Содержание к диссертации
Введение
1. Формирование и оценка показателей надежности инструмента при его изготовлении и эксплуатации 8
1.1 Показатели надежности и выходные параметры стандартного волочильного инструмента 8
1.1.1 Работоспособность и ресурс волочильного инструмента 8
1.1.2 Анализ нормативной документации на волочильный инструмент 10
1.1.3 Исследование микроструктуры и физико-механических характеристик серийных твердосплавных волок 12
1.1.4 Влияние технологии изготовления волочильного инструмента на формирование его выходных параметров 16
1.2 Известные методики моделирования износостойкости и долговечности волочильного инструмента 25
1.3 Методы расчета относительной износостойкости материалов изнашиваемых изделий 33
1.4 Выводы, цель и задачи дальнейших исследований 37
2. Разработка физико-вероятностной модели надежности волочильного инструмента 39
2.1 Математическая модель процесса изнашивания волочильного инструмента в очаге деформации 39
2.1.1 Основное энергетическое уравнение изнашивания рабочей поверхности волоки 39
2.1.2 Модель расчета удельной мощности сил трения в очаге деформации 41
2.1.3 Аналитическая оценка износостойкости материала волочильного инструмента 43
2.2 Построение вероятностной модели формирования износовых отказов волочильного инструмента 52
2.3 Блок-схема физико-вероятностной модели параметрической надежности волочильного инструмента 56
2.4 Выводы 59
3 Теоретические исследования износостойкости и долговечности волочильного инструмента 60
3.1 Теоретические исследования энергоемкости материала поверхностного слоя волочильного инструмента 60
3.2 Экспериментально-аналитическая оценка износостойкости серийного волочильного инструмента 75
3.3 Трибодиагностика серийного волочильного инструмента 80
3.4 Оценка энергетической износостойкости волочильного инструмента с планируемыми значениями выходных параметров 84
3.5 Теоретические исследования влияния параметров процесса волочения на износ технологического инструмента 88
3.6 Прогнозирование надежности волочильного инструмента прй~его изнашивании в очаге деформации 91
3.7 Выводы 97
4 Повышение износостойкости волочильного инструмента вибро-акустической обработкой 99
4.1 Улучшение физико-механических характеристик волок при виброакустической обработке 99
4.2 Повышение износостойкости волочильного инструмента созданием рациональных параметров микрогеометрии его рабочего канала
4.3 Экспериментальная оценка эффективности вибро-акустической обработки 113
4.3.1 Методика проведения промышленного эксперимента 113
4.3.2 Результаты проведенных исследований 115
4.3.3 Анализ полученных результатов 116
4.4 Расчет экономического эффекта применения операции виброакустической обработки 118
4.5 Выводы 120
Заключение 121
Список использованных источников 123
Приложения 137
- Исследование микроструктуры и физико-механических характеристик серийных твердосплавных волок
- Модель расчета удельной мощности сил трения в очаге деформации
- Экспериментально-аналитическая оценка износостойкости серийного волочильного инструмента
- Повышение износостойкости волочильного инструмента созданием рациональных параметров микрогеометрии его рабочего канала
Введение к работе
Повышение качества и надежности технологического инструмента является одной из важнейших проблем метизного производства, так как его работоспособностью и долговечностью определяются технико-экономические показатели метизных цехов. Волочильный инструмент согласно классификации по ОК 005-93 и РД 50-149-79 относится к промышленной продукции второго класса, то есть к изделиям, расходующим свой ресурс. Продление ресурса серийного волочильного инструмента и повышение вероятности его безотказной работы относится к актуальным задачам современного волочения.
Технический ресурс и вероятность безотказной работы, - главные характеристики качества волочильного инструмента группы надежности, с одной стороны, определяются интенсивностью процессов физического старения (изнашивания, усталостного выкрашивания, окисления и др.) рабочей -поверхности,-с-другой,_ _ограничеііьі значениями структурных и физико-механических параметров поверхностного слоя, определяющих его способность противостоять этим процессам.
Причиной более 90% всех отказов технологического инструмента для производства проволоки является износ поверхности рабочего канала вследствие её фрикционного взаимодействия с заготовкой в очаге деформации. Величина износа в первую очередь определяется износостойкостью рабочей поверхности, которая, в свою очередь, зависит от выходных параметров поверхностного слоя, формирующихся в процессе его изготовления. Однако стандартная технология и оборудование для изготовления серийного инструмента не соответствует современным требованиям производства, так как не обеспечивает необходимого, соответствующего лучшим зарубежным аналогам, уровня физико-механических характеристик и стабильности качественных показателей. Очевидно, что разработка нового волочильного инструмента повышенной надежности и технологии его изготовления, на основе современных научно-технических достижений является одним из возможных и целесообразных путей улучшения его качественных показателей.
В данной работе улучшение качества инструмента обеспечивается повышением его ресурса и вероятности безотказной работы - основных характеристик надежности, за счет увеличения износостойкости рабочей поверхности. При этом повышение износостойкости волочильного инструмента достигается улучшением физико-механических характеристик материала поверхностного слоя при совершенствовании технологии его изготовления за счет применения новой операции упрочнения.
Расчетный уровень износостойкости инструмента и его технический ресурс определяются с использованием нового, структурно-энергетического подхода с применением методов оценки относительной износостойкости триботехнических изделий и материалов. Такой подход позволил разработать математическую модель процесса изнашивания волочильного инструмента при эксплуатации и на ее основе создать физико-вероятностную модель формирования его постепенных отказов.
Основные показатели надежности: вероятность безотказной работы в текущий момент времени и гамма процентный ресурс для заданного класса надежности определяются из условия достижения текущим износом волоки предельно-допустимого значения. Текущее значение износа оценивается по модели отношением величины внешней энергии (работы сил трения, совершенной в очаге деформации на данный момент времени) с учетом масштабного уровня нагружения к значению показателя износостойкости поверхностного слоя, который определяет критическую для данного материала плотность энергии (энергоемкость) деформируемого при трении объема поверхностного слоя, приводящую к локальному усталостному разрушению (износу) поверхности. Критическая энергоемкость определена в виде функции фрикционной выносливости материала поверхностного слоя с заданными физико-механическими характеристиками и графически для каждого материала реализуется в виде «кривой фрикционной усталости».
Для улучшения физико-механических свойств и, следовательно, повышения износостойкости поверхностного слоя, в технологической схеме изготовления серийного волочильного инструмента предложена новая операция — вибро-акустическая обработка (ВАО).
Полученные результаты позволили существенно повысить износостойкость, долговечность и безотказность твердосплавного волочильного инструмента, а также решить вопрос ранжирования и стандартизации волочильного инструмента по классам и разрядам износостойкости согласно ГОСТ 304790 и Р 50-95-88 «Обеспечение износостойкости изделий» в зависимости от уровня износостойкости его рабочей поверхности.
Работа выполнена в Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова на кафедре механического оборудования металлургических заводов. Автор выражает благодарность за неоценимую помощь при ее выполнении: доктору технических наук, профессору Кандаурову Л.Е, доктору технических наук, профессору Железкову О.С, кандидату технических наук, профессору Жиркину ЮЪ кандидату технических наук Анцупову А.В., кандидату технических наук Семеновой О.В. и кандидату технических наук Анцупову Ал.В.
Исследование микроструктуры и физико-механических характеристик серийных твердосплавных волок
Для оценки уровня значений вышеназванных физико-механических характеристик были исследованы 50 серийных волок производства Кировоградского завода твердых сплавов. Контроль на соответствие этих заготовок требованиям ГОСТ 9453 «Волоки - заготовки из твердых спеченных сплавов для волочения проволоки круглого сечения» и ГОСТ-3882 «Сплавы твердые спеченные» показал, что все заготовки соответствуют требованиям указанных ГОСТов [9, 10].
На основе полученных результатов предложено в нормативные документы помимо трех показателей, регламентированных ГОСТ качества 1-го уровня волочильного инструмента включить требования по регламентации максимальной величины зерен карбида вольфрама dm 6 мкм. Для контроля зернистости твердосплавных заготовок на основании а. с. № 1714438 «Способ определения зернистости твердых сплавов» предложено зернистость карбида вольфрама определять путем сопоставления результатов измерений значений твердости по Виккерсу (HV).
Исследования, проведенные совместно с МНИЛ «Тороид» [10, 12] показали, что диапазоны значений основных физико-механических характеристик серийного волочильного инструмента из сплавов марок ВК6, ВК8, ВК15, ВК20, ВК25 составляют: -предел прочности при изгибе (Jв =1274-2156 МПа; -плотность р =(12,9-15,0)4О3 кг/м3; -твердость HRA =82,0-90,0; -размер зерен WC dwc =4-20 мкм; -количество мелких зерен КИтГ1 = 10-15 %; "WC mm -объемное содержание пор (степень пористости) П =0,8%; размер пор /я=10-50 мкм; -прочность при сжатии JR =3580-4300 МПа; -остаточная деформация сжатия socm = 0-0,5%; -шероховатость поверхности Ra =0,16-0,63 мкм; -остаточные поверхностные растягивающие напряжениясгост=-1300- -1500 МПа.
В столбце 7 табл. 1.3 экспериментальными исследованиями [9, 13], определены фактические значения всех десяти показателей качества 1-го уровня по типовой технологии для сплава ВК6. Очевидно, что их уровень существенно ниже уровня зарубежных аналогов. Это говорит о том, что помимо создания новой НТД, требует существенного улучшения существующая схема собственно технологического процесса производства стандартного волочильного инструмента.
И Эксплуатационные показатели качества 2-го уровня: 1! (ра ссчитываемые) 11 Ри - линейная износостойкость комп. 1 И - - - 12 Pi2 - класс и разряд линейной 1 износостойкости волочильного комп. КИ/р - - - инструмента 13 Різ - энергетическая износостойкость комп. к Дж/мм3 - - 14 Pi4 класс и разряд энергетической износостойкости комп. ки/Ра - - - - ед- единичный показатель; комп. - комплексный показатель. Для получения равномерно мелкодисперсных сплавов системы WC-Co, улучшения физико-механических характеристик сгн , ан , HRA и повышения качества волочильного инструмента, в первую очередь требует совершенствования технология производства твердосплавных волок-заготовок. Анализ структуры типовой технологии производства серийного волочильного инструмента и ее влияние на формирование физико-механических характеристик представлен в следующем подразделе.
В настоящее время наиболее распространенным вариантом технологии производства твердосплавных волок является технологическая схема (рис. 1.2), включающая два этапа: изготовление волок-заготовок ГОСТ 9453-75 (рис. 1.2 а) и готовых изделий (рис. 1.2 б). Основными операциями первого этапа (рис. П2)являются: подготовка-исходныхматериалов(контрольисходньгхгпорошков г и приготовление смеси), прессование и последующее спекание.
На первой стадии низкотемпературного спекания, выполняемой в среде водорода при температуре 1150-1250С, происходит удаление пластификатора. Формирование заданных свойств твердого сплава достигают на второй стадии при температуре 1350-1480 С. Время спекания зависит от толщины изделий и содержания кобальта и составляет 1-2 часа.
Приведенный процесс производства волок-заготовок обеспечивает требуемый уровень трех показателей, регламентируемых ГОСТ 3882: аВи, р, HRA (см. табл. 1.3, столбец 6). Этот уровень значений подтверждают исследования [9, 14], которые представлены в 7-ом столбце табл. 1.3.
Типовая технология по этим качественным параметрам как будто соответствует рекомендуемым стандартам. Однако практика эксплуатации стандартного волочильного инструмента доказывает обратное.
Одной из основных причин его низкой износостойкости является большая неоднородность микроструктуры сплавов [15-17], рис. 1.3. Отдельные крупные зерна WC и их скопления являются источниками разрушения твердых сплавов WC-Co при эксплуатации [11, 18]. Размер сечений таких зерен обычно в 10 и более раз превышает максимальный размер сечений основной массы зерен (см. табл. 1.3, столбец 7).
Схема типовой технологии изготовления твердосплавного волочильного инструмента: а - волок-заготовок; б - готового инструмента Полагают [19-22], что появление крупных зерен WC в вольфрамовых твердых сплавах обусловлено высокой температурой и большой длительностью периода спекания, которое по типовой технологии составляет 1-2 часа. Согласно [23-27], время роста зерен карбида вольфрама в заготовках, спрессованных при высоких (порядка 1 ГПа) давлениях, не должно превышать 0,2-0,3 часа. При этом размер основной массы зерен dwc бмкм, а наработка
(ресурс) (кг/отв) таких волок в 4-6 раз выше изготовленных по ГОСТ 3882. В этом случае процент мелких зерен должен быть не ниже 70 %, что в 3,5-7 раз выше, чем по типовой технологии (см. табл. 1.3).
Другим недостатком, существенно снижающим прочностные характеристики, в том числе поверхностного слоя, является пористость твердого сплава. Поры и скопления связующей кобальтовой фазы, также как и графит являются дефектами структуры [11, 28, 29]. Пористость заготовок после прессования и спекания составляет около 0,5 % [30-32] (табл. 1.3, столбец 7). Высокая пористость объясняется сравнительно низким (порядка 100 МПа) давлением прессования [33-36].
Согласно зарубежным данным [37-41], в большинстве случаев волоки-заготовки из вольфрамокобальтовых сплавов получают вакуумным спеканием при температуре 1600 С в течении одного часа после гидростатического прессования заготовки при давлении 1ГПа. При этом почти полностью устраняется микропористость (77 0,2%, см. табл. 1,3, столбец 8) и обеспечивается высокая прочность сплава: а1!сж =5800 МПа против уПсж = 4300 МПа по типовой технологии.
Модель расчета удельной мощности сил трения в очаге деформации
Для реализации модели (2.3)-(2.11) критическую плотность энергии локального разрушения Июр = Июр2 =-Ит материала поверхностного слоя волочильного инструмента, можно определить, используя главное уравнение связи показателей энергетической и усталостной теорий износа [94]. Выражение см. (1.14), (1.15) определяющее энергетическую износостойкость рабочей поверхности [98, 103, 104] (мнимую плотность энергии трения [94, 106, 108]), для произвольного фрикционного сопряжения имеет вид [94]: Ит=та111г=Аа.Ь-та1КУа, (2.12) где ra=pa-f - номинальное касательное контактное напряжение, pa,f нормальное номинальное давление и коэффициент трения на контакте; Ih = AVa l(Aa -L) - линейная интенсивность усталостного изнашивания; AVa - объем изношенного материала, удаленный с номинальной площади Аа поверхности трения на пути трения L. Концепция усталостного изнашивания И. В. Крагельского [82] предполагает разрушение поверхностного шероховатого слоя по следующему механизму. Отделение частиц износа от периодически возникающих в поверхностном слое деформируемых микрообъемов Vci, примыкающих к фактическим площадкам контакта, происходит после критического числа взаимодействий (возникновения и нарушения фрикционных связей) пкр.
Суммарный, деформируемый при трении объем Vc поверхностного шероховатого слоя, проникающий внутрь тела на номинальной поверхности Аа, ограничен некоторой площадью поверхности Ас. Изношенный объем AVC, который отделяется от деформируемого объема Vc поверхностного слоя за одно фрикционное воздействие, составляет: AVC = VcjnKp . Согласно допущениям основной расчетной схемы И. В. Крагельского [82], за деформируемый объем принимают сумму объемов внедренных в гладкое деформируемое изнашиваемое тело «жесткігх» микровыступов изнашивающего контртела Vc=Vr. При этом объем Vr считают ограниченным фактической площадью Ас = Аг. Для расчета Vc = Vr используют уравнение опорной поверхности, начальный участок которой аппроксимируют степенной функцией Ar = Аа -b-sv. Здесь - = ///i?max, h" - относительная и абсолютная максимальная глубина внедрения микровыступов контртела, Я1тт - наибольшая высота неровностей профиля; b, v - параметры опорной кривой, Аа номинальная площадь контакта.
Основные геометрические характеристики усталостного разрушения поверхностного слоя И. В. Крагельского: - деформируемый объем поверхностного слоя на пути трения, равном диаметру пятна контакта L = d Vr = Ar-h /(o + l); (2.13) - фактический объем изношенного материала, удаленный с фактической площади Аг на пути трения L = d AVr=VrlnKp=Ar -h l(nKp -(o + l)); (2.14) - удельная интенсивность усталостного изнашивания (объем материала, удаленный с единицы фактической площади Аг поверхности трения на единице пути трения L = 1) i = AVr /(Ar -d) = h l(nhp -(v + l)-d); (2.15) - линейная интенсивность усталостного изнашивания (объем материала, удаленный с единицы номинальной площади Аа на единице пути трения 1 = 1) Ih=i.(Ar/Aa) = h .(Ar/Aa)/(nKp-(v + \).d); (2.16) - объемный износ (объем изношенного на Аа материала на пути трения L ) AVa=Ih-Aa.L = h -Ar-L/(nKp-(v + \)-d); (2.17) - средняя толщина изношенного слоя Ah = AV/Aa = h Ar -L/{Aa-nKp -(v + \)-d). (2.18)
Фактическая площадь касания Ar и максимальная глубина внедрения h зависят от упругопластических свойств материалов, нагрузки, формы и распределения микронеровностей. Число циклов пкр до разрушения находят отдельно для областей много- и малоцикловой усталости с использованием зависимости Веллера [93]. При микрорезании принимают пкр=1, рг=НВ.
Определение параметров [82], входящих в условие для интенсивности изнашивания материалов (2.16), согласно [2] дает громоздкие, мало пригодные для инженерных расчетов выражения, позволяющие только качественно оценить их влияние на износ.
Мнимая плотность энергии [88] по словам автора «...не является свойством материала, а характеризует только критический уровень энергии, устанавливающийся в процессе изнашивания при определенном его виде и соответствующих условиях...».
Для оценки интенсивности изнашивания с выделением плотности энергии, как механической характеристики материала, Г. фляйшер, Г. Грегер и др. [88, 92, 93] предложили расширенную зависимость (1.16), реализация которой [93] «...требует дополнительных экспериментальных исследований для установления взаимосвязи между отдельными расчетными величинами и физико-механическими характеристиками рабочего материала...», однако «...создает предпосылки для разработки в будущем инженерных расчетов трибологических процессов» [92].
При создании расчетных методик оценки износостойкости материалов и прогнозирования текущего износа деталей трибосопряжений, на наш взгляд, перечисленные выше допущения при оценке AVa можно уточнить. С этой целью предлагается перейти от основной расчетной схемы [82] к реальному фрикционному взаимодействию двух шероховатых тел со своими физико-механическими характеристиками. Для этого необходимо для каждого из тел за деформируемый объем поверхностного слоя Vc принять [90] область всесторонне сжатого материала, равную сумме нагруженных микрообъемов, примыкающих к фактической площади Аг всех микроконтактов, возникающих на площади Аа. В них внутренние напряжения уравновешивают внешнюю нагрузку. Именно в этих объемах могут возникнуть усталостные разрушения при достижении плотностью аккумулированной энергии критического значения. При этом, определяя Vc, его можно ограничить площадью контура Ас [90], равной сумме площадей сечений, нормальных к направлению действия вектора фактического давления рг и определяемых диаметрами изохром первого порядка.
В общем случае процесс ее изменения при изнашивании со скоростью У А - 2" К (z - 0 зависит от интенсивности изменения параметров фрикционного взаимодействия поверхности волоки с деформируемым металлом. После достижения износом А(0 допустимого значения [А] происходит параметрический отказ волоки, (см. рис. 2.3.). Каждая і-тая реализация определяет ресурс (наработку) і-той волоки t = l].
Экспериментально-аналитическая оценка износостойкости серийного волочильного инструмента
Для оценки адекватности теоретических разработок использовали результаты промышленного эксперимента, в котором для указанных в табл.3.1 и табл.3.2 условий маршрута волочения партий проволоки были проведены замеры диаметрального износа применяемых серийных волок из сплава ВК6. Износ волоки определяли по разности диаметров (начального выходного сечения волоки и выходящей из нее заготовки, полагая, что он с достаточной точностью соответствует размеру выходного сечения) Ad І = 2 Ariz=l, і - номер опыта. Для статистической обработки результатов использована экспериментально-расчетная методика [87].
В качестве исходных данных для сравнения теоретических и экспериментальных результатов по оценке износостойкости материала, кроме значений радиального износа Аг и технологических параметров: геометрических размеров d0/d1, скорости V волочения, ресурса каждой исследуемой волоки (, использовали некоторые промежуточные расчетные характеристики: -скорость изнашивания Vu :Ы; - номинальное контактное давление ры; - коэффициент трения fz=l; - контурное напряжение pcz=l; - критическое число циклов до отделения частиц износа nKpz=l; - удельную мощность сил трения N] (z = I); - удельную работу трения A p{z = I,t); - коэффициент аккумулирования энергии э, значения которых определяли в точках сечения z = l на выходе из очага деформации, в каждом переходе маршрута волочения. Для исследованного маршрута они представлены в табл. 3.2.
Полученные значения энергоемкости Иар1 (как характеристики материала) можно согласовать с результатами исследований фрикционной износостойкости рабочей поверхности И(Ы серийных волок из ВК6, опубликованными в работах [103, 104, 119]. Значение используемого в работах показателя энергетической износостойкости Иа (характеристики процесса) следует в соответствии с (2.31) умножить на полученное значение показателя аккумулирования энергии э. Кроме того, необходимо согласовать уровень значений номинального давления и коэффициента трения, так как в ранних работах показатель износостойкости определяли с достаточно грубым допущением о равномерном распределении диаметрального (т.е удвоенного) значения износа по рабочей поверхности трения волоки и постоянной величиной коэффициента трения. Более точным следует считать изложенный выше подход, а для характеристики износостойкости поверхности трения волочильного инструмента использовать отношение аккумулированной удельной работы сил трения в точке к измеряемому линейному (радиальному) износу в той же точке. Это позволит корректнее оценить класс и разряд износостойкости волочильного инструмента из данного материала. Количественную оценку адекватности теоретической модели процесса изнашивания волочильного инструмента в данном изложении следует проводить по двум показателям: критической плотности удельной энергии разрушения Иф, и коэффициенту аккумулирования энергии %.
Сравнивая экспериментальные значения ИэтрЫ с результатами теоретических исследований И г, см. табл. 3.2, следует отметить их удовлетворительное совпадение, так как ошибка по среднему значению показателя износостойкости не превышает 1,75%, а по среднему квадратическому отклонению -46%.
Сравнение расчетных и экспериментальных значений показателя .=/ аккумулирования внешней энергии элементарными объемами материала волок, расположенными на выходе из очага деформации в каждом переходе выбранного маршрута волочения, выполняли по следующей методике. Согласно [93, 108] возможный интервал изменения показателя аккумулирования энергии составляет (0.09...0.16). В этом случае среднее значение 1 = 0,125, стандарт а = 0.012, коэффициент вариации V = 0,093.
Трибодиагностика элемента любого фрикционного сопряжения предполагает ранжирование его в «классификации изделий и материалов по износостойкости» и установление его принадлежности к тому или иному классу и разряду [1, 2]. Класс и разряд износостойкости определяют по безразмерному показателю износостойкости — «линейной» износостойкости И, обратной линейной интенсивности изнашивания (и = \/ih).
Интегральная линейная износостойкость И может быть определена согласно известной «методике расчетной оценки износостойкости поверхностей трения деталей машин» И.В. Крагельского [82], однако допущения, заложенные в основу расчета, не позволяют с достаточной точностью использовать её для описания механизма изнашивания волочильного инструмента (см. п. 2.1.3). Тем не менее, величину И согласно [83, 94], можно определить с помощью максимального Mmpmzx или текущего
Повышение износостойкости волочильного инструмента созданием рациональных параметров микрогеометрии его рабочего канала
При этом высота профиля шероховатости поверхности зависит от режимов обработки и характеристик обрабатывающего инструмента, жесткости технологической системы, физико-механических свойств обрабатываемого сплава и состава применяемых полировочных паст. Основное влияние на образование шероховатости оказывают продольная подача, усилие прижима и жесткость технологической системы. Увеличение числа проходов приводит к снижению перечисленных факторов на высоту профиля шероховатости и к увеличению влияния молекулярного взаимодействия обрабатываемого инструмента с обрабатываемым сплавом [123, 124].
Рассчитанные значения энергетической износостойкости Иш рабочей поверхности волочильного инструмента позволяют не только прогнозировать текущий износ волоки в каждом переходе маршрута волочения (см. ф. (2.3)), оценивать вероятность безотказной работы и прогнозировать ресурс (см. п. 3.5), но и решать целый ряд других практических задач. Например, планировать . рациональные маршруты волочения по всем переходам маршрута по критерию минимального износа и, следовательно, точности проволоки в рамках ГОСТа, изменяя величину коэффициента трения (выбором смазочного материала, характера смазывания и др.), или коэффициента противонатяжения. В то же время, методика оценки текущего износа с помощью показателя износостойкости Исо поверхности с различными выходными параметрами (показателями качества 1-го уровня), позволяет планировать технически и экономически целесообразную компоновку комплекта волок по условию равенства ресурса их работы по переходам и возможности одновременной замены всего комплекта.
В соответствии с рекомендациями диссертационной работы по договору № 80573 от 16 января 2008 г. ООО НП «Мартенсит» г. Миасс была проведена вибро-акустическая обработка 200 шт. волок-заготовок из сплава ВК6 производства Кировоградского завода твердых сплавов (см. приложение 1, 2). Для использования волок в СКЦ ОАО «ММК-МЕТИЗ» при волочении проволоки из стали 70 по следующему маршруту: 3,1-2,78-2,5-2,25-2,04-1,85-1,68-1,52-1,38-1,27-1,15-1,08-1,05-1 мм.
Внутренний канал волок-заготовок обрабатывался в условиях фильерной мастерской метизной площадки ОАО «ММК-МЕТИЗ» на оборудовании фирмы «Scob»: угол рабочего конуса волок - 8, длина калибрующей зоны - 50% от диаметра выходного отверстия d, угол выходной распушки - 70.
Допуски на геометрические параметры волочильного инструмента: - угол рабочего конуса - ±1. - длина калибрующего пояска — ±5% от d. - выходной диаметр d - -0,01 мм. Изготовленный волочильный инструмент маркировался как «опытный», упаковывался в отдельный ящик и вместе с сопроводительными документами передавался в производственный цех.
Из инструментальной кладовой СКЦ опытные волоки передавались на волочильный стан строго под контролем ведущего инженера инструментального производства ОАО «ММК-МЕТИЗ» по эксплуатации инструмента. В процессе волочения стан останавливался через каждые два часа, производились замеры проволоки в каждом переходе, визуальный контроль качества поверхности проволоки. Критерием замены чистовой волоки являлся выход диаметра проволоки или её овальности за предельно допустимые значения, регламентируемые стандартом. По маршруту волочения технологический инструмент менялся в случае появления задиров или зеркального блеска на поверхности проволоки. При этом для каждой заменяемой волоки фиксировалась масса протянутой через нее проволоки.
Отработанные волоки откладывались в отдельный ящик и передавались на участок изготовления волочильного инструмента. После этого волоки мыли и производили визуальный контроль их рабочего канала. Волоки с расколовшимися и треснувшими твердосплавными вставками отбраковывались, а их наработка (кг/отв) при подсчете средней стойкости в том или ином переходе не учитывалась. Технологический инструмент имеющий «нормальный» износ подвергался перешлифовке на новый размер и повторно испытывал ся на волочильном стане. Эксперимент продолжался до тех пор, пока была возможность собрать весь маршрут волочения из опытного волочильного инструмента.
В рамках данного промышленного эксперимента были также исследованы 200 волок изготовленных по традиционной технологии. Методика их исследования аналогична методике использованной для волок подвергнутых вибро-акустической обработке. Для обеспечения достоверности полученных результатов испытания обработанных и необработанных (изготовленных по существующей технологии) волок проводили в идентичных условиях (на одном волочильном стане, на одном сырье и при одних технологических параметрах процесса волочения).
Используя предложенную в данной работе методику прогнозирования надежности волочильного инструмента при его изнашивании в очаге деформации (см. п. 3.6), на рис. 4.2 представлено изменение вероятности безотказной работы и ресурса волочильного инструмента, изготовленного с применением предложенных технологических операций для условий контрольного примера, рассмотренного в пункте 3.6.
Повышение износостойкости рабочей поверхности новых волок в 6,14/2,215=2,78 раз позволяет значительно улучшить показатели надежности нового волочильного инструмента по сравнению с серийным. В частности, при сохранении параметров фрикционного взаимодействия металла с волокой и прочих равных условиях эксплуатации, для назначенного ресурса .=19,4 часа, коэффициент запаса надежности с 90%-ным уровнем вероятности на момент окончания работы составит KH(tK) = 4,87 против KH(tK) = \,73 для серийного волочильного инструмента, см. рис. 3.9. Гамма(90)-процентный ресурс определится из условия А90(/) = [А] и составит Тдо =101,4 ч. против Т90 = 36,47 ч. для серийных волок. Таким образом, остаточный ресурс нового инструмента tocm = 82 ч., превышающий остаточный ресурс серийного волочильного инструмента в 4,8 раз (см. п. 3.6, рис. 3.9).
Планируемый экономический эффект в данной работе рассчитан на основании данных, предоставленных управлением экономики ОАО «ММК-МЕТИЗ». Он определен приближенно и складывается из двух основных компонентов: снижения затрат на закупку волок-заготовок и за счет снижения себестоимости выпускаемой проволоки. Объем выпуска проволоки взят за прошлый 2007 год и принято допущение об его постоянстве в пределах 2007-2008 календарных годов. Исходные данные для расчета представлены в таблицах 4.5 и 4.6.
Повышение износостойкости волочильного инструмента, обоснованное в работе, приведет к значительному (до 4978,2 кг) снижению массы закупаемого твердого сплава. Это позволит предприятию экономить ежегодно до 4978,2x1150,00 руб = 5 724 930,00 руб.
Статья «расходы на технологический инструмент» в калькуляции себестоимости продукции в среднем по всем номенклатурным позициям, выпускаемым ОАО ММК-МЕТИЗ , в настоящий момент составляет 24 руб/т.
