Принудительная деформация базовых деталей листовых ножниц для стабилизации величины зазора между ножами при отрезке полос тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.09, кандидат технических наук Садеков, Надир Ахмятович

• Садеков, Надир Ахмятович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Садеков, Надир Ахмятович

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса по литературным источникам.

1.1 Способы разделения листового и сортового материала.

1.2 Механика процесса отрезки сдвигом.

1.3 Дефекты заготовок, получаемых отрезкой сдвигом и причины их возникновения.

1.4 Нормальные значения величины зазора между ножами при отрезке сдвигом.

1.5 Составляющие величины суммарного зазора при отрезке сдвигом.

1.6 Цель и задачи исследования.

Глава 2. Анализ современных конструкций ножниц.

2.1 Особенности конструкций листовых ножниц.

2.2 Кривошипные листовые ножницы с наклонным верхним ножом.

2.2.1 Схемы отрезки и движения верхнего ножа, определение основных параметров.

2.2.2 Современные конструкции листовых ножниц.

Глава 3. Разработка модели деформирования конструкций базовых деталей листовых ножниц при отрезке листа.

3.1 Статически неопределимые системы и основные методы их расчета.

3.1.1 Общие положения.

3.1.2 Метод сил.

3.1.3 Метод перемещений.

3.2 Балочная конструкция.

3.2.1 Основные принципы расчета.

3.2.2 Расчет ножевой балки методом сил.

3.2.3 Расчет стола методом сил.

3.2.4 Вывод по расчету балочной конструкции.

Глава 4. Моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкций листовых ножниц на основе метода конечных элементов (МКЭ).

4.1 Основные понятия математического моделирования.

4.2 Метод конечных элементов.

4.3 Основные этапы разработки и исследования моделей на компьютере.

4.4 Статические прочностные расчеты конструкций в среде Т-БЬЕХ Анализ.

4.4.1 Расчет базовой конструкции листовых ножниц.

4.4.2 Баланс перемещений.

Глава 5. Экспериментальные исследования деформированного состояния ножевой балки и стола листовых ножниц.

5.1 Экспериментальные исследования на листовых ножницах

НК 3418.

5.2 Экспериментальные исследования на листовых ножницах СТД -9 АН.:.

5.3 Анализ вариантов уменьшения деформаций ножевой балки и стола ножниц в поперечном направлении при отрезке.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Принудительная деформация базовых деталей листовых ножниц для стабилизации величины зазора между ножами при отрезке полос»

В СССР производственная политика на большинстве предприятий строилась по принципу полного цикла: предварительная обработка металла была неотделима от технологического процесса изготовления конечной продукции. И до сих пор многие промышленные организации в производстве самостоятельно проводят первичную металлообработку с использованием мощностей, задействованных в основном производственном цикле.

За рубежом обработка и подготовка металла к производству с начала 90-х годов отдана в ведение крупных металлотрейдеров, вернее — так называемых «центров дистрибуции и сервиса стали» (ЦЦСС). Впервые этот термин возник в США, где ЦЦСС по разным причинам возникли раньше, чем в других странах.

Металлообработка в подобных обрабатывающих центрах осуществляется посредством резака, пил, ножниц, отжигающих и плазменных установок, линий обрезки — всем специализированным оборудованием, необходимым для эффективной обработки перед началом производства. К основным технологическим процессам в ЦЦСС относится отрезка как сортового, так и листового проката. В дополнение к высокоточной обработке поставщики металла все чаще обеспечивают также анализ и контроль качества. В результате, материал, поставляемый ими на производственные мощности, сразу же пригоден для сборки или сложных производственных процессов и не нуждается в повторных проверках. Однако, в связи с тем, что предприятия передают стадию разрезки металла ЦЦСС, а не разрезают сами, они предъявляют к получаемой продукции повышенные требования. Это заставляет ЦЦСС использовать новое или модернизировать старое оборудование, которое должно производить обработку с требуемым качеством.

Среди огромного количества технологических процессов, проходящих в цикле изготовления любых деталей и конструкций в машиностроительном производстве, отрезка играет особую роль. Перед тем как отправить деталь на механическую обработку, необходимо отрезать заготовку, перед тем как сварить, необходимо раскроить, перед тем как заменить дефектный участок, его нужно отрезать. Операции разделения исходного металла на заготовки — самые распространенные в металлообрабатывающем производстве.

В настоящее время в связи с высокими ценами на металл большое внимание уделяется уменьшению потерь материала в отход. В цехах листовой штамповки образуется много отходов листового металла, в среднем не меньше 25 % от общего количества перерабатываемого в цехе металла. На долю заготовительных отделений приходится порядка 15 — 16 %, из них отходы, сопутствующие отрезке листов, составляют около 5 %.

Технологические машины для разделительных операций применяют как для отрезки заготовок под последующую штамповку, так и для получения готовых изделий и полуфабрикатов из металлического листа, рулона, сортового проката круглого, прямоугольного, квадратного профилей, специального проката фигурного профиля и штампованных полуфабрикатов [6].

Ножницы относятся к оборудованию, предназначенному для разделительных операций, и являются основным технологическим оборудованием для отрезки листа, проката, труб и скрапа. Известны и другие способы отрезки. Огневой способ отрезки достаточно производителен, однако не обеспечивает чистоты кромок; отрезка на дисковых пилах, хотя и дает хорошую точность и чистоту поверхности среза, но малопроизводительна. Ломку на холодноломах применяют для получения заготовок крупных сечений. К недостаткам этого процесса можно отнести дополнительные затраты времени на предварительную разметку и операцию надрезки. Резка с помощью лазеров еще не получила широкого применения в промышленности. С помощью излучения лазера можно выполнять отверстия в наиболее твердых и хрупких материалах. Для обработки твердых материалов применяют резку ультразвуком. Производительность этого метода небольшая [17].

Для отрезки скрапа используются аллигаторные ножницы. Комбинированные пресс-ножницы служат для отрезки сортового проката, листов, полос, а также для пробивки отверстий. Для отрезки труб используют специальные ножницы [17].

Для отрезки листа применяют ножницы с параллельными ножами, с наклонным ножом и дисковые (роликовые) ножницы.

В настоящее время ножницы для отрезки листа с параллельными ножами почти не применяют ввиду больших потребных для- отрезки сил. Среди ножниц с наклонным ножом имеется ряд конструктивных разновидностей. Так для получения среза под углом (под сварку) выпускают ножницы с перемещением подвижного ножа не по прямой, а по дуге окружности. Однако, основным типом оборудования для; отрезки листа являются ножницы, у которых подвижный нож перемещается прямолинейно [17].

При проектировании листовых ножниц первостепенной является задача обеспечения качества поверхности кромок и повышение надежности ножниц.

На качество поверхности среза влияют следующие факторы:

• величина зазора между ножами;

• притупление ножей;

• неравномерность толщины материала.

Путем изменения конструкции листовых ножниц можно управлять величиной зазора между ножами, который изменяется в процессе отрезки в результате действия распорной силы. Среди существующих листовых ножниц имеется конструкция, в которой шпильками изгибают верхний подвижный нож по радиусу в сторону, противоположную направлению действия распорной силы. Величина принудительного прогиба ножевой балки зависит от силы, возникающей в момент отрезки. Конструкция ножевой балки с предварительным изгибом верхнего ножа по радиусу позволяет уменьшить отклонение величины зазора между ножами от допустимого. Однако, при расчете данной конструкции не учитывается величина прогиба стола от действия распорной силы. Также к недостаткам данной конструкции можно отнести необходимость затруднительного механического регулирования величины прогиба в зависимости от толщины разрезаемого листа, марки материала и т.д. Для каждого материала и толщины существуют свои нормальные величины зазоров.

При нормальном- зазоре трещины,- идущие от режущих кромок верхнего и нижнего ножей совпадают, что и способствует образованию поверхности среза без рванин, трещин и заусенцев. На качество поверхности среза сказывается и притупление режущих кромок ножей, а также неравномерное распределение зазора между ножами на всем протяжении линии отрезки вследствие неодинаковой поперечной жесткости подвижной ножевой балки и стола листовых ножниц. В последнем случае часть линии отрезки может получиться удовлетворительной, а другая — с заусенцем. Кроме того, неравномерный зазор приводит к затуплению участков режущих кромок ножей.

При отрезке сдвигом зазор между ножами в горизонтальном направлении складывается из нескольких составляющих, которые можно разделить на две группы:

1. Кинематический зазор, куда входят: зазор в направляющих ножевой балки, зазор в подшипниках эксцентрикового вала, на котором расположена прижимная балка.

2. Упругий зазор — зазор, возникающий вследствие прогиба ножевой балки, стола и других элементов конструкции в процессе отрезки.

Кинематический зазор учитывается при регулировке исходного зазора между ножами при отсутствии разрезаемого листа на столе ножниц.

Упругий зазор, возникающий в процессе отрезки, регулировке не поддается, и зависит от механических и геометрических характеристик разрезаемого материала и условия отрезки.

В результате исследования, на основании конечно-элементного моделирования деформированного состояния листовых ножниц, получен баланс перемещений элементов конструкции ножниц в поперечном направлении, влияющих на изменения величины зазора между ножами в процессе отрезки. Выявлено, что изменения величины зазора между ножами вследствие упругости конструкции складывается из следующих составляющих:

1) Упругая деформация стоек в месте крепления прижимной балки.

2) Упругое смещение опорной поверхности ножевой балки в направляющих, вследствие искривления боковых стоек.

3) Упругое смещение режущей кромки ножа ножевой балки в точке приложения технологической нагрузки вследствие прогиба ножевой балки.

4) Упругая деформация стоек в месте крепления стола.

5) Упругое смещение режущей кромки неподвижного ножа стола ножниц в точке приложения технологической нагрузки вследствие деформации стола в поперечном направлении.

В общий баланс перемещений в горизонтальном поперечном направлении наибольший вклад вносит прогиб ножевой балки и прогиб стола ножниц, а суммарный зазор между ножами в среднем сечении выходит за границы диапазона нормальных значений.

В работе сформулированы рекомендации для усовершенствования конструкций листовых ножниц, при выполнении которых, зазор между ножами в процессе отрезки находится в диапазоне нормальных значений, т.е. отрезка на данных ножницах обеспечивает высокое качество поверхности среза. Таким образом тема диссертации, направленная на принудительную деформацию базовых деталей листовых ножниц для стабилизации величины зазора между ножами при отрезке полос является актуальной.

Научная новизна работы заключается в:

• компьютерной модели для выполнения конечно-элементных расчетов деформированного состояния всей конструкции ножниц, что позволяет определить значение зазора между ножами в процессе отрезки в зависимости от величины и точки приложения распорной силы;

• полученных на основе компьютерного эксперимента графических зависимостях влияния координаты точки приложения силы отрезки на величину поперечного зазора между ножами листовых ножниц;

• полученных на основе компьютерного эксперимента графических зависимостях влияния значения распорной силы на величину поперечного зазора между ножами листовых ножниц;

• результатах экспериментальных исследований, связывающих значение распорной силы и величину поперечного зазора между ножами при отрезке листового материала на листовых ножницах;

• сформулированных рекомендациях, позволяющих улучшить качественные характеристики отрезанных полос при отрезке, листа на листовых ножницах.

Практическая значимость работы заключается:

- в рекомендациях по уменьшению и стабилизации величины зазора между ножами в процессе отрезки листового материала на листовых ножницах, что обеспечивает улучшение качества поверхности среза разделяемого листа;

- в предложенной схеме управления поперечным зазором между ножами в процессе отрезки. Новизна предложенной схемы защищена патентом РФ на изобретение № 2375157;

- в рекомендациях по определению силы на штоке гидроцилиндра для управления величиной зазора между ножами в процессе отрезки, в зависимости от толщины разрезаемого материала.

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 1 работа в официальном бюллетене федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам Российской Федерации «Изобретения, полезные модели», в журналах «Кузнечно-штамповочное производство» - 2 работы и «Вестник МГТУ «Станкин» - 2 работы, входящих в перечень изданий, рекомендуемых ВАК РФ.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на XII научной конференции МГТУ «Станкин» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «Станкин» - ИММ РАН» по математическому моделированию и информатике в 2009 г., на III научно-образовательной конференции «Машиностроение — традиции и инновации» (МТИ-2010). Секция «Оборудование машиностроительных производств» в 2010 г., на научных семинарах кафедры «Системы пластического деформирования» ФГЪОУ ВПО МГТУ «Станкин».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Садеков, Надир Ахмятович, 2011 год

1. Васильев К.И., Садеков H.A. Резка листовыми ножницами: компьютерное моделирование и экспериментальное исследование изменения зазора между ножами // Вестник МГТУ «Станкин». Научный рецензируемый журнал. М.: МГТУ «СТАНКИН» - 2011. №2 (14).-С. 34-37.

2. Васильев К.И., Садеков H.A. Деформированное состояние ножевой балки листовых ножниц // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. — 2010. №7. — С. 23 26.

3. Васильев К.И., Садеков H.A. Компьютерное моделирование поперечного прогиба ножевой балки листовых ножниц // Вестник МГТУ «Станкин». Научный рецензируемый журнал. М.: МГТУ «СТАНКИН» 2011. №4 (16). - С. 27 - 30.

4. Власов BiH. Кривошипные кузнечно-прессовые машины. М.: Машиностроение, 1982 — 424 с.

5. Гун Г.Я. Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1983 — 352 с.

6. Дмитриев А.М., Воронцов A.JI. Надежность метода конечных элементов.// Справ. Инж. ж. 2004, №6, с 13 —22.

7. Живов Л.И. Кузнечно-штамповочное оборудование./ Живов Л.И., Овчинников А.Г., Складчиков E.H., М.: МГТУ. 2006. — 560 с.

8. Журавлев А.З. Деформация концов валов при резке их в буксовом штампе. «Сельхозмашина», 1954, № 8.

9. Зенкевич О.З., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. М.: Мир, 1986-318 с.

10. Зенкевич 0.3. Метод конечных элементов в технике: Пер. с англ. М.: Мир, 1975-542 с.

11. Золотов А.М. Научные основы проектирования технологии высокоточной многопереходной горячей пластической обработки с использованием компьютерного моделирования. — Дисс. д-ра техн. наук. 05.16.05, 05.03.05 Санкт-Петербург, 2003 - 332 с.

12. Зубцов М.Е. Листовая штамповка. М.: Машиностроение, 1967 —504 с.

13. Катков В.Ф., Иванов Ю.Л. Методы, расчетам технологических параметров в операциях листовой штамповки:* Резка. Листовая штамповка: Расчет технологических параметров: Справ. М.: МАИ. 1999,' с 29 48.

14. Крылов Н.И., Третьяков Е.М., Непершин Р.И. Анализ разрезания заготовки на ножницах. Сб. «Пластическое течение». НИИМаш. М.: «Наука», 1968.

15. Кузнечно-штамповочное оборудование./ А.Н. Банкетов, Ю.А. Бочаров, Н.С. Добринский и др. М.: Машиностроение, 1982 — 576 с.

16. Ланской E.H., Банкетов А.Б. Элементы расчета деталей и узлов кривошипных прессов. MJ: Машиностроение, 1966. — 380 с.

17. Малов А.Н. Технология холодной штамповки. М.: Оборонгиз, 1949. -486 с.

18. Мамутов B.C. Теория обработки металлов давлением. Компьютерное моделирование процессов листовой штамповки. СПб.: СПб ГПУ, 2006-188 с.

19. Мельник В.А., Елетин B.C. Оборудование и технология для чистовой вырубки и вибрационной зачистки. М.: НИЙмаш, 1974 — 48 с.

20. Мещерин В.Т., Трусов В.А. Исследование механики процесса резки круглого проката.//Кузнечно-штамповочное производство. 1963, № 5.

21. Митропольская JI.A. Анализ условий, которые необходимо выполнить, чтобы получить качественный торец при резке полосы // Кузнечно-штамповочное производство. — 1971. №1. — С. 28 30.

22. Ножницы для резки листового и сортового проката./ Леонов И.С., Фуга Г.П., Крылов Г.Л., Песоцкий В.Г. М.: Машиностроение, 1972 — 376 с.

23. Носаль В.В. Резание металла на двухдисковых ножницах. М.: Машгиз, 1950.'

24. Оден Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред: Пер. с англ. М.: Мир, 1976 — 464 с.

25. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки. М.: Машиностроение. 1977. 278 с.

26. Потапенков А.П: Исследование усилий резания наклонными ножами./ Черная металлургия (известия вузов)/ Федеральное агенство по образованию. М.: МИСИС. 1998, №8, с 65 -69.

27. Розин Л.А. Стержневые системы как системы конечных элементов. Л.: Изд-во ЛГУ, 1976. 232 с.

28. Розин Л.А. Метод конечных элементов. Соросовский образовательный журнал, том 6, № 4, 2000. с 120 —127.

29. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке./ Л.: Машиностроение, 1979 520 с.

30. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов: Пер. с англ. М.: Мир, 1979-392 с.35: Семенов Е.И. Ковка и, штамповка, т.1, М:: Машиностроение, 1985. 568 с.

31. Соловцов С.С. Безотходная разрезка сортового проката в штампах. — М.: Машиностроение, 1985. 176 с.

32. Справочник конструктора штампов:. Листовая штамповка./ Под общ. ред. Л.И. Рудмана. — М.: Машиностроение, 1988. — 496 с.

33. Степанский Л.Г. Расчеты процессов обработки металлов давлением. М.': Машиностроение, 1979. — 215 с.

34. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. Учебник для вузов. М:: Машиностроение. 1977. — 424 с.

35. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода» конечных элементов. М.: Мир, 1977. 349 с.

36. Федосьев В.И. Сопротивление материалов. М:: Наука, 1974. — 560с.

37. Чижиков Н.В., Горницкий А.Я., Мовшович И.Я. Влияние величины зазора» между матрицей и пуансоном на точность деталей, изготовляемых вырубкой пробивкой.//Кузнечно-штамповочное производство. 2002. №11, с 16-20.

38. Шофман Л.А. Основы расчета процессов штамповки и прессования. М., Машгиз, 1961.

39. Яшаев- С.ILL Резка заготовок от прутка сдвигом с дифференцированным зажимом. ЦИНГИ по автоматизации и машиностроению. Научно-техн. информация, вып. 5, 1963.

40. Tekiner Z;, Nalbant М., Gürün Н. An experimental study for the effect of different clearances on burr, smooth — sheared and blanking force on aluminium sheet metal./ Mater. And Des. 2006: 27, №10. cll-34 1138. Англ.

41. GourantR. //Bull. Amer. Math. Soc. 1943. Vol. 49. P. 1-43.

42. Turner M., Clough R., Martin H., Topp L.// J. Aeronaut Sei. 1956. Vol. 23; № 9. P: 805-823.

43. Doege E., Schaprian M. Schneidspalteinstellung durch Piezoaktoren./ . Blech Rohre Profile. 1999 - 46, №5 - с 62 - 66. Нем.

44. Wagener H.-W., Weikert J; Messung der Tisch- und Stößel- durchbiegung an Torgestellpressen./ Blech Rohre Profile. 19971 44, №5 с 46 - 52. Нем.

45. Robert W. Burrs by appointment:/ Tool and Prod. — 1979 — 44, №10, Англ:

46. Hörmann F., Maier-Komor P., Hoffmann H: Möglichkeiten und Grenzen der Schneidsimulation./ Blech in Form. 2006, №6 — с 47 — 51. Нем.

47. Ma Jin, Lu Hongbing, Li Ming, Wang Bo. Burr height in shear slitting of aluminum webs. Trans. ASME. J. Manuf. Sei. and Eng. 2006:128, №1, с 46 55. Англ.

48. Khadke A.,Ghosh S., Li Ming. Numerical simulations and design of shearing process for aluminum alloys. (The Ohio State University, Columbus). Trans. ASME. J. Manuf. Sei. and Eng. 2005:127, №3, с 612 -621. Англ.

49. Wasser als Waffe gegen Grate. Rinderproduktion. 2003, №3, с 14. Нем.

50. Mehr als Schneden. Blech Rohre Profile. 2002.49, №1 с 26— 28. Нем.