Введение к работе
Актуальность темы. Повышение конкурентоспособности – важнейшая задача 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 проблема повышения стойкости инструментов является всегда актуальной для промышленности.
В машиностроении широко используются различные технологии повышения стойкости инструментальных сталей, требующие постоянного развития и совершенствования. В настоящее время достаточно успешно применяют термомеханическую обработку (ТМО) инструментальных сталей, основанную на сочетании пластического деформирования заготовок и их термообработки. К числу перспективных и эффективных технологий относится и предварительная термомеханическая обработка (ПТМО) заготовок инструментов, при которой пластическая деформация предшествует формообразованию и окончательной термической обработке. Однако в настоящее время данная технология реально не используется при изготовлении инструментов кольцевой формы из-за трудностей реализации пластической обработки их заготовок, отсутствия соответствующей теории данного процесса, позволяющей оптимизировать технологию ПТМО с точки зрения достижения наибольшей стойкости указанных 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 с кручением. Необходимым для инструментальной промышленности является также разработка соответствующей технологической оснастки и прессового оборудования для реализации указанных процессов пластического деформирования.
Актуальным для металлообрабатывающей промышленности является изготовление инструментов кольцевой формы с высокой стойкостью из низколегированной стали Х12М, что предполагает установление оптимальных значений пластической деформации и режимов термической обработки в общем технологическом процессе ПТМО для этой стали.
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» на кафедре теоретической и прикладной механики в 2007 – 2011 гг. в соответствии с планом госбюджетной НИР № 149-1800-1 «Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении и ракетно-космической технике».
Цель и задачи исследования. Разработка процессов и определение технологических параметров пластического деформирования заготовок инструментов кольцевой формы, проектирование комплексной технологии изготовления инструментов с высокими эксплуатационными свойствами, а также создание научно обоснованных рекомендаций по проектированию штамповой оснастки и прессового оборудования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Исследовать напряженно-деформированное состояние (НДС) при пластической осадке заготовок кольцевой формы.
2. Определить НДС при пластической осадке с кручением заготовок кольцевой формы.
3. Разработать конструкции штамповой оснастки для реализации пластической осадки с кручением заготовок кольцевой формы и методику расчета их основных конструктивных параметров.
4. Разработать конструкцию пресса для осадки с кручением заготовок кольцевой формы.
5. Установить влияние пластической деформации в условиях технологии ПТМО на стойкость инструментальной стали Х12М.
6. Внедрить результаты исследования в промышленность и учебный процесс.
Научная новизна результатов исследования. В диссертационной работе получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:
1. Определено НДС при пластической осадке заготовок кольцевой формы на основе данных, полученных методом измерения твердости, отличающееся тем, что учитывается упрочняемость материала.
2. Определено НДС при пластической осадке с кручением заготовок кольцевой формы без учета сил трения на ее торцах, отличающееся тем, что учитывается упрочняемость материала.
3. Разработаны и обоснованы технические решения по созданию штамповой оснастки и прессового оборудования для пластической осадки с кручением заготовок кольцевой формы, отличающиеся тем, что обеспечивается плавное изменение в широком диапазоне соотношения между угловыми и линейными деформациями в обрабатываемой заготовке.
4. Разработаны технологии ПТМО применительно к инструментальной стали Х12М.
Практическая значимость работы.
1. Полученные результаты исследований позволяют выбрать оптимальные режимы пластического деформирования заготовки и прогнозировать степень повышения эксплуатационных свойств инструмента.
2. Разработанные конструкции штамповой оснастки дают возможность реализовать технологии ПТМО в производственных условиях.
3. Предложенная конструкция пресса для пластической обработки с кручением заготовок кольцевой формы и созданная при этом методика расчета его основных конструктивных параметров позволят в условиях крупносерийного и массового производства реализовывать процесс осадки с кручением как один из самых эффективных способов создания однородной мелкозернистой структуры в металле.
4. Разработанная технология ПТМО позволит повысить значительно стойкость резьбонакатных роликов, плашек, дорнов, калибров и др.
Реализация работы.
1. Инновационная технология ПТМО изготовления резьбонакатных роликов внедрена на ОАО «ВАСО». Годовой экономический эффект от внедрения разработанной технологии составляет 300 000 (триста тысяч) рублей.
2. Отдельные материалы диссертационной работы по конструкции пресса используются в учебном процессе в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» при изучении дисциплины «Теория обработки металлов давлением» по инженерной специальности 150201 «Машины и технологии обработки металлов давлением».
Личный вклад соискателя включает:
1. Эксперименты по пластической осадке заготовок кольцевой формы из стали с целью изучения напряженно-деформированного состояния.
2. Разработку методики определения напряженно-деформированного состояния при пластической осадке с кручением заготовок кольцевой формы.
3. Разработку способа повышения стойкости инструментальной стали Х12М на основе технологии ПТМО.
4. Разработку конструкции новой технологической оснастки (штампов) для осуществления процесса осадки с кручением заготовки кольцевой формы.
5. Разработку конструкции пресса для штамповки с кручением заготовок кольцевой формы.
6. Определение степени влияния пластической деформации на стойкость инструментов в условиях ПТМО.
Методы исследований. Аналитические исследования выполнены на основе аппарата теории пластичности упругости. Эксперименты проводились на прессе ГМС-250 с использованием современной измерительной аппаратуры.
Конструкция штамповой оснастки разрабатывалась с применением методов теоретической механики и теории машин и механизмов. Обработка опытных данных проводилась с применением методов математической статистики на ЭВМ IBM PC.
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 работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Международной научно-технической конференции, посвященной 75-летию кафедры «Высокоэнергетические устройства автоматических систем» БГТУ «Военмех» им. Ф.Д. Устинова (Санкт-Петербург, 2009); Международной научно-технической конференции «СММТ-2011» (Санкт-Петербург, 2011); Международной научно-практической конференции «Теоретические и прикладные задачи обработки металлов давлением и автотехнических экспертиз», (Винница, Украина, 2011); Российской научно-технической конференции, посвященной 70-летию со дня основания КБХА «Ракетно-космическая техника и технология 2011» (Воронеж, 2011); ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2007-2011); научных семинарах кафедры теоретической и прикладной механики ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2007-2011).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 4 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены 4 патента РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата лично соискателю принадлежат: [1] – предложена кинематическая схема штампа; [2] – разработана схема приложения к заготовке осевой силы и момента; [4] – предложена технология ПТМО; [5], [7], [8] – разработан узел поддерживающего элемента; [6] – предложена технология ПТМО, [9], [13] – дается методика расчета деформирующих нагрузок, [10], [11], [12] – предложена методика расчета напряжений; [14] – выполнены эксперименты по осадке колец.
Автор выражает глубокую благодарность кандидату технических наук доценту Хвану А.Д. за оказание помощи при выполнении диссертационной работы, критические замечания и рекомендации.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 76 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 119 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, 9 таблиц.