Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ путей повышения эффективности технологических операций металлообработки за счет оптимизации условий фрикционного взаимодействия между инструментом и заготовкой 19
1.1. Влияние метода подготовки поверхности подката и вида смазки на коэффициент трения при волочении и калибровании 19
1.2. Влияние методов и режимов резьбообработки и триботехнических характеристик смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС) на качество поверхности резьбы и износ формообразующего инструмента 29
1.3. Современное состояние проблемы определения триботехнических характеристик и выбора СОТС для металлообработки и консервации металлоизделий 53
1.4. Выводы к главе 1 66
Глава 2. Теоретическая и экспериментальная базы исследования 69
2.1. Концепция разработки методов определения триботехнических характеристик и выбора СОТС 69
2.2 Физическое моделирование фрикционного взаимодействия инструмента и заготовки в типовых технологических операциях металлообработки 75
2.2.1. Прямое выдавливание и редуцирование 76
2.2.2. Волочение 77
2.2.3. Листовая штамповка 82
2.2.4. Формообразование внутренней резьбы 85
2.2.5. Осадка 91
2.2.6. Холодная прокатка 93
2.2.7. Лезвийная обработка 94
2.2.8. Абразивная обработка 97
2.2.9. Литье в кокиль 98
2.2.10. Исследования влияния попадания СОТС в систему смазки станка на триботехнические характеристики смазочных масел 99
2.3. Математическое моделирование процесса волочения с учетом трения на контактных поверхностях 103
2.3.1. Теоретические основы расчетной модели 104
2.3.1.1. Описание перемещений и деформаций в объеме тела 104
2.3.1.2. Описание напряженного состояния в объеме тела 107
2.3.1.3. Конечно-элементная модель напряженно-деформированного состояния 109
2.3.1.4. Контактные граничные условия 110
2.3.2. Основные допущения и исходные данные при моделировании 112
2.4. Численное моделирование формообразования при выдавливании внутренней резьбы с учетом условий трения 114
2.5. Сравнительный анализ формирования приповерхностных слоев обрабатываемых деталей при применении СОТС и консервационных масел 125
2.6. Материалы и оборудование 139
2.6.1. Особенности материалов, используемых в производстве крепежных деталей 139
2.6.2. Методика и оборудование для исследования коррозионных свойств обработанных поверхностей 142
2.6.3. Методика оценки некоторых эксплуатационных свойств СОТС 146
2.6.4. Исследуемые технологические смазочные материалы 146
2.6.5. Статистическая обработка экспериментальных результатов 150
2.6.6. Методология комплексной оценки триботехнических характеристик и выбора СОТС с учетом способов и режимов металлообработки 152
2.7. Выводы к главе 2 157
Глава 3. Исследования триботехнических характеристик в паре трения «инструмент-заготовка» при волочении стали и обоснование выбора смазочной среды, методов предварительной обработки поверхности заготовки и режимов бесфосфатного волочения 160
3.1. Исследование контактных напряжений и силы волочения в зависимости от значения коэффициента трения 160
3.2. Экспериментально-аналитический метод определения коэффициентов трения между инструментом и заготовкой при пластическом деформировании металлов 169
3.3 Исследования триботехнических свойств специальных технологических смазочных материалов (СТСМ) для бесфосфатного волочения 170
3.4. Исследование влияния различных технологических факторов на коэффициент трения и силу волочения 179
3.4.1. Зависимость кэффициента трения и силы волочения от кинематической вязкости СТСМ и степени относительной деформации 179
3.4.2. Влияние дробеструйной обработки поверхности подката и смазочного материала на параметры фрикционного контакта и морфологию поверхности при волочении стали 183
3.4.3. Влияние режимов дробеструйной обработки (ДОС) и температуры на силу волочения 187
3.4.4. Математическая модель силы волочения стали 20Г2Р в зависимости от свойств СОТС и технологических факторов 190
3.5. Обеспечение защиты поверхности от коррозии после бесфосфатного волочения 192
3.6. Выводы к главе 3 195
Глава 4. Исследования триботехнических характеристик и выбор СОТС для операции выдавливания внутренней резьбы на форсированных режимах обработки 197
4.1. Исследование с помощью численного моделирования выдавливания внутренней резьбы при различных СОТС , 197
4.2. Обоснование выбора композиций специальных технологических СОЖ(СТСОЖ) 204 Влияние СТ СОЖ на повышение скорости формирования внутренней резьбы бесстружечным метчиком 211
4.2.2. Износостойкость раскатников и качество витков резьбы 214
4.2.3. Исследование влияния смазочно-охлаждающих жидкостей при раскатывании и накатывании резьбы на прочностные
характеристики резьбы и долговечность резьбовых соединения 222
4.2.3.1. Влияние различных СТ СОЖ на прочность болта и гайки при статической нагрузке 222
4.2.3.2. Исследования резьбовых соединений шпилькой на малоцикловую усталость 228
4.3. Влияние СТ СОЖ на коррозию обработанных поверхностей 240
4.4. Выводы из главы 4 244
Глава 5. Разработка консервационно-технологических смазочных материалов, обладающих, наряду с антикоррозионными, высокими триботехническими свойствами на операциях металлообработки 247
5.1. Обоснование выбора композиции консервационно-технологических смазочных материалов (КТСМ) 247
5.1.1. Выбор компонентов для КТСМ 247
5.1.2. Планирование экспериментов и обоснование состава КТСМ 258
5.2. Исследование зависимостей выходных параметров технологических процессов от режимов обработки при использовании КТСМ в сравнении с товарными технологическими смазочными материалами (ТСМ) 274
5.2.1. Исследование антифрикционных и штамповочных свойств разработанных КТСМ 274
5.2.2. Исследования противоизносных свойств разработанных КТСМ на операциях лезвийной обработки при изменении скорости резания 277
5.2.3. Исследования антифрикционных и технологических свойств специальных КТСМ на операциях резьбообразования при форсировании режимов обработки 280
5.3. Экспериментальные исследования влияния ТСМ, консервационных масел (КМ) и КТСМ на коррозию обработанных поверхностей 285
5.4. Выводы к главе 5 292
Глава 6. Опытно-промышленная апробация и внедрение новых СОТС в технологию массового производства деталей машин 296
6.1. Вопросы токсикологии, сертификации 297
6.2. Промышленные испытания при изготовлении крепежных деталей 298
6.2.2. Промышленные испытания опытного технологического процесса изготовления гаек 302
6.2.3. Промышленная апробация новой технологии подготовки поверхности подката для холодной высадки крепежных деталей 309
6.2.4. Применение СТ СОЖ при изготовлении гаек 311
6.2.5. Апробация КТСМ при изготовлении гаек 315
6.3. Промышленные испытания специальных СОТС марки «Росойл» при изготовлении деталей машин и механизмов 317
6.3.1. Применение СТ СОЖ при изготовлении поршневого пальца 317
6.3.2. Применение СТ СОЖ Росойл-503 в качестве водной эмульсии на операции протягивания шатуна 319
6.3.3. Адаптация разработанного КТСМ к условиям производства труб в качестве консервационного масла 325
6.3.4. Промышленное использование КТСМ при консервации металлопроката и металлоизделий 332
6.3.5. Применение КТСМ на операциях листовой штамповки в качестве технологического смазочного материала 340
6.4. Выводы к главе 6 340
Основные выводы и результаты 343
Список литературы
- Влияние методов и режимов резьбообработки и триботехнических характеристик смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС) на качество поверхности резьбы и износ формообразующего инструмента
- Исследования влияния попадания СОТС в систему смазки станка на триботехнические характеристики смазочных масел
- Исследования триботехнических свойств специальных технологических смазочных материалов (СТСМ) для бесфосфатного волочения
- Обоснование выбора композиций специальных технологических СОЖ(СТСОЖ) 204 Влияние СТ СОЖ на повышение скорости формирования внутренней резьбы бесстружечным метчиком
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Повышение точности расчетов при проектировании современных технологических процессов требует обоснованного учета триботехнических характеристик контакта «инструмент-обрабатываемая деталь», в значительной степени определяющихся используемыми смазочными средами. Выбор смазывающе-охлаждающей технологической среды (СОТС) должен производиться с учетом специфики конкретной операции, используемого оборудования, геометрии заготовки и инструмента, обрабатываемых и инструментальных материалов, и в строгом соответствии с режимами обработки. Все это требует углубленного изучения триботехнических процессов в паре трения «инструмент - обрабатываемая деталь».
Большой вклад в изучение проблемы трения и изнашивания трибосопряжений и разработку методов повышения сроков службы машин и оборудования внесли отечественные ученые Буше Н.А., Гаркунов Д.Н., Горячева И.Г., Дроздов Ю.Н., Колесников В.И., Крагельский И.В., Матвеевский P.M., Михин Н.М., Сорокин Г.М., Хрущов М.М., Чичинадзе А.В., Семенов А.П. и др.
Важные исследования по разработке и изучению влияния СОТС на трение и изнашивание технологического инструмента при металлообработке проведены в работах Белосевича В.К., Берлинера Э.М., Гордона М.Б., Исаченкова Е.И., Клушина М.И., Латышева В.Н., Леванова А.Н. и др.
Однако, несмотря на значительные исследования, выполненные отечественными и зарубежными учеными по разработке СОТС и изучению их влияния на процессы трения и изнашивания, в технической и научной литературе практически отсутствуют данные о комплексных исследованиях триботехнических характеристик СОТС, полученных с учетом многообразия сочетаний способов и режимов металлообработки, при которых они применяются.
Исторически сложилось так, что для триботехнических испытаний смазочно-охлаждающих технологических сред, применяемых при металлообработке, используются те же методики и испытательные стенды, что и для исследований смазочных материалов, используемых в узлах трения деталей машин. Как показывает практика, результаты этих испытаний не всегда коррелируются с результатами, полученными на реальном производственном оборудовании. Это объясняется тем, что схемы и условия трения в узлах деталей машин и в контакте «инструмент-обрабатываемая деталь» существенно отличаются. Если в узлах трения деталей машин давления в трущихся парах находятся в пределах упругих деформаций (упруго-пластических на микронеровностях поверхности), то при обработке металлов реализуются давления пластических деформаций основного объема металла (обработка давлением) и разрушения (лезвийная и абразивная обработка). Поэтому окончательный вывод об эффективности применения смазочной среды на технологической операции и оптимизация режимов обработки производятся, как правило, на основании экспериментальных результатов, полученных на производственном оборудовании, что в условиях действующего производства является крайне дорогостоящим и трудоемким процессом.
Отсутствие научно обоснованных методов определения триботехнических характеристик и выбора СОТС с учетом сочетания способов и режимов металлообработки существенно сдерживает как разработку новых СОТС, так и развитие новых технологий.
Таким образом, создание методологии определения триботехнических свойств СОТС и выбора смазочных материалов с учетом сочетания методов и режимов металлообработки на стадии проектирования технологического процесса является актуальной задачей как с научной, так и с практической точек зрения.
Наибольший интерес эта работа представляет для условий массового производства, где факторы, непосредственно зависящие от триботехнических характеристик СОТС (энергозатраты, стойкость инструмента, качество обработанной поверхности, производительность оборудования), наиболее существенно влияют на себестоимость и качество изделий. Особенно это касается, в частности, производства крепежных деталей, у которых велико отношение площади обрабатываемой поверхности к объему детали и высоки требования к точности геометрических размеров и механическим свойствам рабочих поверхностей.
Работа выполнялась в рамках научно-технических программ:
• поддержка малого предпринимательства и новых экономических структур в науке и научном обслуживании высшей школы (приказ Госкомитета по ВО РФ №72 от 09.07.93 г.);
• трансферные технологии, комплексы и оборудование в химии (приказ Минобразования РФ №270 от 26.02.97 г.; указания №91-16);
• малотоннажные химические продукты, технические составы, реактивы и особо чистые химические вещества (указание Минобразования №747-19 от 22.12.97 г.).
Цель работы - разработка методологии определения триботехнических характеристик пары трения «инструмент-деталь» и выбора смазочной среды при проектировании технологических процессов и реализация её для снижения себестоимости и повышения качества в производстве крепежных деталей.
Исходя из цели работы, для ее реализации были поставлены следующие задачи исследований:
1. Разработать комплексную методологию определения триботехнических характеристик и выбора специальных композиций СОТС для операций механической обработки деталей машин, учитывающую методы и режимы обработки, эксплуатационные и технологические требования современного производства к технологическим средам.
2. Обосновать сочетание технологических методов, режимов обработки и триботехнических характеристик специальных композиций СОТС:
• специальных технологических смазочных материалов (СТСМ), которые совместно с механической обработкой поверхности (без нанесения подсмазочных покрытий) обеспечат снижение коэффициентов трения по отношению к фосфатированной и омыленной заготовке на операциях волочения и калибрования;
• специальных технологических (СТ) СОЖ, обеспечивающих высокие триботехнические характеристики при многократном увеличении скорости резьбообработки пластическим деформированием и повышение качества поверхности витков резьбы;
• полифункциональных СОТС - консервационно-технологических смазочных материалов (КТСМ), которые в отличие от товарных консервационных масел имеют высокие триботехнические (противозадирные, антифрикционные и противоизносные) свойства, что позволит совместить операции металлообработки и консервации деталей.
3. Провести исследования триботехнических и эксплуатационных свойств специальных СОТС (СТСМ, СТ СОЖ и КТСМ), с целью определения наиболее рациональных режимов и областей их применения.
4. Разработать маршрутную технологию изготовления крепежных деталей, реализующую резервы повышения производительности труда и качества изделий, а также снижения себестоимости на операциях подготовки поверхности подката под волочение и калибрование, резьбообработки и консервации деталей за счет научно обоснованного сочетания режимов обработки и триботехнических характеристик применяемых СОТС.
5. Осуществить опытно-промышленную апробацию специальных СОТС и технологических решений в реальных производственных условиях.
Научная новизна.
1. Создано научно-методическое обеспечение определения триботехнических характеристик пары трения «инструмент-деталь» и выбора СОТС при проектировании технологических процессов, включающее:
• комплекс методик и оборудования для физического моделирования фрикционного контакта инструмента и заготовки в типовых технологических операциях металлообработки;
• математическое моделирование, которое позволяет оценить напряженно-деформированное состояние (НДС) зоны обработки и адгезионную составляющую силы трения с учетом применяемых СОТС;
• технико-экономические критерии обоснования специальных композиций СОТС.
2. Обоснованы сочетания технологических методов, режимов обработки и триботехнических характеристик специальных композиций СОТС:
• СТСМ, которые в сочетании с дробеструйной обработкой подката создают при волочении и калибровании приповерхностный слой, способный своим триботехническим свойствам заменить фосфатирование заготовок;
• СТ СОЖ, обеспечивающих снижение коэффициента трения между инструментом и заготовкой при увеличении скорости резьбообработки пластическим деформированием в пределах технических возможностей оборудования;
• КТСМ, обладающих наряду, с антикоррозионными свойствами, высокими триботехническими характеристиками (противозадирными, антифрикционными и противоизносными) на наиболее тяжелонагруженных операциях обработки металлов резанием и давлением.
3. Установлены функциональные связи выходных параметров механообработки (производительности, энергозатрат, качества обработки и т.п.) с технологическими режимами и триботехническими свойствами специальных СОТС: СТСМ - при волочении и калибровании подката после дробеструйной обработки; СТ СОЖ - при резьбообразовании бесстружечным метчиком; КТСМ - при совмещении операций металлообработки и консервации.
Методы и объекты исследования. Для решения поставленных задач использовались результаты физического и математического моделирования фрикционного контактного взаимодействия «инструмент-обрабатываемая деталь». При физическом моделировании определялись триботехнические характеристики СОТС на установках, реализующих условия фрикционного контакта типовых технологических операций. При математическом моделировании использовались программно-вычислительные комплексы (ПВК) ANSYS 5.7. и LS-DYNA 3D, позволившие оценить напряженно-деформированное состояние (НДС) технологической зоны обработки при волочении подката и выдавливании резьбы метчиками и силы деформирования с учетом применяемых СОТС.
Совместный анализ результатов физического и математического моделирования позволил определить фактические значения коэффициентов трения, соответствующие заданным сочетаниям СОТС, способов и режимов металлообработки. Оценка физико-химических свойств СОТС осуществлялась по известным стандартным методикам. В специально разработанной камере соляного тумана и климатической камере исследованы защитные свойства СОТС против коррозии. Определение прочности резьбовых соединений выполнялось на разрывных машинах Р-5 и Р-20.
Анализ экспериментальных результатов выполнен с применением математической статистики.
Оптимизация триботехнических, технологических и защитных характеристик композиций КТСМ производилась путем постановки полного факторного эксперимента методом крутого восхождения.
В качестве объектов исследования выбраны характеристики фрикционного контакта пары трения «инструмент-заготовка» в типовых операциях производства крепежных деталей.
Достоверность полученных результатов работы обосновывается:
применением при математическом моделировании хорошо апробированного численного метода анализа - метода конечных элементов;
- применением современного экспериментального оборудования;
- систематическим метрологическим контролем точности измерительных приборов;
- применением апробированных методов оценки физико-химических, защитных, триботехнических и функциональных свойств технологических сред;
- применением независимых методов оценки исследуемого параметра;
- сопоставлением экспериментальных исследований с данными теоретического анализа;
- сравнением полученных результатов с результатами аналогичных или близких постановок и решений отечественных и зарубежных авторов.
Достоверность новизны технических решений подтверждается авторскими свидетельствами и патентами РФ.
Практическая ценность результатов.
Предложенная методология определения триботехнических характеристик и выбора СОТС с использованием ПВК ANSYS 5.7. и LS-DYNA 3D позволяет оценить напряженно-деформированное состояние и коэффициенты трения в процессе волочения подката и выдавливания резьбы в заготовках бесстружечными метчиками с учетом реальной формы инструмента, элементов режима обработки и влияния применяемых технологических смазочных материалов. В результате стало возможным осуществлять достаточно быстро и с необходимой точностью вариантные расчеты и, в конечном итоге, - обоснованный выбор СОТС.
Разработана, прошла промышленную апробацию и внедрена в массовое производство технология подготовки поверхности подката под волочение и калибрование, в которой за счет применения специальных СТСМ в сочетании с дробеметной обработкой удалось получить более низкий коэффициент трения, чем при традиционно используемом фосфатировании, что позволило исключить из производства применение соляной кислоты и девяти переходов фосфатирования заготовок.
Внедрена в производство специальная композиция СТ СОЖ, триботехнические характеристики которой сохраняются при увеличении скорости резьбообразования бесстружечным метчиком и повышается качество поверхности резьб на гайках.
Предложенные в работе полифункциональные КТСМ обеспечивают высокие триботехнические характеристики на наиболее нагруженных операциях обработки металлов давлением и резанием, что позволяет совмещать операции металлообработки и консервации деталей и исключить из технологического маршрута дополнительные операции обезжиривания, сушки, нанесения защитных составов при одновременном повышении качества обработанной поверхности и эффективности защиты изделий от атмосферной коррозии.
Реализация результатов работы.
Технологические линии бескислотной подготовки поверхности подката под волочение и калибрование внедрены на заводах: «Автонормаль» (г. Белебей) и «Красная Этна» (г. Нижний Новгород).
Новые СОТС (53 наименования) освоены в серийном производстве на ЗАО «Опытный завод смазок и оборудования» (ЗАО «ОЗСО», г. Уфа) и выпускаются в объеме 2,5 тыс. тонн в год. Они внедрены и используются в промышленном производстве на всех автозаводах России, крупнейших металлургических комбинатах, трубных заводах и машиностроительных предприятиях России и СНГ. Всего потребителями этой продукции являются более 500 предприятий.
Комплексные методики исследований триботехнических характеристик технологических сред используются при проведении научно-исследовательских работ в лабораториях Хозрасчетного творческого центра Уфимского авиационного института (ХТЦ УАИ) и Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ). Отдельные методики испытаний используются в лабораториях предприятий-потребителей на входном и эксплуатационном контроле технологических сред.
Полученные результаты используются в учебном процессе УГАТУ.
Автор выносит на защиту;
- методологию определения триботехнических характеристик и выбора смазочной среды при проектировании технологических процессов, заключающуюся в физическом и математическом моделировании типовых операций металлообработки и определении коэффициентов трения, с учетом их зависимости от материалов и геометрических характеристик пары трения «инструмент-обрабатываемая деталь», условий контактного взаимодействия и химической природы смазочного материала.
- разработанные сочетания технологических методов, режимов обработки и триботехнических характеристик специальных композиций СОТС:
• СТСМ, обеспечивающие совместно с дробеструйной обработкой заготовки более низкий коэффициент трения при волочении горячекатанного подката из углеродистых и борсодержащих сталей, чем при использовании традиционной технологии, включающей фосфатирование и омыливание заготовок, что позволяет исключить из технологического маршрута изготовления крепежных деталей использование соляной кислоты и девяти переходов экологически неблагоприятной операции фосфатирования;
• СТ СОЖ, триботехнические характеристики которых с повышением скорости резьбообработки при выдавливании внутренних резьб (в пределах реальных технических возможностей станков и их обслуживания) не ухудшаются;
• КТСМ, не уступающие по своим антикоррозионным характеристикам современным консервационным маслам и обеспечивающим коэффициент трения и износ инструмента при механообработке, соответствующие уровню высокоэффективных технологических смазочных материалов;
- установленные функциональные связи выходных технологических параметров от типа и условий применения СОТС:
• силы волочения подката от кинематической вязкости СТСМ и температуры в очаге деформации (показано, что наименьшие коэффициенты трения в процессе бесфосфатного волочения с обжимом до 20% достигаются при вязкости СТСМ 30-40 сСт и скорости волочения 40-60 м/мин);
• технологические режимы выдавливания резьбы в гайках метчиками, обеспечивающие при применении СТ СОЖ повышение производительности обработки более чем в два раза и улучшение качества резьбообработки (снижение энергозатрат в 1,4 раза, шероховатости поверхности с Ra 2,5...6 мкм до Ra 1,2...2,2 мкм; увеличение времени до появления признаков коррозии на обработанных поверхностях в 10-40 раз);
• установленные функциональные связи между силой трения, износом инструмента при металлообработке и антикоррозионными свойствами обработанной поверхности, - с одной стороны, и композиционными составами консервационных и технологических смазочных материалов, -с другой;
- бескислотную технологию подготовки поверхности подката под волочение и калибрование; технологические режимы на операции резьбообразования бесстружечным метчиком; новую маршрутную технологию, в которой за счет использования предложенных КТСМ и совмещения операций металлообработки и консервации деталей стало возможным исключение операций промежуточного обезжиривания, сушки и нанесения защитных составов.
Влияние методов и режимов резьбообработки и триботехнических характеристик смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС) на качество поверхности резьбы и износ формообразующего инструмента
Прочность и несущая способность резьбовых соединений при статическом нагружении и при переменных нагрузках в значительной степени зависят от качества поверхностного слоя резьбы, формируемого в процессе её изготовления.
Качество поверхностного слоя характеризуется макро- и микронеровностями (шероховатостью), макро- и микроструктурой, степенью и глубиной наклепанного слоя, величиной и знаком остаточных напряжений, а также физическими параметрами, связанными с искажением кристаллической решетки, плотностью дислокаций [21]. В свою очередь, качество поверхностного слоя резьбы во многом определяется способом и технологическими режимами её изготовления, применяемой смазочной средой и условиями фрикционного контакта между инструментом и заготовкой.
Существует два принципиально отличающихся метода образования резьбы: со снятием металла и пластическим деформированием (без снятия металла). При различных способах изготовления внешней резьбы 6-й степени точности (второго класса) соотношение производительности выражается следующими приближенными коэффициентами [234]:
Накатывание резьбы плоскими плашками 0,8 Накатывание резьбы круглыми роликами 3,0 Нарезание резьбонарезными головками 1,0 Нарезание круглыми плашками 0,4 Фрезерование резьбы 0,25
Из приведенного сравнения видно, что процесс накатывания резьбы отличается высокой производительностью. Экспериментальные исследования [234] показали, что кроме высокой производительности накатывание обеспечивает улучшение физико-механических свойств поверхностного слоя резьбы и позволяет получить достаточно высокую степень точности резьбовой детали, которую можно получить лишь шлифованием. Поэтому изготовление резьбы со снятием металла следует заменять, по возможности, накатыванием.
Основными параметрами режима накатывания являются: усилие накатывания Р; частота вращения ролика пр (скорость накатывания V); продолжительность х процесса накатывания.
Процесс накатывания резьбы состоит из двух последовательных взаимосвязанных этапов: выдавливание профиля и его калибрование. На стадии выдавливания происходит перераспределение элементарных объемов металла заготовки за счет радиальной подачи ролика с большой скоростью.
Калибрование происходит практически при неизменном положении роликов и характеризуется перемещением весьма малых объёмов металла - профиля.
Опыты показывают, что существуют такие параметра режима накатывания и такое минимальное время, при которых полностью формируется профиль резьбы. Дальнейшее увеличение технологического времени накатывания увеличивает лишь продолжительность калибровки.
Ниже рассмотрим отдельные вопросы этой проблемы.
При механической обработке на профиле резьбы появляются микронеровности, а в поперечном и продольном сечениях резьбовой детали образуются макронеровности: овальность, огранка, конусо- и седлообразность, а также другие отклонения от правильной геометрической формы.
Макронеровности составляют значительную часть допуска на средний диаметр резьбы и оказывают существенное влияние на качество посадки, увеличивая зазор и уменьшая натяг в соединении. Но они не приводят к повышению концентраций местных напряжений и не влияют существенно на выносливость резьбовых соединений.
Микронеровности, образующиеся в результате воздействия инструмента на обрабатываемую поверхность, а также упругопластическая деформация металла, оказывают большое влияние на выносливость резьбовых соединений. Чем глубже микронеровности и острее их впадины, тем в большей степени снижается усталостная прочность резьбовых соединений, их коррозионная стойкость потому, что в большей степени возрастают местные напряжения, способствующие образованию усталостных трещин. В связи с этим для повышения выносливости резьбовых соединений необходимо стремиться при любом способе изготовления к минимальной шероховатости поверхности резьбы и, особенно, её впадины. Поэтому механические и термохимические способы поверхностного упрочнения повышают выносливость резьбовых соединений [234].
Как показывают данные таблицы 3 [234], шероховатость поверхности накатанной резьбы соответствует 8-11-му классам. При накатывании обычными роликами с неполированной резьбой, шероховатость поверхности резьбы больше, чем при накатывании полированными роликами.
Исследования влияния попадания СОТС в систему смазки станка на триботехнические характеристики смазочных масел
Испытания эффективности смазок для пресс-форм литья под давлением проводятся по схеме, показанной на рис. 2.19. В полость модели пресс-формы 1, предварительно смазанную смазкой, заливается дозированная порция расплавленного металла 3.
С целью гарантированности одинаковых условий испытаний заливку металла производят в предварительно нагретые до фиксированной температуры пресс-формы. Извлечение отливок производится после остывания пресс-формы, отливки и стержня до комнатной температуры.
Таким образом, обеспечивается одинаковое во всех испытаниях обжатие внутреннего цилиндра пресс-формы 4, вызванное разностью коэффициентов температурного расширения стали и алюминия.
Затем оснастку устанавливают на разрывную машину ИР-5041-50 и оценивают силы удаления отливки из полости пресс-формы и стержня из отливки. По снижению этих двух сил судят об эффективности смазочного материала.
Конструктивные особенности технологического оборудования зачастую не исключают возможность попадания ТСМ в систему смазки оборудования, что выдвигает дополнительные требования по совместимости со смазочными материалами узлов и деталей машин. Попадание смазочно-охлаждающих технологических сред в смазочные материалы не должно вызывать повышенный износ, заедание и коррозию узлов трения оборудования. Поэтому при разработке и внедрении новых СОТС необходимо проведение комплекса исследований по оценке возможных последствий попадания ТСМ в систему смазки оборудования.
Классическими методами оценки смазочных материалов для узлов и деталей машин являются: испытания на четырехшариковои машине трения (ЧМТ-1), определение адгезионной составляющей силы трения, комплекс испытаний на универсальной машине трения 2168 УМТ.
Метод определения смазывающих свойств на четырехшариковои машине трения стандартизован (ГОСТ 9490) и распространяется на жидкие и пластичные смазочные материалы. Критериями оценки служат: нагрузка сваривания (PJ, критическая нагрузка (PJ, индекс задира (Щ, показатель износа (Ди).
Для более глубокого изучения механизма действия ТСМ или присадок машину ЧМТ-1 дополнительно оснастили датчиками силы (тензометрическим) и перемещения (оптическим). Схема оснащения машины ЧМТ-1 показана на рис. 2.20.
Датчик силы позволяет в любой момент времени фиксировать силу трения, а датчик перемещения - диаметр пятна износа, что позволяет получать информацию о крутящем моменте и величине износа.
Вся информация о значениях момента трения и перемещений после обработки специальным процессором поступает в ПЭВМ и выдается в виде графиков и таблиц.
Кроме того, при определении критической нагрузки (PJ, индекса задира (Щ и показателя износа (Д по ГОСТ 9490 возможно производить оценку непосредственно силы и напряжения трения в реальном масштабе времени.
Метод определения тангенциальной (сдвиговой) прочности адгезионной связи смазочных материалов по ГОСТ 27640 основан на измерении силы проворачивания сферического индентора из инструментального материала (рис. 2.21), сжатого между двумя испытуемыми образцами 2, 3 из конструкционных материалов, при разных значениях сжимающей силы (Р) и, соответственно, фактического давления (р) на контакте [114]. Установка оснащена камерой нагрева до 1200С, а испытания проводят при различных нагрузках от большей нагрузки к меньшей.
Данная методика позволяет сделать оценку адгезионной совместимости пар трения в трибосопряжении как в присутствии ТСМ, так и без смазочного материала.
Исследования триботехнических свойств специальных технологических смазочных материалов (СТСМ) для бесфосфатного волочения
На первом этапе оценивалось влияние подготовки поверхности прутка на параметры процесса волочения. В качестве смазочного материала использовалась высокоэффективная технологическая смазочная среда Росойл-Шок.
Для осуществления этой цели были выбраны следующие варианты подготовки поверхности металла: - в состоянии поставки (калиброванный); - после токарной обработки (обточенный на линии «Кезерлинг»); - после дробеструйной обработки; - фосфатированный и омыленный.
Образцы представляют собой прутки диаметром 12 мм и длиной 350 - 600 мм из стали 20Г2Р. Степень относительной деформации составляла 5,23 и 35%, скорость деформирования 500 мм/мин. Результаты испытаний показаны на рис. 3.11.
Как видно из рис.3.11 наиболее эффективной подготовкой поверхности с точки зрения снижения силы волочения является дробеструйная обработка поверхности, которая снижает коэффициент трения и соответственно силу процесса по отношению к фосфатному покрытию на 5 - 10 %, к токарной обработке на 7 - 10%, к состоянию поставки на 15 - 25%.
На втором этапе работ были проведены исследования с целью выявления наиболее эффективного смазочного материала для каждого варианта подготовки поверхности. Были приготовлены три экспериментальных специальных технологических смазочных материала (СТСМ), отличающиеся физико-химическими свойствами. Результаты лабораторных исследований (см. рис. 3.12, 3.13, 3.14) показали, что для каждого варианта подготовки поверхности наиболее эффективной оказывалась своя СОТС. Например, использование смазки Э-3 наиболее эффективно на образцах, подвергнутых дробеметной обработке, но малоэффективно на точеных образцах и совершенно неэффективно на образцах в состоянии поставки.
В результате проведения лабораторных испытаний установлена возможность калибровки и волочения металла без фосфатирования.
После изготовления автоматической линии дробеструйной обработки стали (ДОС), схема и описание которой приведены ниже, были проведены сравнительные испытания смазочного материала Росойл-101 и сухого натриевого мыла.
Испытания показали, что при использовании сухого натриевого мыла, в сочетании с ДОС, происходит сильный разогрев волоки, в результате чего размер калиброванного металла выходит за пределы допуска даже в рамках одной бухты. При использовании смазочного материала Росойл-101 отмеченный недостаток , отсутствовал. Данный факт можно объяснить интенсивным охлаждением волоки и заготовки.
С целью повышения стойкости инструмента и возможности последующей бесфосфатного волочения были определены основные свойства смазочного материала, которые должны обеспечивать максимальный противозадирный, противоизносный и антифрикционный эффект.
Исследования проводили по методикам, описанным в главе 2. За базовую композицию был принят состав СТСМ Росойл-101, в который добавлялили различные функциональные присадки, в том числе и присадки высокого давления (ПВД), содержащие серу и хлор.
По результатам исследований видно, что состав Росойл-101 + 6% ГОД имеет наименьшее значение тп для всего исследованного диапазона нагрузок.
Аналогичные результаты (для состава Росойл-101 + 6% ГОД) были получены на четырехшариковой машине трения ЧМТ-1 и при осадке кольцевых образцов, а разработанная смазочная композиция получила название Росойл-101М. Результаты сравнительных исследований трибологических параметров контакта при использовании различных СТСМ на четырехшариковой машине трения ЧМТ-1 и при осадке кольцевых образцов приведены в таблице 17. [2, 3, 63,14,140,182].
Оценку вариантов подготовки поверхности с использованием различных СТСМ («фосфатирование + омыливание»; «ДОС + Росойл-101»; «ДОС + Росойл-ЮІМ») первоначально проводили в лабораторных условиях.
Для этого образцы прутков (с вышеуказанными вариантами подготовки поверхности) диаметром 5,6 мм и длиной 300 мм волочили со степенью деформации 23% и скоростью 500 мм/мин. После волочения из прутков были изготовлены цилиндрические образцы диаметром 4,9 мм и длиной 15 мм для оценки усилия выдавливания, выталкивания и напряжений трения по методу прямого выдавливания, который описан в главе 2. Выдавливание осуществляли с использованием СТСМ Росойл-ШОК со скоростью деформирования 100 мм/мин и относительной степенью деформации є = 40%.
Обоснование выбора композиций специальных технологических СОЖ(СТСОЖ) 204 Влияние СТ СОЖ на повышение скорости формирования внутренней резьбы бесстружечным метчиком
Оценку защитных свойств СОТС проводили согласно ГОСТ 9.054 «Методы ускоренных испытаний защитных свойств» в камере соляного тумана (метод 3) и в климатической камере в условиях периодической конденсации влаги (метод 1). В качестве образцов для испвтаний использовали пластинки из холоднокатаннои стали 20 размером 100x100x1мм. Технологические смазочные материалы (ТСМ) наносили окунанием пластин, затем образцы выдерживали на воздухе в течение 1 часа.
Защитные свойства в камере соляного тумана оценивали по времени до появления коррозии и по площади коррозионного поражения через каждые 2 часа при помощи трафарета из прозрачного стекла с нанесенной на него сеткой. Результаты сравнительных испытаний представлены на рис. 4.19 и в таблице 38.
Время до появления коррозии в камере составило: на пластинках покрытых ТСМ Росойл-ШОК 2 часа; Росойл-101- 2часа; Росойл-503- 4; Куртис-4; ХС-163 - 2 ; ПС-1- 2 ; МР-7- 2 ; Белойл- 2.
Площадь коррозионного поражения образцов после четырех часов испытаний составила на пластинках, покрытых ТСМ Росойл-ШОК- 88 %; Росойл-101- 85%; Росойл-503- 0.03%; Куртис- 6% ; ХС-163- 96%; ПС-1- 98%; МР-7-60%; Белойл - 80%.
В климатической камере испытания защитных свойств проводили в пачках (каждая пачка состояла из 3-х пластин) и оценивали эти свойства по времени до появления коррозии в условиях периодической конденсации влаги. Полученные результаты представлены на рис. 4.20 и в таблице 38.
Время до появления коррозии составило на образцах покрытых ТСМ Росойл-ШОК - 1 цикл; Росойл-101 - 1; Росойл-503- 28; Куртис-1; ХС-163 - 2; ПС-1-1 ; МР-7 - 4; Белойл-1.
Приведенные выше результаты испытаний показали, что технологический смазочный материал Росойл-503 обеспечивает значительно лучшие защитные свойства от коррозии по сравнению с другими смазочными технологическими смазочно-охлаждающими жидкостями. Это обстоятельство позволяет прогнозировать повышение качества резьбообработки при использовании в качестве СТ СОЖ Росойл-503.
1. На основании сертифицированного расчетного комплекса DYNA 3D разработана и реализована расчетная модель взаимодействия бесстружечного метчика и заготовки на стадии формирования внутренней резьбы с учетом коэффициента трения, изменяющегося при использовании различных СТ СОЖ.
2. Получены количественные критерии сравнения триботехнических характеристик СТ СОЖ при выдавливании внутренней резьбы.
3. Установлено:качественное соответствие выводов об эффективности СОЖ, полученных экспериментальным и расчетным методами; количественное соответствие между фактором трения и величинами нормальной и тангенциальной жесткости контактных элементов LS-DYNA 3D , что позволяет исследовать влияние вида СТ СОЖ методом количественного моделирования
4. Полученная смазочная композиция, имеющая товарный знак Росойл-503 и новизна которой подтверждена соответствующим патентом РФ, отвечает всем основным принципам и требованиям, предъявляемым к специальным технологическим смазочно-охлаждающим жидкостям (с учетом их применения в условиях механической обработки металлов).
5. Положительное влияние на противоизносные и противозадиристые свойства технологических смазочных материалов и жидкостей серии Росойл, в том числе Росойл-503, оказывают входящие в их состав химически активные серу- и хлорсодержащие присадки и поверхностно-активные вещества адсорбционного и хемосорбционного механизмов действия.
6. Применение СТ СОЖ Росойл-503 на операции выдавливания резьбы гаек позволяет повысить частоту вращения метчика Ml2 до 1400 об/мин при снижении силовых нагрузок, в то время как использование других СОТС на повышенных скоростях приводит к резкому увеличению силовых нагрузок или вообще не позволяет осуществить процесс выдавливания резьбы.
7. Применение на операции выдавливания резьбы в гайках в качестве СТ СОЖ Росойл-503 взамен Белойла: повышает износостойкость раскатников в 1,5 раз; увеличивает производительность резьбообразования в 2,38 раза; улучшает качество витков резьбы - отсутствуют на поверхности вырывы и налипы; микротвердость по сечению распределяется более равномерно; вершина оформляется с меньшими изъянами; повышает в десятки раз защитные свойства обработанной поверхности от коррозии; несколько повышает предел малоцикловой усталости; снижает в 1,4 раза энергозатраты. 8. Приведенные результаты испытаний показали, что технологический смазочный материал Росойл-503 обеспечивает значительно лучшие защитные свойства от коррозии по сравнению с другими СТ СОЖ, в том числе и с современными импортными ТСМ. Это обстоятельство позволят прогнозировать повышение качества резьбообработки при использовании Росойл-503 в качестве СТ СОЖ.
Токсиколого-гигиенические исследования показали, что разработанная СТ СОЖ Росойл-503 относиться к малотоксичным продуктам (4-го класса опасности) и может использоваться для производства и применения в промышленности, о чем свидетельствует полученный гигиенический сертификат.
