Разделение фасонных профилей методом сдвига

Разработана методика и алгоритм расчета ориентации фасонного профиля относительно ножей на примере П-образного профиля. Разработана программа расчета направления отрезки П-образного профиля с учетом его геометрической формы и размеров.

Ключевые слова: отрезной штамп, отрезка сдвигом, фасонный профиль, выбор направления отрезки, методика расчета.

Постановка проблемы.

Разделение фасонного сортового проката способом отрезки сдвигом применяется в серийном и массовом производстве заготовок и готовых изделий. Данный способ обеспечивает наиболее высокую производительность, безотходность процесса, а при правильном выборе технологических параметров и высокое качество поверхности разделения.

Разрабатывая технологический процесс отрезки сдвигом специалисты сталкиваются с рядом проблем связанных как с выбором схем отрезки [1-3], так и определением их параметров [2]. Принято различать геометрические и силовые параметры технологического процесса отрезки. При этом под геометрическими параметрами понимают параметры, определяющие взаимное расположение разрезаемого профиля и ножей [3]. Такими параметрами при отрезке заготовок простой формы (круг, квадрат, шестигранник) являются поперечный зазор z_п между профилем и ножом, продольный угол наклона профиля относительно ножа и осевой зазор между ножами . Если данный способ разделения применяется к фасонным профилям (уголок, швеллер и др.) то дополнительно к перечисленным геометрическим характеристикам необходимо отнести положение профиля относительно ножей [4]. Это связано с тем, что при отрезке фасонного профиля зона пластического разделения его отдельных элементов будет иметь различную протяженность, что в свою очередь может привести к образованию торцевых дефектов: вырыв, зарез, закол [2]. При этом не следует забывать и о том, что ориентация профиля влияет не только на геометрическую точность, но и на энергосиловые параметры процесса.

Анализ последних исследований и публикаций.

Решение поставленных выше проблем в технической литературе относится, в основном, к профилям простой формы поперечного сечения (полоса, квадрат, круг, шестигранник и др.). Так Соловцов С.С. в работе [2] рекомендует располагать профиль таким образом, чтобы размер сечения прутка в направлении реза был меньше, чем в перпендикулярном направлении. При этом по возможности придавать профилю такое положение, при котором под действием ножей в нем возникали бы сжимающие напряжения.

Роганов Л.Л. в работе [5] основным критерием наилучшего расположения сортовой заготовки принимает силу разделения, основываясь на площади поверхности хрупкого разрушения, которая образовалась в момент скола при разделении. Чем больше поверхность скола соответственно меньше сила разделения при этом качество поверхности разделения не оценивается.

Однако, если для профилей простой формы выполнить рекомендации авторов [2,5] не вызывает трудностей, то для фасонных профилей, например П-образных не представляется возможным. Например, расположение П-образного профиля относительно ножа полкой неприемлемо для стенки и наоборот.

Цель статьи - разработать методику расчета параметра определяющего направления отрезки фасонного П-образного профиля, обеспечивающую наилучшее качество поверхности разделения с учетом его геометрических характеристик.

Изложение основного материала.

В качестве критерия оценки качества поверхности разделения выступает осевой зазор _, который в значительной мере определяет угол величину дефектов в поверхности разделения [2].

Рассмотрим схему отрезки фасонного П-образного профиля с поперечным сечением швеллера (рис. 1), состоящего из центральной стенки толщиной и двух боковых одинаковых полок толщиной . Углы между внутренними поверхностями стенки и полок обозначим .

При вертикальном перемещении ножа наибольший размер сечения в направлении движения ножа представлен отрезком MN. При малом значении угла такое направление неприемлемо, если высота боковых полок существенно превышает толщину стенки . Если нож движется под углом к стенки, то протяженность сечения в направлении движении ножа для левой полки характеризуется отрезком QN, стенки DB, правой полки BF. При этом в правой угловой зоне общая протяженность длины реза характеризуется отрезком DF.

Соотношение между размерами отрезков и углом движения ножавзаимосвязаны. При нахождении оптимального значения угла реза, когда абсолютный осевой зазор постоянный необходимо исходить из оптимальной разности между максимальной и минимальной протяженностью реза сечения стенки и полки в правой угловой зоне. Эта разность равна длине отрезка DF.

Рис. 1. Схема отрезки поступательно движущимся ножом открытого профиля
П-образного сечения.

Длину отрезка FD определим из подобия треугольников DFЕ и BFС. Определим углы этих треугольников: ; ; .

Определим стороны треугольника ВСД.

Сторона ВС:

. (1)

По теореме синусов стороны FC и BF определяем из следующих выражений:

(2)

Тогда

(3)

Угол определим из условия минимума длины отрезка FD, т.е.

После дифференцирования и преобразований получим:

. (4)

Если полки перпендикулярны (=0), то уравнение (4) имеет вид:

. (5)

В этом случае:

рад. (6)

Когда полки имеют одинаковую толщину , то оптимальным считается направление, при котором угол ₁ = 45⁰.

Часть угловой зоны, расположенной над линией FD, где размер сечения в направлении движения ножа резко отличается от размеров части сечения в том же направлении, расположенной ниже линии FD, сравнительно небольшая. Поэтому оптимальным может оказаться такое направление движения ножа, которое обеспечит равенство отрезков DВ и BF. С учетом выражения (2), получим уравнение для определения оптимального угла ₁, по этому критерию:

. (7)

Для выбора оптимального угла по критерию минимума отрезка FD и критерию DВ = BF уравнения (4) и (7) должны быть решены численно. Анализируя уравнения (4) и (7) видно, что для определения оптимального направления движения подвижного ножа необходимо варьировать параметр в диапазоне от до при известных геометрических параметрах профиля.

При этом варьирование параметра осуществляется с малым шагом и продолжается до выполнения условий (4) и (7) с заданной точность.

Блок - схема алгоритма вычисления оптимального направления движения подвижного ножа для фасонного П-образного профиля изображена на рис. 2.

Рис. 2. Блок схема алгоритма вычисления оптимального направления движения подвижного ножа для фасонного П-образного профиля.

Для выполнения численных расчетов необходимы следующие начальные параметры:

1. - толщина стенки П-образного профиля, мм;

2. - толщина вертикальных полок П-образного профиля, мм;

3. - угол раскрытия вертикальных полок, град;

4. - шаг варьирования параметра , рад;

5. - начальное значение вирируемого параметра , рад;

6. - конечное значение вирируемого параметра , рад;

7. - заданная точность вычисления;

8. - критерий оптимальности, где один из двух критериев оптимальности и .

Параметры 1 - 3 и 7 - 8 задаются пользователем, а параметры 4 - 6 задаются программно. На рис. 3 изображен общий вид окна программы, разработанный на основе алгоритма (рис. 2) с использованием визуального средства программирования Visual Basic 6.0. Для удобства работы с программой пользователь может ввести толщины полок П-образного профиля и или выбрать их отношение из диапазона значений (см. рис. 4).

Рис. 3 Общий вид окна программы для определения оптимального направления движения подвижного ножа.

Рис. 4 Выбор отношений из диапазона значений.

Выводы

1. Предложена и теоретически обоснована методика определения наилучшего направления отрезки при поступательном движении ножа фасонного П-образного профиля, имеющего разную толщину стенки и полок.

2. Установлено, что отрезка фасонных П-образных профилей должна выполняться не перпендикулярно к полке или стенки, а под некоторым к ней углом .

3. Разработана программа расчета оптимального угла для П-образного профиля по одному из двух критериев: минимальной протяженности сечения в направлении отрезки; равенства длин сечений в направлении отрезки на отдельных элементах П-образного профиля.

Литература:

1. Соловцов С. С. Производство точных заготовок отрезкой и вырубкой / С. С. Соловцов // Кузнечно-штамповочное производство. – 2005. – № 9. – С. 22–24.

2. Соловцов С.С. Безотходная резка сортового проката в штампах. – М.: Машиностроение, 1985. – 175с.

3. Коваленко В.Ф. Анализ схем холодной резки сортового проката сдвигом // Кузнечно-штамповочное производство. – 1968. – №5. – с. 18-21.

4. Сердюк А.И. Исследование напряженно-деформированного состояния металла в штампах со сложным движением ножей и совершенствование технологии отрезки П-образных профилей: Дис. ... канд. тех. наук. Мариуполь. 2004. - 156 с.

5. Роганов Л. Л. Разделение сортового проката больших поперечных сечений способом отрезки сдвигом / Л. Л. Роганов, Д. С. Карнаух, Н.В. Чоста // Обработка материалов давлением : сб. науч. тр. – Краматорск : ДГМА, 2010. – № 2 (23). – С. 137–141.