Розвиток наукових основ та удосконалення процесів безвідходного розділення сортового і трубного прокату на основі застосування способів комбінованого навантаження
Вантажиться...
Дата
2025
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
Донбаська державна машинобудівна академія
Анотація
Карнаух С. Г. Розвиток наукових основ та удосконалення процесів
безвідходного розділення сортового і трубного прокату на основі застосування способів комбінованого навантаження. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.05 – Процеси та машини обробки тиском. – Донбаська державна машинобудівна академія. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Краматорськ, 2025.
Дисертація спрямована на вирішення важливої науково-технічної проблеми підвищення ефективності процесів розділення сортового і трубного прокату на базі розвитку наукових основ, застосування нових технологічних способів і засобів комбінованого навантаження та розробки методик проектування технологічних процесів, обладнання та оснастки.
На підставі проведеного літературного аналізу встановлено шляхи розвитку процесів безвідходного розділення сортового і трубного прокату, обладнання і оснастки для їх реалізації. Визначено основні напрямки вдосконалення даної галузі обробки тиском, які полягають у створенні нових схем, підвищення можливостей відомих безвідходних способів розділення сортового і трубного прокату та обладнання для їх реалізації, вивченні закономірностей формоутворення, оцінки
технологічних можливостей, моделювання технологічних режимів, розробки методик розрахунку і проектування технологічних процесів з урахуванням особливостей зовнішнього силового і кінематичного впливу.
Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності процесів розділення сортового і трубного прокату на базі розвитку наукових основ, застосування нових технологічних способів і засобів комбінованого навантаження та розробки методик
проектування технологічних процесів, обладнання та оснастки.
Об'єкт дослідження – процеси, обладнання і оснастка для розділення прокату на мірні заготовки. Предмет дослідження – методи аналізу і закономірності розвитку технологічних режимів, способи, обладнання і оснастка для безвідходного розділення сортового і трубного прокату комбінованим навантаженням, оцінка їх технологічних можливостей.
Тема роботи відповідає пріоритетному напрямку розвитку науки і техніки та науковому напрямку наукової школи «Нові швидкодійні технології й машини з комбінованим впливом на заготовку» Донбаської державної машинобудівної академії.
На підставі розробленої класифікації безвідходних способів розділення
сортового і трубного прокату, засобами комбінаторики виконаний синтез
перспективних способів комбінованого навантаження, які дозволяють підвищити ефективність роботи обладнання та геометричну точність отриманих заготовок.
Запропонована класифікації компактних виконавчих механізмів пресів і
обґрунтована доцільність використання перспективних механізмів:
клиношарнірних, кривошипно-кругових, кривошипно-кулісних та їх комбінацій, які забезпечують найбільш сприятливий силовий і кінематичний режим навантаження при виконанні операцій безвідходного розділення сортового і трубного прокату, що
дозволяє зменшити величину енергосилових параметрів розділення та шкідливі наслідки розвантаження преса після зняття технологічного навантаження.
З використанням синергетичних критеріїв руйнування та величин граничних ступенів деформації створено класифікацію матеріалів за ознакою їх чутливості до руйнування, яка дозволяє зробити обґрунтований вибір способу розділення. На основі проведеного кластерного аналізу синергетичних критеріїв руйнування
матеріалів установлено, що синергетичні критерії: «критерій поширення тріщини» і «критерій крихкості» є базовими інформативними ознаками і при додаванні до них будь-якого з решти критеріїв, вони утворюють шукані інформативні множини мінімальної потужності, що забезпечують із заданою вірогідністю класифікацію матеріалів по їхній чутливості до розділення. Запропоновано експериментальний метод визначення деформованості зразків при реалізації процесів безвідходного
розділення сортового прокату за величинами повздовжньої і поперечної граничних деформацій, який доповнює метод з використанням синергетичних критеріїв руйнування. Запропоновано методику вибору способу розділення сортового прокату за величинами критеріїв руйнування та повздовжньої і поперечної граничних деформацій.
Установлені закономірності та залежності технологічних параметрів процесу розділення сортового прокату комбінованим статико-динамічним навантаженням способом триточкової холодної ломки згином, із застосуванням методів скінченних різниць та скінченних елементів, що забезпечує плавний та симетричний режим
прикладення навантаження відносно концентратора напружень і відповідно отримання заготовок підвищеної геометричної точності. Розроблені комплексні математичні моделі динамічного і статико-динамічного навантажень прокату на прес-молоті, які враховують вплив попереднього статичного навантаження і жорсткості системи «прес-молот – оснастка – зразок» на хвильовий силовий режим
розділення. Встановлено, що більша частина енергії витрачається на зародження й в’язке підростання тріщини, тоді як енергія крихкого руйнування складає не більше (10. . .25)% від сумарної енергії розділення. Збільшення величини динамічної максимальної сили ломки, у порівнянні зі статичною, для досліджених матеріалів склало не більше 8%, за виключенням зразків із сталі 40Х, де приріст склав більше
30%. Наявність статичної сили в момент удару забезпечує певний вихідний рівень напружень розтягання у зоні концентратора напружень, що підвищує керованість тріщиною. З підвищенням швидкості деформування геометрична точність заготовок поліпшується, особливо при статико-динамічному навантаженні. Рекомендована величина статичної сили при комбінованому навантаженні – не менше 25% від сили ломки і збільшується зі зростанням жорсткості контакту рухомих деталей пресмолота, оснастки і зразка. На підставі аналізу розробленої класифікації клиношарнірних механізмів, виявлений клиношарнірний механізм з увігнутим клином, який забезпечує максимальну технологічну силу на початку робочого ходу при розділенні прокату та має високу жорсткість. Із застосуванням аналітичних і графоаналітичних методів,
методу скінченних елементів розроблені залежності для розрахунку технологічних параметрів процесу розділення сортового прокату на пресах з клиношарнірним механізмом з увігнутим клином. Застосування запропонованого клиношарнірного механізму з увігнутим клином дозволяє збільшити коефіцієнт використання пресів за зусиллям до (0,7. . .0,8), зменшити наслідки розвантаження преса в момент зняття
технологічного навантаження.
Основним недоліком клиношарнірного механізму є численна кількість
поверхонь тертя. Для подолання цього недоліку запропонована і досліджена конструкція клиношарнірного механізму з увігнутим клином з поворотним ножем, який може бути використаний, у тому числі і для розділення фасонного прокату складної конфігурації. Застосування механізму дозволяє забезпечити складний плоский рух інструмента, результатом якого є сполучений процес відрізки зсувом і кручення. Встановлені залежності розрахунків геометричних і силових параметрів
обладнання з використанням таких механізмів, які забезпечують раціональні режими відрізки. Величину параметру, який визначає положення центру обертання шарніру механізму, рекомендується вибирати рівною половині радіуса увігнутого клина.
На підставі аналізу теоретичних розрахунків процесу відрізки трубчастих
заготовок за схемою «ексцентричного закручування» з використанням кривошипнокругового механізму, виконаних за допомогою аналітичних методів та методу скінченних елементів, встановлені залежності для розрахунку геометричних і силових параметрів процесу розділення запропонованим способом. Виявлено, що зі збільшенням величини ексцентриситету енергосилові параметри розділення
збільшуються. Для забезпечення геометричної точності отриманих заготовок величину ексцентриситету рекомендується приймати в діапазоні (0,5. . .1,5) від товщини стінки труби.
Із застосуванням графоаналітичних методів теорії механізмів і машин
встановлені залежності для розрахунків геометричних, кінематичних і
енергосилових параметрів обладнання із клиношарнірним приводом з увігнутим клином у комбінації з кривошипно-круговим або кривошипно-кулісним механізмами для розділення сортового і трубного прокату. Обґрунтована доцільність застосування додаткового клина з постійним кутом нахилу до 10°, який може бути використаний для ходу наближення, вибірки зазорів, зміни кута нахилу увігнутого клина,
що дозволяє забезпечити оптимальну траєкторію руху ножів і геометричну точність заготовок.
Застосування запропонованих конструкцій компактних виконавчих механізмів дозволяє зменшити енергосилові параметри процесу розділення, шкідливі наслідки розвантаження преса в кінці робочого ходу, підвищити його жорсткість, коефіцієнти корисної дії і використання преса за зусиллям.
Запропоновані і досліджені нові способи розділення сортового прокату
комбінованим навантаженням за рахунок активних зусиль деформування пресом та реактивних зусиль пружної деформації технологічної системи, що дозволяє послідовно за один робочий хід виконувати операції «нанесення концентратора напружень – розділення» за схемами: «вдавлення клинового ножа – консольна ломка», «частковий зсув – консольна ломка», «частковий зсув – реверсний зсув».
Аналізом запропонованого способу розділення за схемою «вдавлення
клинового ножа – консольна ломка», із застосуванням методів полів ліній ковзання і методу скінченних елементів, встановлено залежності енергосилових параметрів процесу розділення, співвідношення робіт нанесення концентратора напружень і консольної ломки. Виявлено, що величина роботи вдавлення клинового ножа складає не більше 20% від роботи розділення прокату, тому енергії розвантаження
преса в момент зняття технологічного навантаження достатньо для нанесення ефективного концентратора напружень. Встановлено, що для нанесення ефективного концентратора напружень і забезпечення стійкості інструмента кут слід вибирати у діапазоні (25 … 40)°, а глибину вдавлення концентратора напружень –
(10. . .20)% від розміру поперечного перерізу зразка.
На підставі аналізу запропонованого способу розділення за схемою
«частковий зсув – реверсивний зсув», із застосуванням методу скінченних
елементів, встановлено залежності енергосилових параметрів процесу розділення.
Виявлено, що робота нанесення концентратора напружень складає не більше 20% від роботи, що витрачається на розділення зразка. Це дозволяє стверджувати, що енергії розвантаження преса буде достатньо для нанесення ефективногоконцентратора напружень
за один робочий хід преса. Геометрична точність отриманих заготовок задовільна.
Аналізом запропонованого способу розділення за схемою «частковий зсув – консольна ломка», із застосуванням методу скінченних елементів, встановлено залежності енергосилових параметрів процесу розділення. Виявлено, що робота нанесення концентратора напружень складає не менше 60% від роботи, що витрачається на розділення зразка. Тому даний спосіб можна реалізувати лише при
наявності додаткового джерела енергії, оскільки енергії розвантаження преса буде недостатньо для нанесення ефективного концентратора напружень. Геометрична точність заготовок, розділених за цією схемою виявилася низькою.
Встановлено, що на етапі нанесення концентратора напружень за схемами:
«частковий зсув – консольна ломка», «частковий зсув – реверсний зсув», величини сили і роботи нанесення концентратора напружень, зі збільшенням ходу ножа, зростають у межах (15 … 20)% для матеріалів з різними механічними характеристиками. Таке зростання є незначним, оскільки відбувається зсув усього перерізу зразка відразу після контакту ножа із заготовкою. Зі збільшенням швидкості навантаження величини сили і роботи деформування також збільшуються.
Аналізом класифікацій конструкцій штампів з диференційованим затиском прокату та передніх упорів до них, виявлені конструктивні ознаки, які дозволили створити нові конструкції штампів з диференційованим затиском сортового прокату з високими техніко-економічними характеристиками. Відрізані на них заготовки
мають високу геометричну точність. Результатами вимірювань, із застосуванням методів магнітно-порошкової та фарбо-капілярної дефектоскопії, встановлено відсутність торцевих тріщин на заготовках. Встановлені залежності для розрахунків силових параметрів процесу розділення сортового прокату комбінованим
навантаженням у штампах з диференційованим затиском прокату, які відрізняються врахуванням впливу величин кутів клинових механізмів штампів та контактного тертя при відрізці, що дозволяє призначити оптимальні параметри механізмів штампів: кут передачі зусилля на затиск і відрізку прокату – (30 … 40)°, а кут передачі зусилля на затиск ножових вкладишів – (27 … 30)°. На основі теоретичного
аналізу, проведених експериментальних досліджень і досвіду експлуатації штампів з диференційованим затиском прокату, були перевірені відомі й сформульовані нові рекомендації до проектування подібних штампів.
Адекватність теоретичних розрахунків підтверджено результатами
експерименту (розбіжність до 8%). Новизна запропонованих способів та
конструкцій обладнання і оснастки для їх реалізації захищена патентами України.
Методики вибору, розрахунку та проектування процесів розділення за новими способами, рекомендації щодо вибору величин технологічних параметрів при розділенні сортового і фасонного прокату з використанням запропонованих компактних виконавчих механізмів та штампів з диференційованим затиском прокату підготовлені до впровадження, процеси та оснащення розділення апробовані і впроваджені у виробництво. Результати досліджень використовуються
в навчальному процесі у вигляді лекційного матеріалу, а також при виконанні проектних та практичних робіт студентами та магістрантами.
Опис
Ключові слова
відрізка зсувом, холодна ломка згином, прес, прес-молот, динамічне навантаження, статико-динамічне навантаження, клин, ніж, сила, енергія, концентратор напружень, диференційований затиск, shear section, cold breaking by bending, press, hammer press, dynamic load, static-dynamic load, wedge, knife, force, energy, stress concentrator, differential clamp.
Бібліографічний опис
Карнаух, С. Г. Розвиток наукових основ та удосконалення процесів безвідходного розділення сортового і трубного прокату на основі застосування способів комбінованого навантаження : дис. ... доктора техн. наук : 05.03.05 – Процеси та машини обробки тиском / Карнаух Сергій Григорович. – Краматорськ, 2025. – 415 с.