Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопросов эксплуатационной стойкости инструмента полугорячего выдавливания 14
1.1. Технологические особенности процесса нагружения пуансонов при полугорячем выдавливании 14
1.2. Исследования эксплуатационной стойкости инструмента полугорячего выдавливания 21
1.3. Задачи исследования 26
2. Исследование механизма разрушения рабочей части пуансона при циклическом термомосиловом нагружении 27
2.1. Анализ силовых параметров процесса 27
2.2. Особенности теплопередачи в процессе термосилового нагружения образца-пуансона 40
2.3. Алгоритм и программа прогнозирования стойкости пуансонов полугорячего выдавливания 59
2.4. Выводы 64
3. Установка для исследования стойкости пуансонов полугорячего выдавливания 67
3.1. Особенности конструкции опытной установки исследования стойкости на базе пресса К2130Б 67
3.2. Технологические параметры процесса полугорячего выдавливания и методика их регистрации 71
3.3. Технология изготовления образец-пуансона 79
3.4. Методика обнаружения и количественной оценки трещин разрушения 82
3.5. Выводы 85
4. Экспериментальное исследование процесса циклического термосилового нагружения образец-пуансона 87
4.1. Планирование эксперимента и расчет статистических характеристик опыта 87
4.2. Уравнения регрессии для расчета стойкости пуансонов полугорячего выдавливания 97
4.3. Сопоставление экспериментальных и расчетных характеристик стойкости пуансонов 102
4.4. Выводы 106
5. Определие параметров технологического режима процесса полугорячего выдавливания по характеристике стойкости инструмента 108
5.1. Алгоритм и программа определения параметров технологического процесса полугорячего выдавливания 108
5.2. Практическое применение результатов стойкости пуансонов при проектировании процесса полугорячего выдавливания 126
5.3. Выводы 129
Основные результаты и выводы 131
Список литературы 136
Приложение
- Исследования эксплуатационной стойкости инструмента полугорячего выдавливания
- Особенности теплопередачи в процессе термосилового нагружения образца-пуансона
- Технологические параметры процесса полугорячего выдавливания и методика их регистрации
- Уравнения регрессии для расчета стойкости пуансонов полугорячего выдавливания
Введение к работе
Основными показателями, определяющими эффективность новых технологий в машиностроении, являются энергометаллоемость и трудоемкость изготовления деталей.
Созданные технологические процессы с применением ключевых операций холодной объемной штамповки на базе заготовок сортового проката характеризуются достаточно высоким коэффициентом использования металла. Однако дальнейшее их развитие ограничивается целым рядом факторов, определяющих трудоемкость [58]:
необходимость повышения качества исходных заготовок сортового проката, получаемой отрубкой в штампах и на прессах, за счет введения дополнительных операций калибровки, термообработки и химобработки;
ограничение возможности формирования необходимых механических свойств детали в результате холодной объемной штамповки;
невысокая производительность, зависящая от удельной силы и скорости деформации.
Разработка технологических процессов с применением полугорячей штамповки (прессование, прямое и обратное выдавливание) позволяет в большей степени исключить указанные недостатки.
Технологическими особенностями, определяющими преимущества полугорячей штамповки, являются:
- повышение пластичности и снижение удельных сил на инструмент, что
дает возможность получать детали из высокоуглеродистых и легированных
сталей с большей степенью деформации, чем при холодной объемной
штамповке;
- формирование заданных механических свойств деталей путем
варьирования термомеханическими параметрами процесса;
- получение деталей по классам чистоты и точности, незначительно
уступающим деталям, полученным холодной штамповкой.
- возможность выполнения процесса полугорячей штамповки с одного
нагрева исходной заготовки за три-четыре перехода;
- возможность реализации отдельных операций и технологических
процессов на высокопроизводительных автоматических линиях.
Несмотря на это, процессы холодного выдавливания, по сравнению с полугорячими процессами обработки металлов давлением, являются наиболее эффективными за счет более высокой стойкости штампового инструмента.
Вопросы рентабельности производства особенно остро стоят для полугорячего выдавливания, в процессе которого штамповая оснастка воспринимает наиболее значительные нагрузки из-за термического и силового циклических воздействий по сравнению с методами холодной штамповки. При этом в самых тяжелых условиях работают пуансоны, так как сжимающие напряжения, которые они испытывают, достигают 1500-1700 МПа. Именно поэтому срок службы пуансонов, в основном, не превышает 10-20 тыс. циклов нагружения, а проблема повышения их стойкости остается крайне актуальной [40].
Чтобы повысить долговечность пуансонов, необходимо знать причину выхода их из строя.
По мнению одних авторов [5, 40], разрушение пуансонов происходит из-за чрезмерных изгибающих нагрузок.
В то же время, другие авторы [42] считают, что изгибающими нагрузками можно пренебречь ввиду их небольших значений, а характеристики, полученные при испытании на изгиб, могут не учитываться при расчете инструмента на прочность; истинной же причиной разрушения является слишком высокий уровень напряжений сжатия при прямом ходе пуансона.
Некоторые авторы утверждают, что решающим фактором, приводящим в большей степени к разрушению инструмента при полугорячем выдавливании, является все же температурное воздействие [14, 22,33, 37].
Таким образом, имеющиеся в литературе сведения о природе разрушающих нагрузок пуансонов полугорячего выдавливания, достаточно противоречивы.
С целью исследования влияния технологических параметров исследуемого процесса на разрушение рабочего инструмента, смонтирована установка для определения стойкости пуансонов полугорячего выдавливания. В работе проводится экспериментальное исследование стойкости пуансонов полугорячего выдавливания с привлечением метода планирования эксперимента. На базе результатов исследования определяются оптимальные параметры технологического процесса полугорячего выдавливания с учетом получения максимальной стойкости пуансонов.
Актуальность работы
В процессе полугорячего выдавливания в наиболее неблагоприятных условиях работают пуансоны, испытывающие циклическое термосиловое нагружение. Стойкость пуансонов полугорячего выдавливания ограничивается 10-20 тыс. циклов. Частая смена инструмента снижает производительность и повышает расходы на изготовление готовой продукции.
В условиях массового производства изготовление пуансонов становится серийным, что значительно повышает себестоимость изделий, получаемых полугорячим выдавливанием. В настоящее время существует ряд производственных наработок по стойкости инструмента, однако, имеющиеся данные не применимы к откорректированным, усовершенствованным и новоразработанным технологическим процессам полугорячего выдавливания. Для обеспечения, в конечном итоге, наибольшей технологичности процесса полугорячего выдавливания необходимо прогнозирование стойкости пуансонов различного типа, изготовленных из различных материалов и работающих при различных технологических режимах.
Для прогнозирования стойкости пуансонов необходимо:
- разработка методик, позволяющих всесторонне и быстро оценить (или
подобрать) оптимальные параметры термосилового нагружения,
обеспечивающие максимальную стойкость пуансона;
- создание установки, позволяющей по заданным параметрам
технологического процесса спрогнозировать стойкость модели реального
пуансона- универсального образца-пуансона.
- разработка программного обеспечения для ЭВМ, позволяющего
теоретически или на основании экспериментальных данных быстро и точно
выявлять технологические режимы процесса, приводящие к заданным
стойкости инструмента и свойствам готового изделия.
Таким образом, актуальность работы обусловлена повышением эффективности процесса полугорячего выдавливания путем прогнозирования стойкости пуансонов.
Цель работы Повышение эффективности технологии полугорячего выдавливания путем прогнозирования стойкости пуансонов, базирующейся на моделировании процесса термомеханического нагружения.
Автор защищает
1. Обоснование выбора наиболее важных технологических парамеров,
влияющих на процесс разрушения рабочей части пуансонов полугорячего
выдавливания.
2. Методику теоретического расчета малоцикловой стойкости
универсального образца-пуансона, разработанную на основе представлений об
особенностях работы приконтактного слоя инструмента в условиях
циклического температурного и силового воздействия, использующую
соотношения теории нестационарного теплообмена для определения
температурных условий работы пуансонов при различных режимах.
3. Алгоритм проектирования и созданное на его основе программное
обеспечение по определению малоцикловой стойкости пуансонов
полугорячего выдавливания.
4. Методику проведения эксперимента с использованием универсальных
образцов-пуансонов.
Конструкцию опытной установки по исследованию стойкости пуансонов полугорячего выдавливания на базе пресса К21 ЗОБ.
Результаты экспериментальных исследований по определению стойкости пуансонов полугорячего выдавливания.
Правомерность оптимизации технологических параметров процесса полугорячего выдавливания по полученной экспериментально характеристике стойкости инструмента.
Программное обеспечение по определению стойкости пуансонов полугорячего выдавливания на основе данных, полученных в ходе эксперимента.
Методы исследовании При решении поставленных в работе задач использовались:
Теоретический анализ процесса полугорячего выдавливания, развития и распространения усталостных трещин при полугорячем выдавливании выполнен с привлечением основных положений механики сплошной среды.
Теоретический анализ температурных условий работы при контактного слоя пуансона по теории нестационарного теплообмена с использованием математической модели для расчета температурного поля сплошного ограниченного цилиндра.
Метод тензометрирования для определения сил при циклическом термосиловом нагружении.
4. Математическая статистика и метод планирования эксперимента с целью проведения корреляционно-регрессионного анализа полученной модели.
Научная новизна
Разработана методика теоретического прогнозирования циклической стойкости пуансонов полугорячего выдавливания на базе решения задачи осадки цилиндра методом осредненных напряжений и осадки тонких полос (дисков) плитами в у пру го пластическом состоянии, учитывающая технологические параметры процесса полугорячего выдавливания.
Разработана методика экспериментального определения стойкости пуансонов полугорячего выдавливания с использованием модели реального пуансона - образца-пуансон а, учитывающая разнообразие геометрических форм применяемых пуансонов.
Практическая ценность
Спроектирована и создана установка для определения стойкости пуансонов полугорячего выдавливания, позволяющая в зависимости от требуемого технологического режима варьировать значениями основных параметров полугорячего выдавливания.
По уравнениям регрессии для трех марок сталей (Р6М5, 4Х5МФС, ЗХЗМЗФ), полученным методом корреляционно-регрессионного анализа результатов эксперимента, оценено и представлено в виде графиков влияние технологических параметров процесса полугорячего выдавливания на стойкость инструмента.
Разработаны алгоритм и программное обеспечение для прогнозирования стойкости пуансонов полугорячего выдавливания при варьировании основными технологическими параметрами исследуемого процесса.
На основе результатов исследования создано программное обеспечение, позволяющее быстро и достаточно точно определять
технологический режим процесса полугорячего выдавливания при обеспечении требуемых размеров и механических свойств поковки, производительности оборудования и стойкости инструмента.
Результаты исследований могут быть использованы в цепном и специальном производствах при разработке новых (на базе полугорячего выдавливания) и повышении эффективности имеющихся технологий.
Апробация работы
Основные положения работы доложены на:
- международной научно-технической конференции «Проблемы
проектирования и производства систем и комплексов». Тула, 2004 г.
- региональной научно-технической конференции «Техника XXI века
глазами молодых ученых». Тула, 2005 год.
ежегодной региональной научно-технической конференции «Проблемы проектирования и производства систем и комплексов». Тула, 2005 г.
- международной электронной научно-технической конференции
«Творческое наследие профессора В. Ф. Прейса». Тула, 2006 г.
ежегодных семинарах кафедры «Технологическая механика». Тула, 2003-2006 г.г.
профессорско-преподавательской научно-технической конференции кафедр «Технологическая механика» и МПФ ТулГУ. Тула, 2003-2006 г.г.
Публикации Основные положения диссертации изложены в работах [9, 10, 55, 56, 57, 61,62,63].
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка используемых источников из 140 наименований на 13 страницах,
приложения на 67 страницах и включает 133 страниц машинописного текста, 37 рисунков, 13 таблиц. Общий объем работы с приложениями - 214 страниц.
Во введении обоснована эффективность применения полугорячих процессов ОМД по сравнению с холодными, указаны преимущества процесса полугорячего выдавливания, обозначены основные проблемы, связанные с частой сменой инструмента в процессе полугорячего выдавливания, выявлены основные причины быстрого износа пуансонов полугорячего выдавливания. Приведены цель, задачи, актуальность, методы исследования, научная новизна и практическая ценность работы, изложены структура и объем работы.
В первом разделе приведены основные особенности процесса нагружения пуансонов полугорячего выдавливания, к которым относятся совместное влияние действия силового и теплового нагружения, интервал температур, напряженное и деформированное состояние рабочей части пуансонов. Проведен анализ исследований эксплуатационной стойкости инструмента, а также анализ основных технологических параметров исследуемого процесса, влияющих на разрушение рабочей части пуансонов полугорячего выдавливания, характеризуются известные теоретические и экспериментальные методы определения стойкости.
Во втором разделе работы проведен анализ силовых и тепловых параметров процесса полугорячего выдавливания, выявлены наиболее опасные зоны пуансонов с точки зрения появления первых усталостных микротрещин, решены задачи по определению деформаций и режимов теплообмена между инструментом и заготовкой, предложен универсальный метод расчета малоцикловой стойкости пуансонов полугорячего выдавливания на основе применения универсального образца-пуансона и опытной установки для определения стойкости. Разработана программа «Стойкость», позволяющая рассчитать ресурс малоцикловой усталости по
технологическим параметрам процесса полугорячего выдавливания. Сделаны выводы.
В третьем разделе указаны особенности конструкции установки, базирующейся на прессе К2130Б, для определения значений стойкости применяемых в качестве испытуемых объектов образец-пуансонов, приведены методика регистрации параметров процесса полугорячего выдавливания с указанием названий всех регистрирующих приборов, представлена технология подготовки образец-пуансонов к проведению эксперимента. Сделаны выводы.
В четвертом разделе проведен корреляционно-регрессионный анализ результатов эксперимента. Подробно изложен метод планирования эксперимента, показан вывод уравнений регрессии, позволяющих получить значения стойкости пуансонов полугорячего выдавливания, представлены результаты эксперимента для трех марок сталей (Р6М5, 4Х5МФС, ЗХЗМЗФ-), проведено сравнение экспериментальных и расчетных значений стойкости. Сделаны выводы.
В пятом разделе работы представлено программное обеспечение по определению стойкости пуансонов полугорячего выдавливания. Приведены алгоритм и программа определения параметров технологического режима полугорячего выдавливания с подробным разбором подпрограмм «Корреляция» и «Расчет стойкости». Приведен расчет экономической эффективности применения результатов исследования стойкости на примере реального технологического процесса. В конце раздела сделаны выводы.
В приложении 1 представлены критические значения G-критерия при значимости 0,05, необходимые для анализа регрессионных эмпирических зависимостей.
В приложении 2 представлены критические значения t-критерия, необходимые для анализа регрессионных эмпирических зависимостей.
В приложении 3 представлены значение F-критерия при значимости 0,05, необходимые для анализа регрессионных эмпирических зависимостей.
В приложении 4 представлены тексты программ «Стойкость», позволяющей рассчитать ресурс малоцикловой усталости пуансонов полугорячего выдавливания в зависимости от материала инструмента и технологических параметров процесса.
В приложении 5 представлен текст программы определения параметров технологического режима полугорячего выдавливания по характеристике * стойкости инструмента.
В приложении 6 представлены рабочие чертежи ударной пяты установки и образец-пуансона.
Исследования эксплуатационной стойкости инструмента полугорячего выдавливания
В качестве обобщенного показателя стойкости инструмента на практике используют величину средней удельной силы на инструмент, а также продолжительность работы одного комплекта инструмента в часах при непрерывной работе и в циклах при периодичном нагружении.
Стойкость пуансонов полугорячего выдавливания может характеризоваться тремя основными критериями [24, 78]. 1. Предотвращение пластической деформации по всему объему инструмента, за исключением тонкого поверхностного слоя, где пластическая деформация под влиянием термодеформирующего воздействия, как правило, неизбежна. 2. Размер износа поверхности за срок службы инструмента, определяемый интенсивностью истирания поверхности в зависимости от температуры, контактных напряжений, скорости истечения деформированного металла, времени работы инструмента. Ввиду сложности физики процесса истирания аналитическая зависимость для этого вида износа от перечисленных параметров пока не установлена. 3. Прочность инструмента определяется развитием трещин термомеханической усталости (ТМУ). Здесь можно выделить критерий долговечности, исходя из числа штамповочных циклов, доводящих развитие трещин ТМУ до предельно допустимого значения.
Удовлетворение первого критерия обуславливается правильным назначением степеней деформации и выбором оптимального скоростного режима, что при высоком уровне прочностных характеристик инструмента обеспечивает его стойкость.
Удовлетворение второго критерия обуславливается применением современных смазочных материалов и усовершенствованию конструкции самого инструмента, например, уменьшением поверхности трения. Основной же проблемой стойкости является трещинообразование на поверхности инструмента, связываемое многими исследователями с одновременным термомеханическим воздействием.
Анализ работ по определению стойкости инструмента полугорячих процессов выдавливания опытным путем выявил ее относительно низкий уровень по сравнению с «холодными» процессами ОМД.
Так, при полугорячей штамповке деталей типа «стакан» для автомобильной промышленности средняя стойкость пуансонов составила менее 10-20 тыс. циклов при температуре воздействия 780 С и силе деформирования 600 кН (удельная сила 530 МПа) [95].
При полугорячей обработке полостных деталей типа «корпус шарнира» стойкость комбинированных пуансонов в зависимости от нагруженности технологического перехода не превышала 10-16тыс. циклов [95].
Обширные производственные данные по оценке стойкости приведены в работе [1], где установлено, что при удельных давлениях, не превышающих 1400-1600 МПа, стойкость матриц выдавливания 2-4,5 тыс. циклов, выталкивателей 4-4,5 тыс. циклов, пуансонов - 1,5-4 тыс. циклов. Низкая стойкость пуансонов, приблизительно 4-4,5 тыс. циклов, отмечается и в работе [39], что обосновывается более тяжелыми условиями работы по сравнению с другим инструментом. Большинством исследователей определено, что устойчивая работа инструмента обеспечивается при таком режиме, когда не превышается температура отпуска инструментальной стали, а удельное давление не достигает некоторого критического значения. Например, в работе [39] сказано, что при полугорячей объемной штамповке методом обратного выдавливания удельные нагрузки на пуансоне и матрице не должны превышать 1600 и 1400 МПа соответственно, чем обеспечивается работа инструмента без разрушения и пластических деформаций.
При температуре 600-650 С большинство инструментальных сталей приобретают значительную пластичность. В этих условиях способность при растяжении стали к удлинению, увеличивается в 2-2,5 раза. Например, при нагреве от 20 до 600 С удлинение углеродистой стали У10 возрастает с 24 до 56 %, а быстрорежущей стали - от 14 до 28% [53]. Это связано с таким явлением как теплостойкость или красностойкость. Под теплостойкостью понимают способность стали сохранять при нагреве рабочей поверхности необходимые для работы свойства.
Например, для быстрорежущих сталей, таких как Р8МЗК6С, Р18, Р6М5, существуют две характерные температурные области изменения твердости. Первая область, в зависимости от свойств стали, соответствует нагреву до 550-600 С, Холодная твердость после охлаждения с этих температур в этом интервале остается неизменной по сравнению с ее исходным значением, что свидетельствует о неизменности структуры стали. Горячая твердость, измеренная при нагреве, пропорционально повышению температуры незначительно уменьшается. Снижение твердости при нагреве до 550 С составляет 30-40 HV на каждые 100 С . Поэтому при достижении 500 С твердость для стали Р18 достаточно высокая - 750 HV (60 HRC), соответственно износостойкость не уменьшается. Снижение горячей твердости в интервале 200-500 С вызвано разупрочнением при нагреве и является обратимым процессом. Интенсивность разупрочнения почти не отличается для быстрорежущих и штамповых сталей [39,95].
Горячая твердость в небольших пределах зависит от исходной твердости, поскольку разупрочнение развивается почти в прямолинейной зависимости от температуры, и от количества, размеров и распределения карбидов, так как их частицы немного задерживают обратимое снижение твердости.
Особенности теплопередачи в процессе термосилового нагружения образца-пуансона
Предложенный теоретический метод оценки напряженно-деформированного состояния инструмента полугорячего выдавливания позволяет путем моделирования процесса с помощью образец-пуансона прогнозировать стойкость пуансонов с учетом реальных условий нагружения и взаимодействия системы «инструмент-поковка». По мере работы инструмента площадь сетки увеличивается, а размеры ее ячеек уменьшаются, т. е. происходит так называемое «дробление» с последующим образование видимых трещин. Появление и развитие трещин -это защитный механизм металла инструмента при продолжительном по количеству циклов и времени термосиловом воздействии на его приконтактные слои. Образование первых трещин способствует снижению внутренних напряжений поверхностного слоя, возникающих от наклепа и термического всестороннего расширения. Ячейки образовавшейся сетки представляют собой самостоятельные объемы, разделенными до определенной высоты трещинами. Инструмент с такой сеткой способен выдержать дополнительные (по сравнению с ранее действующими) тепловые и силовые деформации, В большинстве случаев первичное трещинообразование не отражается на качестве получаемых изделий и является допустимым. Но, несмотря на то, что инструмент с выявленными трещинами является работоспособным, его последующий ресурс (долговечность) — ограничен.
Поэтому, выявление момента образования первых трещин позволит оценить стойкость инструмента- как одно из наиболее важных слагаемых стойкости. Первым шагом на пути выявления момента образования первых трещин и оценке долговечности пуансонов полугорячего выдавливания является определение схемы нагружения инструмента. Одним из основных вопросов при разработке процессов полугорячего выдавливания является определение оптимальной температуры предварительного нагрева металла. Нагрев образца-пуансона происходит в основном в результате контактной теплопередачи от ударной пяты. В процессе эксперимента образец-пуансон подвергается периодическому тепловому нагружению со сравнительно малым временем контакта. Можно считать, что на рабочую поверхность образца-пуансона периодически воздействуют мгновенные тепловые источники [14, 29,37,46, 52]. Кроме этого на нагрев приконтактного слоя оказывают значительное влияние трение на рабочей поверхности (в момент контакта пуансона с ударной пятой) и превращение механической энергии в тепловую (в период действия нагрузки на рабочую поверхность образца-пуансона). Таким образом, температурный режим образца-пуансона зависит: 1. От количества тепла передаваемого образцу-пуансону за время каждого контакта с ударной пятой (мощности мгновенного теплового источника). 2. От числа контактов в единицу времени (интенсивности действия мгновенных источников). 3. От нагрузки, действующей в процессе термосилового нагружения (приращения температуры за счет преобразования механической энергии). 4.
От вида применяемой смазки. Можно выделить два основных периода теплообмена в каждом технологическом цикле: на протяжении которого происходит контакт инструмента с ударной пятой; в течение которого нагретый пуансон охлаждается. Суммарное время ограничено производительностью оборудования п (ход/мин): Время контакта инструмента и заготовки определяется кинематикой технологической машины и конструкцией штамповой оснастки. При этом г„1( является тем параметром, с помощью которого можно управлять процессом охлаждения инструмента (пуансона). Например, при увеличении пауз между рабочими ходами возможно осуществление такого режима, при котором температура приконтактного слоя не будет превышать порога теплостойкости. Это повысит ресурс работы инструмента, но неизбежно снизит производительность оборудования. Определение перепада температуры поверхностного слоя при его кратковременных нагревах и охлаждениях предполагает решение задачи нестационарного теплообмена. Симметричность приконтактного слоя рассматриваемого пуансона и цилиндр и чность его разворота позволяют осуществить постановку задачи для условий теплообмена цилиндра конечных размеров в изотермической среде. Различия механизма теплообмена (теплопроводность и конвекция) учитываются использованием коэффициента теплоотдачи ап, который рассчитывается как: Для полугорячих процессов средняя толщина смазочного слоя принимается -0,3 мм. Теплопроводность применяемых высокотемпературных смазок указана в таблице 2.1. Приконтактный слой рабочей части пуансона в развернутом виде представляет собой сплошной цилиндр нагреваемый при возникновении контакта с разогретой заготовкой. Конечный цилиндр можно рассматривать как результат пересечения неограничных цилиндра диаметром 2R и пластины толщиной 2L (рис. 2.7). Нагрев (охлаждение) неограниченного цилиндра На рис. 2.8 представлен процесс нагрева (охлаждения) неограниченного цилиндра. Коэффициент теплоотдачи на основаниях цилиндра и его поверхности одинаков. В начальный момент все точки цилиндра имеют одинаковую температуру. Необходимо найти распределение температуры в цилиндре для любого момента времени и среднюю температуру как функцию времени для заданных условий однозначности. На рис. 2.9 показано распределение температуры в неограниченном цилиндре. Итак, в постановке задачи имеем неограниченный цилиндр радиуса R с заданным распределением температуры в виде некоторой функции f(r). Цилиндр считаем неограниченным, если его длина 2L значительно больше его 21 диаметра 2Д, т. е. —-»1. Предполагается, что изотермы (поверхности одинаковой температуры) представляют собой коаксиальные цилиндрические поверхности, т.е. температура цилиндра зависит только от радиуса и времени. Отсчет температуры цилиндра будем вести от температуры среды [46]. Дифференциальное уравнение теплопроводности в нашем случае запишем в виде: Последнее условие означает, что температура на оси цилиндра на протяжении всего процесса должна быть конечной. Решение задачи (2.25) проводится методом разделения переменных. Классический метод решения дифференциального уравнения теплопроводности состоит в том, что находится совокупность частных решений, удовлетворяющих и уравнению и граничным условиям, а затем по принципу наложений составляется ряд этих решений. Коэффициенты при частных решениях находятся из начальных условий. Частное решение уравнения теплопроводности по методу разделения переменных имеет вид
Технологические параметры процесса полугорячего выдавливания и методика их регистрации
В соответствии с рисунком 3.2, штамп 1 крепится хвостовиком 14 к ползуну пресса. К верхней плите штампа с помощью пуансонодержателя 8 и винта прикреплен быстросъемный образец-пуансон 2. На нижней плите установлено нагревательное устройство 4 (печь сопротивления), предназначенное для нагрева ударной пяты 3. нагревательное устройство устанавливается на нижнюю плиту штампа при помощи креплений 10, которые обеспечивают надежную фиксацию и центрирование печи. Регулировка температуры, обеспечиваемой нагревательным устройством, осуществляется изменением напряжения подаваемого, через трансформатор, на спираль печи. Ударная пята, выполненная из термостойкого сплава ЖС6-У, размещена внутри в центре нагревательного устройства. Ударная пята нижней частью закреплена на толкателе 6, который служит для передачи силы на демпфирующее устройство 5. Толкатель связан с демпфирующим устройством через нижнюю плиту штампа и стол пресса 15. Мессдоза 7 предназначенная для измерения силы, действующей на пуансон, закреплена между образец-пуансоном 2 и каленой прокладкой верхней плиты штампа. Штамп снабжен направляющими колонками и втулками 13 для обеспечения точности и жесткости хода образец-пуансона. Протарироваипое демпфирующее устройство 5, предназначенное для воздействия на образец-пуансон 2 в процессе нагружения удельной силы сопротивления со стороны ударной пяты 3, равной удельной силе выдавливания, состоит из упругого элемента 11, размещенного в специальном блоке, и регулировочного болта 12. Необходимая величина удельной силы устанавливается при помощи регулировочного болта 12, установленного на демпфирующем устройстве. Регулировка осуществляется за счет изменения силы поджатия упругого элемента. Контроль температуры нагрева ударной пяты 2 осуществляется с помощью термопары 9.
Предварительно перед испытаниями устанавливается технологический режим испытаний. Устанавливается число ходов ползуна пресса в минуту, ударная пята прогревается до устойчивой температуры, так же устанавливается удельная сила сопротивления деформирующего устройства, развивающаяся при малом ходе ударной пяты, который составляет 4.. .5 мм, под действием образец-пуансона в конце его рабочего хода. Варьирование технологическими режимами позволяет определять стойкость любого типа пуансонов, работающих в различных режимах полугорячего и горячего выдавливания. Уникальность установки заключается в том, что при помощи описанного выше штампа, реализация режимов полугорячей обработки металлов давлением. На рисунке 3.3 показана установка для определения стойкости пуансонов полугорячего выдавливания. На рисунке 3.4. показан штамп установки. Как отмечалось ранее, среди установленных параметров процесса полугорячего выдавливания (п. 1.1), к основным, оказывающим наибольшее влияние на процесс разрушения рабочей части пуансонов, можно отнести - число ходов ползуна пресса в минуту, т. е. производительность; - температура нагрева ударной пяты; - удельная сила сопротивления деформирующего устройства, т. е. удельная сила, действующая в процессе выдавливания; - материал пуансона. Так как в ходе испытаний происходит варьирование основными технологическими параметрами, то необходима разработка методики их регистрации [8,129, 122, 132]. Установка базируется на механическом прессе К2130Б с силой 1 МН и работает следующим образом. Схема базирующейся на прессе установки представлна на рис. 3.5. Хвостовик 7 крепится в ползуне пресса. Во время рабочего хода вниз образец-пуансон 1 входит в контакт по рабочей поверхности гнезда ударной пяты 2 и перемещается совместно с ней на 4...5 мм, подвергаясь тепловому и силовому воздействию за время, соответствующее реальному процессу контакта инструмента и заготовки при полугорячем выдавливании. Перемещение передается на демпфирующее устройство 9 через толкатель 4. Центрирование движения образец-пуансона осуществляется направляющими колонками штампа 8. Тепловое воздействие обеспечивается нагревательным устройством 3. Температура контролируется термопарой 13 и милливольтметром пирометрическим с двухпозиционным регулирующим устройством 14 типа МР-64-02. Основная погрешность показаний потенциометра на всех отметках шкалы при температуре окружающего воздуха +20С не превышает ±0,5%. Выпуклая сегментная поверхность образец-пуансона 1 и соответствующая вогнутая поверхность ударной пяты 2 способствует их полному контакту и воздействию удельной силы сопротивления по нормали к поверхности образец-пуансона. Действующая на образец-пуансон 1 сила задается изменением жесткости демпфирующего устройства 9 и регистрируется с помощью мессдозы 5, установленной между образцом пуансоном 1 и верхней плитой 6, передающей импульс через усилитель 10 на тензостанцию 11. Значения силы регистрируются графически на самопишущем быстродействующем приборе (Н327-5) 12. Циклические силовые нагрузки регистрируются с помощью тензодатчиков, наклеенных на мессдозу. Силовой режим варьируется путем изменения силы сопротивления демпфирующего узла, основу которого составляют пластинчатые пружины. На рисунке 3.6 представлена мессдоза, регистрирующая действующую на образец-пуансон силу. На рисунке 3.7 показана регистрирующая значения силы аппаратура (тензостанция и самописец). В ходе эксперимента роль деформируемого материала выполняла ударная пята из жаропрочного материала ЖС6-У. Температура нагрева ударной пяты измерялась термопарой ВР (А)-2, подключенной к милливольтметру. Значения температуры устанавливались по градуировочному графику, представляющему собой зависимости напряжения от температуры. На рисунке 3.8. представлена термопара для регистрации температуры нагрева ударной пяты. На рисунке 3.9 представлен градуировочный график для установления значений температуры. Пята предварительно нагревается в печи сопротивления до нужной температуры, которая поддерживается потом автоматически на всем периоде испытаний. Точность контролируемой температуры составляет ±10 " С. Температура испытаний принимается от 600 до 900 С.
Уравнения регрессии для расчета стойкости пуансонов полугорячего выдавливания
При уровне значимости а = 0,05 табличное значение F-критерия (ПРИЛОЖЕНИЕ 3) Рта6л = 8,68. Поскольку Fpac4 Fma6r7, гипотеза об адекватности модели при 5%-ном уровне значимости не отвергается. Из анализа модели видно, что стойкость инструмента сильно зависит от удельной силы и производительности, в меньшей мере от температуры. Благоприятно влияют на стойкость тройное взаимодействие между температурой, удельной силой и производительностью оборудования. Остальные эффекты слабы. Относительную силу влияния факторов легче всего представить себе на диаграмме, где величина каждого коэффициента обозначена столбцом. На рисунке 4.1 представлены диаграммы силы влияния коэффициентов регрессии. Здесь черные столбцы - для положительных коэффициентов, белые - для отрицательных коэффициентов. Если выбирать уровни факторов, обеспечивающих в изученной области наибольшую стойкость, то наиболее высокой она будет в том случае, когда все факторы окажутся на нижнем уровне. Заменив условные обозначения переменных факторов их истинными величинами, т. е. параметрами процесса, запишем уравнения регрессии после несложных преобразований в следующем виде: для Р6М5: Таким образом, проведен анализ результатов эксперимента на основе метода планирования, построены уравнения регрессии и выявлена степень влияния независимых факторов, определяющих стойкость пуансонов для различных марок инструментальных сталей: Р6М5, 4Х5МФС, ЗХЗМЗФ. Для сравнения сведем в таблицу 4.4 значения стойкости пуансонов пол у горяче го выдавливания, полученные в результате эксперимента [55, 57] и расчетным путем по полученным уравнениям регрессии. Параметры эксперимента, приведенные в таблице 4.4, соответствуют параметрам матрицы планирования эксперимента.
Как видно из таблицы, величины стойкости, полученные расчетным путем, хорошо согласуются с результатами экспериментальных работ и литературными данными для подобных типов деталей. На рисунках 4.2 - 4,4 представлены зависимости стойкости пуансонов полугорячего выдавливания от различных технологических параметров полугорячего выдавливания для трех марок сталей. Из приведенных зависимостей видно, что с увеличением величин основных параметров процесса полугорячего выдавливания, температуры нагрева, ударной силы и производительности значения количества циклов до появления усталостной трещины (стойкость) уменьшаются. Наибольшей стойкостью при одинаковых значениях технологических параметров процесса полугорячего выдавливания обладает сталь 4ХМФС (5800 циклов), а наименьшей -Р6М5 (3250 циклов). 1. При моделировании в ходе эксперимента процесса полугорячего выдавливания использовался метод подобия, заключающийся в замене наиболее нагруженной рабочей поверхности пуансона равной или пропорциональной по площади поверхностью шарового сегмента торца образца-пуансона. Используемый метод подобия необходим для обеспечения в процессе нагружения одинаковых условий (по величине) теплового и силового воздействий на каждую единичную площадь и удобства обнаружения начала образования разгарных трещин. 2. Примененный метод планирования эксперимента позволил сократить количество опытов при испытании образец-пуансонов, а кроме того, позволил с помощью корреляционного анализа получить зависимости, позволяющие спрогнозировать величину стойкости образец-пуансона, одновременно зависящую от нескольких параметров процесса полугорячего выджаливания. 3. Составленные уравнения регрессии для трех марок сталей (Р6М5, 4Х5МФС, ЗХЗМЗФ) позволяют оценить степень влияния основных параметров операции полугорячего выдавливания. Так установлено, что стойкость инструмента наиболее сильно зависит от удельной силы и производительности, в меньшей мере от температуры. Благоприятно влияют на стойкость тройное взаимодействие между температурой, удельной силой и производительностью оборудования. Остальные эффекты слабы. 4. Анализ зависимостей стойкости пуансонов из различных сталей от технологических параметров показал, что с увеличением величин основных параметров процесса полугорячего выдавливания, таких как температура нагрева, ударная сила и производительность, значения количества циклов до появления усталостной трещины (стойкость) уменьшаются. Наибольшей стойкостью при одинаковых значениях технологических параметров процесса полугорячего выдавливания обладает сталь 4ХМФС (5800 циклов), наименьшей - Р6М5 (3250 циклов). Полученная совокупность решений поставленных в работе задач дает возможность квалифицированно подойти к вопросу проектирования технологической операции обратного полугорячего выдавливания. Последовательность осуществляемых расчетов и взаимосвязанность полученных решений позволяет сформировать единое комплексное решение, направленное на определение технологического режима (режимов) операции, удовлетворяющего в части стойкости инструмента (пуансона) и однозначно приводящего к получению поковки с заданной формой, размерами и механическими свойствами. При проведении расчетов в качестве опорной удобно выбирать точку, расположенную в наиболее ответственном поясе поковки, а значение твердости в ней задавать в виде интервала - «среднее значение» ± «допуск». Это связано с тем, что при дискретном решении задачи существует возможность пропустить среднее значение, так как интервал его изменения заранее неизвестен. Значение начального температурного поля поковки, ограничивается не только термодинамической возможностью существования, но и интервалом полугорячих процессов (600 - 900 С), который уточняется для обрабатываемой стали. Выявление среды охлаждения осуществляется последовательным перебором возможных сред, а ее температура варьированием некоторого текущего значения.
