Введение к работе
Актуальность лроблемыгСовершенствование заготовительного произ
водства в машиностроении осуществляется за счет получения заготовок и по
луфабрикатов, имеющих форму и размеры максимально приближенные к гото
вым деталям, а также за счет полученш изделий с требуемой структурой и ме
ханическими свойствами.
Традиционным методом получеши штампованных поковок является об-лойная штамповка на молотах и прессах, которая связана с большими потерями металла. На горячештамповочных прессах используется малоотходная безоб-лойная штамповка в цельных и разъемных матрицах. На штамповочных молотах, которые являются основным форлюооразуюшим оборудованием в кузнеч-но-прессовьгх цехах, успешно применяется малоотходная безуклонная штамповка (МБШ) осесимметричных поковок с выполнением на обрезных прессах дополнительного формообразования.
Однако эти технологии штамповки не регламентируют получение заданных механических свойств поковок. В кузнечно-прессовых цехах в последнее время начала применяться термомеханическая обработка, использование которой затрудняется из-за большой неравномерности деформации по сечению поковки и недостаточной обрабатываемости изделий после штамповки.
Изменение обшей структуры традиционной технологии штамповки влечет за собой изменение технологического парка кузнечно-прессового оборудования, а, следовательно, значительные капиталовложения в подготовку производства. В условиях серийного и мелкосерийного производства возможным является внедрение технологических процессов горячей и полугорячей штамповки, обеспечивающих экономию материалов я получение изделий с заданными механическими свойствами. Это можно достичь применением таких технологических процессов штамповки, в которых совмещаются и малоотходные процессы, и процессы структурообразования на основе динамического и статического разупрочнения. Решение проблемы разработки технологии и изготовления изделий повышенного качества, с заданным комплексом механических свойств, обеспечивающей сбережение материальных, трудовых и энергетиче-скігх ресурсов, является актуальной.
Цель работы. Повышение качества годелий, экономия металла и энергоресурсов, повышение производительности труда за счет разработки и внедрения технологий горячей и полугорячей штамповки на основе совершенствования технологичесгагх режимов, создания новой научно обоснованной методики проектирования и новых техкологическігх схем деформирования.
Методы исследования. Теоретическое исследование операций безуклонной штамповки выполнено методом линий скольжения. Использован математический аппарат теории обработки металлов давлением, линейных и нелиней-
ных дифференциальных уравнений. Математические модели пластического течения в условиях динамического разупрочнения решены операционным методом.
Экспериментальная проверка теоретических положений проведена на разработанных автором лабораторных установках по растяжению, сжатию и кручению образцов при различных температурах, скоростях и степенях деформации.
Для изучения структурообразования при пластическом деформировании использованы методы световой и электронной микроскопии, рентгенострук-турный анализ. Оценка механических свойств выполнена с помощью стандартных испытаний на растяжение и сжатие. Результаты экспериментов обработаны методами математической статистики.
Энергетические параметры деформирования определены обработкой материалов сферическими сходящимися ударными волнами (ССУВ).
Экспериментальное исследование технологических процессов штамповки выполнено в производственных условиях. При этом применяли метод тензо-метрирования, стандартные испытания механических свойств, микроструктурный анализ.
Основные научные положения, вынесенные на защиту:
-
Температурные и деформационные технологические режимы штамповки штамповых сталей, заключающиеся в том, что пластическую деформацию производят циклично и многократно с понижением температуры и с градиент том уменьшения усилий. Такие режимы обеспечивают повышение стойкости штампового инструмента и сокращают время его изготовления.
-
Температурные и деформационные технологические режимы штамповки поковок из низко- и среднеуглеродистых конструкционных сталей, заключающиеся в том, что в технологический процесс горячей штамповки, выполняемый с уменьшением степени деформации по переходам, вводится изотермическая выдержка при температуре последнего перехода и устраняется нормализация. Такие режимы обеспечивают получение изделий с заданными механическими свойствами.
-
Обобщенные соотношения девиаторов напряжений и скоростей деформаций, используемые при анализе напряженно-деформированного состояния.
-
Новая методика проектирования технологических режимов, которая основана на взаимоувязывании параметров напряженно-деформированного состояния и структуры, и обеспечивающая получение заданных свойств изделий.
-
Математические модели пластического течения в условиях динамического разупрочнения, позволяющие по макроскопическим параметрам деформации и параметрам структуры разрабатывать технологические режимы деформирования.
б. Результаты"" экспериментальных исследований влияния напряженно-деформированного состояния на пластическое течение штамповых и среднеуг-иеродистых конструкционных сталей, позволяющие определить сопротивление сформированию и механизмы разупрочнения.
Научная новизна и личный вклад автора. Разработаны математические модели пластического течения в условиях динамического разупрочнения, которые взаимоувязывают макроскопические параметры деформации (скорость, :тепень деформации, температуру) и параметр структурообразования (величину аустенитного зерна) и позволяют прогнозировать механические свойства изделий.
Предложена методика проектирования технологических режимов горячей штамповки, основанная на анализе напряженно-деформированного состояния [НДС), силового режима и величины зерна аустеннта и обеспечивающая получение изделий с заданными механическими свойствами.
Предложена методика определения энергетических параметров деформирования, заключающаяся в обработке металлов ССУВ, выполнении металлографического анализа и по зависимости коэффициента диссипации от гомологической температуры определении энергетических параметров соответствующего процесса деформации.
Имеют самостоятельное значение в теории обработки металлов давлением следующие результаты работы.
Экспериментально установлен степенной характер зависимости между компонентами девиаторов напряжений и скоростей деформаций; определены константы данных функций для различных материалов;
Определено влияние НДС на пластическое течение сталей при растяжении, кручении, сжатии. Установлены критические степени деформации и максимальные напряжения на кривых течения, определяющие характер динамиче-:кого разупрочнения в зависимости от температуры, степени и скорости деформации. Наибольшая прочность матернхіов получена при деформации по :хеме сжатие-сжатие. Повышение механических свойств материалов получено при малых стєпєііях деформации и малых удельных усилиях с понижением температуры.
Предложена-аналитическая связь между температурой, степенью, скоростью деформации и параметрами структуры.
Установлены энергетические параметры процессов разупрочнения в интервале горячей и полугорячей деформации, показано их применение в разработке технологических режимов горячей штамповки.
Разработан структурно-энергетический подход к проектированию технологических процессов горячей штамповки на основе анализа НДС и моделирования пластического течения в условиях динамического разупрочнения.
«
Разработаны деформационные принципы оптимизации структуры конструкционных сталей, заключающиеся в проведении технологического процесса штамповки с уменьшением удельных усилий при каждом цикле деформирования с понижением температуры.
Разработаны алгоритм, программное обеспечение проектирования технологических режимов горячей штамповки на основе анализа НДС и моделирования пластического течения в условиях динамического разупрочнения.
Практическая пенность. На основе предложенной методики разработки технологических режимов деформирования, установленных закономерностей пластического течения, результатов исследования технологических возможностей и параметров деформігрования в процессах горячей штамповки, разработаны режимы штамповки поковок из конструкционных сталей с заданными механическими свойствами.
Для освоения новых технологических режимов штамповки разработаны конструкции штампов, совмещенных с нагревательным устройством.
Получены и переданы для использования при расчетах технологических процессов штамповки экспериментальные данные по механическим свойствам сталей в широком диапазоне температур и скоростей деформации в зависимости от схем НДС.
Разработаны и переданы для внедрения в практику проектно-конструкторских работ технологические рекомендации по выполнению операций безуклонной штамповки и расчете силового режима деформирования.
Разработаны технологические режимы деформирования штампового инструмента повышенной стойкости и конструкции штампов.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Внедрены в производство технологии изготовления и штамповая оснастка для получения поковок деталей теаювозов методом безуклонной штамповки совмещенной с термомеханнчески регламентированными режимами в кузнеч-но-прессовом цехе АО «Лупіентрок)^».
Внедрен в производство руководяЕпш технический материал для проектирования термомеханнчески регламентированных технологий поковок тепловозов в кузнечно-прессовом цехе АО «Лугцентрокуз».
Внедрены в производство технология шготовления поковок детален станкостроения методом безуклонной штамповки совмещенной с регламентированием термомеханических параметров деформации в кузнечно-прессовом цехе АО «Центрокуз» (г. Кировск. Луганская область).
Внедрены в производство технологические режимы штамповки штампо
вого инструмента, которые использ>тотся Луганским проектно-
технологнческнм институтом машиностроения.
На АО «Луганский трубный завод» внедрены в производство регламенти-
_рованные технологические процессы и оснастка'для" получения" инструмента
для вытяжки шарового соединения труб, а также регламентированный техно-
лопгческий процесс штамповки режущего инструмента для трубоотрезных
станков.
На Луганском заводе автоклапанов внедрены регламентированные технологические процессы изготовления матриц для горячей штамповки клапанов и толкателей для различных изделий.
На Свердловском машиностроительном заводе (Луганская область) внедрены регламентированные технологические процессы изготовления штампового инструмента для горячей штамповки деталей горного оборудования.
Суммарный долевой годовой экономический эффект от использования разработок составил 831 тыс. руб. в ценах 1991 г.
Отдельные результаты работы внедрены в Восточноукраинском государственном университете в разделах курсов «Теория обработки металлов 'давлением», «Горячая штамповка», "Нагрев и нагревательные устройства".
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается адекватностью разработанных математических моделей, принятых допущений и ограничений, анализом числовых значений, полученных при решении уравнений, а также практической реализацией новых технологических режимов и штампов для получения деталей машиностроения.
Апробация работы. Результаты исследований доложены, обсуждены и получили одобрение на научно-технических конференциях Восточноукраин-ского государственного университета (1975...1996 г.г.); республиканской научно-технической конференции "Производство и применение экономичных профилей в тепловозостроении" (Луганск, 1979 г.); всесоюзном совещании "Состояние и перспективы развития термической и химико-термической обработки" (Ижевск, 1979 г.); всесоюзном семинаре "Пути повышения эффективности кузнечно-штамповочного производства" (Ленинград, 1982 г.); всесоюзном семинаре "Малоотходная технология ковки и горячей штамповки" (Ленинград, 1983 г.); всесоюзном семинаре "Автоматизированное проектирование прогрессивных процессов ковки и горячей штамповки" (Ленинград, 1989 г.); всесоюзной научно-технической конференции "САПР кузнечно-штамповочного производства" (Свердловск, 1988 г.); республиканской научно-технической конференции "Физика и механика пластической деформации порошковых материалов" (Луганск, 1991 г.); международной научно-технической конференции "Проблемы развития локомотивостроения" (Луганск, 1995 г.); международной научно-технической конференции "Технология 95" (Братислава, 1995 г.); международной научно-технической конференции "Автоматизация проектирования и производства изделий в машиностроении' (Луганск, 1996 г.); международной научно-технической конференции "Компьютеризация проектирования
технологических процессов в машиностроении" (Луганск, 1996 г.); научно-технической конференции "'Теория и технология процессов пластической деформации - 96" (Москва, 1996 г.); научно-технической конференции "Бернштейновские чтения" (Москва, 1996 г.); международной научно-технической конференции «Технология - 97» (Братислава, 1997 г.).
Диссертационная работа в целом рассмотрена и одобрена на научно-техническом семинаре Восточноукраннского государственного университета (1997 г.).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 69 научных работах, из которых в автореферате приведены 29 основных публикаций. Среди них:
монография [1], написана самостоятельно;
учебное пособие [2] написано самостоятельно;
6 статей написано самостоятельно;
18 статей в ведущих специальных журналах бывшего СССР и стран СНГ [3,6,9,21-26];
6 статей в периодических сборниках научных трудов [4, 5, 7, 8, 11; 20];
2 авторских свидетельства;
- 1 статья в сборнике докладов международной конференции [29].
Основная часть идей, теоретических и практических положений диссертации принадлежит соискателю лично, что нашло отражение в его монографии [1], посвященной разработке технологических режимов деформирования, а также в его шести статьях [3 - 8], в которых рассматриваются вопросы напряженно-деформированного состояния безуклонной штамповки, моделирования процессов динамического разупрочнения, практического использования технологических режимов и схем деформации.
В учебном пособии [2} приведены температурные режимы штамповки конструкционных сталей, разработанные соискателем.
Статьи [10, 12 - 20, 24 - 26, 29] опубликованы совместно с профессором В.М. Лешинским и с другими авторами, которые были сотрудниками исследовательских тем. Соискателю принадлежит часть, которая касается проведения экспериментальных исследований механических свойств, напряженно-деформированного состояния при операциях штамповки, ситового режима деформирования, разработке математических моделей разупрочнения, анализа и обобщения результатов нсследованігіі.
В статьях [9, И, 21 -23] соавторами я&тяются сотрудники, которые принимали участие в разработке госбюджетных тем, соискателю принадлежит постановка задачи и обобщение результатов исследований н промышленного опробования.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7
глав, выводовпо главам, общих выводов, перечня используемой литературы.и
приложений. Диссертация содержит 476 страниц машинописного текста. 37 таблиц, 173 иллюстрации на 130 страницах; 256 литературных источшгхов на 26 страницах.
Автор выражает глубокую благодарность профессору, доктору техннче-ских наук, заведующему кафедрой "Кузнечно-прессовое производство и материаловедение" Восточноукраянского государственного ушпзерситета Ленинскому Вольфу Михайловичу за участие в ранее выполненных и вместе опубликованных научных работах, которые использованы в диссертации.