Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние исследований в области обработки деталей пластическим деформированием 9
1.1. Сравнительный анализ технологий получения кольцевых деталей методами пластической деформации 9
1.2. Постановка задач исследования 30
2. Механизм процесса деформирования заготовки при комбинированном дорновании 32
2.1. Исходные данные, принятые допущения 32
2.2. Математическое моделирование процесса комбинированного дорнования 33
2.3. Исследование размерных связей процесса 50
2.4. Выводы 53
3. Методика проведения экспериментальных исследований 55
3.1. Объекты, средства и условия проведения экспериментальных исследований 55
3.2. Конструкция экспериментальной установки 58
3.3. Методика рационального планирования экспериментов 62
3.4. Обработка экспериментальных данных 65
3.5. Выводы 73
4. Результаты экспериментальных исследований 74
4.1. Проведение предварительных экспериментов по комбинированному дорнованию колец 74
4.2. Регрессионный анализ влияния технологических параметров на показатели обработки 75
4.3. Оптимизация технологических параметров обработки колец комбинированным дорнованием 85
4.4. Статистический анализ результатов процесса комбинированного дорнования 88
4.5. Исследование параметров рабочих поверхностей, получаемых при комбинированном дорновании 92
4.6. Результаты компьютерного моделирования процесса комбинированного дорнования 96
4.7. Выводы 98
5. Практические рекомендации и эффективность использования полученных результатов 99
5.1. Предлагаемое технологическое оборудование для комбинированного дорнования колец подшипников 99
5.2. Технология изготовления точных колец подшипников на основе применения комбинированного дорнования 103
5.3. Экономическая эффективность практического использования результатов исследований 107
5.4. Выводы 114
Заключение 115
Список использованной литературы 117
Приложение
- Математическое моделирование процесса комбинированного дорнования
- Методика рационального планирования экспериментов
- Регрессионный анализ влияния технологических параметров на показатели обработки
- Технология изготовления точных колец подшипников на основе применения комбинированного дорнования
Введение к работе
Актуальность темы. Важнейшими задачами подшипникового производства являются сокращение расходов основного материала и повышение качества рабочих поверхностей деталей. Основным методом изготовления деталей в настоящее время является резание металлов. Однако несмотря на большие успехи, достигнутые в области обработки деталей резанием, коэффициент использования металла остается низким - менее 50%. Кроме того, за счет перерезания волокон металла в процессе резания снижаются эксплуатационные свойства изделий. После обработки резанием остается значительный припуск на наиболее трудоемкую часть технологического процесса - окончательную обработку деталей, что снижает эффективность производства.
Применение методов пластической деформации деталей с полной или частичной заменой процессов резания позволяет в значительной степени устранить отмеченные недостатки. При производстве подшипников обработку пластической деформацией применяют в основном с использованием предварительного нагрева исходных заготовок. Это позволяет получить более равномерный припуск на операциях токарной обработки и повысить эксплуатационные свойства деталей. Но нагрев деталей вызывает повышение расхода энергии и трудоёмкости изготовления подшипников. Кроме того, в процессе нагрева происходит окисление поверхностного слоя металла, что приводит к необходимости последующей лезвийной обработки деталей.
Более эффективны методы холодной пластической деформации деталей. К числу таких методов относится, например, процесс дорнования. Дорнование позволяет обеспечить минимальные припуски для окончательной обработки деталей. Несомненным преимуществом обработки деталей дорнованием является повышение эксплуатационных свойств деталей за счет достижения более благоприятной структуры металла. Во многих случаях, особенно при закрытом дорновании проката, появляется возможность ликвидировать необходимость трудоемкой токарной обработки и существенно снизить расход металла.
Однако применение процесса дорнования до сих пор ограничивалось обработкой гладких цилиндрических деталей. Обработка таких деталей, как кольца подшипников с буртом, требует применения токарной обработки и приводит к повышенному расходу материала. Поэтому разработка и исследование процесса комбинированного дорнования, при котором помимо калибровки поверхностей осуществляется одновременно формирование бурта заготовки и тем самым повышается коэффициент использования материала, являются актуальной задачей.
Целью данной работы является разработка малоотходной технологии изготовления колец роликовых подшипников с буртом на основе применения комбинированного дорнования.
Методы и средства исследований. Построение математической модели процесса комбинированного дорнования осуществлялось с применением методов технологии машиностроения и теории пластической деформации. Экспериментальные исследования проводились на основе методов математической статистики и теории планирования экспериментов. В качестве средств исследования использовались современное оборудование и приборы ОАО «Саратовский подшипниковый завод» (ОАО СПЗ).
Научная новизна работы:
результаты исследования размерных связей процесса комбинированного дорнования, при котором одновременно с калибровкой поверхностей формируется бурт заготовки, на основе построения и расчета графа;
разработка математической модели, отражающей механизм формирования бурта заготовки в зависимости от ее размеров и геометрических параметров инструмента с учетом возможного удлинения заготовки и возможного среза металла при его сдвиге;
результаты исследования закономерностей процесса комбинированного дорнования, в том числе с использованием компьютерного моделирования процесса в программе «Q-Form», отражающие влияние на показатели качества колец основных технологических факторов: формы и размеров рабочей части инструмента, размеров обрабатываемой заготовки, числа рабочих ходов инструмента и др.
Практическая ценность и реализация работы:
разработан способ комбинированного дорнования кольцевых заготовок;
для операции комбинированного дорнования при участии автора спроектирован автомат, реализующий вышеуказанный способ;
предложен перспективный безотходный технологический процесс изготовления внутренних колец роликового подшипника 42205.02;
способ комбинированного дорнования кольцевых заготовок внедрён на предприятиях ООО «Научно-производственное предприятие нестандартных изделий машиностроения» (ООО НПП НИМ) и на ОАО «Саратовский электроприборостроительный завод им. С.Орджоникидзе» (ОАО СЭЗ им. С.Орджоникидзе), о чем свидетельствуют акты внедрения;
предполагаемый экономический эффект от внедрения технологического процесса и оборудования для его осуществления равен 1350000 руб. Срок окупаемости 1,1 года.
Положения, выносимые на защиту:
Способ комбинированного дорнования деталей типа колец с концевым утолщением.
Математическая модель формирования заготовки в процессе комбинированного дорнования.
Результаты компьютерного моделирования процесса комбинированного дорнования, позволившие наглядно представить процесс комбинированного дорнования и изучить механизм влияния на результаты обработки технологических факторов.
Результаты экспериментальных исследований, подтверждающие теоре-
тические выводы и определяющие технологические возможности процесса комбинированного дорнования на деталях подшипников. 5. Рекомендации по практическому применению предложенной технологии.
Апробация работы. Результаты исследований доложены и обсуждены на Межгосударственном научно-техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания» (Саратов, 2007 г.), научно-практической конференции «Молодые ученые — науке и производству» и научных семинарах кафедры «Технология машиностроения» СГТУ (2007-2008 гг.), на Международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2008 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 статьи в журнале, рекомендованном ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 142 страницах, иллюстрирована 30 рисунками и 11 таблицами. Она состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 145 наименований и приложений.
Математическое моделирование процесса комбинированного дорнования
Для обеспечения точности изготовления деталей и получения качественных поверхностей необходимо достаточно точно описать модель напряженно - деформированного состояния, формирующегося в результате обработки.
При пластическом деформировании в поверхностном слое возникают остаточные сжимающие напряжения, которые компенсируются растягивающими остаточными напряжениями во внутренних слоях [50,134]. Исследования в этой области [24,30,31,34,39,43,135] показали, что в процессе холодного пластического упрочнения предел выносливости повышается в зависимости от степени упрочнения. Кривые выносливости упрочненного металла [32] располагаются несколько выше кривой выносливости исходного материала. При степенях деформации до 8% с одновременным повышением предела выносливости повышается работоспособность упрочненной стали [54,63,129] и ее надежность при эксплуатации [65]. Положительное влияние остаточных сжимающих напряжений у поверхности образца значительно сильнее при объемном пластическом упрочнении, чем при поверхностном. В конечном итоге повышение прочностных характеристик упрочненных сталей [52,53] и предела выносливости создают условия для повышения допускаемого напряжения при расчетах на прочность деталей и узлов [69,131].
Представления о напряженно-деформированном состоянии локального контакта в условиях пластического деформирования заготовки [67,70-72,88,93,95-99] с ненулевым трением при построении теоретических основ технологии базируются на различных допущениях. Решение задачи усложняет зависимость сил трения от исходного состояния контактирующих поверхностей, условий контактного взаимодействия, упрочнения приконтактного слоя, а также напряженно-деформированного состояния в объеме заготовки [103,104,113-116,122-128].
При построении математической модели были приняты следующие допущения [40,42,68,132]: 1. Задача отнесена к случаю плоского деформированного состояния, ввиду незначительности деформации в тангенциальном направлении. 2. Принято допущение о равномерном распределении аксиальных напряжений и их постоянстве для всей площадки, на которую они действуют в рассматриваемый момент. 3. Принято, что плоские сечения остаются таковыми в течение всего процесса деформирования. 4. Главными осями являются оси, одна из которых совпадает с осью дорна, а две другие ей перпендикулярны.
Трубчатую заготовку 1 устанавливают внутри матрицы 2, задающей наружный профиль детали. Заготовка упирается в опорную втулку 3 и деформируется изнутри многоступенчатым инструментом 7.
Отличительной особенностью предложенного способа является то, что рабочие участки инструмента 7 используют торовой формы, на конце кольцевой оправки 2 изготавливают кольцевой паз 5, соответствующий получаемому утолщению, инструмент 7 в процессе обработки перемещают в сторону образуемого утолщения, а опорную втулку 3 устанавливают со стороны образуемого утолщения. Втулка 6 служит для направления дорна и для выпресовки детали, подставку 4 используют в качестве упора кольцевой оправки 2 в процессе выпресовки.
Сравнительный анализ способа дорнования с принудительным утонением стенки заготовки, который использовался в качестве прототипа, и предлагаемого способа показывает существенные преимущества последнего. В операциях с принудительным утонением стенки кольца [133] зазор между пуансоном и матрицей меньше толщины заготовки, и обе поверхности, и наружная и внутренняя, в очаге деформации являются контактными поверхностями, на которых действуют нормальные напряжения и касательные, вызванные силами трения.
В этом случае деформации в окружном направлении сравнительно малы (у пуансона равны нулю, а у матрицы - величине утонения, отнесенной к периметру заготовки). Это позволяет с достаточной точностью считать, что имеет место плоская деформация. В очаге деформации касательные напряжения, действующие на внутренней и наружной поверхностях заготовки, обратны по знаку. Это позволяет предположить, что изменение касательных напряжений по толщине заготовки сравнительно невелико.
Удлинение заготовки при утонении приводит к тому, что в очаге деформации она скользит вверх по пуансону, а силы трения на внутренней по верхности заготовки действуют в направлении движения пуансона. Силы трения на наружной поверхности заготовки способствуют увеличению растягивающих напряжений, действующих в стенках обработанной части заготовки, а силы трения на внутренней поверхности заготовки разгружают опасное сечение, уменьшая растягивающие напряжения в стенках обработанной части заготовки. Эта особенность, связанная с утонением стенки, является основной причиной сравнительно больших допустимых деформаций [82,86,92] и возникновения приращения относительной высоты заготовки за один переход.
На контактных поверхностях, кроме касательных, действуют и сжимающие напряжения. В осевом направлении могут возникать растягивающие напряжения [70-72], вызванные давлением пуансона.
Вопросу установления поля напряжений при вытяжке с утонением стенки посвящено много трудов [101,106]; в них поле напряжений определялось совместным решением приближенных уравнений равновесия и уравнения пластичности, методом характеристик и, наконец, методом работ.
Проведенные исследования [45,46,55,56,58-60,64] способствовали выяснению реальных условий деформирования; однако использование в них различных допущений и учет неодинакового количества факторов привел к тому, что сами формулы и получаемые по ним результаты существенно отличаются друг от друга.
Методика рационального планирования экспериментов
Получение деталей с заранее заданными требованиями достигается благодаря рациональному сочетанию многих влияющих на процесс обработки факторов. Качество обработанных заготовок оценивается соответствующими критериями, состоящими из комплексов контролируемых параметров, правильный выбор которых имеет большое значение для контроля и управления процессом. Задача выбора контролируемых параметров состоит в определении значимых факторов, определяющих ход технологического процесса, с целью последующего систематического контроля.
На основании анализа ряда работ в области обработки металлов давлением, а также исходя из требований, предъявляемых к параметрам процесса, учитывая особенности конкретного способа получения колец, назначаем для дальнейшего анализа исследуемого процесса следующий параметр: величина утолщения (бурта) на обработанной заготовке.
После определения основных контролируемых показателей процесса деформации колец устанавливаем факторы этого процесса. За фактор процесса принимают контролируемую переменную объекта, т.е. величину, характеризующую то или иное свойство процесса и являющуюся основным его показателем [120]. Эта величина должна влиять на параметр оптимизации.
Для систематизации факторов по определенным признакам можно разбить их на следующие группы: факторы, характеризующие рабочий инструмент; факторы, характеризующие заготовку;
Выявить в результате экспериментов влияние каждого из факторов на показатель процесса очень сложно, ввиду того, что потребуется произвести чрезвычайно большое количество опытов. Однако влияние некоторых факторов на процесс объемного дорнования можно установить путем результата анализа работ, проведенных ранее в этом направлении. Это позволит провести некоторый отсев из общего массива факторов и оставить для проведения полных факторных экспериментов наиболее существенные или интересующие нас факторы.
Учитывая вышеприведенные характеристики объекта обработки, можно выбрать и характеристики инструмента. Параметры и характеристики пуансона выбираются из условия оптимальных значений производительности, геометрической точности, стойкости, размерной стабильности и шероховатости при обработке данного материала.
При обработке пуансоном отверстий осуществляется непосредственное пластическое деформирование металла заготовок [112,138,140-142], поэтому геометрия и размеры поперечных сечений инструмента определяют характер формоизменения металла. Инструмент в значительной степени влияет на точность, качество и эксплуатационные свойства обработанных поверхностей, а также общие энергосиловые и технико-экономические характеристики процессов обработки.
Наиболее предпочтительными для проведения экспериментальных исследований являются одноступенчатые дорны. Благодаря простоте конструкции их изготовление не вызывает больших затруднений.
Основной рабочей частью дорна является передняя поверхность тора. От радиуса его образующей зависит способность дорна продавливать металл перед собой без его разрушения, а также зависит направление течения металла внутри заготовки.
В процессе обработки осуществляется трение скольжения в условиях пластического контакта взаимодействующих тел. Чтобы избежать волнообразования металла перед инструментом, обработку проводим в два прохода с равным распределением натяга.
Правильно подобранный смазочный материал при холодной обработке металлов давлением значительно уменьшает коэффициент трения и улучшает параметр шероховатости обработанной поверхности.
Заготовки должны удовлетворять определенным требованиям, которые сводятся к следующему. Полученные после комбинированного дорнования размеры заготовки должны быть достаточными для последующего снятия (при необходимости) минимального припуска с целью получения заданных размеров детали и достижения требуемой шероховатости. Другим важным требованием к заготовке является ограничение степени деформации при обработке, так как большие натяги могут привести к разрушению детали в процессе ее обработки. При выборе заготовки предпочтительными являются профили с наибольшими размерами наружного диаметра. Уменьшение наружного диаметра заготовки с заданной толщиной стенки вызывает рост натяга дорнования и большое растяжение стенки кольца, при котором возможен его разрыв. Также возрастают погрешности, связанные с остаточной деформацией после процесса комбинированного дорнования. Оптимальной с этой точки зрения является такая заготовка, наибольший наружный диаметр которой меньше размера отверстия в матрице на небольшую величину, достаточную для свободной установки заготовки в матрицу. Однако при этом затрудняется подбор заготовки из стандартного сортамента. Поэтому в случае использования ограниченного сортамента для заготовок натяг дорнования приходится увеличивать.
Регрессионный анализ влияния технологических параметров на показатели обработки
Обработка экспериментальных данных, проведенная в соответствии с методикой, изложенной в предыдущей главе, позволила получить следующие уравнения регрессии, связывающие получаемый диаметр бурта с4 и высоту заготовки после обработки hd с такими технологическими параметрами процесса как соотношения наружного, внутреннего диаметров и высоты заготовки.
Линейные модели уравнений регрессии в кодированной записи имеют вид: для параметра оптимизации Yn ( 4): для параметра оптимизации Yn (hd): для параметра оптимизации Y2j (db): для параметра оптимизации Y22 (hd):
Параметры оптимизации первого эксперимента - Yn и Y12, второго эксперимента - Y2i и Y22.
После подстановки в полученные уравнения регрессии вместо кодированных переменных логарифмов их действительных значений, производим потенцирование и получаем степенные зависимости параметров оптимизации от факторов процесса:
Как видно из уравнения (4.1), коэффициенты bi и Ь2 по модулю превосходят значение коэффициента Ьз. Это объясняется тем, что наибольшее влияние на процесс деформации оказывает такой фактор как толщина стенки исходной заготовки, определяющаяся разностью наружного и внутреннего диаметров. Поскольку увеличение внутреннего диаметра приводит к уменьшению толщины стенки заготовки, то коэффициент Ь2 имеет отрицательное значение, т.е. с его увеличением параметр оптимизации уменьшается (в данном случае уменьшается величина образуемого бурта). Наиболее значимым фактором является наружный диаметр заготовки (коэффициент bi). Это объясняется тем, что с возрастанием наружного диаметра уменьшается исходный зазор между заготовкой и кольцевой оправкой, а это приводит к увеличению натяга между заготовкой и дорном. На рис. 4.2, 4.3 и 4.4 представлены полученные экспериментальные зависимости влияния наружного и внутреннего диаметров заготовки, а также высоты заготовки на диаметр образуемого бурта при обработке торовым дорном.
График на рис. 4.2 построен при фиксированном значении высоты заготовки hz = 15,15 мм. График на рис. 4.3 построен при фиксированном значении наружного диаметра заготовки Dz — 31,1 мм. График на рис. 4.4 построен при фиксированном значении внутреннего диаметра заготовки d: = 23,2 мм.
Из графиков видно, что влияние только величины наружного диаметра заготовки является недостаточным для увеличения диаметра бурта. Для увеличения необходимо манипулировать одновременно двумя параметрами: наружным и внутренним диаметрами заготовки, т.е. значительное влияние оказывает толщина стенки кольца.
Как было отмечено ранее, от наружного диаметра заготовки зависит исходный зазор между заготовкой и матрицей. Большой зазор приводит к увеличению растягивания стенок кольцевой заготовки, при этом толщина стенки уменьшается, уменьшается натяг и, как следствие, объем перемещаемого дорном металла. Поэтому рост бурта в этом случае происходит менее интенсивно.
В уравнении (4.2), коэффициенты bi и Ь3 по модулю превосходят значение коэффициента Ь2. Коэффициент Ьь как и в предыдущем случае, отражает влияние натяга между заготовкой и дорном при обработке, а коэффициент Ьг имеет отрицательное значение. Наибольшее значение по модулю имеет коэффициент Ь3, что объясняется пропорциональным удлинением заготовки в процессе обработки. На рис. 4.5, 4.6 и 4.7 представлены полученные экспериментальные зависимости влияния наружного и внутреннего диаметров заготовки, а также высоты заготовки на высоту детали при обработке торовым дорном.
График на рис. 4.5 построен при фиксированном значении высоты заготовки hz = 15,15 мм. График на рис. 4.6 построен при фиксированном значении наружного диаметра заготовки Dz = 31,1 мм. График на рис. 4.7 построен при фиксированном значении внутреннего диаметра заготовки dz = 23,2 мм.
Технология изготовления точных колец подшипников на основе применения комбинированного дорнования
Как было показано в работе, комбинированное дорнование весьма эффективно при получении точных заготовок внутренних колец роликовых подшипников серий 42000, 52000, 62000, 92000, 232000 и 32000. Однако проведенные исследования показали, что практическое применение этой технологии позволяет отказаться от традиционной технологии изготовления и наружных колец роликовых подшипников если их отверстие не имеет существенных перепадов диаметров, например наружных колец роликовых подшипников серий 2000 и 12000. Также метод может применяться при изготовлении втулок и колец различных профилей с гладким отверстием из различных сталей [77,78]. Использование метода, основанного на пластической деформации, позволяет получать более благоприятную структуру поверхностного слоя заготовки, что повышает ее эксплуатационные качества [48,75,89].
На основе данного метода в сочетании с другими технологическими процессами возможно создание малоотходных или безотходных ресурсосберегающих технологий, в которых будет использован безотходный способ получения кольцевых деталей из трубы с последующей операцией комбинированного дорнования. Качество деталей и их эксплуатационные характеристики при этом не ухудшаются.
Аналогичные способы изготовления деталей, в основу которых положено условие максимальной безотходности, предложены в [48]. Это позволя ет намного упростить как производство, так и эксплуатацию технологического оборудования, а также понизить себестоимость изготовления деталей.
В ходе работы над диссертацией был предложен технологический процесс получения базовой заготовки из трубы путем безотходного разделения дисковыми ножами методом холодного пластического деформирования, затем производится комбинированное дорнование и накатка фасок.
После обработки пластическим деформированием и термообработки объём механической обработки следующий: шлифование по торцам, согласно действующему технологическому процессу, чистовое шлифование отверстия и дорожки качения, а также суперфиниширование. На операциях отделения кольцевых заготовок от трубы и последующей холодной раскатки предполагается использование кольцераскатного автомата АРК-20, разработанного в НЛП НИМ. Основные технические данные автомата: - Частота вращения раскатных валков - 20 об/мин; - Производительность автомата - 15 шт/мин; - Габаритные размеры автомата: Длина - 880 мм; Ширина - 750 мм; Высота- 1300 мм; - Масса автомата - 800 кг; - Потребляемая мощность -1,1 кВт, Способ холодной раскатки отличает высокая стойкость деформирующего инструмента и высокая производительность процесса при обработке на оптимальных режимах. Технико-экономические преимущества используемого способа по сравнению с токарной обработкой заключаются в повышении качества обработки поверхности и в снижении материальных и трудовых затрат на изготовление детали. Отделение штучных заготовок от трубы и их раскатка производятся по 3-х валковой схеме. Схема отделения кольцевых заготовок от трубы показана нарис. 5.4. В таблице 5.1 приведен маршрут технологического процесса по изготовлению колец роликовых подшипников, использующий традиционную технологию, а в таблице 5.2 - предлагаемую. Основные преимущества предлагаемой технологии: 1. Обработка методами пластической деформации кольцевой заготовки позволяет располагать волокна металла вдоль обработанной поверхности, что повышает ее износостойкость; 2. По новому технологическому процессу основные формообразующие операции производятся до термообработки, то это существенно позволяет уменьшить припуск на последующую механическую обработку, снижая трудоемкость последующих операций; 3. Точность процесса комбинированного дорнования соизмерима с процессом предварительного шлифования, что позволяет уменьшить число трудоемких операций шлифования и повысить производительность изготов ления колец; Технологический процесс изготовления колец с буртом с применением комбинированного дорнования внедрен на: ООО «НПП НИМ» и ОАО СЭЗ им. С.Орджоникидзе, (акты о внедрении см. приложение Г).
