Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Аналитический обзор научно-технической литературы по производству осесимметричных деталей с внутренними многозаходными спиральными рифлениями 12
1.1 Конструктивно-технологический анализ детали типа «Корпус» 12
1.2 Существующие способы получения детали типа «Корпус» горячей штамповкой и литьем 15
1.3 Процесс редуцирования 19
1.4 Методы расчета напряженно-деформированного состояния процесса редуцирования трубной заготовки с оправкой 21
1.5 Современные программные комплексы для моделирования технологических процессов ОМД 23
1.6 Способы повышения износостойкости оснастки 26
1.6.1 Установка для нанесения покрытий марки Micropulse 31
1.6.2 Установки для нанесения покрытий марки INNOVA и INGENIA
1.7 Цель и задачи диссертационного исследования 41
1.8 Выводы 42
ГЛАВА 2 Теоретическое исследование процесса редуцирования 44
2.1 Способ формирования многозаходных спиральных рифлений встречного направления на внутренней поверхности трубных заготовок 44
2.2 Напряженно-деформированное состояние при редуцировании трубной заготовки с внутренней оправкой 48
2.2.1 Первый этап. Локальное внедрение выступа оправки в заготовку 51
2.2.2 Второй этап. Зона утонения и калибровки заготовки 52
2.3 Выводы 62
ГЛАВА 3 Экспериментальное исследование процесса редуцирования трубной заготовки с внутренней оправкой 64
3.1 Моделирование процесса редуцирования в программном комплексе QForm 7 64
3.2 Масштабный эксперимент 74
3.3 Особенности внутренней оправки 80
3.4 Выводы 81
ГЛАВА 4 Методика проектирования ресурсосберегающего технологического процесса изготовления деталей типа «корпус» и способ повышения износостойкости оснастки 84
4.1 Методика проектирования ресурсосберегающего процесса изготовления деталей типа «Корпус» с внутренними спиральными рифлениями 84
4.1.1 Определение параметров исходной заготовки 85
4.1.2 Определение технологического усилия, гарантирующего получение многозаходных спиральных рифлений встречного направления на внутренней поверхности трубной заготовки 87
4.1.3 Выбор оборудования и проектирование оснастки 89
4.1.4 Повышение износостойкости оправки 89
4.2 Испытание образцов на относительную износостойкость на машине трения SRV-III 90
4.3 Выводы 108
Заключение и основные выводы по результатам работы 110
Список литературы 113
Приложение а 123
- Современные программные комплексы для моделирования технологических процессов ОМД
- Напряженно-деформированное состояние при редуцировании трубной заготовки с внутренней оправкой
- Масштабный эксперимент
- Определение параметров исходной заготовки
Введение к работе
Актуальность работы. В изделиях оборонной техники имеется широкая номенклатура глубоких, полых, тонкостенных осесимметричных деталей различного профиля. В зависимости от типа, назначения изделия и условий боевого применения габаритные размеры, отношение высоты к диаметру, толщина стенки детали изменяются в широких пределах. В данной работе в качестве объекта исследования был выбран корпус неуправляемой авиационной ракеты С-13 (НАР С-13), который представляет собой осесимметричную деталь с внутренними спиральными рифлениями. Такие корпуса относятся к особо ответственным деталям, подвергающимся большим нагрузкам, отвечающим технико-технологическим характеристикам, установленным заказчиком. Основным требованием является лимит минимального количества осколков, их должно быть не менее 432 штук. Осколки должны иметь такую скорость и массу (32 грамма), при которых могли бы пробить броню бронетранспортера толщиной 12-14 мм. В связи с этим, к деталям типа «Корпус предъявляются жесткие технические требования по геометрии осколочных элементов и качеству поверхности.
В качестве предмета исследования, как наиболее целесообразный технологический процесс изготовления таких деталей, отвечающий требованиям ресурсосбережения, выбран процесс редуцирования, основанный на проталкивании трубной заготовки с внутренней оправкой через матрицу.
Ранее осколочно-фугасные корпуса НАР С-13 производились по литейной технологии и штамповкой из стального проката на гидравлических прессах, недостатками которых являлись высокие трудоемкость и коэффициент брака. Эти недостатки привели к неконкурентоспособной цене всего изделия. Кроме того, существовавшая технология и оборудование для производства аналогичных изделий меньшего диаметра не применима для производства корпусов НАР С-13. Попытки ряда предприятий освоить технологию производства данных изделий были неудачными.
Учитывая уникальные характеристики НАР С-13 и их высокий экспортный потенциал, была поставлена задача в кратчайшие сроки освоить выпуск корпусов. В связи с этим становится актуальной задача совершенствования процесса редуцирования для разработки способа изготовления осесимметричных деталей типа «Корпус» с внутренними спиральными рифлениями.
Степень разработанности темы исследования. Основными источниками, описания напряженно-деформированного состояния и методики расчета технологического процесса редуцирования трубной заготовки являлись труды таких ученых, как Р. Хилл, У. Джонсон, П. Меллор, Э. Томсен, Ч. Янг, Ш. Кобаяши, М.В. Сторожев, Е.А. Попов, Е.М. Макушок, А.Д. Томленов, Е.П. Унксов, А.Г. Овчинников, Г.Я. Гун, В. Джонсон, Х. Кудо, Л.А. Шофман, И.Б. Покрас и др.
Сведения о разработках способов изготовления осесимметричных деталей типа «Корпус» с внутренними спиральными рифлениями нашли свое отражение в патентных источниках и отражают лишь общие принципы построения, не затрагивая методы их научного обоснования. При этом следует отметить труды Н.А. Серегина, Н.А. Макаровца, Г.А. Денежкина, Б.А. Белобрагина, Б.А. Дмитриева, М.Е. Долганова, А.А. Капчиц, М.И. Астахова, В.Е. Ерохина, С.Е. Минаева и др.
Однако имеющиеся наработки в области производства осколочно-фугасных корпусов, имеют ряд недостатков в случае их применения при производстве корпусов НАР С-13. Основные недостатки связанны с избыточной металлоемкостью, сложностью конструкции, ограничении технических возможностей, заключающихся в обработке только коротких деталей, нехватке рабочего хода действующего оборудования (например, гидравлического пресса), высокой трудоемкости изготовления в серийном производстве протяженной оправки с многозаходными спиральными выступами и необходимости повышения ее износостойкости. Учитывая изложенное, представляет научный и практический интерес совершенствование процесса редуцирования для изготовления осесимметричных деталей типа «Корпус» с внутренними спиральными рифлениями. Реализация данной работы позволяет получить конкурентоспособную продукцию, отвечающую технико-технологическим характеристикам, определяемым заказчиком, а также значительно расширить возможности применения процесса редуцирования для производства подобных изделий.
На основании изложенного тема диссертационной работы, посвященная совершенствованию процесса редуцирования для изготовления осесимметричных деталей типа «Корпус» с внутренними спиральными рифлениями, представляется актуальной, имеющей большое значение для науки и практики.
Целью диссертационного исследования является совершенствование процесса редуцирования для создания ресурсосберегающей технологии изготовления осесимметричных деталей типа «Корпус» с внутренними спиральными рифлениями, позволяющего получить изделия, имеющие высококачественный осколочный спектр.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
разработать математическую модель, описывающую напряженно-деформированное состояние при технологическом процессе редуцирования трубной заготовки с внутренней оправкой и позволяющую производить расчет технологического усилия процесса редуцирования трубной заготовки, гарантирующего заполнение профиля оправки;
разработать методику проектирования ресурсосберегающего технологического процесса изготовления деталей типа «Корпус» с многозаходными спиральными рифлениями;
провести аналитическое исследование нового технологического процесса редуцирования деталей типа «Корпус»;
провести компьютерное моделирование процесса редуцирования с использованием современного программного комплекса QForm 7;
провести экспериментальную проверку результатов теоретического анализа в процессе апробации техпроцесса;
провести трибологические испытания PVD-покрытия, как способа повышения износостойкости оправки.
Научной новизной обладают следующие результаты диссертационной работы:
-
Разработана математическая модель, описывающая напряженно-деформированное состояние при технологическом процессе редуцирования трубной заготовки с внутренней оправкой и позволяющая производить расчет технологического усилия редуцирования трубной заготовки, гарантирующего заполнение профиля оправки.
-
Разработана методика проектирования ресурсосберегающего технологического процесса изготовления деталей типа «Корпус» с многозаходными спиральными рифлениями, новизна которого подтверждена патентом на полезную модель (Устройство изготовления деталей с внутренними спиральными рифлями: свидетельство № 113189 Рос. Федерация. №2011115772; заявл. 20.04.2011; опубл. 10.02.2012, Бюл. № 11. 4 с.)
Теоретическая значимость работы заключается в возможности применения математической модели, описывающей напряженно-деформированное состояние при технологическом процессе редуцирования трубной заготовки с внутренней оправкой и позволяющей производить расчет технологического усилия редуцирования трубной заготовки, гарантирующего заполнение профиля оправки, при разработке ресурсосберегающих технологических процессов изготовления деталей типа «Корпус» с многозаходными спиральными рифлениями.
Практическая значимость работы заключается в разработке ресурсосберегающего технологического процесса изготовления деталей типа «Корпус» с многозаходными спиральными рифлениями, новизна которого подтверждена патентом на полезную модель (Устройство изготовления деталей с внутренними спиральными рифлями: свидетельство № 113189 Рос. Федерация. №2011115772; заявл. 20.04.2011; опубл. 10.02.2012, Бюл. № 11. 4 с.). Такой процесс позволяет получить детали, которые имеют высококачественный осколочный спектр («осколочную рубашку»), что полностью отвечает требованиям, предъявляемым к данному виду изделий.
На базе тесного научно-технического сотрудничества заключен ряд договоров ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» с ОАО «Ижевский механический завод» («Концерн Калашников») на поставку изделий «Корпус». Производство
нового вида изделия подтвердило статус Удмуртской Республики, как одного из ведущих научно-технологических центров в Российской Федерации.
В работе применялись различные методы исследований. Теоретические исследования включали энергетический метод для оценки силовых режимов штамповки и корреляционный анализ для оценки точности параметров изделий. Также в работе применялись методы конечных элементов в программном комплексе QForm 7, измерения давлений металла на оснастку и измерения геометрических размеров.
На защиту выносятся:
-
Аналитическое исследование по определению условий, необходимых для заполнения профиля внутренней оправки с выступами.
-
Математическая модель, описывающая напряженно-деформированное состояние при технологическом процессе редуцирования трубной заготовки с внутренней оправкой и позволяющая производить расчет технологического усилия процесса редуцирования, гарантирующего заполнение профиля оправки.
-
Результаты компьютерного моделирования технологического процесса редуцирования трубной заготовки в программной среде Qform 7.
-
Результаты экспериментальных исследований и их сравнительный анализ с результатами, полученными в ходе компьютерного и математического моделирования.
-
Результаты трибологических испытаний PVD-покрытия, как способа повышения износостойкости оправки.
Достоверность результатов работы подтверждается выбранными классическими положениями теории пластичности и статистического анализа, а также экспериментом и возможностью практического использования результатов работы.
Апробация результатов работы проводилась на научных заседаниях кафедры «Машины и технология обработки металлов давлением и сварочное производство» ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» (2012-2015гг.); международной конференции кафедры «Английский язык» ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» (27.04.2011-03.05.2011г.); второй всероссийской научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых с международным участием «Молодые ученые – ускорению НТП в 21 веке» (02.2013г.); международной конференции кафедры «Английский язык» ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» (27.04.2013-03.05.2013г.); заседании кафедры «Обработки металлов давлением» ФГАОУ ВО «СГАУ имени академика С.П. Королева (Национальный исследовательский университет» (02.2015г.); IV Международной научно-технической конференции «Металлофизика. Механика материалов и процессов деформирования.» («Металлдеформ-2015») ФГАОУ ВО «СГАУ имени академика
С.П. Королева (Национальный исследовательский университет» (14.09.201517.09.2015г.)
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 8 научных работах, в том числе 5 статей опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и получено свидетельство на полезную модель РФ, а также получен грант имени В.П. Остроумова 2013 года для аспирантов и молодых ученых «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова».
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения; 4 глав; заключения; списка литературы из 95 наименований отечественных и зарубежных авторов; и 4 приложений. Объем работы 122 страницы машинописного текста, включая 54 рисунка и 8 таблиц.
Современные программные комплексы для моделирования технологических процессов ОМД
Компания Oerlokon Balzers беспрестанно занимается оптимизацией PVD покрытий инструментов. Установка для нанесения покрытий модели INNOVA имеет несколько технологий.
С помощью установки для нанесения покрытий модели INNOVA создаются PVD покрытия на основе оксида алюминия с высокой твердостью, а также термической и химической стабильностью: P3eTM. Опорный слой и слой на основе оксида алюминия наносят за один проход при температуре ниже 600С. Название P3eTM расшифровывается как «Pulse Enhanced Electron Emission» (Улучшенный импульс электронной эмиссии). Этот революционный процесс позволяет реализовать практически любую комбинацию обычных твердых покрытий с покрытиями на основе оксида алюминия. Свойствами покрытия можно варьировать в беспрецедентно широком диапазоне. В результате, совершенно новая область вариантов дизайна высокопроизводительных инструментов становится доступной. P3eTM технология доступна в качестве опции к установке для нанесения покрытий модели INNOVA, операционная система установки может быть также модифицирована на месте.
Технология травления IET установки INNOVA подразумевает увеличение скорости травления, благодаря чему оптимизируется адгезия и улучшаются характеристики покрытия. Применение данной технологии позволяет удалять даже мельчайшие загрязняющие частицы с поверхности обрабатываемого изделия непосредственно перед садкой. Процесс травления позволяет оптимизировать широкий диапазон параметров для того, чтобы получить желаемый инструмент с конкретными характеристиками поверхности. Технология травления IET обеспечивает отличную однородность травления. Установка данного модуля позволяет достичь стабильного и оптимального сцепления покрытия с обрабатываемой поверхностью изделия. Это имеет заметное влияния на производительность оснастки и ее долговечность, обеспечивает повышение сроков службы и ремонтопригодность.
Покрытия AlCrN, полученные как результат продолжительных наработок привлекли внимание отрасли машиностроения. В центр внимания также попали новые еще более мощные покрытия, такие как: BALINIT ALCRONA PRO и BALINIT ALNOVA, которые выделяются повышенной устойчивостью к износу, а также большей устойчивостью к окислению и жаропрочностью. Установка для нанесения покрытий модели INNOVA ускоряет развитие и внедрение этих покрытий.
Система намагничивания NADJA - стандартная система в установке для нанесения покрытий модели INNOVA, которая вдвое повышает стойкость обрабатываемой поверхности изделия по сравнению с предыдущими системами. Материал покрытия наносится более равномерно, чтобы достичь улучшенной однородности структуры покрытия.
Система непостоянных магнитов компании Oerlikon Balzers: VMS (Oerlikon Balzers Verstile Magnet System) - использует преимущества NADJA и повышает производительность. Новая технология позволяет постоянно компенсировать отклонения в результате износа покрытий. Технология намагничивания VMS является обязательной и может заменить все имеющиеся магнитные системы, в результате чего увеличивается надежность продукции. Новые соединения AlCrN (нитрид хром алюминия) - это покрытия, которые основываются на необходимости строгого контроля процесса и оптимизации свойств покрытия, что и позволяет достичь установка для нанесения покрытий модели INNOVA.
Установки для нанесения покрытия модели INNOVA были успешно реализованы с момента их запуска в 2007 году. Установки гарантируют качество не только наносимых высокопроизводительных нитридных покрытий, но также высококачественное покрытие на основе оксида алюминия. Установки для нанесения покрытия модели INNOVA делают процесс нанесения покрытия более гибким и экономичным благодаря модульной конструкции и легкости эксплуатации образом, можно выделить следующие качественные характеристики модулей установки для нанесения покрытий модели INNOVA: - РЗе технология позволяет нанести сложные, термически и химически устойчивые покрытия на основе оксида алюминия; - технология травления IET установки INNOVA, импульсный режим и более сильное воздействие процесса позволяют достичь прорыва в развитии нитридного покрытия с широким диапазоном структур покрытия; - стандартные покрытия могут быть модифицированы или внедрены собственные запатентованные покрытия, разработанные вновь для определенной партии изделий на основе базовой системы управления, что не требует дополнительных, которые адаптированы для обеспечения высокой производительности.
Напряженно-деформированное состояние при редуцировании трубной заготовки с внутренней оправкой
На поле линий скольжения цифрами 1,2,…, 5 обозначены линии, соответствующие скорости вдоль которых обозначены . Теперь найдем верхнюю оценку удельного давления на спиральный выступ оправки и соответственно контактное усилие, возникающее при внедрении выступов оправки в полость заготовки [11]. = . (2.11)
Как мы видим из представленных результатов, метод верхней оценки дает нам результат выше того, что мы получили при расчетах методом линий скольжения. Это связано с тем, что при расчетах методом линий скольжения не учитывалось трение между заготовкой и инструментом. Разница результатов вычислений составила порядка 20% [94]. Поэтому в дальнейших расчетах определяем Рк по формуле 2.11.
Удельное давление при редуцировании трубной заготовки определяем по формуле Л.А. Шофмана [18]: где D3 - наружный диаметр заготовки, - диаметр вершин выступов оправки, - диаметр калибровочной матрицы, rs - предел текучести (для материала сталь 20 ГОСТ 1050-2013 принимаем GS = МПа), - толщина стенки заготовки после редуцирования. Имея значения удельного давления и контактного усилия, полученные методом верхней оценки, по формуле 2.1 определяем технологическое усилие процесса редуцирования. На рисунке 2.9 показана зависимость технологического усилия , необходимого для выполнения операции редуцирования, от глубины внедряемых выступов оправки .
График зависимости величины технологического усилия, необходимого для выполнения 1 -го перехода редуцирования, от толщины стенки исходной заготовки (сталь 20 ГОСТ 1050-2013 (crs = ) Получение качественного, конкурентоспособного изделия, а также создание технологического процесса, отвечающего принципам ресурсосбережения, являются основными задачами, как для технолога, так и для конструктора. Определяем зависимость технологического усилия редуцирования Рт от толщины стенки исходной заготовки , тангенциальной степени деформации ( = І— ), где D3 - наружный диаметр заготовки до редуцирования, толщина стенки заготовки до редуцирования, D3 - диаметр заготовки после редуцирования, - толщина стенки заготовки после редуцирования) и относительной толщины стенки исходной заготовки /D3 (рисунок 2.10 - 2.12). Как будет определено далее (см. результаты экспериментальных исследований, глава 3), при выполнении каждой из операций редуцирования, толщина стенки заготовки уменьшается на 0,2 мм. Толщина стенки готового изделия имеет значение мм, тогда толщина стенки исходной заготовки менее 12 мм не гарантирует соответствия полученного изделия требованиям, указанным в чертеже заказчика.
График зависимости величины технологического усилия, необходимого для выполнения 1-го перехода редуцирования, от тангенциальной степени деформации (сталь 20 ГОСТ 1050-2013 (crs = ) Из графика на рисунке 2.11 видно, что с увеличением поперечного сечения исходной заготовки увеличивается технологическое усилие, необходимое для выполнения операции редуцирования. Кроме того, внутренний диаметр исходной заготовки ограничен габаритами внутренней оправки и величиной технологического зазора между выступами оправки и заготовкой А. Величина технологического зазора А для первого перехода редуцирования назначена 0,6 мм (для второго - 0,25 мм). Соответственно, минимально допустимое значение наружного диаметра исходной заготовки при толщине стенки = мм составляет D3=136 мм, тангенциальная степень деформации при этом будет равна 0,098. 2,00
Большое влияние на величину технологического усилия оказывает площадь контакта заготовки и конусной части матрицы. Площадь контакта заготовки с конусной частью матрицы напрямую зависит от угла конуса матрицы. С увеличением угла конуса матрицы площадь контакта заметно снижается и снижается также технологическое усилие перехода редуцирования. Однако угол конуса матрицы должен быть минимально возможным и для наших переходов редуцирования был выбран угол в 10. Из геометрического построения следует, что высота матриц при этом угле конуса составит 80 мм, что обеспечивает приемлемую для установки на оборудование высоту штамповой оснастки.
Представленная математическая модель технологического процесса редуцирования трубной заготовки с применением оправки дает возможность определить необходимое технологическое усилие на операциях, позволяющее правильно выбрать технологическое оборудование, подобрать режимы производства изделий, параметры исходной заготовки, а также, обеспечивающее гарантированное внедрение выступов оправки в полость трубной заготовки.
Масштабный эксперимент
Исследования проводили на опытно-промышленном штампе на гидропрессе П7836. Особенностью пресса является то, что пресс предназначен для изготовления длинномерных деталей типа «Гильза». Основной задачей экспериментального исследования является определение величины технологического усилия, необходимого для выполнения операций редуцирования трубной заготовки с внутренней оправкой. Для решения этой задачи необходимо было определить соотношение величины давления, указанного на манометре пресса, и технологического усилия процесса. В работе использовался динамометр образцовый переносный на сжатие типа ДОСМ-50 ГОСТ 9500-60 системы ТОКАРЯ (рисунок 3.14) (имеет аттестат государственной поверки). б)
Динамометр был установлен на жестко закрепленный блок пресса. Прикладывая давление на динамометр ползуном пресса, фиксировалась величина отклонения геометрии динамометра и, соответствующая отклонению геометрии, величина давления, развиваемая в гидроцилиндре пресса. По аттестату государственной поверки динамометра сверялись соотношения отклонения геометрии динамометра и технологического усилия. График соотношения технологического усилия и величины давления на манометре пресса приведен на рисунке 3.15.
Таким образом, проведя данное исследование, мы можем определить технологическое усилие во время выполнения любой технологической операции. При этом точность замеров технологического усилия составит 0,1 МН.
Для экспериментального исследования технологического процесса редуцирования были изготовлены заготовки из стали 20 высотой 700 мм и 160 мм. В первом случае процесс редуцирования проводился в блоке, представленном на рисунке 3.16, инструмент которого имел следующие параметры: матрица -рабочий диаметр 117,6 мм, угол конуса 10, калибрующий поясок 5мм; внутренняя оправка - наружный диаметр 102,6 мм, угол вершины многозаходного спирального выступа 70, высота многозаходного спирального выступа 4,8мм. На внутренней оправке выполнено 15 выступов с радиальным шагом в 24, направленных вдоль ее оси. Исходная заготовка была изготовлена сразу для выполнения 2-го перехода редуцирования. Размеры заготовки: наружный диаметр 125,2 мм, толщина стенки заготовки в зоне формирования многозаходных спиральных рифлений 10,6 мм, а вне этой зоны на длине 70 мм от нижнего торца – 11,6 мм. Размеры исходной заготовки и основные переходы штамповки представлены на рисунке 3.17.
Усилие редуцирования трубной заготовки составило 1,2 МН. Тангенциальная степень деформации в зоне выступа внутренней оправки составила 0,077. При этом высота заготовки при редуцировании удлинилась на 64мм и составила 764 мм. Наружный диаметр заготовки после редуцирования в зоне формирования внутренних многозаходных спиральных рифлений составил мм. Вне зоны формирования внутренних многозаходных спиральных рифлений наружный диаметр заготовки уменьшается до 116,4 мм, что связано с отсутствием подпора со стороны внутренней оправки в этой зоне. Внутренний диаметр заготовки в зоне формирования внутренних спиральных рифлений составил 95,6 мм (толщина стенки заготовки составила 10,8 мм), а вне этой зоны - 94,6мм (толщина стенки заготовки составила 11,9 мм).
Исходная заготовка и полуфабрикаты по основным переходам редуцирования и обжима Во втором случае процесс редуцирования проводился также в блоке, представленном на рисунке 3.16. Инструмент же имел следующие параметры: матрица - рабочий диаметр 117,6 мм, угол конуса 10, калибрующий поясок 5мм; внутренняя оправка - наружный диаметр 102,6 мм с плавным уменьшением к нижнему торцу на 0,15 мм, угол вершины многозаходного спирального выступа 72, высота многозаходного спирального выступа 4,5мм. На внутренней оправке выполнено 18 выступов с радиальным шагом в 20, и углом наклона 30 к оси оправки. Оправка выполнена высотой 151 мм. Размеры заготовки: длина 160 мм, толщина стенки 11 мм, наружный диаметр 125,2 мм. Схема редуцирования с указанием размеров инструмента и заготовки представлена на рисунке 3.18.
Размеры инструмента и заготовки (1 – положение заготовки и пуансона до редуцирования; 2 – положение заготовки и пуансона после редуцирования)
Усилие редуцирования трубной заготовки составило 1,17 МН. Тангенциальная степень деформации в зоне многозаходных спиральных рифлений составила 0,068. При этом высота заготовки при редуцировании удлинилась на 19 мм. Толщина стенки исходной заготовки в зоне формирования многозаходных спиральных рифлений уменьшилась с 11 мм до 10,75 мм, а вне этой зоны увеличилась до 11,2 мм. Наружный диаметр заготовки в зоне формирования многозаходных спиральных рифлений составил мм, а вне этой зоны на высоте 20мм от нижнего торца - 116,6 мм. Внутренний диаметр в верхней части заготовки составил 96,3 мм, а глубина многозаходного спирального рифления составила 3,3 мм. Замеры были произведены после выпрессовки внутренней оправки из полости трубной заготовки. Выпрессовка производилась на подставке, которая была установлена на шариковый радиально-упорный подшипник. Усилие выпрессовки составило около 1,11 МН.
Результаты масштабного эксперимента показали, что редуцирование необходимо проводить со специально подготовленной внутренней оправкой. Чертеж данной оправки представлен на рисунке 3.19. Для увеличения срока службы винтовой образующей внутренней оправки с формообразующим профилем в виде многозаходных спиральных выступов и уменьшения усилия выпрессовки наружный диаметр внутренней оправки выполнен конусным с наименьшим диаметром возле торца В. Полученная конусность позволяет снизить усилие выпрессовки оправки. Спиральные выступы на боковой поверхности оправки выполнены с углом а при вершине, величина которого изменяется от наибольшего значения в начальной части оправки, до наименьшего - в направлении торца В. Отношение длины оправки к длине заготовки составляет 2/3 длины исходной заготовки, то есть оправки имеют длину 420 мм. Полученная переменная величина угла а и меньшая длина оправки позволят избежать заклинивание выступов в полученном рифлении при выпрессовке оправки и снизить усилие выпрессовки.
Такая геометрия инструмента позволила распределить и заметно снизить усилие распрессовки готовой детали типа «Корпус» с внутренней оправкой адекватно числу переходов последовательного формирования полного профиля спиральных канавок [86 - 89]. Новизна предлагаемых технологических решений подтверждена патентом на полезную модель (Устройство изготовления деталей с внутренними спиральными рифлями: свидетельство № 113189 Рос. Федерация. №2011115772; заявл. 20.04.2011; опубл. 10.02.2012, Бюл. № 11. 4 с), который представлен в приложении В.
Определение параметров исходной заготовки
Выбор оборудования необходимо производить исходя из значений технологического усилия, гарантирующего получение многозаходных спиральных рифлений встречного направления на внутренней поверхности трубной заготовки. Важной характеристикой оборудования также является ход ползуна, так как детали типа «Корпус» имеют значительную длину.
При проектировании оснастки необходимо учитывать следующее: - степени деформации на операциях редуцирования (для рассматриваемого процесса =0,09, = ), - угол конуса матрицы (рациональным является угол в 10 ), - высота матрицы определяется исходя из значения угла конуса матрицы и наружного диаметра исходной заготовки, - минимальную величину зазора, обеспечивающую свободное прохождение оправки в полость трубной заготовки на каждой из операций редуцирования (должна быть не менее 0,15 мм на сторону), - высоту многозаходных спиральных выступов оправки (определяется исходя из чертежа детали), - длина оправки должна составлять 2/3 длины исходной заготовки.
Опытно-промышленные испытания штампа, по предлагаемому способу изготовления деталей с внутренними спиральными рифлениями, показали, что стойкость оправки с многозаходными спиральными выступами составляет порядка 700 циклов (или 350 деталей). Таким образом, возникает важнейшая задача данной диссертации - повышение стойкости оснастки. Одним из наиболее прогрессивных методов решения данной задачи являются инновационные технологии нанесения наноструктурированных покрытий на оснастку (PVD – технологии Physical Vapour Deposition), позволяющих значительно улучшить ее технические характеристики, такие как износостойкость, прочность, ремонтопригодность, производительность. А одним из способов определения свойств такого рода покрытий являются испытания образцов на относительную износостойкость на машине трения SRV-III.
Количественная оценка процессов изнашивания на современных автоматизированных машинах трения является актуальной задачей. Наиболее подробное ее описание представлено в работе В.В. Тарасова «Испытание материалов на относительную износостойкость на машине трения SRV-III [90].
Серия машин трения SRV выпускается с 1964 г. фирмой Optimol Instruments Prftechnik GmbH (Германия) – одной из мировых лидеров приборостроения в области испытания материалов и смазок.
Известен стандартизованный способ определения относительной износостойкости материалов [91], требования которого к основным параметрам приведены ниже.
Ротационный модуль установки SRV-III, установленный в ФГБУН «Институте механики Уральского отделения РАН», позволяет проводить испытания при следующих условиях: схема трения — «Диск - Палец»; нагрузка — 0 - 2000 Н; скорость вращения — 0 - 2000 мин-1; диаметры образцов «палец» — 0-8 мм, радиус зоны трения «Диск» — 0-42 мм. С учетом аппаратных и программных ограничений машины трения выбран вариант реализации способа испытания на относительную износостойкость при постоянной скорости вращения по закрепленному образцу («Диск», имитирующий заготовку): «Кольцо». При работе по варианту «кольцо» траектория задается набором концентричных кольцевых участков, количество которых ( ) определяется из соотношения: где и - начальный и конечный радиусы зоны испытаний (на образце типа «Диск»); – шаг радиального смещения образца между кольцевыми участками. Причем – шаг радиального смещения между исходным ( ) и начальным ( ) участками может отличаться от (рисунок 4.1). По конструкционным соображениям испытательной установки мм.
В рамках тесного научно-технического сотрудничества ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т.Калашникова» и ОАО «Воткинский завод» были изготовлены образцы для определения трибологических характеристик. Образцы представляют собой детали типа «Палец», имеющих диаметр 8 мм и длину 15 мм, из разных марок стали: Х12МФ ГОСТ 5950-2000 (4 шт.), Р6М5 ГОСТ 19265-73 (4 шт.), 9ХС ГОСТ 5950-2000(4 шт.). На каждых 3-х образцах разных марок сталей были нанесены наноструктурированные PVD - покрытия: Balinit-Allnova (на основе AlCrN).
На оставшиеся образцы деталей типа «Палец» были нанесены фосфатное покрытие и мыльный раствор. Кроме того, были изготовлены четыре образца типа «Диск» из стали 20 ГОСТ 1050-2013, имитирующие заготовку, на которые также было нанесено фосфатное покрытие и мыльный раствор. Трибологические испытания (коэффициент трения, износ) PVD-покрытия проводились в лаборатории ФГБУН «Институт механики Уральского отделения РАН» на машине трения SRV-III.
Схема испытаний была выбрана «Палец-Диск», а вариант реализации способа испытания на относительную износостойкость при постоянных скоростях вращения по закрепленному образцу - «Кольцо» (рисунок 4.2).