Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Точность профилей при калибровании во многом зависит от выбора рациональных технологических параметров калибрования, а также от формы рабочих поверхностей инструмента и размеров исходной заготовки. К основным технологическим параметрам следует отнести: температуру нагрева профиля под калибрование, скорость протяжки, амплитуду и частоту пульсации плунжера пресса, степень деформации. С целью выявления влияния каждого из этих факторов в отдельности проводили калибрование титановых полос размером 2,5x40 мм при варьировании одного из исследуемых параметров.
Рассмотрим влияние температуры нагрева заготовки на точность при калибровке.
В табл. 27 представлены результаты калибрования полос из сплава ОТ4 при разных температурах.
Как следует из табл. 27 с повышением температуры при одинаковом усилии деформирования и равенстве прочих условий процесса деформация полосы возрастает. Это связано со снижением сопротивления деформации. Однако уменьшение размеров неравнозначно для других титановых сплавов. Наименьшее отклонение размеров достигается у сплава ОТ4-1 при температуре 650—700 °C, у сплава OТ4 — 700—750 °C, ВТ20 — при 750-800 °C. При дальнейшем повышении температуры нагрева профилей под калибрование, особенно выше 800 °C, качество поверхности профилей значительно снижается. Увеличение шероховатости поверхности при высокой температуре калибровки связано с неудовлетворительной работой смазочных материалов. В этом случае возрастают контактные силы трения, а вместе с ними — упругая деформация.
Упругая деформация при калибровании во многом определяется прочностными свойствами сплавов. Так, для сплавов ОТ4-1, ОТ4, ВТ20 при температуре калибрования 650—750 °C упругая деформация составляет соответственно 0,04—0,12, 0,06—0,18, 0,09—0,25 мм. Следует отметить, что упругая деформация не равнозначна при разной толщине калибруемого изделия. С уменьшением толщины полок профиля упругая деформация значительно возрастает из-за потери тепла при контакте профиля с инструментом, вызывающем повышение радиальных усилий. В этой связи необходим подогрев инструмента до 250—300 °C.
Однако имеется некоторая предельная толщина полок профиля, при которой скорость охлаждения на воздухе и при контакте с инструментом столь велика, что ее нагрев перед калибровкой может быть бесполезен. Предельная толщина полок профилей зависит от условий калибрования (скорость протяжки, температура штампа, степень деформации, частота нагружения) и составляет 1,2—1,5 мм. В этом случае профиль .калибруется примерно так же, как и без нагрева. Поэтому калибровать профили из сплава ВТ20 с таких толщин во избежание трещин нежелательно.
Другим технологическим параметром, влияющим на температуру калибрования, является скорость протяжки. Она влияет не только на температуру калибрования, но и на шаг подачи, величину смещенного объема, дробность деформации. В табл. 28 представлены результаты калибрования полос с нагревом и без нагрева со скоростью протяжки 0,5, 1, 2, 3 м/мин.
Как следует из табл. 28, с повышением скорости протяжки при калибровании вхолодную толщина полосы постепенно уменьшается, и при скорости 3 м/мин происходит ее обрыв. Это объясняется большим повышением интенсивности растягивающих напряжений, что приводит к снижению ресурса пластичности металла. Однако при калибровании с нагревом ввиду достаточной пластичности сплава обрыв полосы, несмотря на значительное внеконтактное утонение, не наблюдается.
Установлено, что точность при калибровании зависит также от дробности деформации (число циклов обжатий, приходящихся на единицу объема металла в очаге деформации). На рис. 62 представлено изменение отклонения размеров по толщине полки профиля s из сплава ОТ4 в зависимости от параметра z. Как следует из графика, каждой толщине полки профиля соответствует минимальная величина упругой деформации.
Большое влияние на качество профилей оказывают геометрические параметры инструмента, которыми являются величина заходного угла и длина калибрующего пояска. Учитывая, что процесс калибрования начинается с постепенным внедрением калибрующего пояска в металл профиля по мере перемещения тянущей каретки, ширина пояска имеет важное значение для снижения усилия деформирования. Чем шире поясок, тем большие усилия деформирования требуются. Однако при узких поясках снижается скорость протяжки, увеличивается частота пульсации плунжера пресса и образуется волнистая поверхность на калибруемом профиле. Это происходит в случае, если шаг подачи металла значителен и укладывается по длине калибрующего пояска менее 1—2 раза. Практика показала, что длина калибрующего пояска должна быть такой, чтобы шаг подачи укладывался по этой длине не менее 3 раз.
Рассмотрим влияние заходного угла на точность обрабатываемого изделия при калибровке. В табл. 29 представлены результаты калибровки полосы из сплава ОТ4 с заходным углом штампа 1—9°.
Чтобы исключить влияние температуры, калибрование проводили без нагрева. Как следует из табл. 29, с уменьшением заходного угла штампа обжатие полосы снижается. Это объясняется тем, что несмотря на уменьшение неравномерности деформации по сечению калибруемого профиля с уменьшением заходного угла, увеличивается площадь контакта поверхности профиля с инструментом, которая приводит к повышению усилия калибрования и тем самым — к увеличению упругой деформации инструмента.
Рассмотрим влияние технологических параметров на точность калиброванных профилей.
В качестве параметра оптимизации точности целесообразно выбрать разность между толщиной полки профиля (S0) и фактическим размером очка инструмента (Sин), т.е. ΔS = S0—Sин.
Большое число факторов обусловливает трудности экспериментального изучения точности профилей при калибровании. Так как довольно сложно учесть влияние каждого из этих факторов, для выявления многофакторной зависимости точности профилей и оптимизации процесса калибрования целесообразно провести дробный факторный эксперимент 2в5-2.
На основе установленных частных зависимостей влияния температуры, степени деформации, скорости протяжки, амплитуды колебания плунжера, заходного угла инструмента можно определить предельные интервалы варьируемых параметров процесса. В табл. 30 представлены уровни и интервалы варьирования факторов для сплава ОТ4.
В качестве исходной заготовки под калибрование служила полоса из сплава ОТ4 размером 2,5x50 мм. Использование полосы при калибровании позволяет исключить влияние побочных факторов, какими являются неравномерность деформации, а также геометрические параметры изделия до и после калибрования. При калибровании трудно было обеспечить постоянство условий эксперимента, так как в отдельных случаях имелись отклонения от оптимальных температур, степени деформации и других параметров. Однако эти ошибки составляли 5—10 %, что приемлемо для данных условий процесса. Результаты опытов и расчеты точности калиброванных полос сводили в матрицу планирования (табл. 31).
Для построения плана были использованы генерирующие соотношения х4 =х1х2х3, х5 =х1х2.
Поскольку в нашем случае приравниваются два фактора х4 и х5, то, задаваясь генерирующими соотношениями, имеем два определяющих контраста:
Произведение этих контрастов будет равно: 1 = х3х4х5.
Все эти равенства составляют обобщающий определенный контраст: 1 =х1х2х5 =х3х4х5 =х1х2х3х4.
Оценку дисперсии проводили по критерию Кохерна. Коэффициенты модели определяли по известным формулам. В результате расчета были получены следующие значения коэффициентов:
Сравнение коэффициентов модели с величиной доверительного интервала показало, что величины b3 и b14 для доверительной вероятности 95 % незначительны.
С использованием приведенных выше значений коэффициентов было получено следующее уравнение регрессии:
Таким образом, модель может быть использована для прогнозирования получающейся точности профилей при калибровании в выбранной области температурно-деформационных параметров.
Подставляя в (3.79) значения кодированных параметров (см. табл. 31), получаем
По данным значениям амплитуды скорости протяжки, температуры калибровки построим объемные диаграммы для двух крайних значений заходных углов инструмента при толщине полосы 2,5 мм, степени деформации ln μ=0,22 и скорости протяжки 1,5 м/мин. Рис. 63 показывает, что точность толщины полосы при калибровании зависит от многих факторов. На диаграмме пунктирной линией очерчена плоскость соответствующая нулевому отклонению размеров (заштрихована). Пересечение этой плоскости с поверхностью отклика делит диаграмму на области плюсового и минусового отклонений размеров или области упругих и внеконтактных деформаций.
Следует обратить внимание на изменение положения плоскости отклика при изменении заходного угла штампа. Как видно, изменение заходного угла с 1 до 9° приводит к значительным изменениям положений плоскости отклика. При угле 1° возрастает протяженность деформационной зоны, что вызывает увеличение усилия деформирования и рост упругой деформации системы. При угле 9° возрастают продольные растягивающие напряжения, приводящие к внеконтактной деформации, площадь контакта профиля с инструментом уменьшается. При этом с повышением температуры процесса и амплитуды колебания плунжера пресса при прочих равных условиях уменьшается толщина полки профиля до размеров, менее фактического размера канала инструмента.
Построенная математическая модель хорошо описывает процесс калибрования профилей, позволяет установить влияние каждого технологического параметра на точность профиля и выбрать рациональные режимы обработки. Однако, как показала практика, калибрование профилей можно осуществлять не при любых сочетаниях технологических параметров. Например, при калибровании с амплитудой колебания плунжера 1,5—2 мм, скорости подачи более 2,0 м/мин и температуры калибрования 700—750 °C достигается высокая прочность по толщине полки профиля, однако процесс калибрования идет неустойчиво, профиль имеет неудовлетворительную поверхность. Как было замечено, имеются режимы обработки, при которых калибрование проводить нецелесообразно.
Для того чтобы установить область устойчивого режима калибрования, проводили ряд опытов при постоянных значениях вытяжки и толщины полки профиля. Полученные результаты могут быть представлены в виде технологического прямоугольника (рис. 64). Строчки таблицы соответствуют скорости подачи профиля при калибровании, а столбцы - амплитуде колебания плунжера пресса при изменении их с постоянным шагом. Если сочетание двух варьируемых параметров с постоянным фактором удовлетворяют системе, т.е. устойчивому режиму калибрования, то на пересечении строки и столбца присваивается символ I. Из представленной схемы следует, что область устойчивого процесса калибрования ограничена и зависит от соотношения амплитуды и скорости подачи.
Имеются четыре области, в которых ведение процесса нецелесообразно: I — область неустойчивой работы пульсатора пресса; при настройке пресса на амплитуду меньше 1,5 мм колебания плунжера неритмичны, имеются частые сбои; калибрование по этому режиму приводит к задержке металла в очаге деформации, в результате чего возникают задиры на профиле и местное уширение габарита профиля; Il — область больших упругих деформаций; при скоростях подачи менее 0,5 м/мин происходит интенсивная потеря тепла вследствие большой дробности деформации, вызывающей увеличение длительности контакта металла с инструментом; увеличение амплитуды приводит к уменьшению частоты, что еще более увеличивает время контакта с инструментом, а упругая деформация инструмента возрастает; Ill — область образования волнистой поверхности; при больших скоростях подачи и значительных колебаниях инструмента происходит свободное перемещение металла в продольном направлении; шаг подачи превышает ширину калибрующего пояска; поверхность профиля приобретает волнистую форму; IV — область калибрования в виде протяжки; высокие скорости подачи, при которых значительно возрастают инерционные силы подвижных частей устройства при низких амплитудах колебания плунжера, приводят к одновременному волочению и радиальному обжатию в момент рабочего хода плунжера; процесс калибрования подобен процессу протяжки; на поверхности профиля образуются продольные риски; стойкость инструмента низкая.
Таким образом, режим калибрования профилей во многом зависит от параметров А и Vx.x. Однако следует обратить внимание на большое влияние степени деформации и толщины элементов профиля на положение устойчивой области. С увеличением степени деформации и толщины элементов профиля область устойчивого процесса калибрования несколько смещается в сторону больших амплитуд. Действие температуры нагрева профиля под калибрование на область устойчивого процесса калибрования мало изменяет его положение-Однако во избежание резкого остывания металла во время калибрования на нижнем температурном интервале область устойчивого процесса следует сдвинуть в сторону высоких скоростей.