Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор текущего состояния научно-исследовательских работ по восстановлению изношенных деталей 9
1.1 Износ деталей машин в процессе эксплуатации 9
1.2 Восстановление деталей операциями обработки металлов давлением 14
1.3 Способы управления течением металла 19
1.4 Методы автоматизированного проектирования инструмента ...22
1.5 Температурный режим при восстановлении пластическим де формированием 26
Выводы по главе 28
Глава 2 Влияние формы и размеров инструмента на потоки металла при пластическом деформировании 30
2.1 Влияние формы торца внедряемого пуансона на формоизменение 31
2.2 Влияние исходной формы образца на потоки металла при раздаче прошивкой 43
2.3 Влияние химического состава материала детали и температуры штамповки на формоизменение при раздаче прошивкой 46
2.4 Особенности формоизменения при внедрении ступенчатых пуансонов 52
2.5 Математическая модель формоизменения боковой поверхности детали при прошивке 53
2.6 Особенности формоизменения при двустороннем внедрении инструмента 58
Выводы по главе 64
Глава 3 Исследование особенностей формоизменения при прошивке неосесимметричным инструментом 66
3.1 Исследование общих закономерностей формоизменения при прошивке неосесимметричным инструментом 66
3.2 Исследование формоизменения при внедрении пуансонов с лыской 69
Выводы по главе 75
Глава 4 Разработка системы автоматизированного конструирования инструмента для процессов восстановления пластическим деформированием 76
4.1 Сущность процессов восстановления деталей пластическим деформированием 77
4.2 Процедура выбора рационального способа восстановления деталей пластическим деформированием 84
Выводы по главе 91
Глава 5 Разработка технологического процесса восстановления деталей методом пластической деформации 92
5.1 Особенности процесса восстановления деталей пластическим деформированием 93
5.2 Технологический процесс восстановления детали «шаровый палец рулевого механизма» 97
5.3 Технологический процесс восстановления детали «разжимной кулак тормозного механизма» 103
Выводы по главе 111
Основные результаты и выводы 112
Список литературы 114
- Методы автоматизированного проектирования инструмента
- Влияние химического состава материала детали и температуры штамповки на формоизменение при раздаче прошивкой
- Исследование общих закономерностей формоизменения при прошивке неосесимметричным инструментом
- Процедура выбора рационального способа восстановления деталей пластическим деформированием
Введение к работе
Актуальность работы. Тенденция поиска путей снижения эксплуатационных расходов машин и технических устройств является устойчивым явлением в хозяйственной и экономической жизни общества. Немалую долю в эксплуатационных расходах занимают затраты на приобретение запасных частей взамен изношенных. Это приводит к необходимости развития методов восстановления изношенных деталей, позволяющих снизить затраты на приобретение запасных частей. Существующие способы восстановления характеризуются многообразием применяемых для восстановления физических процессов с различной трудоемкостью и по объему ресурсов затрачиваемых на осуществление восстановления.
Одним из перспективных способов восстановления изношенных деталей является пластическое деформирование (ПД). Достоинствами восстановления ПД можно считать: возможность получения требуемой микроструктуры металла и эксплуатационных свойств восстанавливаемой детали, позволяющей увеличить ее ресурс; высокая степень экономии ресурсов, обусловленная повторным использованием энергии и материала затраченных на первичное изготовление детали. Однако существующие методы восстановления ПД применяются только для деталей простой геометрической формы, т.к. существующие методы восстановления не рассматривают проблему создания направленных потоков металла в зону износа в достаточном объеме.
В связи с этим сформулирована цель работы: разработка технологии восстановления изношенных деталей прошивкой с созданием направленных потоков металла в зону износа.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Исследование влияния формы и размеров пуансонов на течение металла при прошивке.
2. Разработка методики проектирования инструмента для получения требуемого распределения потоков металла в операциях прошивки, включающую в себя САПР инструмента для прошивки.
3. Разработка технологического процесса восстановления изношенных деталей на основе данных по износу: для осесимметричных случаев – «шаровый палец рулевого механизма»; для неосесимметричных случаев – «разжимной кулак тормозного механизма».
Методы исследования. Для исследования особенностей течения металла было использовано численное моделирование методом конечных элементов реализованного в программе QForm. Полученные в результате моделирования данные были обработаны методами математической интерполяции.
Достоверность и обоснованность. Достоверность полученных в диссертационной работе выводов подтверждается согласованностью результатов теоретических исследований с результатами натурного эксперимента по восстановлению изношенных деталей.
Научная новизна работы заключается в следующем:
экспериментально установлено что факторами, влияющими на потоки металла при прошивке, являются: форма торца пуансона, поперечное сечение внедряемого пуансона, его диаметр и глубина внедрения;
разработана математическая модель, связывающая течение металла при прошивке с формой торца инструмента, его диаметром и глубиной внедрения. Установлено, что при малых глубинах внедрения (0,05 высоты детали) и небольшом диаметре пуансона (0,15 диаметра детали) достигаемые величины формоизменения не представляют интереса с технологической точки зрения при использовании цилиндрических пуансонов с любой формой торца;
разработана методика проектирования инструмента для получения требуемого формоизменения при двусторонней прошивке, с учетом относительных скоростей внедрения верхнего и нижнего цилиндрических пуансонов, зависящих от их размеров и формы торца;
Практическая ценность работы заключается в следующем:
разработана методика проектирования инструмента для получения требуемого формоизменения в операциях прошивки;
создана САПР инструмента для процессов восстановления изношенных деталей прошивкой, созданием направленных потоков металла в область износа;
разработаны конструкции штампов для восстановления изношенных деталей типа «шаровый палец» и «разжимной кулак» (патенты № 2371292 и № 2376121);
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на пяти конференциях в городах Москва (2007), Донецк (2007, 2008), Пенза (2007), Ульяновск (2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 4 статьи, изданных в журналах, рекомендованных ВАК, и 2 патента № 2371292, № 2376121.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 112 наименований, и 6 приложений. Работа изложена на 125 страницах машинописного текста, содержащего 26 таблиц, 58 рисунков.
Методы автоматизированного проектирования инструмента
Процесс проектирования инструмента для процессов ОМД включает в себя несколько этапов. В общем случае процесс проектирования может быть представлен в следующем виде [67, 68]: 1) Техзадание на проектирование технологического процесса; 2) Решение проектной задачи на ЭВМ; 3) Изготовление конструкторской и технологической документации; 4) Контроль и корректировка проекта. В большинстве случаев автоматизацию применяют для третьего этапа, реже - второго. САПР, реализующие второй этап, представляют собой частные разра-ботки для проектирования определенных деталей и инструмента по имею -99 щимся аналитическим формулам и математическим моделям. Функции данного типа программных инструментов частично реализованы в системе проектирования SprutCAD. При этом, только часть системы SprutCAD ориентирована на решение проектной задачи, другая же часть предназначена для изготовления конструкторской документации [69].
Существует ряд программ упрощающих решение проектной задачи -это программы позволяющие промоделировать проектируемый процесс и уточнить его параметры. В качестве примера можно перечислить наиболее известные программные комплексы: DEFORM D/ DEFORM 3D, ANTARES, MARC/Autoforge, SolidEdge, MSC/SuperForge, MSC/ SuperForm; Forge 2/ Forge 3; PATIHD, ШТАМП, QForm 2D/3D [70, 71]. Так как проектные задачи, в общем случае, содержат большое количество параметров - практически невозможно построить алгоритм, позволяющий решать задачу проектирования инструмента для получения требуемого формоизменения. Поэтому для решения такого типа задач применяются различные методы, позволяющие за определенное количество итераций, корректируя параметры процесса, получить приемлемый результат. Иногда такая схема реализуется в виде автоматизированных систем, работающих в режиме диалога с пользователем, из которых наиболее широко распространены системы принятия решений. Общеупотребительное определение понятия «система принятия решений» может быть сформулировано, как - компьютерная автоматизированная система, целью которой является помощь людям, принимающим решение в сложных условиях для полного и объективного анализа предметной деятельности. Системы поддержки принятия решений (О И IP) возникли в результате слияния управленческих информационных систем и систем управления базами данных. При помощи СППР может производиться выбор решений некоторых неструктурированных и слабо структурированных задач, в том числе и многокритериальных [72, 73, 74,]. В отличие от систем математического моделиро -23 вания в СППР различные реакции рассматриваемого процесса уже рассмотрены и занесены в базу данных, пользуясь которой система выдает те или иные решения, сокращая при этом время требуемое для проектирования технологического процесса.
Другие близкие к системам поддержки принятия решений классы систем - это экспертные системы. Экспертная система (ЭС) - это компьютерная программа, способная заменить специалиста-эксперта в разрешении проблемной ситуации. ЭС начали разрабатываться исследователями искусственного интеллекта в 1970-х годах, а в 1980-х получили коммерческое развитие [75, 76, 77].
В информатике экспертные системы рассматриваются совместно с базами знаний как модели поведения экспертов в определенной области знаний с использованием процедур логического вывода и принятия решений, а базы знаний — как совокупность фактов и правил логического вывода в выбранной предметной области деятельности [78, 79].
Похожие действия выполняет программа-мастер. Мастера применяются как в системных, так и в прикладных программах для интерактивного общения с пользователем (например, при установке ПО). Главное отличие мастеров от ЭС - отсутствие базы знаний; все действия жестко запрограммированы. Это просто набор форм для заполнения пользователем.
Программы построения экспертных систем первого поколения представляли собой, по существу, адаптацию экспертных систем, хорошо зарекомендовавших себя на практике. Многие из них показали затем свою жизнеспособность и эффективность. Например, система EMYCIN была использована для построения множества прикладных экспертных систем для областей, весьма далеких от медицины, включая структурный анализ и поиск неисправностей в электронных схемах. К этому же периоду относится и появ -24 ление специализированных языков программирования, таких как OPS5 и FLAVORS.
В прошлом часто высказывалось предположение, что использование в процессе разработки более мощных инструментальных средств будет способствовать упрощению программирования экспертных систем. Существует, однако, некоторый баланс между "мощностью" инструмента, принимающего решение за разработчика, и гибкостью, допускающей возможность выбрать решение, наиболее подходящее для конкретной системы. Чрезмерное упрощение оболочек зачастую оборачивалось слишком большими ограничениями для разработчиков прикладных систем, в то время как смешивание разных парадигм программирования предоставляло такую свободу, с которой не всякий программист мог разумно управиться. Как показала практика, наиболее эффективным путем оказалось предоставление разработчику тщательно продуманных готовых модулей, которые способны эффективно решать отдельные важные нетривиальные задачи [80, 81, 82, 83].
Для решения задач третьего этапа существует ряд программных продуктов представляющих собой сложные многофункциональные системы, которые могут быть доработаны с учетом свойств конкретных решаемых задач. Основная Типичные представители - КОМПАС, AutoCAD, и т.д. Доработка таких систем для повышения степени автоматизации и расширения круга решаемых задач в проектировании зачастую не оправдывает затраченных ресурсов из-за высокой стоимости доработки, обусловленной малой распространенностью методов автоматизации реализованных в данных САПР [84, 85, 86, 87].
Влияние химического состава материала детали и температуры штамповки на формоизменение при раздаче прошивкой
При проектировании конструкции деталей и узлов машин, руководствуются соблюдением условия надежности - способности выполнять определенные функции в течение заданного срока службы, сохраняя эксплуатационные свойства. Работоспособность и надежность характеризуются следующими критериями: прочность, жесткость, износостойкость, теплостойкость, и т.д. Все вышеперечисленные критерии определяются несколькими основными факторами - маркой материала, его структурой и геометрической формой детали.
Расчеты на прочность осуществляют по ряду критериев, основным из которых являются номинальные допускаемые напряжения, коэффициенты запаса прочности. Коэффициент запаса прочности - это параметр отражающий отношение усилий потребных для выхода из строя детали к номинальным усилиям, воздействующим на деталь в процессе эксплуатации. Необходимость в использовании коэффициента запаса прочности вызвана потребностью учитывать неравномерные и кратковременные усилия, воздействующие на деталь. В большинстве случаев величина запаса прочности в пределах от 1,5 до 2,5 от действующих номинальных усилий является достаточной, так как единичные кратковременные перегрузки при этом не приводят к разрушению детали. При проектировании деталей в машиностроении отдельные элементы могут иметь больший коэффициент запаса прочности, так как по соображениям технологичности и снижения себестоимости производства часто применяются детали с упрощенной геометрической конфигурацией.
Большинство отказов деталей вызвано износом деталей в объеме не более 2-3% от общего объема детали. Восстановление работоспособности подразумевает получение геометрии рабочей поверхности детали как у новой детали, что предполагает перемещение металла детали не более 10% от общего объема. Разница между изношенным и перемещаемым в процессе восстановления объемом связана с тем, что необходимо учитывать потери на окалину при нагреве, припуски на последующую механическую обработку и т.д.
Из всего вышеприведенного следует, что в большинстве случаев катастрофической потери запаса прочности при перемещении необходимого объема материала детали при восстановлении ПД не произойдет. Но даже в случае снижения коэффициента запаса прочности его можно компенсировать изменением свойств материала детали в процессе восстановления, за счет использования соответствующей термомеханической обработки. В связи с этим, принятие окончательного решения о возможности восстановления детали пластическим деформированием должно приниматься для каждого вида деталей после прохождения испытаний на работоспособность после восстановления. Сущность процессов восстановления деталей пластическим деформированием
Операции обработки металлов давлением широко используются при восстановлении изношенных деталей. Наиболее распространенными являются такие операции как осадка, обжатие, раздача.
Операция осадки используется для восстановления как боковых поверхностей сплошных и полых деталей, так и внутренних поверхностей полых деталей. В таблице 4.1 показаны возможные случаи применения осадки, где 1 — перераспределяемый объем металла; 2 — объем изношенной детали. Осадка полых деталей производится с ограничивающим элементом, который не дает деформироваться поверхности не требующей формоизменения. В случае восстановления внутренней поверхности применяется ограничивающая разъемная матрица, в которой происходит осадка (табл. 4.1).
Основным преимуществом применения осадки является простота и дешевизна изготовления применяемого инструмента. Но необходимо учитывать, что применение осадки возможно только в случае, если уменьшение высоты рабочей поверхности детали не ведет к потере работоспособности и снижению надежности восстановленной детали. Применимость осадки для восстановления определяется возможностью уменьшения высоты детали в процессе реновации, согласно рекомендациям [14] допустимо изменение высоты не более 10-15%. Изменение высоты при осадке можно рассчитать как (см. табл. 4.1): где V - объем перемещаемого металла, S - площадь поперечного сечения осаживаемой детали. Максимально допустимое уменьшение высоты детали определяется условием сохранения эксплуатационных свойств (условий работы, режима нагружения и т.д.).
Обжатие применяется не только для восстановления высоты сплошных осесимметричных деталей, но и для восстановления изношенной внутренней поверхности полых осесимметричных деталей, за счет уменьшения внешнего диаметра (табл. 4.2). Восстановление высоты сплошной осесимметричной детали происходит за счет редуцирования диаметра. Объем перемещаемого металла рассчитывается как:
Исследование общих закономерностей формоизменения при прошивке неосесимметричным инструментом
На рисунке 4.3 представлена схема выбора технологической операции для случая восстановления внутреннего диаметра полой осесимметричнои детали. После ввода параметров (Do - внутренний диаметр до восстановления, Di - внутренний диаметр после восстановления, Н - высота детали) производится расчет параметров операции осадки позволяющей достичь требуемого формоизменения. Если уменьшение высоты детали при осадке не выше допустимой величины осадки АН, то предлагается восстановление осадкой, иначе производится расчет параметров для восстановления внедрением деформирующих элементов в виде одностороннего клина (см. табл. 4.5) по формулам (25). Возможность восстановления внедрением деформирующих элементов определяется возможностью подбора параметров инструмента - р, Ьз, Т. При невозможности подбора параметров инструмента производится расчет параметров операции обжатия, которое и рекомендуется к применению, при условии если конструкция данной детали не содержит отверстий, пазов и др. конструктивных элементов, которые не должны исказить свою форму в процессе восстановления.
При восстановлении наружного диаметра полых осесимметричных деталей для выбора операции и расчета параметров инструмента используется алгоритм представленный на рис. 4.4. Отличие от случая восстановления внутреннего диаметра заключается в применении операции раздачи при невозможности восстановления внедрением деформирующих элементов в виде одностороннего клина.
Схема выбора способа восстановления сплошных осесимметричных деталей приведена на рисунке 4.5. После ввода параметров восстанавливаемой детали (DOB, DOCP, DOH - верхний, средний и нижний диаметры детали до восстановления; Dm, Dicr, Din - верхний, средний и нижний диаметры детали после восстановления; Н - высота детали до восстановления; АН - допустимая величина уменьшения высоты детали), происходит расчет параметров для процесса восстановления операцией осадки. Если применение осадки приводит к недопустимому уменьшению высоты детали АН, то рассматривается возможность применения прошивки.
Восстановление прошивкой возможно как односторонней, так и двусторонней прошивкой. Преимущества двусторонней прошивки перед односторонней в том, что в общем случае, при двустороннем внедрении можно получить более равномерное формоизменение боковой поверхности, а в некоторых случаях (при H 1,5D) применение односторонней прошивки не даст возможности получения требуемого формоизменения.
Подбор формы торца и расчет размеров пуансона для односторонней прошивки" производится по зависимостям (6), а в случае двусторонней прошивки по зависимостям (8) и (9) при условии выполнения условия (7). Как при восстановлении односторонней, так и при двусторонней прошивке после расчета параметров инструмента, обеспечивающего требуемое формоизменение, производится проверка по условию АН ДНОП. При удовлетворении данного условия предлагается применение прошивки без ограничения боковой поверхности, в противном случае полученные предлагается применение прошивки в матрице. Для этого рассчитанные на предыдущем этапе параметры инструмента корректируются по условию (1).
Подбор формы торца и расчета размеров инструмента прошивки для восстановления неосесимметричного инструмента можно рассмотреть на примере восстановления головки разжимного кулака, являющегося представителем класса деталей типа кулачков [103]. При этом износ происходит по поверхностям 1 (см. рис. 4.6), а по задней поверхности 2 износ отсутствует. Для обеспечения работоспособности детали после восстановления необходимо ограничить область внедрения деформирующего инструмента минимальной толщиной стенки S, зависящей от действующих на деталь в процессе эксплуатации нагрузок.
Восстановление данной детали невозможно обеспечить прошивкой осесимметричным инструментом. При конструирование формы внедряемых деформирующих элементов следует придерживаться рекомендаций, приведенных в главе 3.
Учитывая расположение изношенных поверхностей 1, для восстановления целесообразно использование двух деформирующих элементов, в виде пуансонов с лыской. Величину г характеризующую величину лыски необходимо выбрать равной нулю, так как не восстанавливаемые поверхности в процессе прошивки не должны деформироваться.
Процедура выбора рационального способа восстановления деталей пластическим деформированием
Наиболее подходящим из списка пуансонов (по результатам работы САПР), обеспечивающих требуемое формоизменение для восстановления детали «шаровой палец» является пуансон X = 4 «полусфера» (d = 12,4 мм; L = 22,4 мм), так как именно такая конструкция инструмента обеспечивает наиболее рациональное распределение металла по объему восстанавливаемой детали с учетом износа.
Усилие штамповки рассчитаем по формуле (28). Для этого определим площадь поперечного сечения инструмента: Площадь контакта инструмента: Соответственно удельное усилие деформирования: Согласно полученным значениям усилия штамповки, например, можно использовать гидравлический пресс ПГУ-200 усилием 2 МН. На деталь предварительно надевают полукольца 5 и 15, после чего их закрепляют кольцом 16 и устанавливают в матрицу 3, которая находится в углублении нижней плиты штампа 2. Восстанавливаемая часть детали 11 предварительно нагревается (в зоне восстановления) в установке безокислительного нагрева (соляная ванна) до температуры горячей деформации (от 0,8 до 0,9 Тпл) и устанавливается хвостовиком в матрицу. При движении ползуна пресса вниз пуансон 8, надавливает на деталь принимая усилие пресса через промежуточную плиту 9 и хвостовик 6, загоняет её в клинообразное отверстие матрицы, затем, внедряясь в деталь за счет ПД металла изменяет форму детали на требуемую. После осуществления процесса восстановления возвращение устройства в исходное положение обеспечивается наличием оттяжных пружин 12, размещенных в пуансонодержателе 7, который закреплен на верхней плите 1 посредством стяжных болтов 10. Ход пружин ограничивают упорные болты 13. Во время движения верхней плиты вверх пуансон извлекается из детали при помощи съемника 14, затем деталь выбивается из матрицы выталкивателем 4. После восстановления деталь удаляется клещами. Восстановление геометрических размеров обеспечивается целенаправленным перемещением материала детали из нерабочих зон в зону изношенной поверхности за счет геометрической формы инструмента. Направление течения металла зависит от формы внедряемого инструмента и условия трения на контакте пуансон - восстанавливаемая деталь - формообразующая матрица. Для обеспечения микроструктуры металла восстановленной детали как у новой необходимо произвести термообработку восстановленной детали в соответствии с технологическим процессом изготовления новой детали -это закалка ТВЧ до HRC 56...63. Рабочий чертеж детали разжимной кулак тормозной системы представлен на рисунке 5.7. Характерный для данной детали износ показан на рисунке 5.8. Химико-механические свойства материала детали сведены в таблицу 5.5. Эти данные представляют из себя координаты девяти точек на поверхности детали, которые зафиксированы по схеме, приведенной на рисунке 5.7. Порядок проектировании инструмента для процесса восстановления несимметричных деталей сложной формы отличается от проектирования инструмента в осесимметричных случаях (добавлен пункт 4): 1) Выбор способа нагрева; 2) Расчет припуска на мехобработку; 3) Подбор формы и размеров внедряемого пуансона; 4) Проектирование штампа;
