Введение к работе
Актуальность темы. Во многих отраслях машиностроения широко применяются цепные передачи и цепные устройства. Основным органом в них -приводным, тяговым — является цепь, в которой ответственными элементами изделия являются ролики и втулки, представляющие большую группу деталей цилиндрической формы. К ним предъявляются повышенные требования по механическим свойствам материала, точности изготовления и качеству поверхности. Поэтому для их производства используются углеродистые и легированные конструкционные стали, такие как 15,50,30ХНЗА и другие.
Производство цилиндрических деталей традиционными методами (горячее и холодное выдавливание, механическая обработка на многошпиндельных токарных станках-автоматах) отличается высокой трудоемкостью, низкой производительностью технологического процесса и значительными отходами дорогостоящих углеродистых и легированных конструкционных сталей При этом коэффициент использования металла составляет 0,3-0,5.
Одним из наиболее производительных и экономически целесообразных способов изготовления таких деталей является полугорячее выдавливание.
Применение процессов полугорячего выдавливания позволяет повысить пластичность сталей и сплавов (по сравнению с холодным выдавливанием) и на этой основе расширить номенклатуру обрабатываемых труднодеформируе-мьгх углеродистых и легированных конструкционных сталей Процесс полугорячего выдавливания обеспечивает получение деталей по точности и качеству поверхности незначительно уступающих деталям, изготовляемым холодным выдавливанием, но при существенном снижении удельной силы. Кроме того, реализация рациональных термомеханических режимов пластического формоизменения и охлаждения деталей в едином технологическом цикле позволяет получить высокий комплекс механических характеристик материала изготовляемых деталей с улучшением эксплуатационных свойств изделия в целом При этом резко сокращаются энергетические затраты, исключаются промежуточные операции отжига и нанесения упрочняющих покрытий.
В тоже время поиск путей совершенствования технологических процессов полугорячего выдавливания в условиях серийного производства открывает возможность использования горячекатаного пруткового материала в качестве экономичного вида проката для заготовок под обратное выдавливание
Реализация этого прогрессивного метода в промышленность при изготовлении цилиндрических деталей осуществляется медленными темпами из-за ряда технических сложностей, связанных с обеспечением стойкости штампового инструмента, а также недостаточной изученностью процесса Всё это требует проведения определенных теоретических исследований и экспериментальных работ, направленных на научное обоснование выбора основных термомеханических режимов полугорячего выдавливания заготовок из сталей 15, 50,
ЗОХНЗА с учетом температурных условий работы штампового инструмента: температуры обработки, предельной степени деформации за один ход деформирующего инструмента, силовых параметров, скорости деформирования, сопротивления деформированию.
При расчете технологических процессов с применением операции полугорячего выдавливания для оценки силовых параметров используются эмпирические зависимости (при различных упрощающих допущениях) из различных справочных материалов, а также результаты теоретических и экспериментальных исследований, в которых не в полной мере учитывается совокупность температурно-скоростных режимов выдавливания с обеспечением стойкости инструмента. Совершенно не изучены вопросы, связанные с выявлением зависимостей характеристик качества изготовляемых деталей от заданных условий деформирования и реальных свойств материала исходных заготовок.
Данных по стойкости инструмента и назначению штамповых материалов в условиях полугорячего выдавливания в литературе мало Это объясняется сложностью процессов полугорячего выдавливания, а также отсутствием методов теоретического и экспериментального определения стойкости штампового инструмента во взаимосвязи с рациональными параметрами технологии, позволяющие на этапе проектирования конкретного технологического процесса использовать внутренние резервы повышения стойкости штампового инструмента, тем самым снизить расход дорогостоящей инструментальной стали Кроме того, стойкость инструмента относится к числу основных показателей, определяющих возможность применения процесса и его экономичность.
Анализируя современный уровень технологий изготовления деталей цилиндрической формы серийного производства и вопросы обеспечения стойкости штампового инструмента необходимо отметить, что разработка новых технологий обработки труднодеформируемых материалов, улучшающие эксплуатационные характеристики изделий, методов расчета, позволяющих прогнозировать силовые параметры и формируемые характеристики качества, а также определять стойкость инструмента с учетом реальных свойств материала и режима термосилового нагружения, являются актуальными для машиностроения, позволяющими решить крупную научную проблему создания новых технологических процессов изготовления роликов и втулок цепей в условиях серийного производства при уменьшении трудоёмкости и снижении себестоимости их изготовления
Диссертация выполнена в соответствии с научно-технической программой Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 гг.)» (проект № РНП 2.1.2.8355 «Создание научных основ формирования свойств изделий общего и специального назначения методами комбинированного термопластического деформирования материалов»), гранта Президента РФ (грант НШ № 4190 2006 8) на поддержку молодых российских ученых и ведущих научных школ и представляет
собой научное обобщение результатов, полученных автором в 1973 - 2007 гг во время работы на кафедрах механики пластического формоизменения и технологической механики Тульского государственного университета, а также с рядом хоздоговорных работ с машиностроительными предприятиями страны (НИР № 72-101/5; 75-378, 81-051).
Цель работы: повышение эффективности цепного производства при изготовлении осесимметричных изделий из углеродистых и легированных конструкционных сталей на базе научного обеспечения разработки технологических основ стойкости штампового инструмента для полугорячего выдавливания роликов и втулок цепей, формирования заданных характеристик качества, повышения надежности эксплуатации изготовляемых изделий, уменьшения трудоёмкости изготовления, сокращения сроков подготовки производства новых изделий и рекомендаций их проектирования, реализуемых с использованием механики деформируемого твердого тела
Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи исследований:
-
Разработать научно обоснованные технологические решения обеспечения стойкости штампового инструмента и формирования качества изделий цепного производства при полугорячем выдавливании Экспериментально определить механические свойства углеродистых и легированных конструкционных сталей 15, 50 и ЗОХНЗА в интервале температур полугорячей обработки в зависимости от температуры, степени и скорости деформации и в реальных условиях полугорячего обратного вьщавливания стальных заготовок выявить размеры и форму очага пластической деформации
-
Осуществить теоретическое исследование процесса полугорячего обратного вьщавливания, в результате которого выявить влияние степени деформации, условий трения контактных поверхностей пуансона и заготовки на кинематику течения жесткопластического материала, и набазе принятого кинематически возможного поля скоростей течения материала методом верхней оценки определить силовое нагружение пуансона обратного вьщавливания с учетом температурно-скоростной зависимости интенсивности напряжения в очаге пластической деформации.
-
Разработать теоретико-экспериментальный подход к прогнозированию стойкости наиболее нагруженного элемента штампового инструмента - пуансона, реализующий испытания модели натурного іпуансона - образца-пуансона во взаимосвязи с основными технологическими параметрами процесса.
-
Создать методику экспериментальных исследований и провести испытания образцов-пуансонов, изготовленных из инструментальных сталей марок Р6М5, 4Х5МФС, ЗХЗМЗФ Изучить изменение циклической стойкости штампового инструмента в зависимости от силового нагружения и температурно-скоростных условий испытания.
-
Экспериментально выявить закономерности влияния основных технологических параметров процесса на силовой режим инструмента и формирование характеристик качества изготовляемых изделий с разработкой математических моделей для расчета их величин. Оценить минимально допустимую стойкость штампового инструмента исследуемого процесса с учетом температурно-скоростных условий его работы и формируемых характеристик качества
-
Реализовать научно обоснованные технологические решения и теоретико-экспериментальный подход к прогнозированию стойкости штампового инструмента в промышленности при разработке рекомендаций по расчету и проектированию технологических процессов изготовления роликов и втулок цепного производства на кузнечно-прессовых машинах, а также в учебном процессе при вьшолнении курсовых и дипломных проектов студентами, магистерских и кандидатских диссертационных работ.
Методы исследования. Теоретические исследования процесса полугорячего обратного выдавливания выполнены с использованием основных положений механики деформируемого твердого тела и теории пластичности жестко-пластического тела; анализ деформированного состояния заготовки в исследуемом процессе формоизменения осуществлен методом координатных сеток с получением кинематически возможного поля скоростей течения материала и основных соотношений мощности внешних и внутренних сил при заданных начальных и граничных условиях. При теоретическом прогнозировании стойкости штампового инструмента используется метод решения упруго-пластической задачи при сжатии тонкого диска.
Экспериментальные исследования выполнены с использованием современных испытательных машин (универсальные испытательные машины Р-5 и ГМС-50, механический копер), кузнечно-прессовых машин (кривошипный пресс модели К2130Б, пресс-автомат модели А1223), методов тензометрирова-ния и регистрирующей аппаратуры; обработка опытных данных осуществлялась с применением методов математической статистики и теории планирования эксперимента, измерение рациональных интервалов изменения технологических параметров, которые обеспечивали получение необходимых характеристик качества поковок цилиндрических деталей, производилось с помощью высокоточных измерительных приборов и специальных приспособлений.
Основные научные результаты:
1 Разработан научно обоснованный подход к прогнозированию стойкости штампового инструмента и формированию качества изделий цепного производства при полугорячем выдавливании, выразившемся в определении механических характеристик сталей 15, 50 и ЗОХНЗА в интервале температур полугорячего выдавливания и использовании метода верхней оценки для расчета силового нагружения инструмента, отличающегося от известных более точным определением формы и размеров очага пластической деформации, выявленного
по результатам экспериментальных исследований, выполненных в условиях реального процесса полугорячего обратного выдавливания.
-
Выполнено теоретическое исследование процесса полугорячего обратного выдавливания при изготовлении роликов и втулок цепей на основе жест-копластичеекого течения с привлечением уравнений механики деформируемого твердого тела, учитывающие совокупность влияния степени деформации, условий трения контактных поверхностей инструмента и заготовки, и позволяющие прогнозировать силовые параметры, формирование характеристик качества изготовляемых деталей и стойкость штампового инструмента
-
Предложен теоретико-экспериментальный подход к прогнозированию стойкости наиболее нагруженного элемента штампового инструмента- пуансона, позволяющий при решении задачи о сжатии тонкого приконтактного слоя рабочей части инструмента определить его циклическую стойкость по условию образования разгарной трещины, включая его реализацию при испытании универсального образца-пуансона (геометрически подобная модель натурного пуансона) на термомеханическую усталость на специально разработанной экспериментальной установке в условиях максимально приближенных к условиям эксплуатации пуансонов обратного выдавливания с исследованием влияния основных технологических параметров процесса (температура, удельная сила и частота хода кузнечно-прессовой машины) на стойкость инструмента.
-
Разработана математическая модель прогнозирования стойкости штампового инструмента, изготовленного из сталей Р6М5, 4Х5МФС, ЗХЗМЗФ, позволяющая определять циклическую стойкость пуансонов для изготовления роликов и втулок цепей в зависимости от изменения силового режима и температурно-скоростных параметров процесса полугорячего выдавливания
-
Осуществлено экспериментальное исследование процесса полугорячего обратного выдавливания с изучением влияния технологических параметров, геометрических размеров заготовки и формы рабочей части инструмента, степени деформации, условий трения контактных поверхностей инструмента и заготовки на изменение силового режима пластического формоизменения при изготовлении роликов и втулок цепей.
6 Разработаны математические модели характеристик качества цилиндрических деталей (твердость, разностенность и шероховатость поверхности), изготовляемых из легированной конструкционной стали ЗОХНЗА, с использованием метода математической статистики и теории планирования эксперимента, позволяющие выявить закономерности формирования характеристик качества изделий с учетом комплексного влияния основных технологических факторов (температура, степень деформации, геометрические размеры заготовки и форма рабочей части инструмента).
7. Получено экспериментальное подтверждение возможности получения комплекса механических свойств деталей (ролики приводных цепей шага 25,4 мм; 31,75 мм; 38,1 мм; 50,8 мм), изготовляемых из легированной конструкци-
онной стали ЗОХНЗА полугорячим выдавливанием на опытно-промышленной установке, основанное на применении рационального термомеханического режима пластического формоизменения и условий охлаждения.
-
Предложены научно обоснованные рекомендации по расчету и проектированию технологических процессов изготовления роликов приводных цепей (шаг 25,4 мм; 31,75 мм; 38,1 мм; 50,8 мм) из стали ЗОХНЗА, роликов и втулок тяговых цепей (шаг 160 мм; 200 мм; 400 мм) из сталей 15 и 50, направленные на обеспечение стойкости инструмента, формирование заданных характеристик качества деталей, выполнение эксплуатационных требований готового изделия ответственного назначения, а также снижение трудоемкости их изготовления.
-
Разработаны конструкции опытно-промьшшенной установки, нагревательных устройств, штампов и инструмента на уровне изобретений.
Научная новизна:
на базе соотношений механики деформируемого твердого тела получено решение задачи полугорячего обратного выдавливания с привлечением экспериментально выявленного кинематически возможного поля скоростей течения материала в приложении к прогнозированию стойкости инструмента;
разработаны теоретико-экспериментальный подход к прогнозированию циклической стойкости наиболее нагруженного элемента штампового инструмента-пуансона и методика его реализации, отличающиеся применением универсального образца-пуансона в качестве модели натурного пуансона для испытаний с учетом влияния основных параметров рационального режима полугорячего выдавливания при изготовлении роликов и втулок цепей;
выявлены закономерности изменения стойкости штампового инструмента, силовых параметров процесса и формирования характеристик качества деталей, отличающиеся комплексным учетом влияния технологических параметров, условий трения контактных поверхностей инструмента и заготовки, геометрических размеров заготовки и формы рабочей части инструмента, механических характеристик материала заготовок и режима охлаждения изготовляемых деталей при полугорячем выдавливании с разработкой математических моделей для расчета их величин.
Практическая значимость.
Экспериментально определены новые данные о механических Свойствах сталей 15, 50 и ЗОХНЗА, позволяющие более точно определить силовые параметры и формируемые характеристики качества роликов и втулок цепей при полугорячем выдавливании в виде зависимостей напряжения текучести от температуры, степени и скорости деформации.
Разработаны рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления роликов и втулок приводных и тяговых цепей из сталей 15, 50 и ЗОХНЗА с требуемыми механическими свойствами и показателями качества, и применением операции полугорячего обратного выдавливания в качест-
ве основной формообразующей, обеспечивающая экономически обоснованную стойкость штампового инструмента.
Экспериментально отработан процесс отрубки заготовок от пруткового материала при изготовлении цилиндрических деталей массового производства. Разработаны конструкции штампов, рабочего инструмента и нагревательных устройств для их реализации, подтвержденные авторскими свидетельствами (Ас.№ 1031621, 1202681,1276415, 1407642).
Разработана экспериментальная конструкция штамповой оснастки для проведения циклических испытаний образцов-пуансонов, изготовленных из инструментальных сталей, в диапазоне изменения основных технологических параметров процесса (патент РФ № 2284024).
Реализация работы.
В результате комплексного исследования процесса пластического формоизменения стальных заготовок в сочетании с теоретико-экспериментальным подходом к прогнозированию стойкости штампового инструмента разработаны технологические процессы изготовления роликов приводных цепей шага 25,4 мм, 31,75 мм; 38,1 мм, 50,8 мм методом полугорячего выдавливания заготовок из стали ЗОХНЗА на кузнечно-прессовых машинах, обеспечивающие получение точных цилиндрических деталей с улучшенными эксплуатационными характеристиками Новые технологические процессы внедрены в производство на предприятиях отраслевого Министерства (завод цепей ПО «УМЗ» г. Ульяновск, ОАО «ТПЗ» г. Тула) с экономическим эффектом, полученным в результате снижения трудоемкости и себестоимости их изготовления
Разработана эффективная технология производства втулок тяговых цепей типа М224 с применением полугорячего выдавливания заготовок из сталей 15,50, полученных резкой из пруткового материала.
Основные результаты исследований внедрены в учебный процесс и используются при чтении лекций по дисциплине «Теория обработки металлов давлением при повышенных температурах» при подготовке студентов, обучающихся по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» специальности 170104 «Высокоэнергетические [устройства автоматических систем», а также при подготовке кандидатских и магистерских диссертаций, курсовых и дипломных проектов !
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машїшостроении» (г. Рубцовск, 2004 г ); на 2-й Международной научно-технической конференции «Механика пластического формоизменения» (г. Тула, 2004 г); на научно-технической конференции «Творческое наследие В.Ф. Прейса» (г. Тула, 2006 г.), на 1-й Международной научно-технической конференции «Эксплуатация и методы исследования систем и средств автомобильного транспорта» (г Тула, 2006 г.); на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы проектирования и про-
изводства систем и комплексов» (г. Тула, 2006 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 1974 - 2007 гг.).
Работа автора в развитии технологии и конструирования штамповой оснастки с внедрением последней в производство и учебный процесс отмечена присуждением ему звания «Изобретатель СССР» с вручением нагрудного знака (Тульский областной совет ВОИР от 21.12.90 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано, монографий - 2; статей в центральной печати и сборниках, входящих в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК» - 28; статей в различных межвузовских сборниках научно-технических трудов - 7; авторских свидетельств и патентов - 5, всего 27,5 п л, из них авторских 16,3 п л.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка используемых источников, приложения и включает 250 страниц машинописного основного текста, 87 рисунков помещенных на 38 страницах, список используемых источников из 203 наименований на 22 страницах. Общий объем работы 392 страницы
