Введение к работе
Актуальность темы работы. В машиностроении одной из главных проблем является повышение качества и эксплуатационных свойств изделий при уменьшении затрат на их изготовление. В частности, актуальна задача коренного улучшения качества изделий из чугуна. Чугуны используются для изготовления гильз двигателей внутреннего сгорания и компрессоров, пальцев траков гусеничных машин, шестерен, распределительных и коленчатых валов, зубчатых колес и других изделий. Традиционно эти изделия изготавливаются методами литья с последующей механической обработкой.
Одним из способов повышения прочностных и пластических свойств чугунных изделий является отливка их из чугуна с шаровидным графитом (ЧШГ), объем производства отливок, из которого с каждым годом возрастает. Этот материал, по сравнению с углеродистой сталью или серым чугуном, обладает рядом преимуществ. ЧШГ характеризуется лучшими литейными свойствами, более плотной структурой, по сравнению с серым чугуном, обладает высоким сопротивлением износу. Для него характерны: высокая теплостойкость, хладостойкость, коррозионная стойкость, он может подвергаться сварке и автогенной резке.
Однако в процессе литья изделий образуется большое количество брака, по характерным литейным дефектам, которые частично можно устранить методами обработки металлов давлением. Поэтому деформирование литых заготовок из чугуна открывает весьма широкие перспективы повышения надежности и долговечности деталей машин и механизмов.
Начиная с 30-х годов прошлого века, были опробованы различные способы деформирования чугуна и установлено, что этот процесс обладает определенной спецификой и существенно изменяет структуру и свойства литых заготовок. Детали трубопроводов, такие как конические переходы, крутоизогнутые отводы, шаровые элементы кранов и многие другие, широко используются в арматуростроении. В зависимости от перекачиваемой по
трубопроводам среды (жидкостей или газов) названные детали могут быть изготовлены из чёрных и цветных металлов и сплавов. В качестве чёрных металлов наиболее распространены конструкционные стали различных марок. Однако для городского коммунального хозяйства широко используют трубы из высокопрочного чугуна, полученные центробежным литьём.
В настоящее время отсутствует опыт изготовления обработкой металлов давлением чугунных деталей трубопроводной арматуры. Поэтому внедрение в промышленность штампованных деталей различной конфигурации из чугуна является актуальной задачей. При этом важно теоретически обосновать допустимые предельные состояния заготовок из чугуна при реализации формоизменяющих и разделительных операций, используя методы теории обработки металлов давлением с учетом потери устойчивости и проанализировать фазовые превращения, провоцируемые деформацией.
Объектом исследования являются изделия осесимметричной формы пространственного (цилиндрические, конические, сферические) и плоского типов, которые необходимо изготавливать пластическим деформированием в условиях всестороннего сжатия или с помощью разделительных операций. Разработка и успешная реализация технологии изготовления изделий названных типов позволит заменить стальные детали, работающие в агрессивных средах и в условиях повышенного износа на штампованные изделия из высокопрочного чугуна.
Целью работы является совершенствование процессов горячей обработки давлением сплошных и полых заготовок из высокопрочного чугуна за счёт обоснования выбора термомеханических режимов и повышение эффективности производства деталей машиностроения заменой стального проката на центробежнолитые осесимметричные заготовки из высокопрочного чугуна.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
установить требования, предъявляемые к литым заготовкам из высокопрочного чугуна, необходимые для дальнейшей горячей обработки давлением;
обосновать и выбрать режимы горячей обработки давлением для повышения пластических свойств и последующей термической обработки заготовок из высокопрочного чугуна для обеспечения необходимой твёрдости;
разработать математические модели формоизменяющих операций штамповки (раздача, обжим) полых поковок из ВЧ-40 инженерным методом, учитывающим потерю устойчивости и критические степени деформации до разрушения;
установить влияние термомеханических параметров на процессы деформирования и структуру материала;
выявить взаимосвязи технологических характеристик и напряженно-деформированного состояния заготовок.
Методы исследования. Теоретические исследования, включающие инженерный метод теории обработки металлов давлением, метод анализа потери устойчивости теории пластичности и методы микроструктурного анализа, позволили провести анализ напряжённо-деформированного состояния процесса обжима трубных заготовок, установить влияние относительных геометрических характеристик изделия на технологические параметры и выбрать оптимальный температурный режим для получения качественного готового изделия из высокопрочного чугуна.
Достоверность результатов подтверждается выбранными классическими положениями теории пластичности, экспериментом и практическим использованием результатов работы.
Научная новизна работы заключается в:
- основных взаимосвязях технологических характеристик оценки
напряжённо-деформированного состояния пластической области при
выполнении операций раздачи и обжима изделий из высокопрочного чугуна цилиндрической, конической и сферической формы;
математических моделях разделительных и формоизменяющих операций и полученных основных уравнениях и соотношениях для расчёта энергосиловых параметров при штамповке объёмных и плоских осесимметричных изделий из высокопрочного чугуна;
установлении степени влияния термомеханических параметров, таких как температура и скорость охлаждения штампованной заготовки, прикладываемое давление, условия трения и др. на структуру полученных изделий из высокопрочного чугуна.
Практическая ценность работы заключается в:
обосновании возможности применения разделительных операций для изготовления плоских деталей, работающих в условиях повышенного износа, например, звёздочки цепных передач с/х машин, лемех плуга и др.;
разработке технологических процессов пластического формоизменения заготовок из труднодеформируемых сплавов, таких как чугун и реализации технологий раздачи, обжима и вырубки при изготовлении типовых изделий;
рекомендациях по выбору термомеханических режимов горячей штамповки чугуна марки ВЧ-40.
Реализация результатов работы. Результаты работы были внедрены в ОАО «Научно-производственная фирма по внедрению научных и инженерно-технических инноваций» (ОАО ВНИТИ), г. Санкт-Петербург.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и одобрены на постоянно действующем научном семинаре кафедры СПД, на III научной конференции «Машиностроение - традиции и инновации» (МТИ - 2010), г. Москва, 2010 г. и на X конгрессе «Кузнец-2010», г. Рязань, 2010 г.
Публикации. Основные положения диссертации отражены в 6 публикациях, включая 4 в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения,
четырёх разделов, списка литературы из 107 наименований. Основная часть
работы изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков и 6 таблиц.
