Введение к работе
Актуальность темы. Повышение конкурентноспособности - важнейшая задача российского машиностроения, которая во многом зависит от технологических и эксплуатационных характеристик режущих и мерительных инструментов. В связи с этим возникает необходимость разработки инновационных технологий, обеспечивающих высокую стойкость указанных изделий.
С точки зрения экономики машиностроения инструментальное производство является объектом первостепенной важности. Издержки предприятий на инструмент составляют значительную долю (до 10%) себестоимости изделия. Поэтому повышение стойкости режущих и мерительных инструментов является актуальной задачей машиностроительного производства, что и обусловило выбор темы диссертационного исследования.
В машиностроении широко используются различные технологии упрочнения инструментальных сталей, требующие постоянного развития и совершенствования. К числу перспективных и эффективных технологий относится предварительная механотермическая обработка (ПМТО) заготовок инструментов, при которой пластическая деформация производится до окончательной термической обработки. Однако в настоящее время данная технология реально не используется при изготовлении длинномерных цилиндрических инструментов и режущих элементов плоской формы из-за трудностей реализации пластической обработки их заготовок, а также отсутствия соответствующей теории данного процесса, позволяющей оптимизировать технологию ПМТО с точки зрения достижения наибольшей стойкости указанных типов инструментов. В связи с этим возникает необходимость определения напряженно-деформированного состояния (НДС) в вышеуказанных заготовках при наиболее оптимальных для них видах пластической обработки – осадка и осадка со сдвигом. При этом надо решить важную, пока еще не решенную задачу оценки поддерживающей препятствующей искривлению заготовок при их осадке нагрузки. Необходимым для промышленности является также разработка соответствующей технологической оснастки для реализации указанных процессов пластического деформирования.
Актуальным для металлообрабатывающей промышленности является изготовление инструментов с высокой стойкостью из стали Р6М5, что предполагает установление оптимальных значений пластической деформации и режимов термической обработки в общем технологическом процессе ПМТО для этой стали.
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» на кафедре «Теоретическая и прикладная механика» в 2005 - 2010 гг. в соответствии с планом госбюджетной НИР № 149-1800-1 «Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении и ракетно-космической технике».
Целью работы является разработка технологического процесса изготовления режущего и мерительного инструмента из цилиндрических и плоских заготовок на основе технологий ПМТО.
Для достижения поставленной цели ставятся следующие задачи:
-
Исследовать напряженно-деформированное состояние (НДС) при осадке плоских заготовок со сдвигом.
-
Исследовать пластическую устойчивость цилиндрических и плоских листовых заготовок при их осадке.
-
Разработать конструкции штамповой оснастки для реализации пластической осадки цилиндрических заготовок и плоских заготовок со сдвигом и методику расчета их основных конструктивных параметров.
-
Установить влияние пластического деформирования в технологии ПМТО на стойкость инструментальной стали Р6М5.
Методы исследования. Аналитические исследования выполнены на основе аппарата теории пластичности, энергетического критерия устойчивости. Эксперименты проводились на прессе ГСМ-50 с использованием современной измерительной аппаратуры. Конструкция штамповой оснастки разрабатывалась с применением методов теории машин и механизмов. Обработка опытных данных проводилась с применением методов математической статистики с использованием ЭВМ.
Научная новизна результатов исследования. В диссертационной работе получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:
-
Определено напряженно-деформированное состояние при пластической осадке со сдвигом плоских заготовок, отличающееся тем, что учитывается упрочняемость материала при определении напряжений и деформирующих сил.
-
Установлен эффект влияния деформации сдвига на снижение сил осадки в заготовках, отличающийся тем, что этот эффект проявляется и в плоских заготовках при их деформировании.
-
Определены поддерживающие препятствующие искривлению цилиндрических и плоских заготовок нагрузки, отличающиеся тем, что эти нагрузки рассматриваются сосредоточенными и приложенными посередине высоты заготовки.
-
Разработана инновационная технология ПМТО применительно к стали Р6М5, отличающаяся тем, что пластическое деформирование заготовок производится в неизотермическом режиме.
Практическая значимость работы:
-
Полученные результаты исследований позволяют выбирать рациональные режимы пластического деформирования заготовки и прогнозировать повышение эксплуатационных свойств инструмента.
-
Разработанные конструкции штамповой оснастки дают возможность реализовать инновационные технологии ПМТО в производственных условиях.
-
Предложенная конструкция штампа для осадки со сдвигом плоских заготовок (патент № 2306997) и созданная при этом методика расчета его основных конструктивных параметров позволит проектировать штамповую оснастку в инструментальной промышленности.
-
Новая конструкция штампа для осадки плоских листовых заготовок (пластин) позволит проектировать соответствующую технологическую оснастку в производственных условиях.
Реализация результатов работы:
Инновационная технология ПМТО изготовления деталей из прямоугольных плоских образцов из стали Р6М5 внедрена на ОАО ВАСО. Годовой экономический эффект внедрения разработанной технологии составил более 50000 (пятидесяти тысяч) рублей.
Инновационная технология ПМТО принята к внедрению в ОАО «Тяжмехпресс» с целью повышения стойкости крупномодульных пальцевых фрез из стали Р6М5 для обработки крупногабаритных зубчатых колес с ожидаемым годовым экономическим эффектом около 100000 (ста тысяч) рублей.
Отдельные материалы исследований по технологии пластической осадки со сдвигом используются в учебном процессе в ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» при изучении курса «Теория и обработка металлов давлением» по специальности 05.02.09 «Технология и машины обработки давлением».
Личный вклад соискателя в работу:
Определено напряженно-деформированное состояние (НДС) при пластической осадке длинномерных цилиндрических и осадке со сдвигом плоских прямоугольных заготовок.
Определены препятствующие потере устойчивости поперечные поддерживающие нагрузки при осадке длинномерных цилиндрических и плоских листовых заготовок.
Создан новый способ повышения стойкости инструментальной стали Р6М5 с применением технологии ПМТО, основанной на неизотермическом режиме пластического деформирования заготовок.
Разработаны конструкции новой технологической оснастки (штампов) для осуществления процесса осадки длинномерной цилиндрической заготовки до больших степеней деформации за одну установку и осадки со сдвигом плоской прямоугольной заготовки.
Создана конструкция штампа для осадки плоских листовых заготовок (пластин).
Определена степень влияния пластического деформирования цилиндрических длинномерных и плоских прямоугольных заготовок на стойкость инструментов в условиях ПМТО.
Достоверность результатов исследований обеспечена корректностью постановки задач исследований, использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, согласованием теоретических и экспериментальных данных, которые были получены не только автором, но и другими исследователями.
Апробация работы. Основные положения и результаты научных исследований докладывались на международных, российских конференциях и семинарах: II Международной научно-технической конференции «Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование обработки материалов давлением» (Тула, 2004); Международной научно-технической конференции, посвященной 70-летию кафедры «Высокоэнергетические устройства автоматических систем» БГТУ «Военмех» им. Ф.Д.Устинова (Санкт-Петербург, 2005); Международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию основания кафедры «Пластическая обработка металлов» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (Санкт-Петербург, 2007); Международной научно-технической конференции «Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении» (Краматорск, 2008); Международной научно-технической конференции «Новые наукоемкие технологии, оборудование и оснастка для обработки материалов давлением» (Краматорск, 2010); ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (2004-2010); научных семинарах кафедры «Теоретическая и прикладная механика» ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (2000-2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ (включая 1 патент на изобретение), в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в автореферате, личный вклад соискателя составляет: [1] -проведен анализ влияния термомеханической обработки на стойкость инструмента на примере стали Р6М5, [2] - представлены результаты оценки напряженно-деформированного состояния в плоских заготовках, [3] - применительно к прямоугольным образцам из инструментальной стали использована новая технология ПМТО, [4] – исследовано влияние механотермической обработки на стойкость инструмента, [5] - проводится анализ результатов применения пластической обработки нагретых заготовок из инструментальной стали Р6М5 на снижение балла карбидной неоднородности, [6,7] - проведен анализ влияния деформирующей нагрузки в штампе при осадке плоской заготовки со сдвигом, [8] - дается анализ процесса осадки со сдвигом плоской заготовки на примере стали 9ХС, [9] –предлагается устройство для пластической обработки плоской заготовки осадкой со сдвигом, [10]- определяется деформирующая нагрузка в штампе для осадки со сдвигом плоской заготовки, [11] - рассчитаны деформационные нагрузки при осадке со сдвигом плоской заготовки, [12] - предложен штамп для осадки со сдвигом плоской заготовки (патент РФ № 2306997), [13] - предложена конструкция штампа для осадки длинномерной цилиндрической заготовки, показан принцип действия последнего.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, библиографического списка из 67 наименований и приложений. Основная часть работы изложена на 115 страницах, содержит 47 рисунков, 10 таблиц.
