Введение к работе
Актуальность темы
Внедрение в производство прогрессивных процессов обработки материалов давлением, максимально приближающих формы заготовок к формам готовых изделий (прессование, вытяжка, штамповка и др.), имеют большое народнохозяйственное значение, т.к. позволяют значительно сократить потери обрабатываемого материала и снизить затраты на последующую механическую обработку, а также, совместить процессы формообразования с операциями упрочнения металлов и сплавов. Особенно это актуально в массовом производстве осесимметричных деталей типа «стакан».
Повышение производительности кузнечнопрессового оборудования находится в прямой зависимости от увеличения стойкости штампового инструмента. Стойкость штампов – один из показателей экономической эффективности горячей штамповки. Расходы на штамповый инструмент составляют в среднем 15 – 30 % от стоимости поковок и наиболее высокие (52% и выше) при горячем прессовании (выдавливании).
Особо остро проблема стойкости штампового инструмента проявляется при производстве корпусных изделий. Низкую стойкость показывают головки прошивных пуансонов (100...600 штамповок), что связано с их крайне тяжелыми условиями эксплуатации. В процессе горячей штамповки в штамповом инструменте формируются остаточные напряжения до 500 МПа, а температура поверхности достигает 500...750С при циклически меняющихся нагреве и охлаждении, а также силовых нагружениях. Такие условия работы инструмента порождают термомеханическую усталость, которая сопровождается возникновением и развитием разгарных трещин. Поэтому решение проблемы повышения стойкости штамповой оснастки предопределяет, с одной стороны, создание рациональных режимов штамповки, а с другой, установление закономерностей процессов разрушения материала штампа, работающего в условиях циклически меняющихся температурных и силовых нагрузках. При этом инструмент и заготовка должны рассматриваться как единая многомерная система с комплексом входных и выходных параметров.
Исследования показывают, что наибольшее повышение долговечности штампов горячей штамповки достигается при правильном выборе режимов эксплуатации, марки штамповой стали и режимов её термической, упрочняющей и других видов обработок. Научно обоснованные режимы термических и упрочняющих обработок можно правильно назначить только после всесторонних исследований закономерностей температурно-силового нагружения и причин, вызывающих появление и развитие трещин и разрушения штампов. Таким образом, дальнейшее развитие исследований температурных условий нагружения, определение остаточных температурных напряжений и обобщение экспериментальных данных с целью разработки научно-обоснованных комплексных методов упрочнения для получения оптимальной структуры, повышающей эксплуатационные характеристики штамповых сталей, представляет большое практическое значение.
Создание высокостойкого штампового инструмента является составной частью народнохозяйственной проблемы – повышения технико-экономической эффективности процессов металлообработки.
Повышение долговечности штамповой оснастки для горячей обработки металлов давлением является важной научной проблемой, об актуальности и необходимости решения которой свидетельствуют Постановления Правительства, Решения и Приказы директивных органов. В соответствии с ними Тульским политехническим институтом (ныне - Тульский государственный университет) при непосредственном участии автора в период с 1983 по 2008 г.г. выполнялись хоздоговорные и госбюджетные НИР.
В частности, в последние годы (2003 – 2007 г.г.) работа выполнялась в соответствии с проектами Президента РФ на поддержку ведущих научных школ по выполнению научных исследований (гранты № НШ – 1456. 2003. 8 и № НШ – 4190. 2006. 8), государственным контрактом Федерального агенства по науке и инновациям № 02.513.11.3299 (2007 г.), грантами РФФИ № 05-01-96705 (2005 – 2007 г.г.) и № 07-01-00041 (2007 – 2009 г.г.) и аналитической ведомственной целевой программы “Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)” (проект № 2.1.2/730).
Цель работы: повышение стойкости литых пуансонов горячего деформирования осесимметричных деталей путем установления взаимосвязей технологических параметров обработки, выбора научно - обоснованных комплексных методов упрочнения и рациональных режимов эксплуатации.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи исследования:
1. Установить температурно-силовые режимы эксплуатации литых пуансонов для горячей обработки металлов давлением.
2. Оценить величины и характер перераспределения остаточных напряжений и их влияния на закономерности усталостного разрушения литых пуансонов.
3. Исследовать кинетику возникновения и роста усталостных трещин в штамповом инструменте для горячей обработки металлов давлением при изготовлении корпусных изделий методом прошивки, при котором головки прошивных пуансонов работают в крайне тяжелых температурно-силовых условиях и имеют низкую стойкость.
4. Разработать комплексную методику исследования, позволяющую оценить эффективность влияния различных видов упрочняющих обработок на разгаростойкость и долговечность литых пуансонов, работающих в условиях циклически меняющихся температурных и силовых нагрузок.
5. Обосновать режимы упрочняющих технологий, обеспечивающих повышение долговечности штампового инструмента.
6. Определить области рационального применения различных видов упрочняющих технологий.
7. Обобщить теоретические и экспериментальные исследования стойкости литых пуансонов, методов упрочнения их материалов, позволяющих повысить долговечность инструмента для горячей обработки металлов давлением.
Методы исследования
Исследования выполнены с использованием математического аппарата теории пластичности, теории теплопередачи и теории зарождения и распространения трещин. Условием, обеспечивающим современный уровень моделирования, является широкий анализ работ, посвященных как экспериментальным, так и теоретическим исследованиям, логическая связь с теоретическими и экспериментальными результатами предыдущих исследований, сопоставление некоторых выводов с ранее известными фактами.
Экспериментальные исследования выполнены с использование современных испытательных машин и регистрирующей аппаратуры; обработка опытных данных осуществлялась с применением методов математической статистики и теории планирования эксперимента.
Автор защищает:
- закономерности формирования температурных полей многомерной системы «инструмент – заготовка» с учетом скорости перемещения инструмента относительно разогретой заготовки при циклически меняющихся температурно-силовых воздействиях;
- физические и математические модели определения величин и характера распределения остаточных напряжений под действием различных методов упрочняющих технологий в результате циклического температурного воздействия;
- математическую модель возникновения и распространения термоусталостной трещины, по скорости роста которой определяется число циклов до разрушения литых пуансонов;
- методику оценки роста трещин усталости штамповых сталей в зависимости от различных методов упрочняющих обработок и условий эксплуатации инструмента обработки металлов давлением;
- методику определения оптимальных режимов и рациональных областей применения различных методов упрочняющих обработок исследуемых сталей с целью повышения их эксплуатационных характеристик и получения высокостойкого штампового инструмента;
- обобщения выполненных теоретических результатов и экспериментальных исследований разгарного разрушения и изменения на их основе служебных характеристик штамповых сталей после физических, электродинамических и комбинированных технологий упрочнения;
- практические рекомендации по обоснованию и назначению рациональных параметров режимов эксплуатации литых пуансонов и комплексных методов упрочнения его материалов.
Научная новизна работы состоит в выявлении физических и математических закономерностей, адекватно отображающих температурно – силовые условия работы многомерной системы «инструмент – заготовка - матрица», установлении механизма возникновения и распространения усталостных трещин, появления и изменения остаточных напряжений в процессе термической обработки и штамповки, обеспечивающих повышение эффективности литых пуансонов на основе выбора комплексных методов упрочнения и режимов их эксплуатации, позволяющих на стадии проектирования прогнозировать стойкость пуансонов.
Достоверность результатов обусловлена корректностью применения современных математических методов, широким использованием ЭВМ, удовлетворительным сравнением результатов моделирования с имеющимися экспериментальными данными (расхождение не более 5%).
Научная значимость. Создана научная база для обеспечения возможности повышение стойкости штампового инструмента путем назначения рациональных режимов эксплуатации и увеличения долговечности литых пуансонов для горячей обработки металлов давлением путем выбора рациональных научно-обоснованных комплексных методов упрочнения.
Практическая ценность.
В выполненном автором комплексе исследований практическую ценность представляют:
- метод расчета температурных полей и напряжений в движущемся относительно разогретой заготовки осесимметричном инструменте для горячей обработки металлов давлением;
- выявленный характер распределения и изменения остаточных напряжений при термоциклировании, предопределяющие зоны вероятного зарождения усталостных трещин в штамповом инструменте;
- результаты исследований ограниченной долговечности и кинетики развития разгарных трещин, позволяющие установить эффективность различных технологий упрочнения литых пуансонов;
- режимы физических, электродинамических в процессе ЭШП и комбинированных методов упрочнения, повысивших стойкость штампового инструмента;
- рекомендации рационального применения исследованных методов упрочнения в соответствии с режимами эксплуатации.
Реализация работы. Результаты исследований внедрены в ЦНИТИМ (г. Москва), ОАО «Корпорация «ТРВ» (г. Королев, Московская область), ЗАО «ЗЭМ РКК «Энергия» им. С.П. Королева (г. Королев, Московская область), ОАО «Штамп» (г. Тула), ОАО «Туламашзавод», ОАО «Точприбор» (г. Иваново), ОАО «ТНИТИ» (г. Тула), ФГУП «ГНПП «Сплав» (г. Тула), ЗАО «Тульский завод цепей» (г. Тула), АО тракторный завод «Траком» (г. Кишинев).
Отдельные материалы научных исследований использованы в учебном процессе на кафедрах «Механика пластического формоизменения» и «Проектирование механизмов и деталей машин» ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»:
- при написании учебных пособий «Курсовое проектирование деталей машин», «Детали машин. Курсовое проектирование» и «Механика. Проектирование механизмов и деталей машин»;
- при чтении лекций, проведении лабораторных и практических занятий по дисциплинам «Теория обработки металлов давлением» и «Новые техпроцессы и оборудование», при подготовке бакалавров направления 150400 «Технологические машины и оборудование» и инженеров, обучающихся по специальности 150200 «Машиностроительные технологии и оборудование», специальности 150201 «Машины и технологии обработки металлов давлением»;
- при подготовке кандидатских и магистерских диссертаций, исследовательских курсовых и дипломных проектах, выпускных квалификационных работ бакалавров.
Апробация работы.
Результаты исследований докладывались на конференции «Состояние и основные направления повышения стойкости штампового инструмента» / Ижевск, 1977 г, на конференции «Сверхпластичность металлов» / Тула, 1986 г., на международной конференции «Прогрессивные методы и технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий» / Волгоград, 1997 г., на международной конференции «Современные проблемы и методология проектирования и производства силовых зубчатых передач» / ТулГУ. – Тула, 2000 г., межвузовской конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» // СГУ. – Самара, 2002 г., международной конференции. «Актуальные проблемы конструкторско-технологического обеспечения машиностроительного производства». – Волгоград, 2003 г., первой общероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука – производству». – Вологда, 2003, всероссийской научно - технической конференции «Наука – производство – технология – экология»: в 5-ти т. – Киров, 2003 г., ежегодных научно – технических конференциях профессорско – преподавательского состава ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» (г. Тула, 1974 – 2008 гг.). Вклад автора в разработку новых технологий повышения стойкости литых пуансонов горячего деформирования отмечен Дипломами лауреата премий им. С.И. Мосина в области машиностроения.
Диссертация в целом докладывалась на семинаре кафедры «Проектирования механизмов и деталей машин» (г. Тула, ТулГУ, 2008 г.) и на расширенном заседании кафедры «Механика пластического формоизменения» (г. Тула, ТулГУ, 2009 г.).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 50 научных работ, среди них: монографии – 3; авторских свидетельств СССР – 4; статей в центральной печати и зарубежных рецензируемых изданиях и сборниках, входящих в «Перечень периодических научных и научно-технических изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертации на соискание ученой степени доктора наук» - 20; статей в различных сборниках научно-технических трудов – 23. Общий объем – 48 печ. л., авторский вклад – 32 печ. л.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору С.С. Яковлеву за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения и приложения. Включает 298 страниц машинописного текста, содержит 155 рисунков, 12 таблиц, список использованных источников из 162 наименований.
