Введение к работе
Актуальность проблемы. Согласно статистическим данным «Авто-стата», парк грузовой техники России на данный момент времени на 80% состоит из автомобилей, срок службы которых превышает 10 лет. Несколько лучшая картина наблюдается с парком легковых автомобилей (9,11 млн. десятилетних автомобилей). Сложившаяся ситуация приводит к увеличению расхода запасных частей не только за счет роста автомобильного парка, но и в расчете на один автомобиль.
Мировая практика выработала достаточно эффективный способ обеспечения стареющего автомобильного парка запасными частями - резервирование гибких переналаживаемых мощностей (до 60% резервных мощностей крупные автомобильные фирмы используют для производства запасных частей на основе оперативных заявок) или развитая сеть предприятий по восстановлению деталей. Дополнительный толчок к развитию предприятий по восстановлению изношенных деталей даст программа по утилизации старых автомобилей, принятая во многих развитых странах. Целью данной программы является вторичное использование 85% материалов от сухой массы автомобиля. Для новых моделей этот показатель должен быть достигнут к 2014 году. На восстановление деталей расходуется меньше металла, электроэнергии и труда, чем на изготовление новых. Экономическая целесообразность восстановления деталей определяется тем, что большая часть их выходит из строя вследствие естественного износа рабочих поверхностей, сопровождаемого незначительной потерей металла по весу (не более 0,2 - 0,3%). Себестоимость большинства восстановленных деталей не превышает 10-30% себестоимости новых.
В ремонтном производстве на данный момент широко используются такие способы восстановления, как сварка, наплавка, металлизация и т.д. Однако данные способы, обладающие широкой универсальностью, имеют один существенный недостаток. Деталь, восстановленная данными способами, получает первоначальную форму и размеры, но при этом присоединенный слой металла имеет совершенно иную структуру и соответственно другие эксплуатационные свойства.
Одним из перспективных способов реновации деталей, изготовленных из металлических материалов, является обработка металлов давлением. Технологические процессы обработки давлением, по сравнению с вышеперечисленными методами восстановления, имеют ряд преимуществ: формоизменение происходит в штампах достаточно простой конструкции на существующем кузнечно-прессовом оборудовании с применением стандартных средств автоматизации и механизации. При этом, в процессе реновации горячей пластической деформацией (ПД), помимо достижения утилитарных целей, таких как восстановление формы и размеров изношенной поверхности, возможно
получение требуемой микроструктуры металла восстанавливаемой детали, позволяющей увеличить ее ресурс практически вдвое за счет термомеханической обработки.
Однако ПД на данный момент времени в основном восстанавливаются детали только простой конфигурации. Это связано с трудностями создания целенаправленного переноса объема металла в изношенные области восстанавливаемых деталей посредством управления потоками пластически деформируемого металла.
Исходя из этого, целью данной работы является разработка научно обоснованных способов восстановления деталей направленной ПД за счет переноса определенного объема металла в изношенную область.
Для реализации этой цели решались следующие задачи:
-
Разработка методов управления контактными условиями для создания потоков направленного течения металла при ПД;
-
Исследование влияния формы инструмента на направленное течение металла при ПД;
-
Разработка САПР выбора способа восстановления и расчета формы и размеров рабочих элементов штампа для процессов восстановления деталей ПД;
-
Разработка математической модели расчета энергосиловых параметров процесса восстановления деталей;
-
Исследование влияния технологического режима процесса реновации на формирование требуемых служебных свойств восстанавливаемых деталей.
Объектом исследования являются процессы восстановления изношенных элементов деталей направленными потоками пластически деформируемого металла.
Предмет исследования. Управление потоками металла в процессах пластического деформирования посредством вариации контактных условий, формы, размеров деформирующего инструмента и исследование влияния режимов восстановления на структурообразование и эксплуатационные свойства стали при ПД.
Методы исследования.
Исследование осуществляли по следующим направлениям: а) исследовали формоизменение образцов при осадке в условиях анизотропии трения на контактных поверхностях с заданной шероховатостью; б) определяли коэффициент трения методом осадки кольцевых образцов на бойках, контактная поверхность которых обработана различными режущими инструментами; в) исследовали потоки металла при внедрении в кольцевые образцы штампов с деформирующими элементами (ДЭ) различного поперечного сечения; г) исследовали влияние геометрических параметров инструмента на
формоизменение образцов при прошивке; д) исследовали влияние термомеханического режима технологического процесса реновации на формирование служебных свойств восстанавливаемых деталей.
Численное моделирование течения металла в процессе восстановления осуществляли методом конечных элементов с помощью программ «Рапид» и QForm 2D/3D. Компьютерное моделирование использовали для исследования влияния геометрической формы инструмента на течение металла в штампе.
Проведение факторного эксперимента осуществляли с целью получения уравнений регрессии, связывающих размеры очага ПД с геометрическими параметрами ДЭ штампа.
Теоретическое исследование энергосиловых параметров процесса восстановления производили энергетическим и инженерным методами.
Проверку адекватности полученных уравнений регрессии и формул, описывающих энергосиловые параметры процесса восстановления, производили сравнением расчетных и экспериментальных данных.
Научная новизна работы:
Научно обоснованы и исследованы методы создания направленных потоков пластического течения для перемещения металла в зоны износа деталей при их восстановлении путем вариации размеров, формы инструмента и контактных условий:
разработана математическая модель, связывающая течение металла при прошивке с размерами цилиндрического инструмента и образца, формой торца инструмента и глубиной его внедрения. Анализ модели позволил получить графическую зависимость, отображающую область применимости прошивки для восстановления боковой поверхности детали при использовании цилиндрических пуансонов с любой формой торца;
определена рациональная форма поперечного сечения внедряемого штампа для восстановления изношенных деталей кольцеобразной формы, представляющая собой варианты одностороннего клина; получены уравнения регрессии, связывающие размеры очага ПД с геометрическими параметрами инструмента. Показано, что наиболее значимыми факторами, влияющими на размеры очага ПД, являются толщина деформирующего элемента штампа, глубина внедрения и расстояние до восстанавливаемой поверхности;
установлено, что создание направленных потоков металла в область изношенной поверхности при восстановлении деталей возможно за счет управления контактными условиями на гравюре инструмента, влияющими на величину сил трения. Для создания зон затрудненного течения необходимо, чтобы направление следов обработки на гравюре инструмента было перпендикулярно потокам металла при ПД, а величина среднего арифметического отклонения профиля шероховатости гравюры 2< Ra <6. Деформирование должно происходить без применения технологической смазки. Появление
зон скольжения наблюдается при нанесении на гравюре штампа шероховатости Ra=l,25, при этом следы обработки должны быть направлены параллельно течению металла при ПД. Процесс должен идти с применением технологической смазки;
разработана методика формирования служебных свойств восстанав
ливаемых деталей с использованием термомеханической обработки, позво
ляющая в зависимости от температурно-скоростных условий деформирова
ния, времени последеформационной паузы, скорости охлаждения формиро
вать требуемые эксплуатационные свойства стальных деталей за счет реали
зации процесса контролируемого структурообразования по механизму дина
мической полигонизации и рекристаллизации, позволяющего влиять на
прочность восстанавливаемых деталей в пределах 15%.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
создана САПР выбора способа восстановления и расчета формы и размеров рабочих элементов штампа;
разработана методика формирования служебных свойств восстанавливаемых деталей в процессе термомеханической обработки;
разработаны технологические процессы реновации геометрической формы деталей различной конфигурации с получением гарантированных эксплуатационных свойств деталей, восстановленных ПД;
разработаны конструкции штампов для восстановления деталей кольцеобразной формы, изношенных по внутренней или наружной образующей поверхности, а также сплошных осесимметричных деталей и деталей сложной формы (патенты 2163175, 2238832 и 2371292, 2376121).
Реализация результатов. Проведенные исследования нашли практическое применение при разработке технологических процессов реновации деталей автомобиля КАМАЗ, которые планируется внедрить на ремонтных предприятиях ОАО «КАМАЗ». Отдельные разделы диссертации используются в учебном процессе ИНЭКА при чтении курсов «Теория обработки металлов давлением» и «Реновация деталей пластическим деформированием».
На защиту выносятся:
научно обоснованные принципы управления течением пластически деформированного металла за счет размеров, формы инструмента и вариации контактных условий;
уравнения, позволяющие рассчитывать геометрические параметры деформирующих элементов штампа для создания потоков металла в область износа деталей при их восстановлении;
алгоритмы выбора наиболее рациональной операции ОМД и расчета
размеров инструмента для получения заданного формоизменения в процессах
восстановления геометрических параметров изношенных деталей;
методика выбора параметров высокотемпературной термомеханической обработки в процессах реновации ПД, позволяющая достигать высокопрочного состояния восстановленных элементов деталей.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на международных, всероссийских, межвузовских конференциях г.Казань (1999г.), г.Волгоград (1999г.), г.Оренбург (1999г.), г.Набережные Челны (1999, 2000, 2002, 2003гг), г.Уфа (2006г.), г.Донецк (2007, 2008, 2009гг), г.Пенза (2007, 2008гг), г.Ульяновск (2007г.).
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на расширенных заседаниях кафедр «Машины и технология обработки металлов давлением» ИНЭКА (г. Набережные Челны) и ИжГТУ (Ижевск).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 48 работ, в том числе монография, 35 научных статей, из которых 11 в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, и 4 патента.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и 5 приложений, занимает 291 страницу и включает 143 рисунка, 30 таблиц; список литературы содержит 221 источник.
