Разработка процессов и определение параметров изготовления осевого инструмента на основе пластической деформации

Актуальность темы

.

Использование в авиационных конструкциях высокопрочных и труднообрабатываемых сталей и сплавов требует применения в металлообработке инструментов, которые обладают высокими эксплуатационными свойствами. В настоящее время наряду с использованием износостойких покрытий для повышения стойкости инструментов перспективным направлением является применение механо-термической обработки для изготовления инструментов с высокими эксплуатационными свойствами. В связи с этим пластическая осадка с предварительным кручением может быть эффективно использована при разработке новых технологий изготовления инструментов из длинномерных цилиндрических заготовок проката.

Для улучшения свойств инструментальных сталей всё шире применяют современные технологические процессы, такие как электрошлаковый и электроннолучевой переплав, всестороннюю деформацию заготовок, термомеханическую обработку, методы поверхностной термообработки и др.

К числу наиболее перспективных и эффективных технологий относится предварительная механотермическая обработка (ПМТО). Она позволяет улучшить структурное состояние заготовки, поступающей в производство с металлургического предприятия и, при соответствующей схеме термической обработки, обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики инструмента. Высокая технологичность ПМТО позволяет использовать ее как операцию в общей технологии изготовления инструмента.

В машиностроении значительный удельный вес составляют осевые инструменты (фрезы, свёрла, зенковки, цековки и т. д.). Они изготавливаются из заготовок проката круглого сечения, для улучшения, структуры которых наиболее целесообразным является схема пластической деформации, при которой заготовка нагружается осевой силой и крутящим моментом. Такая схема характеризуется целым рядом, подтверждённых на практике, технологических эффектов.

В связи с выше изложенным, возникает необходимость изучения напряжённо-деформированного состояния и устойчивости длинномерной цилиндрической заготовки, подвергнутой осадке или осадке после кручения. Для реализации пластической осадки с кручением в производственных условиях необходимо разработать устройство (штамп), исключающее потерю устойчивости заготовки при сжатии. Для разработки технологии изготовления инструмента необходимо определить степень влияния пластической осадки и осадки после кручения на износостойкость и определить порядок термической обработки в общем, технологическом цикле. Для решения этих задач необходимо проведение экспериментальных исследований, результаты которых будут являться основой для разработки технологии изготовления инструментов с высокими эксплуатационными свойствами. Для проведения экспериментальных работ необходимо разработать методику исследования влияния пластической осадки и осадки после кручения цилиндрических заготовок на износостойкость инструментов.

Целесообразность разработки такой технологии диктуется широкой номенклатурой специального инструмента, изготавливаемого из цилиндрических заготовок проката.

Таким образом, для повышения эффективности и расширения технологических возможностей инструментов необходима разработка новых технологий, позволяющих улучшить структурное состояние заготовок, из инструментальной стали, и обеспечивающих изготовление инструментов с высокими эксплуатационными свойствами.

Для обоснования и реализации нового способа обработки давлением с использованием пластической осадки после кручения необходимо иметь решения соответствующих задач и конструкцию штамповой оснастки для пластического деформирования длинномерных цилиндрических заготовок без искривления.

Работа выполнена по договору о содружестве Воронежского государственного технического университета (ВГТУ) и Воронежского акционерного самолётостроительного общества (ВАСО). В соответствии с планом госбюджетной НИР Г. Б.2001.02 «Автоматизированное проектирование и оптимизация технологических операций и элементов конструкций» кафедры «Прикладная механика» Воронежского государственного технического университета.

Тема работы включена в основное научное направление ВГТУ «Компьютерная механика и автоматизированные системы проектирования технологий и конструкций машиностроения и аэрокосмической техники» .

Цель работы.

Разработка процессов и определение параметров изготовления осевого инструмента из длинномерных заготовок проката на основе пластической деформации, проектирование комплексной технологии изготовления инструментов с высокими износостойкими свойствами, а также создание научно обоснованных рекомендаций для проектирования штамповой оснастки.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи.

1. Исследовать технологические возможности процесса пластической осадки с предварительным кручением и разработать методику расчета поддерживающей нагрузки, позволяющей деформировать длинномерные цилиндрические заготовки из упрочняющегося материала без продольного изгиба.

2. Создать методику расчёта основных конструктивных параметров штампа и разработать конструкцию оснастки для реализации пластической осадки с предварительным кручением длинномерных заготовок без потери продольной устойчивости.

3. Исследовать влияние пластического деформирования осадкой с предварительным кручением в условиях механо-термической обработки на эксплуатационные свойства инструментов.

4. Разработать комплексную технологию изготовления осевых инструментов.

5. Внедрить результаты исследований в промышленность и учебный процесс.

Научная новизна. Научная новизна включает:

1. Исследовано напряженно-деформированное состояние при пластическом сжатии с предварительным кручением длинномерных заготовок на основе модели Г. Бакхауза, которое показало, что при наложении кручения при осадке и учете упрочняемости материала осевые усилия деформации снижаются.

2. Создана модель и исследована устойчивость длинномерных заготовок при пластической осадке с предварительным кручением, которая анализировалась на основе критерия положительности суммарной работы добавочных нагрузок с учётом упрочняемости деформируемого материала.

3. Разработан термомеханический способ обработки длинномерных заготовок проката, заключающийся в холодной пластической деформации таких заготовок, дорекристаллизационном нагреве с целью стабилизации деформированной структуры и последующей окончательной термической обработке.

4. Разработан эффективный способ пластической деформации заготовок, заключающийся в осадке с предварительным кручением до оптимальных значений, позволяющий повышать эксплуатационные свойства инструментов (патент РФ № 2 215 795).

5. Установлено оптимальное соотношение между сдвиговыми и линейными деформациями, которое определяет максимальное повышение стойкости инструментов из сталей 9ХС и ХВГ.

6. Определены оптимальные степени пластической деформации заготовок, при которых стойкость инструментов максимальна (патент РФ № 2 252 269).

7. Разработана новая технологическая схема штампа (патент РФ № 2 231 039) и создана методика расчета его конструктивных параметров, позволяющее реализовать пластическую осадку с предварительным кручением без продольного изгиба деформируемой заготовки.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1. Экспериментальные исследования позволяют обоснованно выбирать степени формоизменения исходной заготовки и прогнозировать высокие эксплуатационные свойства инструмента.

2. Использование разработанной математической модели описывающей поведение длинномерной заготовки при пластической деформации без потери устойчивости, позволяет определять конструктивные параметры специального штампа.

3. Разработанный технологический процесс, заключающийся в пластической осадке длинномерных заготовок с наложением кручения, дорекристаллизационном нагреве и полной последующей термической обработке, позволяет повысить стойкость различных видов осевого инструмента из сталей 9ХС и ХВГ в 2−2,5 раза, за счёт создания определённой микроструктуры в заготовках.

4. Разработанная комплексная технология изготовления осевого инструмента пластическим деформированием в условиях механо-термической обработки, прошла промышленные испытания при изготовлении двухсторонних концевых фрез и гладких калибров из инструментальных сталей 9ХС и ХВГ. В настоящее время разработанная технология внедрена в производство на ВАСО. Годовой экономический эффект от внедрения данной технологии составил 93 тыс. рублей.

5. Технология пластической осадки с кручением используется в учебном процессе по специальности 130 100 «Самолето — и вертолетостроение».

Методы исследований.

Аналитические методы исследования выполнены на основе энергетического критерия устойчивости. Эксперименты проводились на прессе П6328Б и на испытательной машине КМ-50 с использованием современной измерительной аппаратуры. Конструкция штамповой оснастки разрабатывалась с применением методов теории машин и механизмов. Обработка опытных данных осуществлялась с применением методов математической статистики с использованием ЭВМ IBM PC.

Достоверность результатов исследований обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задач, использованием современных надёжных и эффективных методов исследования и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов расчёта с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями. Научные положения и практические результаты подтверждены опытно-промышленными испытаниями изготовленных инструментов и тремя патентами РФ на изобретения.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на: о Международной научно-технической конференции «Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении» (ВГТУ-ВАСО, Воронеж, 2000 г.) — о Всероссийской научно-технической конференции «Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении (ВГТУ-ВАСО, Воронеж, 2001 г.) — о Международной научно-технической конференции.

Авиакосмические технологии" (ВГТУ-ВАСО, Воронеж, 2002 г.) — о Международной научно-технической конференции.

Авиакосмические технологии" (ВГТУ-ВАСО, Воронеж, 2003 г.) — о Международной научно-технической конференции «Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование обработки материалов давлением» (ТулГУ, Тула, 2004 г.) — о ежегодных научно-технических конференциях профессорскопреподавательского состава ВГТУ (г. Воронеж, 2000;2005г.) — о 5-м Всероссийском Форуме «Интеллектуальные ресурсы регионов.

России" (ЦНТИ, Ярославль, 2004 г.) — о 5-м Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, ВВЦ, 2005 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 16 публикациях (включая 3 патента на изобретение) в том числе 4 работы в изданиях рекомендованных ВАК РФ.

В патентах [5, 6, 7] согласно закону РФ «Об интеллектуальной собственности» каждый автор имеет равные права на изобретение. В работах опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата лично соискателю принадлежит: в [1, 9]-разработана технология механо-термической обработки для инструментальных сталейв [2]-представлена технологическая схема предварительной механо-термической обработкив [4]-разработана методика проведения экспериментав [8]-установлена зависимость стойкости от степени деформации для инструментов из стали Р6М5- в [10]-проведён анализ влияния карбидной неоднородности на износостойкостьв [13]-проведён анализ влияния холодной пластической осадки с кручением, на структурное состояние сталив [15]-разработана модель для определения минимального влияния поддерживающей нагрузки в момент потери заготовкой устойчивостив [16]-разработана математическая модель для расчета поперечной нагрузки при пластической осадке с кручением длинномерных заготовок.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов, библиографического списка из 78.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

В диссертационной работе разработан и научно обоснован новый способ повышения эффективности осевого режущего и мерительного инструмента, изготавливаемого из длинномерных цилиндрических заготовок пластической осадкой и осадкой с кручением. Создан технологический процесс и технологическое оснащение для его реализации.

Проведённые теоретические и экспериментальные исследования позволяют сформулировать следующие основные результаты и выводы.

1. Исследовано напряженно-деформированное состояние при пластическом сжатии с предварительным кручением длинномерных заготовок на основе модели Г. Бакхауза, которое показало, что при наложении кручения при осадке и учете упрочняемости материала осевые усилия деформации снижаются. Расхождение результатов теоретического расчета с экспериментальными данными при определении осевого усилия составляет <10%.

2.Создана модель и исследована устойчивость длинномерных заготовок при пластической осадке с предварительным кручением, которая анализировалась на основе критерия положительности суммарной работы добавочных нагрузок с учётом упрочняемости деформируемого материала. Установлено, что величина указанной нагрузки монотонно возрастает с увеличением степени пластической осадки, а учет упрочняемости материала повышает устойчивость заготовок.

3. Создана методика экспериментального определения поддерживающих нагрузок и разработано технологическое оснащение необходимое для практических исследований этих нагрузок. Экспериментальные и теоретические значения этих нагрузок расходятся <7%, что свидетельствует о правомерности используемых критериев.

4. Разработана технологическая схема специального штампа (патент РФ № 2 231 039), позволяющая реализовать в длинномерных заготовках, при пластической осадке с наложением кручения, достаточно низкую степень неоднородности деформации по высоте. Разработаны рекомендации по проектированию основных параметров штампа, обеспечивающих оптимальные степени деформации.

5. Создана методика расчета жёсткости упругого элемента штампа, который обеспечивает необходимую поддерживающую нагрузку при осадке, что позволяет деформировать заготовки без искривления.

6. Установлено, что наиболее эффективным видом пластической деформации, для получения высоких износостойких свойств инструментов в условиях предварительной механо-термической обработки инструментальных легированных сталей, является осадка с предварительным кручением (патент РФ № 2 252 269).

7. Определена оптимальная степень накопленной деформации (e"nm =0,40−0,43) при пластической осадке с предварительным кручением и оптимальное соотношение между угловой и осевой деформациями (с=1,44), в условиях предварительной механо-термической обработки, при которых стойкость инструментов из инструментальных легированных сталей возросла в 2−2,5 раза по сравнению с инструментами, изготовленными по традиционной технологии (патент № 2 215 795).

8. Создан комплексный технологический процесс изготовления осевых инструментов состоящий из пластической деформации заготовок проката путем осадки с предварительным кручением и термомеханического режима, позволяющего получать инструменты с высокими эксплуатационными характеристиками по сравнению с инструментами, изготовленными по существующей технологии.

9. На базе нового технологического процесса разработана промышленная технология изготовления двухсторонних концевых фрез и гладких калибров, которая внедрена в производство на ВАСО. Годовой экономический эффект от внедрения разработанной технологии составил 93 тыс. руб. по сравнению с базовым вариантом.