СПОСОБ РЕЗКИ ПЛАСТИЧНЫХ МЕТАЛЛОВ ВЫСОКОПРОЧНОЙ НИТЬЮ
METHOD OF CUTTING DUCTILE METALS BY HIGH-STRENGTH THREAD

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности, к способам пластической резки металлических заготовок, обладающих высокой пластичностью и низким напряжением текучести.
Из уровня техники известны различные способы резки металлических заготовок в виде сортового проката на пресс-ножницах и в штампах, ленточными и дисковыми пилами, электро-химическим способом и абразивной механической резки струной (Машиностроение. Энциклопедия. Том III-2. Технология заготовительных производств. - М.: Машиностроение, 1996. - 736 с., SU 1689089, 7.11.1991; станок для резки полупроводниковых материалов АЛТЕК-1300 SM, www//ite.inst.cv.ua)
Недостатками способов резки сортового проката на пресс-ножницах являются дефекты поверхности среза и искажение формы сечения в результате разделения заготовки отрывом и пластического изгиба, и ограничение отношения длины отрезаемой заготовки к размеру поперечного сечения. При резке в штампах указанные недостатки снижаются. Однако, сложность конструкции штампов, высокие требованиях к точности размеров осевого сечения и качеству поверхности заготовок затрудняют практическое применение этого способа. Механическая резка дисковыми и ленточными пилами и абразивная резка струной трудоемка и приводит к потерям металла при образовании разреза или пропила.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является пластический способ резки сортового проката на пресс-ножницах (Машиностроение. Энциклопедия. Том III-2. Технология заготовительных производств. - М.: Машиностроение, 1996, стр.262, 263). При резке известным способом пластическая деформация возникает в начале внедрения ножей в виде серповидного «блестящего пояска» с последующим отрывом заготовки с грубой поверхностью разделения. Асимметрия сил, действующих на ножи, приводит к пластическому изгибу в зоне резки и искажению формы сечения. Дефекты формы торцевой поверхности требуют применения дополнительных операций калибровки при обработке давлением, или трудоемкой механической обработки торцов резанием. Отношение длины заготовки к размеру поперечного сечения ограничено минимальным значением 1,5.
Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение эффекта пластического обтекания обрабатываемым металлом режущего инструмента в виде петли высокопрочной нити в процессе резки, что в итоге обеспечивает высокое качество поверхности среза и исключение потерь металла в отход при высокой производительности.
0
Поставленный технический результат решается посредством способа резки изделий из алюминиевых сплавов и углеродистых сталей, включающего резку изделия посредством воздействия на него режущего инструмента, согласно изобретению, резку осуществляют нитью, выполненной из нержавеющей стали или вольфрама, при отношении температуры нагрева к температуре плавления металла обрабатываемого изделия T=0,7-0,8.
0
0
Нагрев конструкционных сталей и сплавов обеспечивает снижение напряжения текучести и повышение пластичности, необходимое для реализации предлагаемого способа резки. Относительная температура T, при которой достигается этот эффект, определяется как отношение абсолютной температуры нагрева к абсолютной температуре плавления (У. Джонсон, П. Меллор, Теория пластичности для инженеров, М. Машиностроение, 1979 г., стр.31). Для технически чистого свинца низкое напряжение текучести и высокая пластичность, характерная для углеродистых сталей при T в интервале 0.7-0.8, достигаются при комнатной температуре.
Изобретение поясняется графическими материалами, где:
- на фиг.1 показано устройство для резки заготовок круглого сечения,
- на фиг.2 показано устройство для резки заготовок прямоугольного сечения.
Способ резки пластичных металлов высокопрочной нитью осуществляется следующим образом.
При резке заготовки круглого сечения (фиг.1) заготовка 1 с радиусом г устанавливается на призматических опорах 2 на основание 3. Петля 4 гибкой высокопрочной нити, закрепленная на подвижном блоке 5 с радиусом R, надевается на заготовку 1. Начальное положение петли 4 и блока 5 показано штриховыми линиями. Основание 3 и опоры 2 имеют зазор для свободного перемещения петли 4. При перемещении S оси блока 5 под действием силы P, приложенной к ползунку 6 через трос 7, происходит врезание петли 4 в заготовку 1. Неразрезанная часть сечения заготовки показана на фиг.1 штриховкой.
s
s
s
При малых отношениях диаметра нити d к диаметру заготовки D=2r происходит полное погружение нити в заготовку 1 и ее стационарное пластическое обтекание металлом: Непершин Р.И. Внедрение плоского штампа в жесткопластическое полупространство. «Прикладная математика и механика», Т.65, вып.1, 2002, стр.140-146; Непершин Р.И. Внедрение конечного клина в идеально пластическое полупространство. «Известия РАН. Механика твердого тела», 2003, №4, стр.176-182. При отсутствии смазки на контакте нити с заготовкой 1 образуется жесткая зона - «нарост» металла, перемещающийся вместе нитью. При внедрении нити происходит относительное скольжение по касательной к дуге контакта с заготовкой 1, вызывающее касательные напряжения Т, снижающее нормальное давление q на нить: Ивлев Д.Д., Максимова Л.А., Непершин Р.И. О вдавливании плоского штампа в идеальное жесткопластическое полупространство при действии контактных касательных напряжений. «Прикладная математика и механика», Т.65, вып.1, 2002, стр.134-139. При максимальном трении τ/σ→0.5, где σ - напряжение текучести, и полном погружении нити в заготовку 1 q≈2.64σ. Вследствие трения натяжение нити N возрастает вдоль дуги контакта с заготовкой 1 от точки симметрии A до выхода нити из заготовки 1 и определяется условием равновесия
<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>q</mi><mn>0</mn></msub><mi>ρ</mi><mo>+</mo><mi>τ</mi><mi>l</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>d</mi><mo>,</mo><mtext>                                 (1)</mtext></mrow>
0
s
s
s
где q=2.64σ - нормальное давление на нить и ρ - радиус кривизны нити в точке A; l - длина дуги контакта, отсчитываемая от точки A. При углах дуги контакта меньше π/2 форма границы контакта с заготовкой 1 близка к окружности. Натяжение нити на выходе из заготовки 1 находим из формулы (1) при τ/σ=0.5 и l/ρ=π/2:N=3.42 σρd. Максимальное натяжение возникает в начале разрезания при ρ=r. При перемещении оси блока 5 радиус кривизны ρ уменьшается до нуля и натяжение нити снижается. Предельный диаметр заготовки 1, ограниченный прочностью нити, определяется допускаемым напряжением [σ] на растяжение нити и напряжением текучести Gs материала заготовки 1
<mrow><mi>D</mi><mo><</mo><mn>0,46</mn><mi>d</mi><mo stretchy="false">[</mo><mi>σ</mi><mo stretchy="false">]</mo><mo>/</mo><msub><mi>σ</mi><mi>s</mi></msub><mo>.</mo><mtext>                      (2)</mtext></mrow>
s
При резке заготовки 1 с σ=20 МПа нитью из борного волокна d=0.2 мм при [σ]=3.5 ГПа находим D<16.1 мм. При радиусе блока R>r начальная длина дуги контакта l уменьшается, натяжение нити снижается и предельный диаметр разрезаемой заготовки 1 увеличивается. Сила P натяжения троса 6 определяется условием равновесия нити с блоком 5 без учета силы тяжести блока и троса
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>N</mi><mi>cos</mi><mi>α</mi><mo>.</mo><mtext>                      (3)</mtext></mrow>
0
0
Начальный угол наклона α и длина замкнутой петли L нити определяются радиусами заготовки 1, блока 5 и межцентровым расстоянием а (фиг.1)
<mrow><mi>sin</mi><msub><mi>α</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>R</mi><mo>−</mo><mi>r</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><msub><mi>a</mi><mn>0</mn></msub><mo>,</mo><mtext> L</mtext><mo>=</mo><mi>π</mi><mtext>(R</mtext><mo>+</mo><mtext>r)</mtext><mo>+</mo><mtext>2[</mtext><msub><mi>α</mi><mtext>0</mtext></msub><mtext>(R-r)</mtext><mo>+</mo><msub><mtext>a</mtext><mtext>0</mtext></msub><mtext>cos</mtext><msub><mi>α</mi><mtext>0</mtext></msub><mtext>]</mtext><mtext>.         (4)</mtext></mrow>
При задании радиуса кривизны ρ разрезаемого сечения в интервале r>ρ>0 угол α определяется из геометрического соотношения
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>R</mi><mo>−</mo><mi>ρ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>cos</mi><mi>α</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">[</mo><mi>L</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>−</mo><mi>π</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><mi>R</mi><mo>+</mo><mi>ρ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><mi>α</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>R</mi><mo>−</mo><mi>ρ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo><mi>sin</mi><mi>α</mi><mo>.</mo><mtext>                (5)</mtext></mrow>
а
Расстояние  между центром кривизны разрезаемого сечения и центром блока 5, смещение h центра кривизны и перемещение s центра блока 5 определяются формулами
0
0
На фиг.2 показана резка заготовки 1 прямоугольного сечения b×H, закрепленной прижимами 2 на основании 3, петлей нити 4 при перемещении s оси блока 5 под действием силы P, приложенной к ползунку 6 через трос 7. Штриховкой показана неразрезанная часть сечения заготовки 1 с радиусом кривизны ρ дуги контакта с нитью. Так как натяжение нити пропорционально ρ, то резку прямоугольного сечения следует вести по толщине заготовки b. Начальное положение петли 4 и блока 5 показано штриховой линией. Диаметр блока 5 целесообразно задавать больше толщины заготовки 1 2R>b для снижения длины контакта l и натяжения нити N. Начальный угол наклона нити α и длина петли L определяются размерами сечения заготовки 1 и блока 5 и начальным расстоянием a оси блока 5 от опорной плоскости основания 3 по формулам
<mrow><mi>sin</mi><msub><mi>α</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>H</mi><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>R</mi><mo>−</mo><mi>b</mi><mo>/</mo><mn>2,</mn><mtext>  L</mtext><mo>=</mo><mtext>b</mtext><mo>+</mo><mtext>R(</mtext><mi>π</mi><mo>+</mo><mtext>2</mtext><msub><mi>α</mi><mtext>0</mtext></msub><mtext>)</mtext><mo>+</mo><mtext>2(H</mtext><mo>+</mo><msub><mtext>a</mtext><mtext>0</mtext></msub><mtext>)cos</mtext><msub><mi>α</mi><mtext>0</mtext></msub><mo>.</mo><mtext>               (7)</mtext></mrow>
Натяжение N на выходе нити из заготовки 1 и сила Р определяются формулами (1) и (3) при изменении угла α в зависимости от перемещения s оси блока 5. В начале процесса происходит пластическое врезание нити в заготовку 1 с углов с увеличением радиуса кривизны границы контакта до ρ=b/2. Затем наступает стационарная стадия процесса резки при постоянном радиусе ρ=b/2 с углом наклона нити α, определяемым из уравнения (5). На стационарной стадии расстояние h центра кривизны дуги контакта до основания 3 уменьшается от значения H-b/2 до нуля. Перемещение s оси блока 5 рассчитывается по формуле
<mrow><mi>s</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>R</mi><mo>−</mo><mi>ρ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mi>sin</mi><mi>α</mi><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>h</mi><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext>  H-b/2</mtext><mo>></mo><mtext>h</mtext><mo>></mo><mtext>0</mtext><mtext>.                (8)</mtext></mrow>
На конечной стадии резки радиус кривизны ρ уменьшается до нуля. Угол α и перемещение s определяют из уравнений (5) и (8) при h=0 и уменьшении ρ от b/2 до нуля. Предельную толщину разрезаемой заготовки определяют из неравенства (2) с заменой D на b в левой части неравенства.
0
В качестве режущего инструмента в виде гибкой нити может использоваться стальная проволока, борные или вольфрамовые волокна диаметром 0.1-0.2 мм. Прочность на разрыв этих нитей достигает значений 3.5-5 ГПа: Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. - М.: Наука, 1979, стр.709-713. Напряжение текучести в интервале 10-20 МПа для алюминиевых сплавов и углеродистых сталей достигается при относительной температуре нагрева T=0.7-0.8. Нити из нержавеющей стали и вольфрама сохраняют высокую прочность при температурах 470-510°C и 1130°C, соответственно: Композиционные материалы. Справочник. Ред. В.В. Васильев, Ю.М. Тарнопольский. - М.: Машиностроение, 1990, стр.23, 24.
0
Для проверки описанного способа резки заготовок изготовлена лабораторная установка по схемам, показанным на фиг.1 и фиг.2. Трос 7 наматывали на барабан с ручным приводом вращения рукояткой с длиной плеча относительно оси вращения барабана снижающей силу P в два-три раза. Выполнена резка образцов из технически чистого свинца при комнатной температуре, при которой заготовка имеет напряжение текучести 10-20 МПа и высокую пластичность, и из алюминиевого сплава АД1 при температуре 430-450°C (T=0,7-0.8) стальной струной для музыкальных инструментов, d=0.2 мм, с прочностью на растяжение [σ]=2 ГПа. Предельная толщина (диаметр) разрезанных образцов 8-10 мм, что согласуется с оценкой (2). Поверхности среза были гладкими с небольшим заусенцем ~0.1 мм на выходе нити из зоны резания в нижней части образцов. Для теплоизоляции нагретого образца из сплава АД1 использовали асбестовые прокладки на зажимах (фиг.2).
s
Опыты резки образцов с нагревом показали важность точного контроля температурного диапазона. При низких температурах происходили разрывы нити вследствие высокого значения σ заготовки. При высоких температурах, близких к температуре плавления, происходил грубый излом образцов вследствие хрупкости материала при грубых зернах с выраженным оплавлением по их границам.
0
Ограничения предлагаемого способа резки нагретых заготовок с низким напряжением текучести высокопрочной нитью в зависимости от относительной температуры нагрева заготовки T приведены в таблице.
Таблица
T<sub>0</sub>
Чистота поверхности среза заготовки
Примечание
0.6
разрыв нити вследствие высокого значения σ<sub>s</sub>
0.7
хорошая
0.75
высокая
0.8
хорошая
0.85
низкая
0.9
хрупкое разрушение заготовки изломом