 0; (1.6) и вдоль характеристик семейства |3 :

Ну ах а + 2Ыср = 0; (1.7) у^ ¿/ф = 0; где ф - угол, который отсчитывается против часовой стрелки от направления оси х до направления касательной к характеристике ос, а - среднее напряжение, уг| — составляющие скорости вдоль а и (3 характеристик.

Известные подходы к аналитическому описанию полей линий скольжения рассмотрим на примере решения задачи о течении материала в клиновом канале. Практические исследования показали, что при деформировании в сужающемся контуре в области в области вершинки образуется сферическое углубление. На фотографии, изображенной на рис. 1.6, видно, что свободная от контакта поверхность в плоскости разреза представляет собой приблизительно дугу окружности. Это позволяет сделать вывод о целесообразности аппроксимации свободной границы дугой окружности с центом, расположенным в вершинке конуса.

В работах [10, 18, 49, 52, 54, 60] приведено решение ряда технологических задач плоского пластического деформирования при аппроксимации свободной границы материала дугой окружности.

В частности в задаче о течении жесткопластического слоя в гладком сходящемся клиновом канале, свободная граница аппроксимирована дугой окружности с центром, расположенным в вершине конуса. При этом поле линий скольжения образуется двумя ортогональными семействами логарифмических спиралей, и при интегрировании вдоль граничных линий скольжения получены весьма простые, не усложняющиеся при увеличении числа пластических областей зависимости для определения основных силовых и геометрических параметров исследуемого процесса. Радиусы кривизны этих граничных линий скольжения в любой точке поля легко определяются с использованием операционных соотношений Лапласа-Карсона [30, 31], полученных для начальной характеристической задачи Римана. Последующее интегрирование вдоль граничных линий скольжения дает возможность определить необходимые геометрические и силовые параметры. При этом расчет пластических участков, примыкающих к контактной поверхности инструмента с деформируемым материалом (смешенная краевая характеристическая задача), осуществляется также с помощью указанных ранее операционных соотношений для начальной характеристической задачи с использованием свойств симметрии пластического участка относительно контактной границы [44, 45, 46].

Радиусы кривизны линий скольжения для любой п-ой области определя

Рис. 1.6. Фотография поперечного разреза образцов, отштампованных в конической матрице. ются по уравнению

Л) = -л/2 • Ло ■ ехр(« - 2 + + Л). (1.8)

В работе [28] проведен теоретический силовой анализ процессов заполнения материалом сужающихся конических каналов, при этом была решена задача в плоской постановке. Приведем зависимости для расчета основных геометрических и силовых параметров исследуемого процесса (рис. 1.7):

Рис. 1.7. Поле линий скольжения на развитой стадии течения жесткопластического материала в абсолютно гладком коническом канале при аппроксимации свободной границы материала дугой окружности. длина контактной поверхности

1к= ~~ = ехр(и • 5) -1, (1.9) где п - четное число пластических областей, входящих в поле, для которого определяются параметры;

- радиус свободной круговой границы деформируемого материала

Д0 =-—-; (1.10)

2 • ехр(и • 5) • бшЗ

- высота получаемого усеченного конуса

Н = — = [ехр(и • 8) -1] • соэб; (1.11) к0

- необходимая безразмерная технологическая сила

Р =---= 2 • п • 5 • ехр(и • 8)- бЦЗ). (1.12)

2 - к ■

Для практических расчетов зависимость (1.11) целесообразно привести к виду

Я 1 l 1 Л ctgb. (1.13)

0 2 ^ ехр(«-8) Для предельно шероховатого инструмента система уравнений, необходимых для расчета основных технологических параметров, имеет следующий вид:

- длина контактной поверхности

1.14) Rq sin 8

П ~ где х = - + о; 4

- радиус свободной круговой границы деформируемого материала о=--. ; (i.i5)

2 • ехр(я • х) ■ sinx

- высота получаемого усеченного конуса ц

Н = ~— = [ехр(и • х) -1] • sin х • ctg 8; (1.16)

R0

- необходимая безразмерная технологическая сила р

Р = ——- = 2-и-х-ехр(и-х)-зтзс. (1.17)

2 • к • Щ

Для практических расчетов зависимость (1.16) целесообразно привести к виду

Я 1 г 1 Л с/0 2

I. 1 V сЩЪ. (1.18) ехр (п-%)

Оценка, полученная авторами в работе [28], совпадает с точным решением для течения слоя с прямой свободной границей и устанавливает логичное непрерывное возрастание удельных сил вдоль линии контакта, что свидетельствует о ее хорошем качестве. Очевидная простота результирующих выражений обуславливает возможность и целесообразность их использования для анализа параметров технологических операций, выполнение которых сопровождается большой относительной протяженностью пластического слоя и которые описываются полями линий скольжения с большим количеством областей.

1.4.2: Обоснование целесообразности, использования аналитического решения методом линий скольжения

В настоящее время хорошо развита математическая теория плоского течения или плоского деформированного состояния. Для идеально пластичного несжимаемого материала она разработана настолько подробно, что позволяет решить практически любую технологическую задачу по расчету напряженного и деформированного состояния с высокой точностью. Качественное решение таких задач может быть получено методом линий скольжения или методом характеристик.

Он, представляется перспективным, так как обычно не требует введения дополнительных упрощений (например, использования гипотезы плоских сечений, осреднения напряжений вдоль одной из координатных осей и т.п.). Главным и основным достоинством данного-метода является его геометрическая наглядность, простота математического аппарата, большой объем получаемой информации о напряженно-деформированном состоянии исследуемого объекта, возможность получения полного решения при согласовании сеток линий скольжения и годографов скоростей. Кроме того, применение метода линий скольжения при решении ряда практических задач свидетельствует о его больших возможностях в плане получения достаточно точных расчетных методик, позволяющих оценить влияние наиболее значимых факторов на исследуемые параметры технологического процесса [60].

Математическое моделирование технологических операций обработки металлов давлением, особенно в случае, когда контактные рабочие поверхности криволинейны и могут быть заданы любой аналитической функцией, весьма затруднительно даже при использовании хорошо развитого метода линий скольжения в рамках модели изотропного жесткопластического материала и плоского пластического течения [33, 50].

При аналитическом описании полей линий скольжения начальная характеристическая задача является наиболее важной, поскольку при решении к ней удобно привести другие краевые задачи. В этом случае заданы две пересекающиеся начальные характеристики, вдоль которых из решения в предшествующих участках пластической области известны значения их радиусов кривизны, характеристические углы и компоненты напряжений.

Решение некоторых технологических задач применительно к операциям волочения, прямого выдавливания и других получено приближенными численным и графическим способами с помощью конструкций полей, у которых пластические области в зоне криволинейных контактных поверхностей образованы сеткой линий скольжения, где одно семейство - отрезки прямых. В этом случае, между криволинейной линией скольжения и криволинейным контуром устанавливается однозначная взаимосвязь, определяющая изменение напряжения, радиусов кривизны и т. д. вдоль одной из кривых (контура или граничной линии скольжения), если эти параметры заданы или известны вдоль другой. Такая конструкция поля позволяет для широкого класса технологических задач удовлетворять большому числу статических и кинематических граничных условий и построить согласованный годограф.

При этом можно получить ряд важных приложений, позволяющих установить оптимальный (идеальный) профиль инструмента, исключающий избыточную работу и, следовательно, обеспечивающий минимальный уровень накапливаемых структурных повреждений и улучшение механических свойств в готовом изделии.

1.4.3. Математический аппарат аналитического описания полей линий скольжения, образованных начальными круговыми дугами

В работе [49] показано, что в зависимости от комбинации знаков радиусов кривизны линий скольжения возможны 4 варианта конструкций составляющих пластических участков (рис. 1.8), описываемых соответствующими операционными соотношениями в плоскости изображений интегрального преобразования Лапласа — Карсона.

Р Г

Г 0

Р У г в

Рис. 1.8. Варианты знаков радиусов кривизны линий скольжения.

Приведем сводные окончательные соотношения для нахождения решения начальной краевой характеристической задачи с использованием интегрального преобразования Лапласа — Карсона (операционного исчисления) для всех четырех возможных комбинаций знаков радиусов кривизны характеристик. Для исключения необходимости учитывать знак радиуса кривизны, эти итоговые зависимости скорректированы таким образом, чтобы в них можно было подставлять значения радиусов кривизны начальных характеристик без учета знака.

1. Вариант 1 а > 0, (3 > 0. При переходе к всегда положительным криволинейным координатам г\ телеграфное уравнение и соответствующая система уравнений с частными производными первого порядка для радиусов кривизны характеристик принимают вид: дЯ дц аяр яа=о. д2я а д^дц д2Я Р дЕ,дц Яа=0, Яр = 0.

1.19)

Выражения для определения радиусов кривизны характеристик в плоскости изображений имеют вид:

Р,я) = [я • Яа(р,0)- Яр(0, <7)} ■ 1

РЯ +

Яр(р,я) =--[р • Яр (0,<7) + Яа (/>,0)} ра + 1

РЯ +

2. Вариант 2 а < 0, Р < 0:

1.20) дЯ дт] о, дЯ Р

Яа= 0. д2Я а д^дт] д2Яр дфц

Яа = 0,

Я^О.

1.21)

Выражения для определения радиусов кривизны характеристик в плоскости изображений:

Яа{р,ч) =--[ч'Яа(р,0) + Яр(0, <?)],

Ш + 1

РЧ

Д р (р,д) = —[р ■ Яр (О,«?) - Яа (р,0)] РЧ +1

3. Вариант3 а<О, р>0: дЯ,

1.22) ал Щ

Яа =0. д2Я, а д2я< Р д^дц

-Яа= О,

-*р=0.

1.23)

Выражения для определения радиусов кривизны характеристик в плоскости изображений:

Яа{р,ч) = Ь • (р>0) + (°> <?)!

РЧ

Ч(р,ч) =--■ Яр(0,ч)+Яа{р,0)\ рд-1

1.24)

4. Вариант 4 а > 0, р < 0 : п + Яр = 0, д2Яа -яа=о,

ЗЯр + Яа = 0. Э2Яр дЕ,дх\ -Лр=0.

1.25)

Выражения для определения радиусов кривизны характеристик в плоскости изображений:

Яа(р,Ч)= ~ г[ч ■ (р,0)- Д р (О,?)],

Яр(р,= [р ■ яР(0, * ) - Яа (р,0)\

РЧ~1

1.26)

Методика последовательного определения радиусов кривизны характеристик в пластической области, состоящей из определенного количества пластических участков, схематизированных согласованными полями характеристик (линий скольжения), заключается в следующем:

1) значения радиусов кривизны соответствующих граничных линий скольжения, полученные из решения в предшествующих участках пластической области, принимаются в качестве радиусов кривизны начальных характеристик для примыкающего к ним исследуемого участка и с помощью таблиц соответствия оригиналов и изображений операционного исчисления (интегрального преобразования Лапласа — Карсона) переводятся в операторную плоскость /?а(р,0) и Яр(0,<у);

2) полученные в операторной плоскости начальные условия подставляются в соответствующие соотношения из (1.20), (1.22), (1.24), (1.26), производятся простые арифметические преобразования, в результате которых соотношения упрощаются и разрешаются относительно искомых текущих радиусов кривизны характеристик Яа{р,ц) и в исследуемом участке пластической области;

3) с помощью тех же таблиц соответствия, по изображениям Яа{р,д) и Щ(р,<])> находят оригиналы Яа(Д,г|) и

4) подставляя в найденные оригиналы значения криволинейных параметров 4 = 5 и т] = у, соответствующих характеристикам, ограничивающим исследуемую пластическую зону, определяют их радиусы кривизны, которые являются начальными условиями для поиска решения в последующем пластическом участке.

Исследования конструкции по пробивке монтажных отверстий требуют дальнейшего развития математического аппарата, в том числе для аналитического решения осесимметричных задач в условиях реализации плоского де1 формированного состояния.

1.5. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью* работы является повышение технологичности процесса многооперационной холодной штамповки профилированных секций путем обоснования рациональных режимов обработки на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач исследования:

1. Усовершенствовать математический аппарат аналитического описания полей линий скольжения для определения напряжений в пластических областях и проведения теоретического силового анализа технологических операций обработки металлов давлением.

2. Определить рациональные режимы операции пробивки отверстий в листовых заготовках пуансонами с коническим торцом на основе результатов экспериментальных исследований и теоретического силового анализа методом линий скольжения.

3. Разработать способ статистического прогнозирования точности пробивки системы монтажных отверстий в полуфабрикатах листовых профилей, позволяющий оценить уровень результирующих погрешностей и вероятность брака еще на стадии подготовки производства.

4. Установить закономерности формирования результирующих отклонений размеров и формы изготавливаемых профилей с учетом технологической наследственности обработки на предшествующих операциях.

Заключение диссертации по теме «Технологии и машины обработки давлением», Парамонов, Роман Александрович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе решена актуальная задача по теоретическому обоснованию рациональных технологических режимов многооперационного холодного пластического формообразования листовых профилей, обеспечивающих интенсификацию технологического процесса, совершенствование штамповой оснастки, инструмента и средств автоматизации, уменьшение себестоимости производимой продукции, повышение качества ее изготовления, сокращение сроков подготовки производства новых изделий.

В результате комплекса проведенных теоретических и экспериментальных следований получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Впервые получены математические соотношения для аналитического описания полей линий скольжения, образованных начальными логарифмическими спиралями, схематизирующих в технологических задачах обработки давлением пластические области, выходящие на свободные круговые границы.

Установлены операционные соотношения и их изображения в плоскости оригиналов для определения радиусов кривизны линий скольжения, позволяющие найти решения смешанной краевой задачи при выходе пластической области на криволинейный контур.

2. Впервые формализован алгоритм аналитического решения методом линий скольжения осесимметричных задач с использованием интегрального преобразования Лапласа-Карсона, использованный для исследования, процесса пробивки отверстий в листовой заготовке пуансонами с коническим торцом. Получены аналитические результирующие зависимости влияния механических свойств материала, толщины заготовки и углов конусности торцов пуансонов на силовые параметры операции пробивки. Выявлено и экспериментально подтверждено преобладающее влияние растягивающей силы на общие силовые параметры и физико-механические особенности отделения отхода при пробивке. Даны практические рекомендации по совершенствованию операции пробивки, в частности, предложено: в наиболее широко применяемом интервале 2 < < 7 мм толщин стальных листов средней прочности 220 < аср <360 МПа использовать конусные пуансоны с односторонним углом конусности со = 750 и уменьшить на 15 — 20 % величины зазоров между матрицей и пунсоном относительно рекомендуемых при обычной пробивке, что приведет к повышению в 1,6 — 1,9 раза стойкости металлоемкого инструмента.

3. Разработан способ статистического прогнозирования точности групповой и пошаговой пробивки отверстий в профилированном листе по чертежу изделия еще до начала его производства, позволяющий на основе статистического моделирования для каждой результирующей погрешности оценить условные допуски, показатели рассеяния, обобщенные показатели настроенности технологической системы и уровни вероятности брака при различных условиях прогнозов. Проведена экспериментальная проверка, показавшая1 хорошую сходимость модельных (прогнозных) и экспериментальных результатов и подтвердившая эффективность разработанного способа.

4. Установлены специфические закономерности формирования результирующих отклонений размеров и формы изготавливаемых профилей с учетом технологической наследственности обработки на предшествующих операциях, в частности: найдены параметры корреляционно-регрессионных зависимостей между операционными входными отклонениями факторов и выходными погрешностями размеров и формы конструктивных элементов полуфабрикатов секций; выявлена степень влияния каждого операционного отклонения размеров и формы полуфабриката на результирующие погрешности изготовленного изделия в целом.

5. Полученные результаты использованы при совершенствовании технологического процесса' изготовления профилированных секций водоотводных гофрированных труб из коррозионно-стойкой стали 09Г2 толщиной 5 мм на ОАО-«Алексинстройконструкция». Использование практических рекомендаций, установленных на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований, и разработанного способа статистического прогнозирования качества позволило снизить брак при сборке указанных труб на 16,7 % и уменьшить технологическую себестоимость одного погонного метра гофрированной трубы на 10,8 %.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Парамонов, Роман Александрович, 2010 год

1. A.c. 1344464 СССР. МПК В 21 D 28/14. Штамп многопуансонный / А. С. Килов, В. В. Бородихин, Ф. Б. Соловьев. № 3853363/31-27. Заяв. 11.02.85. Опубл. 15.10.1987, Бюл. №38.

2. A.c. 1382541 СССР. МПК В 21 D 28/24. Пуансонодержатель пробивного штампа / А. С. Килов, Б. И. Явлонин. № 3759520/25-27. Заяв. 18.05.84. Опубл. 23.03.1988, Бюл. №11.

3. A.c. 1400726 СССР. МПК В 21 D 35/00. Способ изготовления гнутых деталей / А. С. Килов. № 4059679/31-27. Заяв. 21.04.86. Опубл.0706.1988, Бюл. №21.

4. A.c. 1401598 СССР. МПК В 21 D 35/00. Штамп конусный / А. С. Килов. № 4159871/15-9. Заяв. 22.06.87. Опубл. 07.09.1989, Бюл №37.

5. A.c. 1488068 СССР, МПК В 21 D 28/26. Способ получения отверстий с фасками / А. С. Килов. № 4213983/31-27. Заяв. 23.03.87. Опубл.2306.1989, Бюл. №233.

6. A.c. 1794557 СССР. МПК В 21 D 43/10. Способ подачи и удаления заготовок из рабочей зоны штампа / A.C. Килов. № 4933755/27. Заяв. 29.04.91. Опубл. 15.02.1993, Бюл. №6.

7. Аверкиев Ю. А., Аверкиев А. Ю. Технология холодной штамповки. М.: Машиностроение, 1989. 304 с.

8. Административное управление качеством и элементы системы качества : руководящие указания по улучшению качества : ИСО 9004-4-93. Введ. 1993-06-15. М. : Стандартинформ, 2007. 22 с.

9. Алексеев Р. Е., Кутергин О. А., Панфилов Г. В. Энергосиловой анализ вдавливания острых гладких несимметричных клиньев в пластическое полупространство // Исследования в области пластичности и обработки металлов давлением. Тула, 1985. С. 85-88.

10. Алексеев Р. Е., Кутергин О. А., Панфилов Г.В. Применение операционного метода к описанию поля линий скольжения, образованного логарифмическими спиралями // Исследования в области теории пластичности и обработки металлов давлением. Тула, 1986. С. 32-36.

11. Алексеев Р. Е., Панфилов Г. В., Ренне И. П. Точная холодная штамповка формы полуцилиндра // Кузнечно-штамповочное производство. М., 1987. N8. С. 5-6.

12. Вельский Е. И., Ситкевич М. В. Эксплуатация, ремонт и пути повышения стойкости штампов. М. : Машиностроение, 1981. 51 с.

13. Березовский С. В., Кропылев Ф. М. Производство гнутых профилей. М. : Металлургия, 1978, С. 7-11, 26-50.

14. Березовский С.Ф. Эксплуатация и ремонт оборудования профилегибоч-ных станов. М. : Металлургия, 1991. 149 с.

15. Богоявленский К. Н. Обработка металлов давлением. Изв. вуз. Машиностроение. 1959. №11. с.58-62.

16. Богоявленский К. Н., Григорьев А. К. Обработка металлов давлением // Труды ЛПИ. М.-Л. : Машгиз, 1963 .Вып. 222. 56 с.

17. Богоявленский К. Н., Григорьев А. К. Обработка металлов давлением // Труды ЛПИ. М.-Л.: Машиностроение, 1965. Вып. 243 С. 118-125.

18. Бочаров С. М., Панфилов Г. В., Федосов И. М. Сжатие жесткоплас-тического слоя наклонными шероховатыми плитами // Изв. вузов. Машиностроение. 1990. № 7. С. 89-95.

19. Ванюшин И. В. Schechtl Электронный ресурс. // ПРОИЗВОДИТЕЛИ: [сайт]. [2008]. URL: http://www.tapcoint.ru/pages/proizvoditeli (дата обращения: 13.06.2008).

20. Вилотик Д., Шебейк. Анализ процесса осадки криволинейными бойками // Труды Американского общества инженеров механиков. Теоретические основы инженерных расчетов. Мир, 1985. N 4. С. 64-67.

21. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: Астрель; ACT, 2002. 992 с.

22. Гжиров Р.И. Краткий справочник конструктора. Л. : Машиностроение,1983.464 с.

23. Гун Г. Я., Полухин П. И. Пластическая деформация металлов и сплавов (Труды МИСиС. Вып. 76). М., «Металлургия», 1974, с. 19-23.

24. Гун Г. Я., Полухин П. И., Полухин В. П. и др. Пластическое формоизменение металлов. М. : Металлургия, 1968. 416 с.

25. Давыдов В. И., Максаков М. П. Производство гнутых тонкостенных профилей. М. : Металлургиздат, 1959, С. 7 25, 81-108.

26. Дебердеев Р.Ю. и др. Производство гнутых профилей проката: сборник научных трудов. М. : Металлургия, 1991. 164 с.

27. Дель Г. Д., Панфилов Г. В., Ренне И. П., Смарагдов И. А. Технологическая механика: учеб. пособие. М. : Цниинти, 1985. 185 с.

28. Джонсон У., Меллор П. Б. Теория пластичности для инженеров. М. : Машиностроение, 1979. 567 с.

29. Диткин В. А., Прудников А. П. Операционное исчисление. М. : Высшая школа, 1975. 328 с.

30. Диткин В. А., Прудников А. П. Справочник по операционному исчислению. М. : Высшая школа, 1965. 232 с.

31. Друянов Б. А., Непершин Р. И. Теория технологической пластичности. М. : Машиностроение, 1990. 272 с.

32. Жуковский Б. Д., Фурманов В. Б., Макиевский Ю. И. Производство труб: сб. №1. М. : Металлургия, 1975. С. 108-112.

33. Закиров И. М. Состояние и проблематика формообразования тонкостенных деталей эластичной средой на ротационных машинах / Кузнечно-штамповочное производство. 1990. № 7. С. 24-27.

34. Информационный портал. Работа с «SPSS for Windows 10.0»/ http://SPSS.exponenta.ru/default.php.

35. Кабанов. В. С. Статистические методы обработки данных Электронный ресурс. * // Информационный портал: [сайт]. [2008]. URL: / http://www.exponenta.ru/educat/systemat/kabanov/primary.asp (дата обращения: 17.10.2009).

36. Килов А. С., Килов К.А. Получение заготовок из листового материала и гнутые профили / Производство заготовок. Листовая штамповка: учеб. пособ. Кн. 2. Оренбург : ГОУ ОГУ, 2004. 182 с.

37. Климанов В. Статистические методы управления качеством Электронный ресурс. // системы менеджмента качества: [сайт]. [2004]. URL: http://victor61058.narod.ru/part4/4-3.html (дата обращения: 19.09.2007).

38. Кутергин О. А., Панфилов Г. В., Смарагдов И. А. Течение жестко-пластического слоя между гладкими наклонными плитами // Изв. вузов. Машиностроение. 1989. N9. С. 100-104.

39. Кухарь В.Д., Парамонов P.A., Панов A.A. Статистическое прогнозирование точности эксцентриситета сферических шайб // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 185-194.

40. Мендельсон В. С., Рудман Л. И. Технология изготовления штампов и пресс-форм. М. : Машиностроение, 1982. 207 с.

41. Мошнин Е. Н. Гибка и правка на ротационных машинах. М. : Машиностроение, 1967. С. 129-150, 164-191.

42. Мясищев А. А., Ренне И. П., Смарагдов И. А. Аналитическое решение задачи о сжатии жесткопластического слоя наклонными шероховатыми плитами. Тула : ТПИ, 1980. 9 с. Деп. в ВИНИТИ 08.01.81, № 120.

43. Мясищев А. А., Ренне И. П., Смарагдов И. А. Аналитическое решениезадач плоского формообразования. ТПИ. Тула, 1981. — 153 с. — Деп. в ВИНИТИ 11.05.81, № 2348.

44. Мясищев А. А., Смарагдов И. А. Аналитическое решение задачи образования острения. / Сб.: исследования в области пластичности и обработки металлов давлением. Тула, 1981. С. 57-64.

45. Описание программы «Статистика» Электронный ресурс. // Образовательный математический сайт : [сайт]. [2009]. URL: http://www.exponenta.ru/soft/Statist/Statist.asp (дата обращения: 10.10.2009).

46. Павлов Иг. М. Теория прокатки (общие основы обработки металлов давлением). М.: Металлургиздат. 1950. 610 с.

47. Панфилов Г. В. Аналитическое интегрирование уравнений начальной характеристической задачи плоской теории пластичности // Изв. вузов. Машиностроение. 1987. № 11. С. 17-20.

48. Панфилов Г. В. Течение металла по криволинейным контактным поверхностям // Изв. вузов. Машиностроение. 1990. N 8. С. 97-101.

49. Панфилов Г. В., Алексеев Р. Е., Кутергин О. А. Аналитическое описание полей линий скольжения, образованных логарифмическими спиралями // Обработка металлов давлением. Свердловск, 1986. С. 12-17.

50. Панфилов Г. В., Кутергин О. А., Алексеев Р. Е. Вдавливание гладкого клина в полуплоскость с образованием криволинейного наплыва // Исследования в области теории пластичности и обработки металлов давлением. Тула, 1988. с. 47-50.

51. Парамонов Р. А. Множественный корреляционно-регрессионный анализ эксцентриситета сферических шайб// Молодежный вестник технологического факультета. Тула : ТулГУ, 2009. С. 127-131.

52. Панфилов Г. В., Парамонов Р. А., Панов А. А. Разработка алгоритма предварительной оценки эксцентриситета при штамповке деталей типа «шайба» // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. Тула : ТулГУ, 2009. С. 185-194.

53. Панфилов Г. В., Смарагдов И. А. Аналитическое описание полей характеристик в технологических задачах плоской деформации // Изв. вузов.

54. Машиностроение. 1987. № 3. С. 157-160.

55. Панфилов Р. Г., Парамонов Р. А., Хвостов Е. Ю. Условие полной пластичности в осесимметричных задачах теории пластичности // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. Вып. 2. С. 119126.

56. Парамонов Р. А. Моделирование точности работы поточной линии по изготовлению криволинейных волнообразных листовых профилей // XXXIV Гагаринские чтения. Международная молодежная научная конференция. Тезисы докладов. М.: МАТИ, 2008. Том 8. С. 85-86.

57. Пат. 2008115 РФ. МПК B21D5/08. Способ поштучного профилирования полукруглых гофр на листе / В.Г. Антипанов, В.А.Масленников, Н.Т. Пахомов, М. П. Черкасский. № 5024361/27. Заяв. 19.09.1991. Опубл. 28.02.1994. Бюл. №28.

58. Пат. 2009197 РФ, МПК C12N15/01. Способ производства гофрированных листовых заготовок высокого качества / Л.В. Знаменская; С.И. Краснов. № 4767072/13. Заяв. 06.12.1989. Опубл. 15.03.1994. №28.

59. Пат. 2015515 РФ. МПК G01N33/86. Способ определения статистического анализа поточной линии / В. А. Суханов, И. О.Коряков, Е. П. Амон. № 4865646/14. Заяв. 10.09.1991. Опубл. 30.06.1994. Бюл. №27

60. Пат. 2030237 РФ. МПК В21СЗ/14. Устройство для волочения профилей / В. Н. Морозенко, Е. В. Кузнецов, В. Е. Кузнецов. № 5016931/02. Заяв.1507.1991. Опубл. 10.03.1995. Бюл. №24.

61. Пат. 2070455 РФ. МПК B21D3/00. Способ управления процессом правки / И. Б. Шендеров; A.B. Соколов. № 95102377/08. Заяв. 17.02.1995 Опубл. 20.12.1996. Бюл. №14.

62. Пат. 2075360 РФ. МПК В21СЗ/08. Устройство для волочения / В.Д. Еси-пов H.A. Вихрев, В.И. Красильников. 93053270/02. Заяв. 29.11.1993. Опубл. 20.03.1997. Бюл. №7.

63. Пат. 2116151 РФ. МПК B21D5/06, B21D13/10. Гнутый листовой профиль / В. Г. Антипанов, М. Ф. Сафронов, С. А. Тулупов, С.В. Кривоносое. № 96122680/02. Заяв. 28.11.1996. Опубл. 27.07.1998. Бюл. №30.

64. Пат. 2129930 РФ. МПК B21D28/26. Штамп Ларина для пробивки отверстий / В. И. Ларин. № 95100854/02. Заяв. 19.01.1995. Опубл. 10.05.1999. Бюл. №7.

65. Пат. 2133180 РФ. МПК В23К13/08, В21С37/22. Способ диагностики контактного оребрения / Архипов П.П.; Керемжанов А.Ф. № 98112357/02. Заяв. 22.06.1998. Опубл. 20.07.1999. Бюл. №7.

66. Пат. 2135766 РФ. МПК Е21В49/00. Способ контроля за разработкой нефтяных залежей / М. М.Хасанов, И. Ф.Хатмуллин, И. Г.Хамитов, К. В. Абабков. № 98110148/03. Заяв. 28.05.1998. Опубл. 27.08.1999. Бюл. №6.

67. Пат. 2164029 РФ. МПК С0Ш1/00. Способ прогнозирования аномалий экосферы на земле или ее части / В. А. Понько, А. Е. Кусов, Ю. Ю. Марченко и др. № 2000108930/28, Заяв. 12.04.2000. Опубл. 10.03.2001. Бюл. №33.

68. Производство и применение гнутых профилей проката: справочник // Под ред. И. С. Тришевского. М. : Металлургия, 1975. 536 с.

69. Системы менеджмента качества: основные положения и словарь. ГОСТ Р ИСО 9000-2001 Введ. 2001-08-15. М. : Госстандарт России. 32 с.

70. Системы менеджмента качества: рекомендации по улучшению деятельности. ГОСТ Р ИСО 9004-2001 Введ. 2001-08-15. М. : Госстандарт России. 105 с.

71. Системы менеджмента качества: требования. ГОСТ Р ИСО 9001-2008. Введ. 2008-11-18. М. : Стандартинформ, 2009. 31 с.

72. Солонин И. С. Математическая статистика в технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 1972. С. 72-105.

73. Справочник конструктора штампов: листовая штамповка / Под общ. Ред. Л. И. Рудмана. М. : Машиностроение. 1988. 496 с.

74. Статистические методы. Вероятность и основы статистики: термины и определения. ГОСТ Р 50779.10-2000 Введ. 2000-12-29. М. : Госстандарт России. 46 с.

75. Статистические методы. ГОСТ Р ИСО/ТО 10017-2005 Введ. 2005-05-31. М.: Изд-во стандартов, 2005

76. Статистические методы. Руководство по внедрению статистического управления процессами: элементы. ГОСТ Р ИСО 11462-1-2007. Введ.2007-06-07. М.: Стандартинформ, 2007. 25 с.

77. Статистические методы. Статистическое управление качеством: термины и определения. ГОСТ Р 50779.11-2000 Введ. 2000-12-29. М. : Госстандарт России. 89 с.

78. Сторожев М. В., Попов Е. А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1971. 424 с.

79. Сторожев М. В. Просунцов В. А. Обработка металлов давлением. М. : Машиностроение, 1975. 264 с.

80. Суворов И. К. Обработка металлов давлением. М. : Высшая школа, 1973. 384 с

81. Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений: основные положения и определения. ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002 Введ. 2002-01-11. М.: Изд-во стандартов, 2002. 58 с.

82. Тришевский И. С. и др. "Холодногнутые гофрированные профили проката". Киев : Техника, 1967, с. 9-14.

83. Тришевский И. С. Клепанда В. В., Скоков Ф. И. Гнутые профили проката. Киев : Гостехиздат УССР, 1962. 412 с.

84. Тришевский И. С. Клепанда В. В., Хижняков Я. В. Холодногнутые гофрированные профили проката. Киев : Техника, 1973. 272 с.

85. Тришевский И. С., Алексеев Ю. Н., Докторов М.Е. и др. Элементы теории профилирования. Харьков : УкрНИИмет, 1970. 103 с.

86. Тришевский И. С., Докторов М. Е. Теоретические основы процесса профилирования. М. : Металлургия, 1980. 288 с

87. Тришевский И. С., Докторов М. Е. Теоретические основы процесса профилирования. М. : Металлургия, 1980. 288 с.

88. Тришевский И. С., Докторов М. Е., Антипенко А. П. Исследование напряженно-деформированного состояния металла при производстве гнутых профилей проката // Изв. АН СССР. Металлы. 1972. №3, С. 121-129.

89. Тришевский И. С., Котелевский JI. Н., Хейфец Г. Р. Режим профилирования холодногнутых швеллеров. Гнутые профили проката / Отраслевой сборник научных трудов. М. : Машиностроение, 1977. Вып. 5. С. 137141.

90. Тришевский И. С., Юрченко А. Б., Марьин В. С. И др. Производство гнутых профилей (оборудование и технология). М. : Металлургия, 1982. 384 с.

91. Тришевский И.С. "Гнутые профили проката". М.: Металлургия, 1980. 220 с.

92. Унксов Е. П., Джонсон У., Колмогоров В. JL Теория пластических деформаций металлов. М. : Машиностроение, 1983. 598 с.

93. Хилл Р. Математическая теория пластичности / Р. Хилл. М. : ГИТТЛ, 1956. 407 с.

94. Щеглов В. М., Росляков В. Ф. Экспериментальные исследования параметров очага деформации при профилировании фасонной заготовки в горячем состоянии: гнутые профили проката // Отраслевой сборник научных трудов. Харьков : УкрНИИмет, 1979. с. 76-79.

95. Hill R. A. On the Limits Sets by Plastic Gielding to the Intensity of Singularities of Stress. J. Mech. And Phys. Solids., 1954, v. 2. 278 p.

96. Hill R. A. Theoretical Analysis of Stresses and Strains in Extrusion and Piersing. J. Iron and Steel Inst, 1948, P. 158, 177-185.

97. Ishikawa K. Introduction to Quality Control. Tokyo : ЗА Corporation, 1990, 41 p

98. Ishikawa K. QC circle activities. Tokyo : Union of Japanese Scientists & Engineers, 1958. 120 p.

99. Ishikawa. K. Guide to Quality Control. Tokyo : Asian Productivity Organization, 1976. 112 .p

100. Ishikawa. K. What is Total Quality Control? The Japanese Way. London : Prentice Hall, 1985. 199 p.189