Введение к работе
Актуальность исследования. Развитие кузнечно-штамповочного производства позволяет в настоящее время получать точные по массе поковки с минимальными припусками на механическую обработку и существенным уменьшением металлоотходов за счет применения безоблойной схемы штамповки.
В настоящее время перспективным направлением развития безоблойной штамповки является штамповка выдавливанием, которая позволяет получать поковки по форме и размерам приближенным к готовым деталям.
Одним из направлений, позволяющих расширить границы применения штамповки выдавливанием, является разработка процесса выдавливания из шаровой заготовки в закрытых штампах. Поэтому развитие теории и совершенствование технологии безоблойной схемы штамповки выдавливанием в закрытых штампах, направленное на уменьшение потери металла, является актуальным.
Работа выполнена в соответствии с Государственной программой «Основы политики РФ в области развития науки и технологий на период до 2010 г. и дальнейшую перспективу» от 30 марта 2002 г. и перечнем критических технологий РФ, разделы «Компьютерное моделирование», «Энергосбережение», а также в соответствии с приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники в РФ раздел «Энергетика, энергосбережение», утвержденный президентом РФ 21 мая 2006 г. №843 и раздел «Энергоэффективность, энергосбережение» утвержденный президентом РФ 07 июля 2011 г. №899.
Цель работы: разработать новую научно-обоснованную ресурсосберегающую технологию полугорячей безоблойной штамповки поковок типа крестовин на основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований основных силовых параметров процесса.
Задачи исследования.
-
Оценить основные силовые параметры процесса штамповки поковок типа крестовин одно- и двухсторонним выдавливанием из шаровой заготовки в закрытых штампах на основе трехмерной твердотельной модели, спроектированной в инженерном программном комплексе компьютерного моделирования.
-
Исследовать и рассчитать основные силовые параметры процесса двухстороннего выдавливания поковок типа крестовин в закрытых штампах методом математического моделирования на основе существующих расчетных схем одностороннего выдавливания.
-
Экспериментально исследовать процесс штамповки поковки крестовины одно- и двухсторонним выдавливанием из шаровой заготовки в закрытых штампах, с целью оптимизации основных параметров процесса.
-
Разработать методику и провести исследования по определению прочностных, пластических характеристик и поверхностного угара стали 20Х. На основе полученных результатов исследований, а также используя метод «обобщенной функции желательности», определить оптимальную температуру нагрева заготовки под штамповку поковок типа крестовин выдавливанием в закрытых штампах.
-
Разработать алгоритм выбора технологического процесса штамповки поковок выдавливанием на основе теоретических и экспериментальных исследований, а также использовать результаты проведенных исследований при производстве поковок типа крестовин на промышленных предприятиях.
Методы исследования. В ходе исследований в диссертационной работе использовались: метод трехмерного твердотельного моделирования при помощи специализированного инженерного программного комплекса, предназначенного для анализа процессов обработки металлов давлением (ОМД); метод теории подобия и моделирования процессов ОМД; метод планирования эксперимента; метод исследования механических свойств металла; методика определения поверхностного угара; метод обобщенной функции желательности.
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, анализе научно-технической информации, организации и постановке экспериментов, непосредственном участии в их проведении, обработке и анализе полученных данных, а также использовании результатов исследований при производстве поковки.
Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов подтверждается: совместным использованием воспроизводимого по точности физического и математического моделирования, основанного на современных достижениях теории пластичности; широкого использования методов планирования экспериментов; адекватностью разработанных математических моделей; высокой эффективностью предложенных технологических решений, подтвержденных актом использования результатов в производстве.
Научная новизна:
разработаны трехмерные твердотельные модели штамповки поковок типа крестовин из шаровой заготовки выдавливанием в закрытых штампах при условии двухстороннего приложения нагрузки с помощью инженерного программного комплекса компьютерного моделирования;
разработаны математические расчетные схемы для определения основных параметров процесса двухстороннего выдавливания поковок типа крестовин на основе существующих расчетных схем одностороннего выдавливания;
впервые научно обоснована возможность использования двухстороннего выдавливания полугорячей шаровой заготовки для производства поковки крестовины с улучшенными механическими характеристиками в закрытых штампах на основе анализа новых научных результатов полученных экспериментально, а также с помощью разработанных математических схем и трехмерных твердотельных моделей процесса выдавливания;
определена оптимальная температура нагрева заготовки из стали 20Х для двухстороннего выдавливания поковки типа крестовин с помощью аналитического метода «обобщенной функции желательности» на основе результатов проведенных исследований по сопротивлению металла деформации, пластическим свойствам и поверхностному угару для стали 20Х;
разработан научно-обоснованный алгоритм проектирования технологических процессов штамповки выдавливанием поковок в закрытых штампах.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
спроектирована и использована на производстве новая технологическая операция безоблойной полугорячей штамповки двухсторонним выдавливанием поковок типа крестовин из шаровой заготовки в закрытых штампах на основе ключевых идей разработанной и изготовленной штамповой оснастки (патент РФ №90723);
разработан алгоритм выбора технологического процесса штамповки выдавливанием поковок, позволяющий учитывать геометрию поковки, технологические особенности процесса, а также выдавливать поковки с компенсатором и без;
определены основные параметры, используемые в технологическом процессе штамповки двухсторонним выдавливанием поковок в закрытых штампах из стали 20Х: температура нагрева заготовки, прочностные и пластические характеристики, а также поверхностный угар.
Реализация результатов работы: результаты исследований использованы при разработке ресурсосберегающей технологии полугорячей безоблойной штамповки выдавливанием поковок типа крестовин и проектировании штамповой оснастки для производства поковок на ОАО «Новокузнецкий вагоностроительный завод» и ООО «Промышленные металлоконструкции» г. Новокузнецк.
Научные результаты исследования используются при подготовке студентов по специальности 150106 – Обработка металлов давлением в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».
Использование результатов работы в производственном и учебном процессах подтверждено соответствующими актами об использовании и внедрении.
Положения, выносимые на защиту.
-
Методики определения и результаты расчета основных силовых параметров процесса выдавливания поковки крестовины в закрытом штампе.
-
Методики и результаты экспериментальных исследований прочностных, пластических характеристик и поверхностного угара стали 20Х.
-
Результаты определения оптимальной температуры нагрева заготовки из стали 20Х под штамповку выдавливанием в закрытом штампе.
-
Технологический процесс полугорячего безоблойного выдавливания поковок типа крестовин, разработанный на основе проведенных исследований.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 7-ая Всероссийская научно – практическая конференция «Высокие технологии, прикладные исследования, промышленность», г. Санкт-Петербург, 2009 г.; 11-ая Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. «Наука и молодежь: проблемы, поиски решения». г. Новокузнецк, - 2007 г.; Всероссийская научно – практическая конференция «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество», г. Новокузнецк, - 2008 г.; 13-ая Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. «Наука и молодежь: проблемы, поиски решения», г. Новокузнецк, - 2009 г.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям и задачам, методам исследования и научной новизне соответствует: пункту 1 – «Исследование и расчет деформационных, скоростных, силовых, температурных и других параметров разнообразных процессов обработки металлов, сплавов и композитов давлением»; пункту 2 – «Исследование процессов пластической деформации металлов, сплавов и композитов с помощью методов физического и математического моделирования»; пункту 3 – «Исследование структуры, механических, физических, магнитных, электрических и других свойств металлов, сплавов и композитов в процессах пластической деформации»; пункту 6 – «Разработка способов, процессов и технологий для производства металлопродукции, обеспечивающих экологическую безопасность, экономию материальных и энергетических ресурсов, повышающих качество и расширяющих сортамент изделий» паспорта научной специальности 05.16.05 – обработка металлов давлением.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 работы в рецензируемых научных журналах и изданиях, а также получен патент РФ №90723.
Объем и структура диссертации: диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы из 106 наименований и 5-ти приложений. Диссертация изложена на 151 странице машинописного текста, содержит 65 рисунков и 22 таблицы.
